转发式卫星导航原理 施浒立,孙希延,李志刚 9787030255709 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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施浒立，孙希延，李志刚 著

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• 卫星导航
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• GNSS
• 导航原理
• 定位技术
• 施浒立
• 孙希延
• 李志刚
• 科学出版社
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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030255709

商品编码：29696793380

包装：精装

出版时间：2009-10-01

基本信息

书名：转发式卫星导航原理

定价：48.00元

作者：施浒立,孙希延,李志刚

出版社：科学出版社

出版日期：2009-10-01

ISBN：9787030255709

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.558kg

编辑推荐

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内容提要

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本书在继承和吸收GPS类直播式卫星导航优势和特色的基础上，深入分析和总结了由我国科学家自主发明和实践的基于同步通信卫星的转发式卫星导航系统，包括定位、测速、测姿和授时的原理等，并对转发式卫星导航系统中存在的误差问题作了较深入的分析，对系统的工程实用化问题进行了探讨和论证。
　　本书可供从事和关心卫星导航的大学生、研究生、科技工作者在开展导航系统学习、研究、开发和应用时参阅。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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探索宇宙脉动：精密的定位与高效的信息传递 在人类文明的长河中，探索未知、优化资源配置、提升生活品质一直是永恒的追求。从古代的星象导航到近代的无线电通讯，我们不断突破地理的限制，缩短时空的距离。而今，一项革命性的技术——转发式卫星导航，正以其无与伦比的精准度和广阔的服务范围，深刻地改变着我们感知世界、连接彼此的方式。它不仅是现代导航系统的基石，更是构建智能社会、推动科技进步的关键驱动力。 一、 转发式卫星导航的基石：卫星系统架构与运行机制 转发式卫星导航系统的核心在于一个由多颗卫星组成的精密网络。这些卫星并非简单的信号发送器，而是承载着复杂的任务，肩负着将精确的时间和位置信息传递给地面用户的重任。 星座构成与轨道设计： 一个典型的转发式卫星导航系统，如我们熟知的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、欧洲的伽利略（Galileo）以及中国的北斗（BeiDou），都采用了一种精心设计的卫星星座。这些星座通常由分布在不同倾角和高度的轨道上的多颗卫星组成，旨在确保在地球表面的任何一点，用户都能在任何时候接收到至少四颗卫星的信号。这种轨道设计不仅考虑了全球覆盖，还兼顾了信号的可见性和几何分布，这是实现高精度定位的基础。例如，中地球轨道（MEO）是GPS和Galileo的主要运行轨道，其高度约20000公里，周期约为12小时，能够提供良好的全球覆盖。低地球轨道（LEO）的卫星速度更快，覆盖范围相对较小，但可以通过大量卫星组网实现高精度服务。同步轨道（GEO）卫星则通常用于通信和广域增强服务。 信号的奥秘： 卫星发射的信号承载着至关重要的信息。这些信息包括： 导航电文： 这是卫星导航系统的“名片”，包含了卫星的轨道参数（星历）、时钟改正参数、卫星健康状况以及大气层延迟模型等。通过解析导航电文，接收机能够知道每颗卫星在太空中的确切位置和运动轨迹。 伪随机噪声（PRN）码： 这种独特的编码序列使得接收机能够区分来自不同卫星的信号，并且能够精确测量信号的传播时间。PRN码的长度和周期是其关键特性，能够抵抗干扰和多径效应。 载波信号： 载波信号本身携带了极高频率的信息，通过测量载波的相位变化，可以实现比码测量更精密的定位，这是实现精密导航（如RTK）的关键。 时间同步的严苛要求： 导航卫星系统本质上是一个基于时间的测量系统。距离测量是实现定位的关键，而距离的计算公式是：距离 = 信号传播速度 × 信号传播时间。信号传播速度是光速（一个非常精确的常数），因此，精确测量信号从卫星传播到接收机所需的时间是至关重要的。导航卫星上的原子钟能够达到纳秒级的精度，但即便如此，微小的时钟误差也会导致数百米甚至数公里的定位误差。因此，地面控制站会持续监测和校正卫星上的原子钟，并通过导航电文将精确的时间信息传递给用户。 二、 转发式卫星导航的精髓：从单点定位到高精度应用 转发式卫星导航的魅力在于其从基础的单点定位能力，逐步演进出各种复杂且精度极高的高级应用。 单点定位（SPP）： 这是最基本的使用方式。用户接收机通过接收至少四颗可见卫星的信号，并结合导航电文中的星历信息，通过解算伪距（信号传播时间乘以光速）来计算接收机自身在三维空间中的位置。理论上，三颗卫星的信号可以确定三维坐标，但由于接收机钟差未知，需要第四颗卫星的信号来解算出接收机的三维位置和接收机钟差。SPP的精度通常在几米到十几米之间，已经足以满足日常导航的需求。 差分定位（DGNSS）： 为了克服SPP在误差抑制方面的局限性，差分技术应运而生。差分技术的核心思想是利用一个已知精确位置的地面基准站来计算和播发修正信息，以消除用户接收机在定位过程中遇到的误差。 地面参考站： 基准站接收来自所有可见导航卫星的信号，并根据其已知精确坐标计算出实际观测到的伪距与理论计算伪距之间的差值，这个差值包含了所有用户都会面临的共模误差。 差分改正信息的播发： 这些差值经过一定的编码和压缩后，通过地面广播系统（如FM广播、专用无线电台）或互联网（如NTRIP协议）播发给附近的移动用户。 用户接收机： 用户接收机接收到差分改正信息后，将其应用于自身的定位解算中，从而显著提高定位精度。 SBAS（卫星增强系统）： SBAS是一种利用地球同步轨道卫星播发差分改正信息的系统，如美国的WAAS（宽域增强系统）、欧洲的EGNOS、日本的MSAS。SBAS的优势在于覆盖范围广，用户无需部署地面基准站，降低了使用门槛。 实时动态差分（RTK）： RTK是目前最先进、精度最高的一种差分定位技术，其定位精度可以达到厘米级甚至毫米级。RTK的原理是在差分技术的基础上，进一步利用卫星载波相位观测值进行解算，并实时地将差分信息传递给用户。 载波相位测量： RTK的关键在于利用卫星发射的载波信号，而不是码信号。载波的相位可以测量到亚波长的精度，从而实现极高的定位精度。 整周模糊度的确定： 载波相位测量的最大挑战在于“整周模糊度”的确定。由于载波相位测量的是相对相位，需要通过一定的算法来确定每颗卫星载波相对于接收机载波的整数周个数，一旦整周模糊度被正确确定，就可以获得极高的定位精度。 实时性： RTK要求差分信息必须实时播发，并且用户的移动速度不能过快，以保证整周模糊度的实时固定。 PPP（精密单点定位）： PPP是一种无需地面基准站，仅通过接收导航卫星信号，并利用高精度星历和钟差产品，实现高精度定位的技术。PPP的优势在于其全球覆盖性和无需地面基础设施的特点。 精密星历和钟差： PPP依赖于来自专业处理中心的精密星历和钟差产品，这些产品通过对全球地面监测站的观测数据进行后处理得到，精度远高于导航电文中广播的星历和钟差。 大气延迟修正： PPP还需要对电离层和对流层延迟进行精确的建模和修正，这是实现高精度定位的关键。 收敛时间： PPP的精度会随着时间的推移逐渐提高，这个过程称为“收敛”。当接收机开始接收信号时，需要一段时间（从几分钟到几十分钟不等）来收敛到其稳定精度。 三、 转发式卫星导航的应用领域：连接万物，赋能未来 转发式卫星导航技术以其卓越的性能，已经渗透到我们生活的方方面面，并以前所未有的速度推动着各行各业的革新。 交通运输： 车辆导航： 从车载导航系统到手机APP，转发式卫星导航提供了最基本的定位和路径规划功能，极大地便利了人们的出行。 航空与海事： 在航空领域，ILS（仪表着陆系统）等传统导航手段正逐步被基于卫星导航的PBN（性能制导导航）所取代，提升了飞行安全和空域效率。在海事领域，精确的定位对于船舶航行、避碰、港口调度至关重要。 自动驾驶： 厘米级的RTK和PPP技术是实现高级别自动驾驶的核心支撑，它为车辆提供高精度的位姿信息，确保车辆在复杂交通环境中的安全行驶。 车队管理与物流： 通过对车辆位置的实时追踪，企业可以优化运输路线，提高配送效率，降低运营成本。 测绘与地理信息： 地形测绘： 使用RTK或PPP接收机，测绘人员可以快速、高精度地采集地形数据，用于地图绘制、工程建设等。 土地管理： 精确的边界测量有助于土地确权、地籍管理，保障农民权益。 城市规划： 高精度定位数据为城市基础设施建设、空间分析提供了坚实的基础。 精准农业： 自动驾驶农机： RTK技术可以引导拖拉机、收割机等农机进行精确的耕作、播种和施肥，减少重叠和漏施，提高作物产量，降低农药化肥用量。 变量施肥与喷药： 结合产量监测数据，可以实现按需施肥和喷药，进一步提高资源利用效率。 应急响应与公共安全： 灾害救援： 在地震、洪水等自然灾害发生时，精确的定位信息对于指挥救援、寻找失踪人员至关重要。 警务与消防： 快速准确地到达事故现场，为现场指挥和资源调配提供支持。 时间同步： 金融交易： 极高精度的时间同步是高频交易、结算的关键，确保交易的公平性和有效性。 通信网络： 5G、LTE等移动通信基站需要精确的时间同步才能实现信号的有效传输和切换。 电力系统： 电力调度、故障分析需要精确的时间戳来保证电网的稳定运行。 科学研究： 地壳运动监测： 利用GPS等高精度定位技术，可以监测地震、火山活动等地球动力学过程。 大气科学研究： 分析GPS信号在穿越大气层时的延迟变化，可以反演大气温湿度信息，用于天气预报和气候研究。 四、 展望未来：多系统融合与智能化发展 转发式卫星导航技术正朝着更加智能化、融合化、泛在化的方向发展。 多系统融合： 为了克服单一卫星系统可能存在的覆盖盲区或信号受限问题，未来的导航系统将更加强调多系统融合。通过同时接收来自GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等多个系统的信号，并进行智能融合处理，可以显著提高定位的可靠性、连续性和精度。 与其他技术的融合： 转发式卫星导航将与惯性导航系统（INS）、视觉导航、激光雷达（LiDAR）等技术进行深度融合。例如，在GPS信号易受遮挡的城市峡谷或室内环境中，惯性导航系统可以提供连续的定位信息，而视觉和LiDAR则可以用于环境感知和精确定位。 人工智能在导航中的应用： 人工智能将贯穿于导航系统的各个环节，从信号捕获与跟踪、伪距和载波相位测量，到误差建模与修正，再到路径规划与决策，AI都将发挥越来越重要的作用，使得导航系统更加智能、自适应和鲁棒。 低功耗与小型化： 随着物联网（IoT）设备的普及，对导航芯片的功耗和尺寸要求也越来越高。未来的导航接收机将朝着更低的功耗、更小的尺寸和更低的成本方向发展，从而使得导航功能能够集成到更多的小型设备中。 星载增强与地面增强的协同： 随着技术的进步，星载增强和地面增强系统将更加协同工作，例如，利用高轨卫星播发差分信息，结合地面固定站的局部增强，构建更加完善的全球高精度服务网络。 转发式卫星导航，作为一项集空间科学、信息技术、精密测量于一体的复杂系统，其发展历程本身就是人类智慧的结晶。它不仅是提供“你在哪里”的简单答案，更是连接万物、赋能未来、创造无限可能性的强大引擎。理解其原理，掌握其应用，对于把握时代脉搏，引领科技前沿，具有举足轻重的意义。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常简洁大气，纯白底色上是深蓝色的书名和作者信息，给人一种专业而严谨的感觉。我拿到手的时候，首先被它的装帧质量所吸引，纸张厚实，印刷清晰，即便是复杂的公式和图表也毫无模糊之感。我是一个刚刚接触卫星导航领域的研究生，选择这本书是看中了它在行业内的口碑。我尤其欣赏作者们在阐述复杂理论时的那种深入浅出的功力。比如，他们对多普勒频移的解析，不仅仅停留在数学公式的堆砌，而是结合了实际的信号传播场景进行生动的讲解，让初学者也能迅速把握其核心脉络。阅读过程中，我发现书中对各种误差源的分析极其详尽，几乎涵盖了从电离层延迟到接收机内部噪声的方方面面，这对于我后续进行误差建模和优化算法设计至关重要。书中很多章节后的习题设计得非常巧妙，它们并非简单的概念重复，而是引导你去思考如何将理论应用于实际工程问题，这对于培养解决实际问题的能力非常有帮助。总而言之，这本书为我搭建了一个坚实而全面的理论框架，是案头必备的参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示质量堪称教科书级别的典范。很多复杂的空间几何关系和信号流程图，如果仅靠文字描述是难以想象的，但这本书中的插图清晰、标注明确，极大地降低了理解复杂空间定位原理的难度。我尤其赞赏那些用于解释几何误差模型的示意图，它们往往能用最简洁的线条勾勒出最核心的物理矛盾，使得原本晦涩的数学推导变得直观易懂。例如，在介绍相对论效应修正时，图示清晰地展示了不同速度和高度下，卫星与地面接收机之间时间偏差的来源和大小，这比纯粹依赖爱因斯坦方程的推导要来得更“接地气”。此外，书中对大量历史经典论文和标准文档的引用标注得非常规范和详尽，对于我们进行更深入的文献溯源提供了极大的便利。这本书与其说是一本教材，不如说是一本精心策划的知识地图，它不仅告诉了你“是什么”，更清晰地指明了“在哪里可以找到更深层次的证据和背景”。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到惊喜的是它对未来发展趋势的洞察和前瞻性。它并非一本停留在“已有的”技术手册上，而是将大量的篇幅用于探讨下一代导航系统可能面临的挑战和潜在的解决方案。比如，对于抗干扰和反欺骗技术的研究，书中不仅介绍了现有的波束形成和扩频技术，还探讨了基于深度学习的信号识别和抑制方法，这让我看到了该领域持续创新的活力。书中对各种新兴技术（比如多星座融合、地基增强系统等）的整合性描述，提供了一个宏观的视角，帮助我们理解技术不是孤立发展的，而是相互促进、共同提升的。这对于我们制定研究方向和规划职业发展路径具有重要的指导意义。读完后，我感觉自己的视野被极大地拉高了，不再局限于某个单一算法的优化，而是开始思考如何构建一个更具鲁棒性和适应性的未来导航生态系统。这种启发性，是任何标准教科书难以比拟的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文风格非常具有学术深度，它不像某些教材那样为了追求“通俗易懂”而牺牲了严谨性，相反，它大胆地深入到许多前沿和细节之处，挑战读者的理解能力，但回报也是巨大的。我特别喜欢作者们在论证某一特定技术方案的优劣时所展现出的那种辩证思维。他们不会武断地下结论，而是会列出多种不同的实现路径，并从理论性能、硬件复杂度和功耗等多个维度进行对比分析，这种客观且全面的评估，极大地拓宽了我对系统设计思路的认知边界。举例来说，在讨论跟踪环路设计时，书中对卡尔曼滤波在非线性系统中的应用做了非常深入的探讨，甚至涉及到了扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在实际导航解算中的收敛性和计算成本差异，这对于希望进行算法改进的读者来说，简直是宝藏级别的资料。阅读这本书的过程，更像是一场与三位领域专家的深度对话，它鼓励你不仅仅是“知道”某个原理，而是要“理解”它为什么是这样，以及在不同约束条件下应该如何取舍。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的阅读难度不低，它更偏向于面向有一定基础的工程师或研究生读者。我刚开始翻阅时，在一些高阶的随机过程和最优估计理论部分确实感到吃力，不得不经常查阅其他数学基础书籍进行辅助理解。但这恰恰说明了它的价值所在——它没有刻意稀释专业知识的浓度。它的优势在于其内容的系统性和逻辑的递进性。从最基础的信号体制介绍，到中间复杂的信号处理流程，再到最后的高精度定位算法，整个知识体系的构建逻辑清晰，环环相扣。每当我在某个技术点上感到困惑时，回溯前几章的内容，总能找到它被引入的源头和推导过程，这使得知识结构非常稳固，不易产生碎片化的理解。尤其是关于卫星星历的插值和精密轨道确定那一块，作者们引入了大量的实际数据格式和标准规范的引用，让书本上的理论与实际工作标准实现了无缝对接，这对于我们这些即将步入工程实践的读者来说，是极大的便利。