数字卫星导航与地球物理学：GNSS信号模拟器与接收机实验室实践指南 [Digital satellite navigation and geophysics: a practical guide with GNSS signal simulator and receiver laboratory] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[俄] 伊万·G.彼得罗夫斯基（Ivan·G.Petrovski），[日] 敏明辻井（Tlshiaki Tsujii） 著，王伯昶，王继祥，任翔宇 译

图书标签:

• GNSS
• 卫星导航
• 地球物理学
• 信号处理
• GNSS信号模拟器
• 接收机
• 实验室实践
• 定位
• 导航
• 地球科学

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118110258

版次：1

商品编码：12258313

包装：平装

丛书名： 高新科技译丛

外文名称：Digital satellite navigation and geophysics: a practical guide with GNSS signal simulator and receiver labor

内容简介

　　《数字卫星导航与地球物理学：GNSS信号模拟器与接收机实验室实践指南》内容是关于全球导航卫星系统（GNSS），涉及两个主要设备——接收机和模拟器，以及它们的应用。书中的内容都是基于现有的实时软件GNSS接收机和GNSS信号模拟器，这些工具的学术版随书免费赠送，读者可用于学习与研究。
　　GNSS或许不是人类不同技术成就结合的成果。为了了解一个系统，需要从宽广的视野观察它。因此，我们通常试图从不同的方面提出GNSS的理论，不仅能让大家了解GNSS，而且可以让其他领域的专家很好地应用。

内页插图

目录

第1章 导航卫星的定位方法
1．1 全球和区域卫星导航系统
1．1．1 GPS
1．1．2 GLONASS
1．1．3 “伽利略”系统
1．1．4 区域卫星系统
1．1．5 GNSS的组成
1．2 导航和大地测量中的定位任务
1．3 参考坐标系
1．3．1 地心惯性坐标系
1．3．2 地心地固坐标系
1．3．3 大地球面坐标系
1．3．4 球面坐标系的发展计划
1．4 时间基准和守时
1．5 准确度、精度和正态分布
1．5．1 正态分布的重要性和缺陷
1．5．2 准确度的度量
1．6 利用卫星和GNSS方程定位的原理
1．7 泰勒理论和GNSS方程的线性化
1．8 最小二乘估计
1．8．1 最小二乘估计原理
1．8．2 协方差的传递和精度因子(DOP)
1．8．3 最小二乘估计的实现
1．8．4 班克罗夫特的解析解法
1．9 完好性监测
1．9．1 大地测量和导航任务中的冗余技术
1．9．2 接收机自主完好性监测(RAIM)
1．10 GNSS定位的非线性问题
1．10．1 实际应用中的非线性问题
1．10．2 求解非线性GNSS任务的方法
1．10．3 解决非线性GNSS任务的解析方法
参考文献
习题

第2章 GNSS轨道的分类和应用
2．1 从托勒密到爱因斯坦的天体运动模型发展
2．2 用开普勒参数描述轨道运动
2．2．1 开普勒参数
2．2．2 通过开普勒参数计算卫星的位置
2．3 GPS导航电文中的轨道参数
2．4 GNSS卫星星历
2．4．1 密切开普勒参数
2．4．2 GPS星历
2．5 轨道参数列表
2．5．1 广播GLONASS星历
2．5．2 大地测量中表格化的轨道参数
2．5．3 导航中表格化的轨道参数
2．5．4 笛卡儿坐标系中开普勒参数的计算
2．6 卫星时钟
2．7 开普勒历书在星座分析中的应用
2．7．1 GNSS历书的实现
2．7．2 案例研究：基于历书的轨道类型和导航卫星星座分析
2．8 外力模型
2．8．1 地球位势球形谐波
2．8．2 其他外力的影响
2．9 卫星最终都到哪里去了?卫星的生命周期和太空垃圾的危害
参考文献
习题

第3章 用发射机和模拟器产生GNSS信号
3．1 卫星导航中的扩频信号
3．1．1 扩频的概念与优点
3．1．2 GNSS信号的中心频率
3．1．3 GPS信号的产生
3．1．4 GLONASS开放性接入信号的生成
……
第4章 大气层信号传播
第5章 接收机前端
第6章 基于PC的实时基带处理器
第7章 多径
第8章 全球导航卫星系统观测的优化
第9章 观测值在导航任务中的应用
第10章 GNSS信号的电磁闪烁
第11章 利用GNSS信号的地球物理测量
第12章 INS辅助基带和导航信号处理
下一步计划：射频实验室

前言/序言

　　本书内容是关于全球导航卫星系统（GNSS），涉及两个主要设备——接收机和模拟器，以及它们的应用。书中的内容都是基于现有的实时软件GNSS接收机和GNSS信号模拟器，这些工具的学术版随书免费赠送，读者可用于学习与研究。
　　GNSS或许不是人类不同技术成就结合的唯一成果。为了更好地了解一个系统，需要从宽广的视野观察它。因此，我们通常试图从不同的方面提出GNSS的理论，不仅能让大家更好地了解GNSS，而且可以让其他领域的专家很好地应用。
　　本书的章节结构如图0.1所示。第1章描述了利用GNSS的通用方法。第2章介绍了GNSS卫星和轨道构成。第3章讨论了GNSS信号及其在卫星、模拟器和伪卫星中如何产生。第4章、第7章和第10章描述了GNSS信号传播问题。其中：第4章主要讲述GNSS信号与其他电磁信号的关系，以及对信号传播的特殊影响；第7章主要涉及多径问题；第10章专注于信号抖动这一有趣的问题。第5章和第6章详细描述了GNSS软件接收机和基带信号处理器。第8章讨论了多种GNSS观测的建立和改进问题。第9章、第ll章、第12章讨论了这些观测如何应用在导航和地球物理学中。进入到了应用状态，不仅可以提供足够的覆盖，而且在L2和L3频段发射新的信号。即使在GLONASS部分可用期间，它也一直应用于大地测量中。目前，GLO-NASS已经应用于手机、汽车导航等市场。本书讨论“伽利略”卫星导航系统的篇幅有限，因为我们认为该系统没有完全建成，其信号结构、设计甚至是一些概念，特别是相关的开放性和信号接入限制也许都不会改变。但我们认为本书也为从事“伽利略”系统应用研究的读者提供了足够的GNSS信息。
　　本书的创新主要体现在以下几个方面：
　　（1）我们已经尝试在实践和系统设计上更接近于GNSS理论和技术，在实验基础上，开发了可使用的软件，研制了应用在航空领域的GNSS接收机和信号模拟器。
　　（2）本书附带有免费学术版的实时软件接收机和信号模拟器。
　　（3）为有兴趣的用户展示了可用的、与赠送软件匹配的硬件。例如，获赠软件的用户可以利用实际卫星实时定位。
　　（4）书中网站提供预录的飞行测试数据，包括GPS信号记录和相对应的惯性导航系统（INS）原始数据输出，读者按照本书的例子和方案用接收机处理这些数据。
　　（5）本书中还给出了GNSS信号模拟器的设计，通过介绍GNSS模拟器的工作流程，也相应地描述了实时卫星的工作流程。信号模拟器广泛应用于系统研发、测试和制造中。
　　（6）我们也尽量提高本书的趣味性，在GNSS的哲学和物理背景中隐藏着许多有趣的事实，很少有或根本没有人去讨论这些。
　　（7）我们也试图调整本书的结构，使之尽可能对学生和有经验的工程师都一样有用，本书包含了有助于深入理解GNSS的必要资料。
　　（8）本书针对不同的重要现象尽量给出清晰的物理解释，例如：为什么GNSS的码延迟和相位超前的数值相等而符号相反，为什么电离层闪烁的幅度和相位的互相关是负数，等等。
　　最后，我们要感谢那些帮助过我们的朋友和同事们。首先我们感谢为本书提供资料的朋友和同事们，特别是：
　　（1）Rakon公司的Graham Ockleston先生，他不断给予了专业性很强的支持，并提供了直观的资料。
　　（2）奎介松永先生、北斋藤进博士和许多工作在电子导航研究所（ENRI）的同事，他们为我们提供了电磁闪烁条件下的GPS测试数据和一些有用的讨论结果。
　　（3）国家信息与通信技术研究所的拓哉津川博士，泰国孟克国王理工学院的PornchaiSupnithi教授，泰国朱拉隆功大学（Chulalongkorn University）的Chalemcho“Satirapod教授。在研究电离层理论时得到了他们的帮助。
　　（4）中国台湾的陈红跃博士和安藤正孝教授，日本静冈大学的良也生田教授，他们为本书提供了大量资料。
　　（5）日本立命馆大学的苏杉本教授和幸宏久保教授提供了大量资料和他们的研究成果。

探索全球定位的奥秘：从信号到应用 本书并非一本探讨数字卫星导航与地球物理学之间复杂联系的学术专著，也非一本详尽介绍GNSS信号模拟器与接收机操作细节的实验室手册。相反，它是一次引人入胜的探索之旅，旨在揭示隐藏在日常“定位”服务背后的科学原理、技术演进以及广泛的应用前景。我们将跨越理论的海洋，潜入工程的深邃，最终抵达实践的彼岸，但请注意，这次旅程的重点在于理解“为何”和“如何”，而非“具体的操作步骤”或“特定设备的参数设置”。 第一篇：定位的基石——信号的诞生与传播 我们并非从介绍GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等具体系统及其技术规格开始，而是从最基础的概念入手：什么是导航信号？ 首先，我们将回溯人类早期探索空间和定位的努力。从简单的天体观测、地标指引，到航海中使用的六分仪和星盘，再到无线电导航的萌芽，这些历史的足迹都为我们理解现代卫星导航的出现奠定了基础。我们会看到，导航的核心在于“知道自己在哪里”，而要实现这一点，就需要一个能够提供清晰、一致的“参考系”的系统。 接着，我们将聚焦于导航信号本身的物理本质。它们不是魔法，而是精心设计的电磁波。我们将探讨电磁波的传播特性，例如频率、波长、相位和振幅，以及这些特性如何被编码以传递信息。我们会讨论为什么选择特定的频率范围（如L波段），以及这些频率如何平衡穿透性、带宽和天线尺寸的需求。 然后，我们将深入剖析信号的“内容”。一个导航信号不仅仅是一个载波，它承载着至关重要的信息，包括： 精确的时间戳： 这是卫星导航的核心。我们将解释原子钟的工作原理，以及它们如何被用于产生超高精度的时钟信号，并探讨“同步”的挑战。 卫星的身份和健康状况： 信号需要告诉接收机“我是谁”，以及“我是否工作正常”。 星历数据： 这是最关键的信息之一，它描述了卫星在太空中的精确轨道。我们将阐述星历数据的本质，以及它如何被实时更新和传输。 导航电文（Message Structure）： 导航电文的编码方式，例如二元相移键控（BPSK）或Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK)，以及它们如何将海量信息以高效的方式传输。我们将探讨子帧、帧和超级帧的概念，以及它们如何组织和存储数据。 在理解信号内容后，我们将探讨信号在太空中的传播过程。这包括： 信号衰减（Signal Attenuation）： 信号在传输过程中会逐渐减弱，受到空间距离、大气层（电离层和对流层）的影响。我们将讨论这些介质对信号的影响，例如延迟和折射，以及它们如何影响定位的精度。 多径效应（Multipath Effect）： 信号并非总是直线到达接收机，它可能在建筑物、地形等表面发生反射，从而产生多个到达路径，这会对接收机产生干扰。我们将简要介绍多径效应的成因和影响。 多普勒效应（Doppler Effect）： 由于卫星和接收机之间的相对运动，接收到的信号频率会发生变化。我们将解释多普勒效应的原理，以及它如何被用于估计接收机的速度。 第二篇：从信号到位置——接收机的奥秘 接收机是实现定位的关键。我们并非要教您如何焊接电路板或编写驱动程序，而是要理解接收机“看到”信号后，是如何将其转化为我们能够理解的位置信息的。 我们将从接收机的基本架构出发，介绍其主要的功能模块： 天线： 接收来自太空的微弱信号。我们将探讨不同类型天线的特点，以及它们如何聚焦和收集信号。 低噪声放大器（LNA）： 放大微弱的卫星信号，同时尽量减少引入噪声。 混频器： 将高频的卫星信号下变频到较低的频率，便于后续处理。 数字信号处理器（DSP）： 这是接收机的大脑，负责对接收到的数字信号进行解码、跟踪和计算。 时钟： 维持接收机内部的精确时间。 接下来，我们将深入理解接收机如何“解码”和“跟踪”信号： 载波跟踪（Carrier Tracking）： 接收机需要精确地跟踪卫星信号的载波频率，以补偿多普勒频移。我们将介绍锁相环（PLL）等基本控制理论在其中的应用。 伪码捕获与跟踪（Pseudorange Acquisition and Tracking）： 导航信号中包含一种特殊的“伪码”，接收机通过匹配这个伪码来判断信号的传播延迟。我们将解释伪码的作用，以及接收机如何通过“滑动”和“比对”来找到最佳匹配。 导航电文解码： 接收机需要从信号中提取星历、时间等导航信息。我们将探讨接收机如何解析这些电文，并将其存储和使用。 然后，我们将聚焦于定位算法的核心——三边测量原理。这是理解GNSS定位的关键： 伪距离（Pseudorange）： 接收机根据信号的传播时间（从发送到接收）乘以光速来估算卫星到接收机的距离。我们将解释为何是“伪”距离，以及它与真实距离之间的差异（由时钟误差引起）。 四个卫星的必要性： 我们将详细解释为何需要至少四个卫星来确定三维位置和精确时间。我们会通过几何图形和数学方程，直观地展示四元方程组的求解过程，揭示“四球交汇”的几何意义。 误差的来源与消除： 定位并非完美，各种误差都会影响精度。我们将探讨主要的误差源，包括： 卫星钟误差： 即使是原子钟，也存在微小的偏差。 星历误差： 卫星轨道并非绝对精确。 大气层延迟（电离层和对流层）： 信号穿过大气层时会发生折射和延迟。 接收机钟误差： 接收机内部的时钟不如卫星的原子钟精确。 多径效应： 如前所述，信号反射会引入误差。 接收机噪声： 电子元件的固有噪声。 相对论效应： 尽管微小，但对于高精度定位是不可忽视的。 我们将简要介绍如何通过差分技术（如DGPS、RTK）来提高定位精度，理解其核心思想是利用参考站的已知位置来抵消部分误差。 第三篇：超越基础——地球物理学与GNSS的交融 本篇将探讨GNSS技术与地球物理学的深刻联系，它们并非独立的学科，而是相互促进、相互印证。 我们将从GNSS信号的传播特性与地球物理现象的关联开始： 电离层延迟与GNSS： 电离层是地球上层的一片等离子体区域，它会严重影响GNSS信号的传播速度和方向。我们将探讨电离层的结构、变化规律（如日变化、地磁活动），以及GNSS信号如何被用于监测和研究电离层。这包括电离层延迟对定位精度的影响，以及如何利用GNSS数据反演电离层延迟模型。 对流层延迟与GNSS： 对流层是地球大气层的最底层，其密度和湿度变化也会引起GNSS信号的延迟。我们将讨论对流层的垂直结构，以及GNSS数据如何被用于反演对流层延迟，进而用于天气预报和气候研究。 GNSS在地球动力学中的应用： 板块运动与地震监测： 通过高精度GNSS接收机网络，可以精确测量地壳的微小变形，从而监测大陆板块的运动、断层的应力积累，为地震预警提供数据支持。我们将介绍“连续运行参考站网络”（CORS）的概念。 地壳形变与火山活动： GNSS可以监测火山区域的地表抬升或沉降，揭示岩浆活动，为火山爆发预测提供线索。 冰川融化与海平面变化： GNSS数据可以精确测量陆地冰川和冰盖的运动，以及测量海平面高度的变化。 重力场测量与大地水准面： GNSS结合其他技术，可以帮助测量地球的重力场，绘制大地水准面，这对于理解地球的质量分布和内部结构至关重要。 GNSS在海洋学和水文学中的应用： 潮汐与海流观测： 浮标上搭载的GNSS接收机可以提供精确的位置信息，用于测量潮汐的高度和海流的速度。 河流流量与地下水监测： GNSS可以用于测量河流的流速和水位，以及监测地下水的变化。 第四篇：应用万象——GNSS改变我们的生活 最后，我们将展望GNSS技术在各个领域的广泛应用，这些应用已经深深地渗透到我们日常生活的方方面面。 交通运输： 汽车导航、航空管制、船舶定位、轨道交通调度，GNSS已经成为现代交通系统的“神经系统”。 测绘与地理信息系统（GIS）： 高精度的GNSS技术是现代测绘的基础，为GIS提供精确的空间数据，支撑城市规划、土地管理、资源开发等。 精准农业： GNSS指导下的农机自动驾驶、变量施肥、精准灌溉，极大地提高了农业生产效率和资源利用率。 应急响应与搜救： 在灾难发生时，GNSS可以提供精确的位置信息，帮助救援队伍快速定位遇险人员和评估灾情。 时间和同步： GNSS提供的精确时间信号被广泛应用于通信网络、金融交易、电力系统等需要高精度时间同步的领域。 科学研究： 除了地球物理学，GNSS还被用于生物学（动物迁徙追踪）、考古学（古迹定位）、环境监测等众多科研领域。 个人消费电子： 智能手机、智能手表中的定位功能，让我们随时随地都能知道自己的位置。 结语 本书并非一本技术手册，而是一次关于“如何知道我们在哪里”的深刻探讨。我们将从最基础的物理原理出发，理解信号的产生、传播和接收，然后揭示GNSS技术如何与地球物理学紧密相连，最终展现其在改变我们生活和推动科学进步方面所扮演的关键角色。这是一场关于理解我们所处世界的旅程，一次关于空间、时间和技术的奇妙探索。我们期待您能通过阅读本书，对这个看似平常却又极其重要的定位技术，产生更深层次的理解和兴趣。

评分☆☆☆☆☆

当我看到这本书的书名时，脑海中立刻浮现出各种与GNSS相关的应用场景，尤其是那些对精度要求极高的地球物理学研究。例如，利用GNSS数据监测板块运动、研究地幔对流、理解地球自转变化，甚至在灾害预警中扮演重要角色。书名中的“数字卫星导航与地球物理学”直接点明了这种跨学科的融合，而“GNSS信号模拟器与接收机实验室实践指南”则为想要深入了解这一领域的读者提供了一条清晰的学习路径。我特别期待书中能够详细阐述GNSS信号的传播模型、接收机的工作原理，以及如何通过信号模拟器来复现各种复杂的信号环境。这对于理解GNSS数据质量、进行数据质量控制、开发先进的数据处理算法至关重要。我希望书中能提供一些经典的GNSS地球物理学应用案例，并结合实验室实践，指导读者如何从原始的GNSS观测数据中提取出有用的地球物理信息。这本书听起来像是为那些渴望将理论知识转化为实际研究成果的科研人员和学生量身定制的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名本身就勾勒出一个非常具体且实用的学习框架。我之前一直对GNSS信号的细节和接收机的内部工作机制感到好奇，但往往难以找到一本能够将这些理论知识与实际操作紧密结合起来的书籍。“GNSS信号模拟器”这个概念尤其吸引我，因为它意味着我们可以主动地去探索和理解信号的特性，而不是仅仅被动地接收和处理。我猜想这本书会深入讲解GNSS信号的各个组成部分，包括导航电文、测距码、载波相位等，以及这些信号在传播过程中可能遇到的各种影响，如电离层和对流层延迟、多路径效应等。同时，“接收机实验室实践指南”的部分则让我看到了亲手操作的机会，我期待书中能够提供详细的硬件配置建议、软件使用教程，甚至是一些经典的实验项目，比如如何利用接收机测量大气参数，如何评估接收机在不同环境下的定位精度，或者如何通过模拟器进行接收机固件的性能测试。这绝对是一本能够帮助我从“知道”走向“做到”的书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就很有吸引力，尤其是对于那些对卫星导航和地球物理学交叉领域感兴趣的人。我一直对GNSS（全球导航卫星系统）技术如何被用于精确测量地球的运动、形变以及其他地质现象感到好奇。书名中的“数字卫星导航与地球物理学”直接点出了这个核心主题，而“GNSS信号模拟器与接收机实验室实践指南”则暗示了这本书的实用性和动手操作性。我尤其期待它能够提供详细的实验指导，让我能够亲手搭建模拟器、操作接收机，并理解其中的原理。想象一下，能够模拟不同的卫星信号环境，测试接收机在各种条件下的表现，甚至利用实际的GNSS数据来进行地球物理学的分析，这听起来是多么令人兴奋的事情！这本书的定位似乎非常清晰，它不仅仅是理论的堆砌，更是一种能力的培养，能够让读者真正地“玩转”GNSS技术，并将其应用于高精度的地球科学研究。我希望书中能包含一些案例研究，展示GNSS在地震监测、火山活动监测、地壳形变测量等方面的实际应用，这样不仅能加深理论理解，还能激发我的研究灵感。

评分☆☆☆☆☆

读到这本书的书名，我立刻就被它所吸引，因为我一直对GNSS技术在精密测量和地球物理学领域的应用潜力抱有浓厚的兴趣。书名中的“数字卫星导航与地球物理学”精准地概括了这本书的核心内容，强调了GNSS作为一种强大工具在理解和监测地球系统中的作用。而“GNSS信号模拟器与接收机实验室实践指南”则清晰地指明了这本书的特色，它不仅会介绍理论知识，更会提供实用的操作方法和实验指导。我特别期待这本书能够深入讲解GNSS信号的传播机制、接收机的工作原理，以及如何有效地利用GNSS信号模拟器来模拟各种复杂场景，例如在多路径效应显著的城市环境中，或者在电离层扰动剧烈的区域。同时，“实验室实践指南”的定位也意味着它将提供一系列可行的实验项目，让读者能够亲手操作GNSS接收机，采集数据，并利用这些数据进行地球物理学的分析，例如地壳形变监测、大气参数反演等。这本书听起来非常适合希望深入了解GNSS技术并将其应用于实际研究的专业人士和学生。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，恰好填补了我近期在GNSS接收机硬件层面和信号模拟技术上的知识空白。我一直关注GNSS技术的发展，特别是它如何从简单的定位工具演变成能够进行精密测量的平台，用于地球科学的众多前沿研究。书名中的“信号模拟器”几个字立刻吸引了我，因为我深知在实际接收机测试和算法开发过程中，能够精确控制和生成各种卫星信号是多么重要。如果这本书能够提供关于如何构建或使用GNSS信号模拟器的详细教程，包括其内部工作原理、不同信号类型的生成方法（如GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou），以及如何模拟多路径、大气延迟等干扰，那将是极大的福音。而且，“实验室实践指南”的定位也意味着它不会止步于理论讲解，而是会给出实际可行的操作步骤和实验设计，让读者能够从零开始，逐步掌握GNSS接收机的配置、数据采集、初步处理等关键技能。我非常希望书中能够涵盖一些关于接收机敏感度、跟踪能力、抗干扰性能的测试方法，以及如何利用模拟器来验证和优化这些性能。