GPS/GNSS原理與應(yīng)用（第3版）

目 錄
第1章 引言 1
1.1 簡介 1
1.2 GNSS概述 1
1.3 全球定位系統(tǒng) 2
1.4 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 3
1.5 伽利略系統(tǒng) 4
1.6 北斗系統(tǒng) 5
1.7 區(qū)域系統(tǒng) 6
1.7.1 準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng) 6
1.7.2 印度導(dǎo)航星座（NavIC） 7
1.8 增強(qiáng)系統(tǒng) 7
1.9 市場與應(yīng)用 8
1.10 本書的結(jié)構(gòu) 9
參考文獻(xiàn) 12
第2章 衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ) 13
2.1 利用到達(dá)時(shí)間測量值測距的概念 13
2.1.1 二維定位 13
2.1.2 衛(wèi)星測距碼定位原理 15
2.2 參考坐標(biāo)系 17
2.2.1 地心慣性坐標(biāo)系 17
2.2.2 地心地固坐標(biāo)系 17
2.2.3 當(dāng)?shù)厍衅矫妫ó?dāng)?shù)氐仄剑┳鴺?biāo)系 19
2.2.4 本體框架坐標(biāo)系 20
2.2.5 大地（橢球）坐標(biāo) 21
2.2.6 高度坐標(biāo)與大地水準(zhǔn)面 22
2.2.7 國際地球參考框架 23
2.3 衛(wèi)星軌道基礎(chǔ) 24
2.3.1 軌道力學(xué) 24
2.3.2 星座設(shè)計(jì) 28
2.4 GNSS信號(hào) 33
2.4.1 射頻載波 33
2.4.2 調(diào)制 33
2.4.3 次級(jí)碼 36
2.4.4 復(fù)用技術(shù) 36
2.4.5 信號(hào)模型與特性 37
2.5 利用測距碼確定位置 41
2.5.1 確定衛(wèi)星到用戶的距離 41
2.5.2 用戶位置的計(jì)算 43
2.6 求解用戶的速度 45
2.7 頻率源、時(shí)間和GNSS 47
2.7.1 頻率源 47
2.7.2 時(shí)間和GNSS 53
參考文獻(xiàn) 53
第3章 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 55
3.1 概述 55
3.1.1 空間段概述 55
3.1.2 控制段概述 55
3.1.3 用戶段概述 56
3.2 空間段描述 56
3.2.1 GPS衛(wèi)星星座描述 56
3.2.2 星座設(shè)計(jì)指南 58
3.2.3 分階段發(fā)展的空間段 60
3.3 控制段描述 75
3.3.1 OCS的當(dāng)前配置 76
3.3.2 OCS的進(jìn)化 86
3.3.3 OCS未來計(jì)劃的升級(jí) 88
3.4 用戶段 89
3.4.1 GNSS接收機(jī)的特性 89
3.5 GPS大地測量和時(shí)標(biāo) 93
3.5.1 大地測量 93
3.5.2 時(shí)間系統(tǒng) 94
3.6 服務(wù) 94
3.6.1 SPS性能標(biāo)準(zhǔn) 95
3.6.2 PPS性能標(biāo)準(zhǔn) 97
3.7 GPS信號(hào) 99
3.7.1 傳統(tǒng)信號(hào) 99
3.7.2 現(xiàn)代化信號(hào) 110
3.7.3 民用導(dǎo)航（CNAV）和CNAV-2導(dǎo)航數(shù)據(jù) 116
3.8 GPS星歷參數(shù)和衛(wèi)星位置計(jì)算 120
3.8.1 傳統(tǒng)星歷參數(shù) 120
3.8.2 CNAV和CNAV-2星歷參數(shù) 121
參考文獻(xiàn) 123
第4章 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 126
4.1 簡介 126
4.2 空間段 127
4.2.1 星座 127
4.2.2 衛(wèi)星 128
4.3 地面段 131
4.3.1 系統(tǒng)控制中心 131
4.3.2 中央同步器 131
4.3.3 遙測、跟蹤和指揮 132
4.3.4 激光測距站 132
4.4 GLONASS用戶設(shè)備 132
4.5 大地測量學(xué)與時(shí)間系統(tǒng) 133
4.5.1 大地測量參考坐標(biāo)系 133
4.5.2 GLONASS時(shí)間 134
4.6 導(dǎo)航服務(wù) 135
4.7 導(dǎo)航信號(hào) 135
4.7.1 FDMA導(dǎo)航信號(hào) 135
4.7.2 頻率 136
4.7.3 調(diào)制 137
4.7.4 編碼特性 137
4.7.5 GLONASS P碼 138
4.7.6 導(dǎo)航電文 138
4.7.7 C/A碼導(dǎo)航電文 139
4.7.8 P碼導(dǎo)航電文 139
4.7.9 CDMA導(dǎo)航信號(hào) 140
致謝 142
參考文獻(xiàn) 142
第5章 伽利略系統(tǒng) 144
5.1 項(xiàng)目概述和目標(biāo) 144
5.2 伽利略系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 145
5.3 伽利略服務(wù) 145
5.3.1 伽利略開放服務(wù) 145
5.3.2 公共監(jiān)管服務(wù) 146
5.3.3 商業(yè)服務(wù) 146
5.3.4 搜索與救援服務(wù) 146
5.3.5 生命安全服務(wù) 146
5.4 系統(tǒng)概述 146
5.4.1 地面任務(wù)段 149
5.4.2 地面控制段 152
5.4.3 空間段 153
5.4.4 運(yùn)載火箭 158
5.5 伽利略信號(hào)特征 159
5.5.1 伽利略擴(kuò)頻碼和序列 161
5.5.2 導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu) 162
5.5.3 正向糾錯(cuò)編碼和塊交織 163
5.6 互操作性 164
5.6.1 伽利略大地參考坐標(biāo)系 164
5.6.2 時(shí)間參考坐標(biāo)系 164
5.7 伽利略搜索和救援任務(wù) 165
5.7.1 SAR/Galileo服務(wù)描述 165
5.7.2 歐洲SAR/Galileo覆蓋區(qū)域和MEOSAR環(huán)境 166
5.7.3 SAR/Galileo系統(tǒng)架構(gòu) 168
5.7.4 SAR頻率計(jì)劃 170
5.8 伽利略系統(tǒng)性能 172
5.8.1 授時(shí)性能 172
5.8.2 測距性能 173
5.8.3 定位性能 176
5.8.4 終運(yùn)營能力的預(yù)期性能 177
5.9 系統(tǒng)部署完成FOC的時(shí)間 178
5.10 FOC之后系統(tǒng)伽利略的發(fā)展 179
參考文獻(xiàn) 179
第6章 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 181
6.1 概述 181
6.1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介 181
6.1.2 北斗的發(fā)展歷程 182
6.1.3 BDS的特點(diǎn) 185
6.2 BDS的空間段 186
6.2.1 BDS星座 186
6.2.2 BDS衛(wèi)星 190
6.3 BDS控制段 191
6.3.1 BDS控制段的組成 191
6.3.2 BDS控制段的運(yùn)行 192
6.4 大地測量參考系和時(shí)間參考系 192
6.4.1 BDS坐標(biāo)系 192
6.4.2 BDS時(shí)間系統(tǒng) 193
6.5 BDS服務(wù) 193
6.5.1 BDS服務(wù)類型 193
6.5.2 BDS RDSS服務(wù) 194
6.5.3 BDS RNSS服務(wù) 195
6.5.4 BDS SBAS服務(wù) 197
6.6 BDS信號(hào) 197
6.6.1 RDSS信號(hào) 197
6.6.2 BDS區(qū)域系統(tǒng)的RNSS信號(hào) 198
6.6.3 BDS全球系統(tǒng)的RNSS信號(hào) 205
參考文獻(xiàn) 207
第7章 區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 209
7.1 準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng) 209
7.1.1 概述 209
7.1.2 空間段 209
7.1.3 控制段 211
7.1.4 大地測量和時(shí)間系統(tǒng) 213
7.1.5 服務(wù) 213
7.1.6 信號(hào) 214
7.2 印度導(dǎo)航星座 217
7.2.1 概述 217
7.2.2 空間段 218
7.2.3 NavIC控制段 219
7.2.4 大地測量和時(shí)間系統(tǒng) 221
7.2.5 導(dǎo)航服務(wù) 223
7.2.6 信號(hào) 223
7.2.7 應(yīng)用和NavIC用戶設(shè)備 224
參考文獻(xiàn) 225
第8章 GNSS接收機(jī) 228
8.1 概述 228
8.1.1 天線單元和電子設(shè)備 229
8.1.2 前端 230
8.1.3 數(shù)字存儲(chǔ)器（緩沖器和多路復(fù)用器）和數(shù)字接收機(jī)通道 230
8.1.4 接收機(jī)控制和處理、導(dǎo)航控制和處理 230
8.1.5 參考振蕩器和頻率合成器 230
8.1.6 用戶和/或外部接口 231
8.1.7 備用接收機(jī)控制接口 231
8.1.8 電源 231
8.1.9 小結(jié) 231
8.2 天線 231
8.2.1 所需屬性 232
8.2.2 天線設(shè)計(jì) 232
8.2.3 軸比 234
8.2.4 電壓駐波比 236
8.2.5 天線噪聲 237
8.2.6 無源天線 238
8.2.7 有源天線 238
8.2.8 智能天線 238
8.2.9 軍用天線 239
8.3 前端 239
8.3.1 功能描述 240
8.3.2 增益 241
8.3.3 下變頻方案 242
8.3.4 輸出到ADC 242
8.3.5 ADC、數(shù)字增益控制和模擬頻率合成器功能 243
8.3.6 ADC實(shí)現(xiàn)損耗及設(shè)計(jì)示例 244
8.3.7 ADC采樣率與抗混疊 247
8.3.8 ADC欠采樣 249
8.3.9 噪聲系數(shù) 251
8.3.10 動(dòng)態(tài)范圍、態(tài)勢感知及對(duì)噪聲系數(shù)的影響 251
8.3.11 與GLONASS FDMA信號(hào)的兼容性 253
8.4 數(shù)字通道 254
8.4.1 快速功能 254
8.4.2 慢速功能 267
8.4.3 搜索功能 271
8.5 捕獲 286
8.5.1 單次試驗(yàn)檢測器 286
8.5.2 唐檢測器 289
8.5.3 N中取M檢測器 291
8.5.4 組合唐與N中取M檢測器 293
8.5.5 基于FFT的技術(shù) 293
8.5.6 GPS軍用信號(hào)直捕 295
8.5.7 微調(diào)多普勒與峰值碼搜索 301
8.6 載波跟蹤 301
8.6.1 載波環(huán)鑒別器 302
8.7 碼跟蹤 306
8.7.1 碼環(huán)鑒別器 306
8.7.2 BPSK-R信號(hào) 308
8.7.3 BOC信號(hào) 310
8.7.4 GPS P(Y)碼無碼/半無碼處理 311
8.8 環(huán)路濾波器 311
8.8.1 PLL濾波器設(shè)計(jì) 313
8.8.2 FLL濾波器設(shè)計(jì) 314
8.8.3 FLL輔助PLL濾波器設(shè)計(jì) 314
8.8.4 DLL濾波器設(shè)計(jì) 315
8.8.5 穩(wěn)定性 315
8.9 測量誤差和跟蹤門限 323
8.9.1 PLL跟蹤環(huán)測量誤差 323
8.9.2 PLL熱噪聲 323
8.9.3 由振動(dòng)引起的振蕩器相位噪聲 325
8.9.4 艾倫偏差振蕩器相位噪聲 326
8.9.5 動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差 327
8.9.6 參考振蕩器加速度應(yīng)力誤差 327
8.9.7 總PLL跟蹤環(huán)測量誤差與門限 328
8.9.8 FLL跟蹤環(huán)測量誤差 330
8.9.9 碼跟蹤環(huán)測量誤差 331
8.9.10 BOC碼跟蹤環(huán)測量誤差 336
8.10 偽距、?偽距和積分多普勒的形成 337
8.10.1 偽距 338
8.10.2 偽距 347
8.10.3 積分多普勒 348
8.10.4 偽距載波平滑 349
8.11 接收機(jī)的初始工作順序 350
8.12 數(shù)據(jù)解調(diào) 352
8.12.1 傳統(tǒng)GPS信號(hào)解調(diào) 353
8.12.2 其他GNSS信號(hào)的數(shù)據(jù)解調(diào) 356
8.12.3 數(shù)據(jù)誤比特率比較 357
8.13 特殊的基帶功能 358
8.13.1 信噪功率比估計(jì) 358
8.13.2 鎖定檢測器 360
8.13.3 周跳編輯 365
參考文獻(xiàn) 371
第9章 GNSS擾亂 374
9.1 概述 374
9.2 干擾 374
9.2.1 干擾類型與干擾源 374
9.2.2 影響 377
9.2.3 干擾抑制 397
9.3 電離層閃爍 400
9.3.1 基礎(chǔ)物理 400
9.3.2 幅度衰落與相位擾動(dòng) 400
9.3.3 對(duì)接收機(jī)的影響 401
9.3.4 抑制 402
9.4 信號(hào)阻塞 402
9.4.1 植被 402
9.4.2 地形 403
9.4.3 人造建筑物 406
9.5 多徑 407
9.5.1 多徑特性及模型 408
9.5.2 多徑對(duì)接收機(jī)性能的影響 410
9.5.3 多徑抑制 416
參考文獻(xiàn) 417
第10章 GNSS誤差 420
10.1 簡介 420
10.2 測量誤差 420
10.2.1 衛(wèi)星鐘誤差 421
10.2.2 星歷誤差 424
10.2.3 相對(duì)論效應(yīng) 427
10.2.4 大氣效應(yīng) 429
10.2.5 接收機(jī)噪聲和分辨率 440
10.2.6 多徑與遮蔽效應(yīng) 440
10.2.7 硬件偏差誤差 441
10.3 偽距誤差預(yù)算 444
參考文獻(xiàn) 444
第11章 獨(dú)立GNSS的性能 446
11.1 簡介 446
11.2 位置、速度和時(shí)間估計(jì)的概念 446
11.2.1 GNSS中的衛(wèi)1