內容簡介
《全球導航衛星係統/航空航天工程類專業規劃教材》比較全麵地闡述瞭全球導航衛星係統(GNSS)各方麵的基本理論與應用。全書共分7章,前6章著重介紹GNSS的概述、理論及技術,最後1章介紹GNSS的應用。
《全球導航衛星係統/航空航天工程類專業規劃教材》在吸納團隊及他人成果的基礎上,加強瞭對GNSS知識體係、理論及應用的優化。書中深入淺齣地介紹瞭GNSS的起源、發展及各個係統的特色情況;比較全麵地闡述瞭GNSS時空係統、衛星運動理論及星座等基礎知識;對GPS、北鬥、GLONASS和伽利略係統的導航衛星信號編碼、接收等信號處理技術進行瞭討論;給齣瞭GNSS接收機常用觀測量及其影響因素,並說明瞭觀測量數據的組閤等價性;闡述瞭GNSS授時、定位、測速、測姿等基本功能的實現原理;較為詳細地介紹瞭各種GNSS差分增強技術;最後1章闡述瞭GNSS在海、陸、空、天及其它領域的應用情況。每章末尾均配有相關的思考題和參考文獻,可供讀者在學習中靈活應用。
《全球導航衛星係統/航空航天工程類專業規劃教材》是“自動控製係列課程國傢教學團隊”規劃教材和航空航天工程類專業規劃教材,凝聚瞭GNSS係列課程的國際化教學、雙語教學和中文教學的多年經驗積纍。
《全球導航衛星係統/航空航天工程類專業規劃教材》可作為衛星導航定位及相關領域的大學本科高年級學生或者研究生教材和參考書,也可以作為相關專業科研人員的自學和業務參考書。
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目錄
第1章 全球導航衛星係統概述
1.1 緒論
1.2 美國GPS概況
1.2.1 GPS的發展
1.2.2 GPS的組成結構
1.2.3 GPS的現代化
1.3 俄羅斯GLONASS概況
1.3.1 GLONASS發展曆程
1.3.2 GLONASS係統組成
1.3.3 CLONASS現代化
1.4 中國北鬥衛星導航係統概況
1.4.1 北鬥導航試驗係統
1.4.2 北鬥導航試驗係統原理與特點
1.4.3 北鬥衛星導航係統的發展
1.5 歐洲伽利略係統概況
1.5.1 伽利略計劃的背景情況
1.5.2 伽利略係統的整體架構
1.5.3 伽利略係統的特色
1.6 其他重要的區域導航衛星係統
1.6.1 日本準天項衛星係統
1.6.2 中國區域定位係統
1.6.3 印度區域導航衛星係統
1.7 本章小結
思考題
參考文獻
第2章 GNSS坐標及運動基礎知識
2.1 衛星運行的時間坐標係統
2.1.1 平太陽時、世界時、恒星時
2.1.2 原子時(AT)
2.1.3 協調世界時(UTC)
2.1.4 四大全球導航衛星係統的時間體係
2.1.5 地球動力學時(TDT)
2.2 衛星運行的空間坐標係統
2.2.1 基本概念
2.2.2 協議天球坐標係
2.2.3 協議地球坐標係
2.2.4 大地坐標係介紹
2.2.5 坐標係的轉化算法
2.3 衛星運動的物理理論基礎
2.3.1 開普勒定律
2.3.2 牛頓三大運動定律
2.3.3 多普勒效應
2.3.4 愛因斯坦相對論
2.4 衛星的無攝運動
2.4.1 導航衛星的運動方程求解
2.4.2 衛星運動的軌道參數
2.4.3 衛星的瞬時位置
2.4.4 衛星的運行速度
2.5 衛星的受攝運動
2.5.1 地球引力場攝動力對衛星軌道的影響
2.5.2 太陽、月亮引力對衛星軌道的影響
2.5.3 太陽光壓對衛星軌道的影響
2.5.4 相對論效應影響
2.6 衛星軌道與星座知識
2.6.1 衛星的工作區域
2.6.2 衛星軌道劃分及其特點
2.6.3 衛星星座基本構型及其約束
2.6.4 常見星座構型模型
2.7 本章小結
思考題
參考文獻
第3章 導航信號編碼、調製與接收
3.1 信息編碼基本原理
3.1.1 信息編碼及其特點
3.1.2 GPS的導航電文格式
3.1.3 GPS信號中的僞隨機碼及其特點
3.2 GPS的信號編碼及調製
3.2.1 衛星信號的BPSK調製方式
3.2.2 衛星信號的BOC調製方式
3.2.3 調製後的GPS信號匯總
3.3 GPS信號接收機對衛星信號的處理
3.3.1 接收機信號的處理流程
3.3.2 接收機對GPS信號的捕獲
3.3.3 接收機對GPS信號的跟蹤
3.3.4 GPS衛星星曆的用戶算法
3.4 北鬥係統的信號規範和導航電文
3.4.1 北鬥係統發布的信號規範
3.4.2 北鬥係統的導航電文
3.4.3 北鬥衛星係統的服務性能及其他說明
3.5 其他GNSS信號以及導航電文
3.5.1 GLONASS信號以及導航電文
3.5.2 GAULEO係統的信號特徵
3.6 GNSS信號處理技術的相關發展
3.6.1 GNSS信號接收機的軟件化
3.6.2 接收機射頻乾擾應對技術
3.6.3 GNSS的通信定位一體化趨勢
3.7 本章小結
思考題
參考文獻
第4章 接收機的觀測量及其性質
4.1 GNSS的時間概念
4.2 測碼僞距觀測量
4.2.1 測碼僞距觀測量
4.2.2 測碼僞距觀測方程
4.2.3 測碼僞距觀測方程的綫性化
4.3 測相僞距觀測量
4.3.1 載波相位觀測量與測相僞距觀測方程
4.3.2 測相僞距觀測方程的綫性化
4.3.3 整周模糊度及周跳
4.4 多普勒積分觀測量
4.5 對GNSS觀測量的物理影響
4.5.1 與衛星有關的誤差
4.5.2 與衛星信號傳播有關的誤差
4.5.3 多路徑效應影響
4.5.4 與接收設備有關的誤差
4.5.5 其他誤差來源
4.6 觀測量的數據組閤
4.6.1 數據組閤的基本模式
4.6.2 各種不同的數據組閤方式
4.6.3 組閤模式在TCAR整周模糊度求解中的應用
4.6.4 組閤算法與未組閤算法的等價性說明
4.7 本章小結
思考題
參考文獻
第5章 GNSS功能實現原理
5.1 GPS授時功能原理
5.1.1 單站測時法
5.1.2 共視測時法
5.1.3 各種測時方法精度對比
5.2 GNSS定位基本概念和原理
5.2.1 GNSS測碼僞距定位
5.2.2 GNSS測相僞距定位
5.2.3 導航衛星幾何分布及其對定位精度影響
5.3 GNSS載體速度測量原理
5.3.1 平均速度法
5.3.2 多普勒頻移法
5.4 GNSS測姿原理
5.4.1 單天綫測姿原理與算法
5.4.2 多天綫測姿原理與算法
5.5 GNSS演示試驗
5.5.1 GNSS軟件接收機定位演示試驗
5.5.2 GNSS應用軟件演示試驗
5.5.3 北鬥/GPS雙星座接收機演示試驗
5.6 本章小結
思考題
參考文獻
第6章 各類GNSS增強技術
6.1 差分GPS定位原理
6.1.1 僞距差分定位
6.1.2 載波相位差分定位
6.1.3 差分與非差分方法的等價性說明
6.1.4 GPS RTK工作原理
6.2 僞衛星增強技術
6.2.1 僞衛星技術背景及分類
6.2.2 僞衛星信號結構及其發射強度分析
6.2.3 僞衛星增強技術相關技術問題
6.3 星基差分增強係統
6.3.1 美國廣域差分增強係統(WAAS)
6.3.2 歐洲靜地導航重疊係統(EGNOS)
6.3.3 俄羅斯衛星差分校正和監測係統(SDCM)
6.3.4 日本多功能衛星的星基增強係統(MSAS)
6.3.5 美國NavCom公司的StarFire係統
6.4 基於衛星導航係統的CORS係統
6.4.1 世界主要CORS的發展現狀
6.4.2 CORS的構成和定位中的誤差源
6.4.3 世界主要CORS應用領域和特點
6.5 GNSS兼容互操作技術
6.5.1 GNSS係統的時間互操作
6.5.2 GNSS兼容互操作的難點和解決途徑
6.5.3 GNSS信號及其兼容接收機
6.6 GNSS完好性及其組閤導航技術
6.6.1 接收機自主完好性檢測(RAIM)
6.6.2 外部檢測站完好性檢測
6.6.3 多星座GNSS組閤導航性能分析
6.6.4 GNSS與其他係統的組閤應用
6.7 本章小結
思考題
參考文獻
第7章 GNSS的各類應用探討
7.1 衛星授時在電力係統中的應用
7.1.1 授時技術在電力係統中的應用
7.1.2 衛星時間同步裝置原理
7.1.3 高精度GNSS時間同步裝置設計應注意的問題
7.2 GNSS在大地測量方麵的應用
7.2.1 不同層次的GPS網應用實例
7.2.2 RTK技術的控製測量與測圖應用研究
7.2.3 基於GNSS的航空攝影測量
7.3 GNSS在車輛交通係統中的應用
7.3.1 自動車輛定位導航係統
7.3.2 基於GPS-GPRS的車載導航定位係統的應用
7.3.3 GNSS增強係統在智能交通應用發展
7.4 GNSS在航海中的應用
7.4.1 GNSS導航儀在航海中的航跡導航
7.4.2 北鬥係統的通信功能在航海方麵重要應用
7.4.3 DGPS在打撈殘骸過程中的定位應用
7.5 GNSS在航空航天方麵的應用
7.5.1 GNSS在航空航天中應用概述
7.5.2 GNSS主要軍事的應用領域
7.5.3 GNSS在精確打擊武器上的應用
7.6 GNSS在其他領域的應用
7.6.1 GNSS信號在大氣、海洋、陸麵遙感探測方麵的應用
7.6.2 GNSS在精密農業中的應用
7.6.3 GNSS在林業管理方麵的應用
7.7 本章小結
思考題
參考文獻
前言/序言
《全球導航衛星係統原理與應用》 一、 內容簡介 本書係統闡述瞭全球導航衛星係統(GNSS)的基本原理、關鍵技術、發展現狀以及在各個領域的廣泛應用。全書共分為十五章,內容涵蓋瞭GNSS的發展曆程、係統組成、信號結構、定位原理、誤差分析、接收機技術、差分技術、精密定位技術、多係統融閤、應用領域(如大地測量、測繪、交通運輸、精準農業、應急搜救、科學研究等),並對未來發展趨勢進行瞭展望。 第一章:全球導航衛星係統概述 本章將首先追溯GNSS的起源與發展曆程,簡要介紹GPS、GLONASS、Galileo、北鬥等主要衛星導航係統的演變。隨後,深入剖析GNSS的係統組成,包括空間段(導航衛星星座)、地麵控製段(主控站、注入站、監測站)以及用戶段(GNSS接收機)。在此基礎上,將詳細介紹GNSS的信號結構,包括導航電文的組成、僞隨機碼(PRN)的特性以及不同頻率(L1、L2、L5等)的意義。最後,提齣GNSS在現代社會中的重要性及其對國民經濟和國防安全的關鍵作用。 第二章:GNSS信號傳播與測量 本章深入探討GNSS信號在空間中的傳播過程,分析傳播路徑上的各種影響因素,如對流層延遲、電離層延遲、多路徑效應等,並介紹相應的模型和校正方法。重點講解GNSS接收機如何接收和處理衛星信號,詳細闡述測距僞碼(P(Y)碼、C/A碼)和載波相位(Carrier Phase)測量的原理及其精度差異。理解這些傳播特性和測量方法是進行後續定位解算的基礎。 第三章:GNSS定位原理 本章是GNSS係統的核心內容之一,詳細介紹基於僞碼和載波相位的兩種基本定位原理。僞碼測距定位(Pseudorange Positioning)通過測量衛星到接收機的距離,結閤三維空間坐標轉換,實現接收機的三維位置解算。載波相位差分定位(Carrier Phase Differential Positioning)利用載波相位測量的極高精度,通過差分技術消除或減弱係統誤差和環境誤差,實現厘米級甚至毫米級的定位精度。本章還將介紹不同導航係統(如GPS、GLONASS、Galileo、北鬥)在定位原理上的共性與差異。 第四章:GNSS誤差分析與校正 本章係統分析影響GNSS定位精度的各類誤差源,包括但不限於:衛星軌道誤差、衛星鍾差誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、多路徑效應、接收機硬件誤差、接收機噪聲以及大氣參數不確定性等。針對每一種誤差源,詳細介紹其産生機理,並闡述現有的誤差校正方法,包括廣播星曆/精密星曆的使用、差分校正技術、模型估計算法以及利用多係統融閤降低誤差等。 第五章:GNSS接收機技術 本章重點介紹GNSS接收機的硬件組成和軟件處理流程。硬件方麵,將深入探討天綫、射頻前端、基帶處理器、時鍾單元等關鍵組件的設計與性能。軟件方麵,將詳細介紹信號捕獲、跟蹤、僞距與載波相位測量、導航電文解碼、位置解算等核心算法。此外,還將討論接收機的多通道處理能力、抗乾擾能力以及不同類型接收機(如單頻、雙頻、多頻、OEM闆卡等)的特點和應用場景。 第六章:差分GNSS技術 本章詳細介紹差分GNSS(DGNSS)技術,這是提高GNSS定位精度的關鍵技術之一。首先闡述差分定位的基本原理,包括單差、周跳探測與修復、雙差的概念。隨後,深入介紹實時動態差分GNSS(RTK)的原理、係統組成(基站、流動站、數據鏈)及其實現高精度實時定位的流程。本章還將討論差分GNSS在不同應用場景下的技術細節和性能評估。 第七章:精密單點定位(PPP)技術 本章係統介紹精密單點定位(PPP)技術。PPP是一種無需基站、利用精密衛星軌道和鍾差産品,實現單接收機高精度定位的方法。詳細闡述PPP的工作原理,包括電離層和對流層延遲的精確建模、周跳探測與修復、以及精密軌道和鍾差産品的獲取與應用。本章還將討論PPP在不同應用領域的優勢、麵臨的挑戰以及RTK與PPP技術的比較。 第八章:多係統融閤導航技術 隨著多達四個獨立運行的GNSS係統的齣現,多係統融閤導航技術變得日益重要。本章將探討如何有效地融閤不同GNSS係統的觀測數據,以提高定位的可用性、可靠性和精度。詳細介紹多係統融閤的基本策略,如聯閤解算、多係統觀測值冗餘利用等。本章還將討論不同係統之間信號特性和時間基準的兼容性問題,以及融閤技術在復雜環境下(如城市峽榖、室內)的應用前景。 第九章:GNSS在測繪與地理信息係統中的應用 本章聚焦GNSS在傳統測繪和現代地理信息係統(GIS)中的核心應用。詳細介紹GNSS在地形測量、工程測量、地籍測量、不動産測繪等方麵的實際應用案例。討論如何利用GNSS數據進行地圖繪製、空間數據采集與更新,以及與GIS平颱的集成,實現地理信息的數字化、可視化和智能化管理。 第十章:GNSS在交通運輸中的應用 本章深入探討GNSS在汽車、航空、航海、鐵路等交通運輸領域的廣泛應用。包括:車載導航係統、車輛監控與管理、自動駕駛輔助係統、航空器的進近著陸與導航、船舶的航綫規劃與避碰、以及高速鐵路的精準調度與安全監控。重點分析GNSS技術如何提升交通係統的效率、安全性和智能化水平。 第十一章:GNSS在精準農業中的應用 精準農業是GNSS技術的重要應用領域之一。本章將詳細介紹GNSS如何應用於農田測繪、耕作、播種、施肥、植保、收割等農業生産的各個環節。重點闡述農機自動導航、變量作業、農田網格化管理等技術,以及GNSS在提高農業生産效率、節約農資投入、減少環境汙染方麵的作用。 第十二章:GNSS在應急搜救與災害監測中的應用 本章討論GNSS在提升應急搜救效率和災害監測能力方麵的關鍵作用。介紹GNSS在災區人員定位、物資調配、搜救路綫規劃中的應用。同時,詳細闡述GNSS技術在監測地震、滑坡、地麵沉降等災害活動中的作用,通過GNSS連續觀測,獲取地殼形變數據,為災害預警和風險評估提供重要依據。 第十三章:GNSS在科學研究中的應用 本章拓展GNSS在基礎科學研究中的應用。涵蓋GNSS在地球動力學研究(如闆塊運動、地殼形變)、大氣科學研究(如電離層建模、對流層濕度監測)、空間科學研究(如衛星軌道動力學、空間碎片監測)等方麵的應用。闡述GNSS作為一種新型的對地觀測手段,為地球科學研究提供瞭前所未有的觀測數據和研究工具。 第十四章:GNSS乾擾與抗乾擾技術 隨著GNSS應用的普及,其易受乾擾的問題也日益突齣。本章將係統分析GNSS信號的乾擾源,包括自然乾擾(如太陽活動、大氣乾擾)和人為乾擾(如惡意電子乾擾、欺騙乾擾、共生乾擾)。在此基礎上,詳細介紹現有的GNSS抗乾擾技術,如天綫陣列抑製乾擾、信號處理算法、軟件接收機濾波技術等。 第十五章:GNSS技術發展趨勢與展望 本章對GNSS技術的未來發展進行展望。內容包括:新一代導航衛星係統的演進與融閤、更高精度和更高可靠性定位技術(如RTK、PPP、多係統融閤)的進一步發展、GNSS與其他導航傳感器的融閤(如慣性導航係統、視覺導航、激光雷達)、以及GNSS在物聯網、自動駕駛、智能城市等新興領域的應用前景。強調GNSS作為時空信息基礎設施,將在未來社會發展中扮演更加重要的角色。 二、 適用對象 本書適用於高等院校航空航天工程、測繪工程、地理信息科學、交通工程、電子信息工程等相關專業高年級本科生、研究生,以及從事GNSS係統研發、應用、運營和管理工作的科研人員、工程師和技術人員。 三、 本書特色 係統性強: 內容全麵、邏輯清晰,從基礎原理到前沿應用,覆蓋GNSS知識體係的各個方麵。 理論與實踐結閤: 既有嚴謹的理論推導,也結閤瞭大量的實際應用案例,幫助讀者理解理論在實際中的應用。 前沿性: 緊跟GNSS技術發展步伐,涵蓋瞭最新的技術進展和應用方嚮。 圖文並茂: 配備大量圖錶和示意圖,幫助讀者直觀理解復雜概念。 專業性: 內容嚴謹,數據準確,適閤作為專業教材和參考書籍。