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第1部分 原理篇3

第1章 概述3

1.1 导航起源3

1.2 前世今生8

1.2.1 第一颗人造地球卫星——Sputnik-1触发的灵感9

1.2.2 第一代卫星导航系统——Transit卫星导航系统12

1.2.3 第二代卫星导航系统——GPS全球定位系统19

1.3 系统发展25

1.3.1 GPS25

1.3.2 GLONASS26

1.3.3 Galileo27

1.3.4 BDS28

1.3.5 QZSS30

1.3.6 IRNSS31

1.4 系统功能32

1.4.1 空间基准33

1.4.2 时间基准34

参考文献37

第2章 定位原理39

2.1 基本思想39

2.2 数学原理42

2.2.1 误差分析43

2.2.2 卫星无线电导航48

2.3 工程实现——伪距测量和位置解算49

2.3.1 时间参考系统53

2.3.2 空间坐标系统54

2.3.3 伪距测量54

2.3.4 位置解算59

2.3.5 定位精度60

参考文献63

第3章 时空基准64

3.1 概述64

3.2 空间坐标系统66

3.2.1 地心天球坐标系67

3.2.2 地心地固坐标系71

3.2.3 大地坐标系72

3.2.4 坐标系转换77

3.3 时间参考系统81

3.3.1 时间尺度81

3.3.2 时间基准82

3.3.3 时间系统83

3.3.4 时间系统的维持90

3.3.5 卫星导航系统时间91

3.3.6 导航卫星时间偏差95

参考文献96

第2部分 系统篇99

第4章 系统组成99

4.1 概述99

4.2 空间段102

4.2.1 导航卫星102

4.2.2 轨道和星座105

4.2.3 空间环境112

4.3 控制段115

4.3.1 任务分析115

4.3.2 系统组成116

4.4 用户段121

4.4.1 任务分析121

4.4.2 接收机方案123

4.4.3 接收机类型124

参考文献126

第5章 轨道和星座128

5.1 概述128

5.2 人造地球卫星轨道128

5.2.1 开普勒轨道128

5.2.2 轨道摄动137

5.3 导航卫星轨道设计140

5.3.1 地球基准轨道的选择140

5.3.2 日地空间环境的影响142

5.4 导航卫星星座设计143

5.4.1 对地覆盖和星座结构143

5.4.2 导航卫星星座145

5.5 卫星几何精度因子148

5.5.1 几何精度因子定义149

5.5.2 几何精度因子计算151

5.6 导航卫星的广播星历154

5.6.1 导航卫星轨道确定155

5.6.2 系统时间同步158

5.6.3 广播星历参数160

5.7 广播星历参数的用户算法162

参考文献165

第6章 导航电文167

6.1 概述167

6.2 导航电文要求168

6.3 导航电文格式168

6.3.1 子帧同步170

6.3.2 时间计数171

6.4 导航电文内容174

6.4.1 时钟校正和精度测定参数174

6.4.2 星历参数178

6.4.3 历书、卫星状态和电离层模型参数183

6.5 系统时间转换189

6.6 实测导航电文说明190

6.6.1 原始电文数据190

6.6.2 解析电文参数193

参考文献198

第7章 导航信号199

7.1 概述199

7.2 导航信号频率选择200

7.2.1 电磁波传播特性202

7.2.2 地球大气层影响203

7.2.3 ITU频率规划209

7.2.4 工程实现性212

7.3 导航信号特性要求215

7.3.1 信号相关损失216

7.3.2 信号频率协调216

7.3.3 其他相关规范217

7.4 导航信号扩频处理217

7.4.1 直接序列扩频频谱信号220

7.4.2 扩频信号的多路接入225

7.4.3 利用线性反馈移位寄存器生成扩频信号227

7.5 导航信号结构230

7.5.1 同一载频多路传输和多个信号多路接入231

7.5.2 载波信号及其调制232

7.5.3 伪随机噪声测距码信号235

7.5.4 导航电文240

7.6 导航信号调制243

7.6.1 BPSK-R调制244

7.6.2 BO C调制247

7.6.3 MBOC调制249

7.6.4 AltBO C调制253

7.6.5 调制技术发展255

7.7 导航信号复用260

7.7.1 基本概念261

7.7.2 QPSK复用264

7.7.3 时分复用265

7.7.4 ACE-BO C调制／复用267

7.8 导航信号方向图及功率电平269

7.8.1 导航天线方向图269

7.8.2 导航信号落地电平271

参考文献276

第3部分 工程篇279

第8章 导航卫星和导航信号播发279

8.1 概述279

8.2 导航卫星平台281

8.2.1 综合电子分系统282

8.2.2 姿态与轨道控制分系统283

8.2.3 测控分系统283

8.2.4 供配电分系统284

8.2.5 结构和机构分系统286

8.2.6 热控分系统286

8.3 导航卫星有效载荷287

8.3.1 导航有效载荷要求287

8.3.2 导航卫星有效载荷架构289

8.4 导航信号生成291

8.4.1 时间频率基准分系统292

8.4.2 上行导航数据接收分系统303

8.4.3 导航信号生成分系统307

8.5 导航信号播发311

8.6 导航载荷天线313

参考文献317

第9章 运控系统和导航电文生成318

9.1 概述318

9.2 系统组成319

9.2.1 主控站320

9.2.2 注入站322

9.2.3 监测站324

9.3 工作流程326

9.4 导航电文处理328

9.5 系统状态估计331

9.6 导航电文生成334

9.6.1 轨道测定及广播星历335

9.6.2 时间同步及钟差预报336

9.6.3 电离层延迟模型及改正337

9.6.4 导航电文精度评估338

参考文献341

第10章 接收机和PVT解算342

10.1 概述342

10.1.1 功能性能342

10.1.2 使用环境344

10.2 基本原理345

10.2.1 结构组成345

10.2.2 工作原理346

10.2.3 工作流程349

10.2.4 实现方案352

10.3 天线和射频前端354

10.3.1 天线354

10.3.2 射频前端360

10.4 基带信号处理371

10.4.1 信号处理数学模型371

10.4.2 信号处理基本要素373

10.4.3 信号捕获374

10.4.4 伪码和载波跟踪386

10.4.5 载波跟踪环路393

10.4.6 伪码跟踪环路401

10.4.7 锁定检测器406

10.4.8 数据解调和数据处理408

10.5 位置解算415

10.5.1 伪距方程415

10.5.2 迭代最小二乘法415

10.5.3 伪距修正416

10.5.4 注意事项417

参考文献419

第4部分 性能篇423

第11章 系统关键性能423

11.1 概述423

11.2 覆盖范围424

11.3 定位精度429

11.3.1 精度标准430

11.3.2 定位精度及其决定因素432

11.3.3 测量精度434

11.3.4 伪距观测误差预算436

11.3.5 精度因子DOP437

11.4 完好性438

11.4.1 系统完好性标准438

11.4.2 系统完好性参数439

11.4.3 民航对卫星导航系统完好性要求440

11.5 连续性443

11.5.1 空间信号连续性标准444

11.5.2 失效类型444

11.6 可用性446

11.6.1 可用性标准447

11.6.2 系统星座可用性448

11.6.3 系统服务可用性451

11.6.4 可用性相关讨论456

11.7 可负担性459

参考文献461

第12章 误差分析463

12.1 概述463

12.2 定位精度的影响464

12.3 授时精度的影响464

12.4 误差分析与分类466

12.4.1 误差分析466

12.4.2 误差分类466

12.5 与卫星有关的误差470

12.5.1 卫星钟差470

12.5.2 星历误差470

12.5.3 相对论误差472

12.5.4 数据龄期与定位精度472

12.6 与导航信号传播路径有关的误差475

12.6.1 电离层延迟误差475

12.6.2 对流层折射误差477

12.6.3 多路径效应479

12.7 与接收机有关的误差480

12.7.1 观测误差480

12.7.2 接收机钟差480

12.7.3 接收机噪声481

12.7.4 天线相位中心位置偏差481

12.8 选择可用性误差481

12.8.1 基本概念481

12.8.2 大事记484

12.9 定位精度的变化趋势485

参考文献487

第5部分 应用篇491

第13章 定位服务491

13.1 概述491

13.2 定位方式494

13.3 典型应用——大坝形变监测498

13.3.1 系统组成499

13.3.2 监测方案501

13.3.3 数据处理503

13.3.4 结果分析505

参考文献506

第14章 导航服务509

14.1 概述509

14.2 典型应用——车载导航510

14.2.1 路径规划512

14.2.2 航位推测513

14.2.3 地图匹配514

14.2.4 车辆监控515

参考文献522

第15章 授时服务524

15.1 概述524

15.2 授时原理525

15.2.1 地面监测站时间同步527

15.2.2 网络时间同步530

15.3 卫星授时应用典型示例533

15.3.1 互联网时间同步533

15.3.2 移动通信系统时间同步535

15.3.3 电力系统时间同步538

15.3.4 铁路系统时间同步543

参考文献545

第16章 其他服务546

16.1 搜索救援546

16.1.1 Galileo系统搜索与救援业务547

16.1.2 GPS危险报警业务550

16.1.3 MEOSAR系统搜索与救援业务551

16.1.4 QZSS灾害和危机管理报告服务554

16.2 自动相关监视555

16.3 报文通信559

16.3.1 通信原理559

16.3.2 RDSS业务561

参考文献563

第6部分 展望篇567

第17章 卫星导航技术发展趋势567

17.1 兼容互操作567

17.1.1 概述567

17.1.2 兼容性原理570

17.1.3 互操作原理572

17.1.4 兼容互操作关键技术575

17.2 导航通信一体化579

17.2.1 概述579

17.2.2 北斗RDSS服务581

17.2.3 iGPS系统584

17.3 组合导航590

17.3.1 GNSS／INS组合导航590

17.3.2 量子定位系统595

17.3.3 随机信号导航系统596

17.3.4 全源定位导航系统597

17.4 射频信号直接采样599

17.5 卫星导航信号600

17.5.1 扩频调制带宽有限601

17.5.2 空间分离的导航信号601

17.5.3 卫星同时播发多用途信号602

17.5.4 持续改进L频段卫星导航信号602

17.5.5 卫星导航系统与移动通信深度融合603

参考文献604

第18章 Micro-PNT系统与综合PNT体系607

18.1 概述607

18.2 Micro-PNT系统608

18.2.1 基本概念608

18.2.2 芯片原子钟610

18.2.3 微型陀螺技术611

18.2.4 主动层的初级和次级校准615

18.2.5 微尺度集成617

18.2.6 芯片级组合原子导航仪617

18.3 综合PNT体系619

18.3.1 基本概念620

18.3.2 信息源621

18.3.3 相关技术623

参考文献625