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第1章 绪论1

1.1 卫星导航系统概述1

1.1.1 卫星导航系统组成及运行原理1

1.1.2 全球四大卫星导航系统简介2

1.2 卫星导航系统建模与仿真需求分析4

1.2.1 卫星导航系统指标论证需求5

1.2.2 卫星导航系统测试与评估需求9

1.3 卫星导航系统建模与仿真发展现状11

1.3.1 美国GPS系统建模与仿真发展现状11

1.3.2 欧洲Galileo系统建模与仿真现状13

1.3.3 中国北斗系统建模与仿真现状17

第2章 卫星导航系统建模与仿真基础20

2.1 卫星导航基本原理20

2.1.1 导航电文模型21

2.1.2 卫星空间位置计算23

2.1.3 接收机伪距测量模型28

2.1.4 接收机导航解算模型30

2.2 系统建模与仿真理论基础31

2.2.1 系统建模与仿真的概念31

2.2.2 系统建模与仿真的方法33

2.2.3 面向实体仿真方法35

2.2.4 系统建模与仿真的作用和意义39

2.3 卫星导航系统建模与仿真的任务39

2.3.1 卫星导航系统实体对象和类抽象39

2.3.2 卫星导航系统建模与仿真总体任务划分41

第3章 卫星导航系统时空系统模型44

3.1 时问系统模型44

3.1.1 世界时系统44

3.1.2 协调世界时47

3.1.3 卫星导航时47

3.1.4 力学时系统48

3.1.5 时间系统间转换模型48

3.1.6 时间标示法及其转换关系50

3.2 坐标系统模型54

3.2.1 地球地固坐标系统54

3.2.2 地心惯性坐标系统58

3.2.3 站心坐标系统59

3.2.4 坐标系统间转换模型60

3.2.5 坐标表示方法及其转换关系62

3.3 地球自转模型64

3.3.1 岁差模型64

3.3.2 章动模型66

3.3.3 极移模型68

3.4 国际参考框架68

3.4.1 国际地球参考系ITRS及其参考框架ITRF69

3.4.2 国际天球参考系ICRS及其参考框架ICRF70

3.4.3 天球坐标系和地球坐标系之间的转换71

第4章 卫星导航系统空间段模型72

4.1 卫星导航系统空间段概述72

4.2 卫星导航星座构型72

4.2.1 均匀对称星座73

4.2.2 混合非对称星座74

4.3 导航卫星轨道力学模型77

4.3.1 二体问题77

4.3.2 地球非球形摄动81

4.3.3 第三体引力模型82

4.3.4 太阳光压模型83

4.3.5 其他模型95

4.3.6 轨道摄动力量级分析98

4.3.7 轨道数值预报模型99

4.3.8 轨道计算模型101

4.4 导航卫星姿态模型102

4.4.1 导航卫星姿态数学模型102

4.4.2 导航卫星姿态计算模型103

4.5 星载原子钟模型104

4.5.1 星载原子钟类型104

4.5.2 星载原子钟数学模型104

4.5.3 钟差计算模型108

4.5.4 相对论效应模型108

4.6 导航卫星有效载荷模型111

4.6.1 导航卫星有效载荷111

4.6.2 有效载荷的图形化建模方法114

4.7 星间链路与星座组网模型116

4.7.1 GPS星间链路模型116

4.7.2 Galileo星间链路模型117

4.7.3 星间可见性模型119

4.8 星载自主导航模型121

4.8.1 星间观测值模型121

4.8.2 自主导航模型122

第5章 卫星导航系统环境段模型129

5.1 卫星导航系统环境段概述129

5.2 对流层模型129

5.2.1 对流层天顶延迟数学模型130

5.2.2 对流层延迟映射函数模型134

5.2.3 对流层延迟模型特性分析135

5.2.4 对流层计算模型139

5.3 电离层模型140

5.3.1 电离层TEC变化特性分析140

5.3.2 全球电离层TEC数学模型147

5.3.3 电离层延迟修正模型154

5.3.4 电离层延迟映射函数模型157

5.3.5 电离层计算模型158

5.4 地面监测站多路径效应模型159

5.4.1 多路径特性分析159

5.4.2 多路径效应模型161

5.4.3 多路径效应计算模型162

第6章 卫星导航系统地面段模型164

6.1 卫星导航系统地面段概述164

6.1.1 主控站概述164

6.1.2 注入站概述165

6.1.3 监测站概述165

6.2 地面站观测计算模型165

6.2.1 地面可见性模型165

6.2.2 伪距观测值模型166

6.2.3 载波相位观测值模型168

6.2.4 伪距变化率观测值模型171

6.2.5 星地时间同步观测值模型173

6.2.6 站间时间同步观测值模型176

6.2.7 激光测距观测值模型178

6.3 地面观测误差模型180

6.3.1 系统误差模型180

6.3.2 随机误差模型181

6.4 主控站信息处理模型182

6.4.1 精密定轨模型182

6.4.2 时间同步模型186

6.4.3 电离层解算模型187

6.4.4 上注导航电文生成模型189

6.5 主控站计算模型196

第7章 卫星导航系统用户段模型198

7.1 卫星导航系统用户段概述198

7.2 用户接收机载体模型198

7.2.1 载体轨迹数学模型200

7.2.2 载体姿态数学模型213

7.2.3 载体动态计算模型215

7.3 用户接收机模型216

7.3.1 用户接收机类型216

7.3.2 用户接收机安装217

7.3.3 天线相位中心模型218

7.4 用户接收机导航解算模型220

7.4.1 定位数学模型220

7.4.2 定速数学模型224

7.4.3 授时数学模型225

7.4.4 接收机导航解算计算模型226

7.5 卫星导航高精度解算模型227

7.5.1 实时动态高精度（RTK）解算模型227

7.5.2 单点精密定位（PPP）解算模型232

第8章 卫星导航系统模型有效性验证方法239

8.1 模型一致性验证方法239

8.1.1 一致性验证理论与方法简介239

8.1.2 钟差计算模型的有效性验证239

8.2 理论值比对法241

8.2.1 理论值比对法概述241

8.2.2 轨道数值积分模型有效性验证241

8.3 实测数据比对法242

8.3.1 方法简介242

8.3.2 基于IGS实测数据的电离层模型有效性验证242

8.3.3 基于IGS实测数据的地面站观测数据有效性验证243

8.4 成熟软件比对法244

8.4.1 成熟软件简介244

8.4.2 基于STK/HPOP的轨道计算结果有效性验证245

8.4.3 基于Bemese的空间环境计算模型有效性验证246

8.5 数据处理验证法249

8.5.1 数据处理方法简介249

8.5.2 基于星地联合定轨的观测数据有效性验证249

8.5.3 基于Bemese单点定位的用户观测数据有效性验证252

第9章 卫星导航系统面向对象仿真模型标准规范255

9.1 卫星导航系统仿真模型描述方法255

9.2 卫星导航系统仿真模型规范256

9.2.1 模型设计基本原则257

9.2.2 模型组成要素257

9.2.3 模型计算约束258

9.2.4 模型开发规范258

9.3 基于UML的卫星导航系统模型描述方法261

第10章 卫星导航系统面向对象仿真模型设计265

10.1 仿真模型设计概述265

10.1.1 仿真模型分类265

10.1.2 模型间关系266

10.2 仿真模型设计实例268

10.2.1 空间段模型设计268

10.2.2 地面段模型设计272

10.2.3 用户段模型设计274

10.2.4 环境段模型设计277

10.3 仿真模型集成279

10.3.1 仿真模型集成设计279

10.3.2 仿真模型集成框架280

第11章 卫星导航系统仿真软件架构设计与实现282

11.1 仿真软件运行模式设计283

11.1.1 实时运行模式283

11.1.2 超实时运行模式284

11.1.3 演示运行模式284

11.2 仿真软件的模块组成284

11.2.1 仿真场景配置模块286

11.2.2 仿真进程控制模块286

11.2.3 数据处理与分析模块286

11.2.4 导航仿真业务调度模块286

11.2.5 可视化输出与监控模块287

11.2.6 状态消息报告模块287

11.2.7 系统输入输出模块287

11.2.8 系统应用接口模块288

11.2.9 算法模型验证与评估模块288

11.3 仿真软件的交互设计288

11.3.1 模型288

11.3.2 视图289

11.3.3 视图模型289

11.4 卫星导航仿真软件实现290

11.4.1 仿真场景配置模块实现290

11.4.2 可视化与评估实现293

11.4.3 系统输入输出实现295

第12章 卫星导航系统仿真软件接口设计298

12.1 输入/输出模块设计298

12.1.1 系统输入298

12.1.2 系统输出299

12.2 外部接口设计300

12.2.1 与STK接口设计300

12.2.2 与 Google Earth接口设计306

第13章 卫星导航系统仿真软件的应用309

13.1 在卫星导航平行系统中的应用309

13.1.1 GNSS平行系统支持模型精化的计算实验设计311

13.1.2 GNSS平行系统支持地面试验验证的计算实验设计311

13.2 在地面操作人员培训系统中的应用312

13.2.1 地面操作人员培训需求312

13.2.2 基于平行系统的地面操作人员培训方法及流程313

13.3 在卫星导航系统故障诊断中的应用317

第14章 外部数据在卫星导航仿真中的应用318

14.1 实测数据来源与简介318

14.1.1 IGS数据318

14.1.2 CODE数据319

14.2 实测数据在卫星导航仿真中的应用319

14.2.1 IGS精密星历的应用319

14.2.2 IGS精密钟差的应用321

14.2.3 IGS地面站观测数据的应用322

14.2.4 CODE电离层延迟数据的应用324

参考文献328

附录A卫星导航仿真软件337

附录B IAU时空转换工具包（SOFA）354

附录C外部数据来源及格式说明361