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第1章 绪论1

1.1 GNSS发展历史1

1.2 现代卫星导航系统2

1.2.1 GPS卫星导航系统2

1.2.2 GLONASS卫星导航系统5

1.2.3 Galileo卫星导航系统6

1.2.4 北斗卫星导航系统7

1.3 GNSS高精度定位应用8

1.3.1 走向高频8

1.3.2 从误差源到信息源8

1.3.3 单天线扩展到多天线9

1.3.4 多技术融合9

1.3.5 高精度动态应用10

1.3.6 GNSS无线电掩星探测11

第2章 GNSS信号构成12

2.1 GPS信号构成12

2.1.1 载波12

2.1.2 伪码13

2.1.3 数据码16

2.1.4 导航电文17

2.2 其他导航系统的信号构成18

2.2.1 GLONASS卫星信号18

2.2.2 Galileo系统的信号构成19

2.2.3 北斗导航系统20

第3章 GNSS信号的基本特征和传播22

3.1 电磁波信号的物理特征22

3.1.1 麦克斯韦方程组和平面电磁波22

3.1.2 电磁波的频率特征26

3.1.3 电磁波的极化特征27

3.1.4 电磁波的干涉和衍射28

3.1.5 电磁波的多普勒效应29

3.2 GNSS信号的传播：从自由空间到地面30

3.2.1 GNSS信号在电离层中的传播30

3.2.2 GNSS信号在对流层中的传播38

3.2.3 GNSS信号在地面的广义多路径效应51

计算和思考63

第4章 卫星信号处理65

4.1 GNSS接收机捕获原理65

4.1.1 串行捕获算法66

4.1.2 基于FFT／IFFT的并行捕获算法68

4.1.3 弱信号的捕获算法70

4.2 GNSS接收机跟踪原理74

4.2.1 载波跟踪算法74

4.2.2 码跟踪算法83

4.3 软件接收机系统设计与分析86

4.3.1 系统总体架构87

4.3.2 射频信号接收硬件设计与分析87

第5章 地面接收端产生的误差94

5.1 卫星和接收机天线相位中心偏差94

5.1.1 微波暗室测定95

5.1.2 室外机器人测定96

5.1.3 室外短基线测定97

5.2 多路径误差100

5.2.1 多路径误差定义100

5.2.2 多路径特征100

5.2.3 多路径消除方法概述103

5.3 接收机钟差和周跳105

5.3.1 接收机钟误差105

5.3.2 接收机周跳105

5.4 空基和地基相位缠绕106

5.4.1 相位缠绕效应106

5.4.2 空基相位缠绕107

5.4.3 地基相位缠绕107

第6章 卫星数据压缩与传输112

6.1 数据压缩基本原理与信息熵112

6.1.1 数据压缩的信息论基础112

6.1.2 信息熵与冗余度113

6.1.3 数据压缩的性能指标和标准115

6.2 卫星信号压缩技术116

6.2.1 有损压缩116

6.2.2 无损压缩117

6.2.3 GNSS数据的Hatanaka压缩118

6.3 接收机输出的数据传输121

6.3.1 TCP／IP协议的层次结构121

6.3.2 IP协议122

6.3.3 TCP协议124

6.3.4 TCP／IP协议在卫星数据传输中的应用129

6.4 基于UDP的卫星数据传输129

6.4.1 UDP通信协议概述130

6.4.2 UDP数据报格式130

6.4.3 UDP基本工作过程132

第7章 坐标系统和时间系统134

7.1 坐标系统134

7.1.1 地心坐标系135

7.1.2 地理坐标系135

7.1.3 测站坐标系136

7.1.4 卫星固连坐标系136

7.1.5 我国采用的高斯平面坐标系和高程系统137

7.1.6 空间坐标与高斯平面坐标的转换138

7.1.7 大地参考系统和大地参考框架141

7.1.8 国际大地参考框架141

7.1.9 ITRF实现的难点143

7.2 时间系统146

7.2.1 时间系统的定义147

7.2.2 时间系统之间的转换149

7.2.3 GNSS时间系统151

7.2.4 守时和授时152

计算和思考153

第8章 GNSS高精度定位原理154

8.1 GNSS观测量154

8.1.1 伪距测量及其观测方程154

8.1.2 载波相位测量及其观测方程154

8.1.3 观测方程的线性组合157

8.2 误差改正158

8.2.1 对流层延迟误差改正159

8.2.2 电离层延迟误差改正160

8.2.3 与卫星有关的误差161

8.2.4 测站相关修正163

8.2.5 多路径效应的实时模型改正165

8.3 单站精密单点定位167

8.3.1 单站精密单点定位的函数模型167

8.3.2 单站精密单点定位的随机模型169

8.3.3 单站精密单点定位的参数估计方法170

8.4 多系统精密单点定位174

8.4.1 GPS／GLONASS综合数据处理统一模型174

8.4.2 GPS／GLONASS系统时延偏差176

8.4.3 频间差特性分析179

8.5 载波相位差分技术182

8.6 观测值中的周跳检测189

8.6.1 多频周跳探测算法189

8.6.2 单频周跳探测算法195

8.7 整周模糊度估计算法196

8.7.1 参数估计理论和FARA算法196

8.7.2 最小二乘模糊度搜索算法199

8.7.3 Z变换和LAMBDA算法200

第9章 GNSS定向测姿原理205

9.1 GNSS定向测姿的需求205

9.2 GNSS定向测姿的基本原理206

9.3 共用时钟GNSS多天线接收机的定向测姿技术208

9.3.1 共用时钟GNSS多天线接收机测姿原理208

9.3.2 测姿算法中单差和双差等价性讨论209

9.3.3 单差模糊度估计的ASA算法213

9.4 GNSS／INS紧耦合定位定向测姿的基本原理216

9.4.1 GNSS／INS紧耦合数学模型216

9.4.2 INS误差状态方程217

9.4.3 GNSS／INS紧组合系统的状态方程218

9.4.4 GNSS／INS紧耦合系统观测方程219

9.5 GNSS单天线伪姿态角定向测姿的基本原理224

9.5.1 伪姿态角计算方法224

9.5.2 伪姿态角方法应用225

计算和思考226

第10章 GNSS数据分析的算法原理227

10.1 平差估计和滤波估计227

10.1.1 最小二乘估计227

10.1.2 序贯最小二乘估计230

10.1.3 类观测和约束231

10.2 参数的隐式解和矩阵的分块约化234

10.3 考察矩阵和缩放敏感矩阵237

10.4 Kalman滤波240

10.4.1 Kalman滤波基本方程240

10.4.2 Kalman滤波的扩展：AKF、EKF和UKF243

10.4.3 Kalman滤波下的残差平方和增量247

10.5 广义约束理论248

10.6 最少约束、内约束和参考框架确定250

10.7 区域滤波、共模误差和主分量分析253

10.7.1 共模误差（CME）253

10.7.2 区域滤波和主分量分析（PCA）254

10.7.3 独立分量分析（ICA）260

10.7.4 奇异谱（SSA）和多通道奇异谱（MSSA）分析263

10.8 噪声模型和噪声分析265

10.9 对高度相关参数和统计理论的新挑战269

计算和思考272

参考文献273