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第1章 绪论1

1.1 导航1

1.1.1 与导航相关的技术1

1.1.2 导航模式2

1.2 GNSS综述3

1.2.1 GPS3

1.2.2 全球轨道导航卫星系统（GLONASS）4

1.2.3 伽利略（Galileo）系统5

1.2.4 北斗（BeiDou-2）卫星导航系统7

1.3 惯性导航综述8

1.3.1 理论基础8

1.3.2 惯性传感器技术9

1.4 GNSS／INS组合综述23

1.4.1 卡尔曼滤波器的作用23

1.4.2 实现24

1.4.3 应用24

习题25

参考文献25

第2章 卫星导航系统基础28

2.1 导航系统研究28

2.1.1 不同于GNSS的系统28

2.1.2 比较准则28

2.2 卫星导航29

2.2.1 卫星轨道29

2.2.2 导航解算（二维实例）30

2.2.3 卫星选择和精度因子32

2.2.4 DOP的计算实例35

2.3 时间与GPS37

2.3.1 协调世界时（UTC）的产生37

2.3.2 GPS系统时37

2.3.3 接收机UTC的计算37

2.4 例子：无误差时用户位置计算38

2.4.1 用户位置计算38

2.4.2 用户速度计算40

习题41

参考文献42

第3章 惯性导航基础44

3.1 本章重点44

3.2 基本术语44

3.3 惯性传感器误差模型47

3.3.1 零均值随机误差48

3.3.2 固定型误差49

3.3.3 传感器误差稳定性50

3.4 传感器校准和补偿50

3.4.1 传感器偏差、尺度因子和错位51

3.4.2 其他校准参数52

3.4.3 校准参数的不稳定性54

3.4.4 GNSS之前的辅助传感器54

3.4.5 传感器性能范围55

3.5 地球模型55

3.5.1 陆地导航坐标系56

3.5.2 地球旋转56

3.5.3 重力模型57

3.6 硬件实现方法62

3.6.1 平衡环系统的实现方法63

3.6.2 浮台系统的实现方法65

3.6.3 旋转木马及分度法65

3.6.4 捷联系统66

3.6.5 捷联系统的旋转木马及分度66

3.7 软件实现方法67

3.7.1 一维的例子67

3.7.2 九维的初始化68

3.7.3 平衡环姿态的实现71

3.7.4 平衡环导航的实现72

3.7.5 捷联姿态的实现73

3.7.6 捷联导航的实现79

3.7.7 导航计算机和软件的需求81

3.8 INS性能标准82

3.8.1 自由惯性运行82

3.8.2 INS性能度量82

3.8.3 性能级别83

3.9 测试和评估83

3.9.1 实验室测试84

3.9.2 现场测试84

3.10 总结84

习题85

参考文献87

第4章 GNSS信号结构特征及信息利用88

4.1 原有GPS信号的成分、用途和特征88

4.1.1 原有GPS信号的数学信号模型88

4.1.2 导航数据格式91

4.1.3 GPS卫星位置的计算94

4.1.4 C／A码及其性能99

4.1.5 P（Y）码及其特性104

4.1.6 L1和L2载波105

4.1.7 发射功率电平106

4.1.8 自由空间及其他损耗因子106

4.1.9 接收信号功率106

4.2 GPS的现代化107

4.2.1 从现代化中受益的领域107

4.2.2 GPS现代化改进的基本内容108

4.2.3 L2民用（L2C）信号109

4.2.4 L5信号109

4.2.5 M码111

4.2.6 L1C信号112

4.2.7 GPS卫星系列113

4.2.8 GPS III113

4.3 GLONASS信号结构和特征113

4.3.1 频分多址（FDMA）信号114

4.3.2 CDMA现代化115

4.4 Galileo系统（Galileo）115

4.4.1 星座和服务等级116

4.4.2 导航数据和信号116

4.5 北斗系统117

4.6 准天顶卫星系统（QZSS）118

习题119

参考文献120

第5章 GNSS天线设计与分析123

5.1 应用123

5.2 GNSS天线性能特点123

5.2.1 尺寸和成本123

5.2.2 频率和带宽123

5.2.3 辐射图特性124

5.2.4 天线极化和轴比125

5.2.5 GNSS天线的指向、效率和增益127

5.2.6 天线阻抗、驻波比和回波损耗128

5.2.7 天线带宽129

5.2.8 天线噪声系数130

5.3 GNSS天线设计的电磁计算模型（CEM）131

5.4 GNSS天线技术132

5.4.1 偶极子GNSS天线132

5.4.2 GNSS贴片天线132

5.4.3 勘测级／参考GNSS天线139

5.5 自适应相控阵天线原理141

5.5.1 数字波束形成自适应天线阵公式143

5.5.2 STAP145

5.5.3 SFAP145

5.5.4 自适应相控阵天线的结构145

5.5.5 自适应相控阵天线的优点146

5.6 校准／补偿的应用考量146

习题148

参考文献149

第6章 GNSS接收机设计与分析153

6.1 接收机设计的选择153

6.1.1 GNSS所支持的应用153

6.1.2 单频或多频支持153

6.1.3 通道数154

6.1.4 码型选择155

6.1.5 差分性能155

6.1.6 辅助输入156

6.2 接收机结构157

6.2.1 射频（RF）前端157

6.2.2 下变频及中频放大159

6.2.3 模数转换与自动增益控制160

6.2.4 基带信号处理161

6.3 信号捕获与跟踪161

6.3.1 对用户位置的假定162

6.3.2 关于可视卫星的假定162

6.3.3 信号多普勒估计162

6.3.4 在频率和C／A码相位范围内搜索信号163

6.3.5 信号检测与确认166

6.3.6 码跟踪环168

6.3.7 载波相位跟踪环172

6.3.8 位同步175

6.3.9 数据位解调175

6.4 用户解算所需信息的提取176

6.4.1 信号发射时间信息176

6.4.2 卫星位置和速度的星历数据176

6.4.3 利用码相位的伪距测量公式177

6.4.4 利用载波相位的测量178

6.4.5 载波多普勒测量179

6.4.6 积分多普勒测量180

6.5 伪距、载波相位和频率估计的理论考虑181

6.5.1 码相位测量的理论误差限182

6.5.2 载波相位测量的理论误差限182

6.5.3 频率测量的理论误差限183

6.6 高灵敏度A-GPS系统185

6.6.1 辅助数据如何改进接收机性能185

6.6.2 高灵敏度接收机的影响因素188

6.7 软件无线电（SDR）方法190

6.8 伪卫星的考虑190

习题191

参考文献193

第7章 GNSS数据误差197

7.1 数据误差197

7.2 电离层传播误差197

7.2.1 电离层延迟模型198

7.2.2 GNSS SBAS电离层算法200

7.3 对流层传播误差207

7.4 多径问题208

7.5 多径抑制方法210

7.5.1 空间处理技术210

7.5.2 时域处理技术212

7.5.3 多径消除技术215

7.5.4 时域方法的性能222

7.6 多径消除的理论极限224

7.6.1 估计理论方法224

7.6.2 MMSE估计器225

7.6.3 多径建模误差225

7.7 星历数据误差225

7.8 星载时钟误差226

7.9 接收机时钟误差227

7.10 选择可用性误差228

7.11 误差预估计228

习题229

参考文献230

第8章 差分GNSS233

8.1 简介233

8.2 局域差分GNSS（LADGNSS）、广域差分GNSS（WADGNSS）和天基增强系统（SBAS）233

8.2.1 LADGNSS233

8.2.2 WADGNSS234

8.2.3 SBAS234

8.3 GEO L1L5信号238

8.3.1 概述238

8.3.2 GEO上行链路子系统类型1（GUST）控制环240

8.4 GUS时钟控制算法244

8.4.1 接收机时钟误差的确定246

8.4.2 时钟驱动控制定律247

8.5 GEO轨道的确定（OD）249

8.6 地基增强系统（GBAS）254

8.6.1 区域增强系统（LAAS）254

8.6.2 联合精密进近着陆系统（JPALS）254

8.6.3 增强的远距离导航（eLoran）255

8.7 基于相对测量的DGNSS255

8.7.1 码差分测量255

8.7.2 载波相位差分测量256

8.7.3 利用双差测量的定位258

8.8 GNSS精确单点定位服务及产品259

8.8.1 国际GNSS服务（IGS）259

8.8.2 持续运行的参考站（CORS）259

8.8.3 GPS推断定位系统（GIPSY）和轨道分析仿真软件（OASIS）259

8.8.4 澳大利亚的在线式GPS处理系统（AUPOS）260

8.8.5 Scripps坐标更新工具（SCOUT）260

8.8.6 在线定位用户服务（OPUS）260

习题261

参考文献261

第9章 GNSS和GEO信号完好性264

9.1 引言264

9.1.1 距离比较法265

9.1.2 最小二乘法265

9.1.3 等价法266

9.2 SBAS和GBAS完好性设计267

9.2.1 SBAS误差源和完好性威胁268

9.2.2 与GNSS相关的误差269

9.2.3 与GEO相关的误差271

9.2.4 接收机和测量处理误差271

9.2.5 估计误差272

9.2.6 与完好性界限相关的误差273

9.2.7 GEO上行链路误差274

9.2.8 完好性威胁的消除274

9.3 SBAS实例279

9.4 总结281

9.5 未来：GIC281

习题281

参考文献281

第10章 卡尔曼滤波284

10.1 简介284

10.1.1 什么是卡尔曼滤波器284

10.1.2 卡尔曼滤波器如何工作285

10.1.3 如何应用卡尔曼滤波器286

10.2 卡尔曼滤波器修正更新287

10.2.1 卡尔曼增益推导287

10.2.2 利用卡尔曼增益的估计修正295

10.2.3 用于使用测量值的协方差修正295

10.3 卡尔曼滤波器预测更新295

10.3.1 连续时间随机系统295

10.3.2 离散时间随机系统300

10.3.3 离散时间状态空间模型301

10.3.4 动态扰动噪声分布矩阵302

10.3.5 预测器方程302

10.4 卡尔曼滤波方程总结303

10.4.1 基本方程303

10.4.2 常用术语303

10.4.3 数据流图304

10.5 对时间相关噪声的适应性305

10.5.1 相关噪声模型305

10.5.2 传感器噪声的经验模型307

10.5.3 增广状态向量309

10.6 非线性和自适应的实现310

10.6.1 线性近似误差的评估310

10.6.2 非线性动态315

10.6.3 非线性传感器315

10.6.4 线性卡尔曼滤波316

10.6.5 扩展卡尔曼滤波317

10.6.6 自适应卡尔曼滤波318

10.7 卡尔曼－布西滤波器（KALMAN-BUCYFILTER）319

10.7.1 实现方程320

10.7.2 卡尔曼－布西滤波器参数320

10.8 GNSS主载体跟踪滤波器321

10.8.1 载体跟踪滤波器321

10.8.2 信息的动态稀释321

10.8.3 载体跟踪专用滤波器323

10.8.4 载体跟踪滤波器比较332

10.9 其他实现方法334

10.9.1 斯密特－卡尔曼次优滤波334

10.9.2 串行测量处理337

10.9.3 改进数值稳定性338

10.9.4 卡尔曼滤波器监控341

10.10 总结345

习题345

参考文献347

第11章 惯性导航系统误差分析350

11.1 本章重点350

11.2 导航解中的误差351

11.2.1 9个核心INS误差变量351

11.2.2 用于INS误差分析的坐标系351

11.2.3 模型变量和参数352

11.2.4 动态耦合机制356

11.3 导航误差动力学358

11.3.1 速度积分产生的误差动态359

11.3.2 重力计算产生的误差动态360

11.3.3 科里奥利加速度引起的误差动态361

11.3.4 离心加速度引起的误差动态362

11.3.5 地球速率调平引起的误差动态363

11.3.6 速度调平引起的误差动态363

11.3.7 加速度和错位引起的误差动态364

11.3.8 所有效应的综合模型365

11.3.9 垂直导航不稳定性367

11.3.10 舒勒振荡371

11.3.11 核心模型的校验与调整372

11.4 惯性传感器噪声373

11.5 传感器补偿误差374

11.5.1 概述374

11.5.2 传感器补偿误差模型375

11.6 软件源379

11.7 总结380

习题381

参考文献382

第12章 GNSS／INS组合383

12.1 本章重点383

12.1.1 目标383

12.1.2 内容顺序384

12.2 GNSS／INS组合综述384

12.2.1 历史背景384

12.2.2 松／紧分级385

12.2.3 统一导航模型387

12.3 GNSS／INS组合的统一模型388

12.3.1 GNSS误差模型388

12.3.2 INS误差模型390

12.3.3 GNSS／INS391

12.4 性能分析393

12.4.1 动态仿真模型393

12.4.2 结果394

12.5 其他组合问题397

12.5.1 天线／ISA偏移修正397

12.5.2 轨迹对性能的影响398

12.6 总结399

习题400

参考文献400

附录A 软件401

A.1 软件源401

A.2 第3章的软件401

A.3 第4章的软件402

A.4 第7章的软件402

A.5 第10章的软件402

A.6 第11章的软件403

A.7 第12章的软件404

A.8 历书／星历数据源404

附录B 坐标系统及其变换405

B.1 坐标变换矩阵405

B.1.1 符号405

B.1.2 定义405

B.1.3 单位坐标向量406

B.1.4 方向余弦406

B.1.5 坐标变换合成407

B.2 惯性基准方向407

B.3 取决于应用的坐标系407

B.3.1 笛卡儿坐标和极坐标408

B.3.2 天体坐标系408

B.3.3 卫星轨道坐标系409

B.3.4 ECI坐标系410

B.3.5 ECEF坐标系410

B.3.6 椭球曲率半径417

B.3.7 本地切平面（LTP）坐标系417

B.3.8 RPY坐标系420

B.3.9 载体姿态的欧拉角420

B.3.10 GNSS导航坐标系422

B.4 坐标系变换模型424

B.4.1 欧拉角424

B.4.2 旋转向量425

B.4.3 方向余弦矩阵438

B.4.4 四元数442

B.5 旋转坐标系中的牛顿力学446

B.5.1 旋转坐标系446

B.5.2 矩阵乘积的时间微分447

B.5.3 离心和科里奥利加速度求解447

缩略语448