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第1章 导航卫星的定位方法1

1.1 全球和区域卫星导航系统1

1.1.1 GPS1

1.1.2 GLONASS2

1.1.3 “伽利略”，系统3

1.1.4 区域卫星系统4

1.1.5 GNSS的组成4

1.2 导航和大地测量中的定位任务5

1.3 参考坐标系7

1.3.1 地心惯性坐标系7

1.3.2 地心地固坐标系8

1.3.3 大地球面坐标系10

1.3.4 球面坐标系的发展计划11

1.4 时间基准和守时13

1.5 准确度、精度和正态分布13

1.5.1 正态分布的重要性和缺陷14

1.5.2 准确度的度量15

1.6 利用卫星和GNSS方程定位的原理16

1.7 泰勒理论和GNSS方程的线性化19

1.8 最小二乘估计20

1.8.1 最小二乘估计原理20

1.8.2 协方差的传递和精度因子（DOP）22

1.8.3 最小二乘估计的实现23

1.8.4 班克罗夫特的解析解法24

1.9 完好性监测25

1.9.1 大地测量和导航任务中的冗余技术25

1.9.2 接收机自主完好性监测（RAIM）26

1.10 GNSS定位的非线性问题27

1.10.1 实际应用中的非线性问题27

1.10.2 求解非线性GNSS任务的方法28

1.10.3 解决非线性GNSS任务的解析方法29

参考文献30

习题31

第2章 GNSS轨道的分类和应用32

2.1 从托勒密到爱因斯坦的天体运动模型发展32

2.2 用开普勒参数描述轨道运动36

2.2.1 开普勒参数36

2.2.2 通过开普勒参数计算卫星的位置37

2.3 GPS导航电文中的轨道参数40

2.4 GNSS卫星星历41

2.4.1 密切开普勒参数41

2.4.2 GPS星历42

2.5 轨道参数列表44

2.5.1 广播GLONASS星历45

2.5.2 大地测量中表格化的轨道参数45

2.5.3 导航中表格化的轨道参数46

2.5.4 笛卡儿坐标系中开普勒参数的计算47

2.6 卫星时钟47

2.7 开普勒历书在星座分析中的应用48

2.7.1 GNSS历书的实现48

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49

2.8 外力模型53

2.8.1 地球位势球形谐波53

2.8.2 其他外力的影响54

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54

参考文献55

习题57

第3章 用发射机和模拟器产生GNSS信号58

3.1 卫星导航中的扩频信号58

3.1.1 扩频的概念与优点58

3.1.2 GNSS信号的中心频率59

3.1.3 GPS信号的产生61

3.1.4 GLONASS开放性接入信号的生成67

3.1.5 GPS和GLONASS导航电文68

3.1.6 未来的“伽利略”和现代化的GPS、GLONASS信号的新特点69

3.2 GNSS信号模拟器70

3.2.1 为什么需要模拟器70

3.2.2 GNSS模拟器主要设计方法71

3.3 案例研究：机载接收机的场景数据生成74

3.3.1 GNSS和惯性导航系统仿真生成飞行轨迹74

3.3.2 生成模拟场景77

3.3.3 接收机的GNSS观测80

3.4 用GNSS模拟器产生的DIF信号82

3.5 射频信号的产生84

3.5.1 模拟器中射频信号的产生84

3.5.2 卫星发射机上射频信号的产生85

3.5.3 伪卫星86

3.6 课题设计：利用ReGen模拟器产生GPS信号87

参考文献89

习题90

第4章 大气层信号传播91

4.1 无线电信号传播的几何光学理论92

4.2 GNSS在大气层的射线弯曲94

4.3 GNSS信号在电离层的相速度和群速度96

4.4 电离层中GNSS传播模型98

4.4.1 电子总量的模型形式98

4.4.2 GPS电离层广播模型101

4.4.3 GLONASS接收机电离层误差补偿103

4.4.4 “伽利略”接收机电离层误差补偿——NeQuick模型104

4.4.5 电离层信号衰减105

4.5 对流层传播105

4.5.1 原理105

4.5.2 模型106

4.6 接收机和模拟器中大气误差建模107

4.7 课题设计108

参考文献109

第5章 接收机前端111

5.1 软件GNSS接收机射频前端111

5.1.1 通用GNSS接收机111

5.1.2 软件GNSS接收机112

5.1.3 前端应用113

5.1.4 前端带宽114

5.2 天线114

5.2.1 天线增益方向图115

5.2.2 极化117

5.2.3 天线设计117

5.2.4 电缆和电缆接头120

5.3 前端设计120

5.4 前端时钟121

5.4.1 前端时钟和接收机时钟121

5.4.2 OCXO与TCXO比较122

5.4.3 时钟在模拟器及采集与回放系统中的作用124

5.5 下变频125

5.6 模／数变换126

5.6.1 确定采样频率126

5.6.2 量化127

5.7 课题设计：用PC实时记录 GNSS信号129

参考文献132

习题133

第6章 基于PC的实时基带处理器134

6.1 我们需要完整的接收机还是只需要基带处理器134

6.2 一般操作136

6.3 捕获137

6.3.1 搜索捕获区137

6.3.2 循环相关算法138

6.3.3 相干与非相干积分141

6.3.4 频率分辨率142

6.4 软件基带处理器中的跟踪143

6.5 其他GNSS信号的捕获与跟踪150

6.5.1 GLONASS信号的捕获与跟踪150

6.5.2 BOC信号的捕获与跟踪151

6.6 锁定检测器151

6.7 位同步152

6.8 测量153

6.9 实时实现154

6.10 课题设计156

参考文献156

习题157

第7章 多径158

7.1 多径误差及其仿真158

7.1.1 确定性模型159

7.1.2 随机模型159

7.2 案例研究：多径对BPSK和BOC（1，1）信号的影响160

7.3 多径抑制165

7.3.1 天线165

7.3.2 多相关器接收机166

7.4 课题设计：采用多径仿真研究多径对接收机性能的影响166

参考文献167

第8章 全球导航卫星系统观测的优化168

8.1 全球导航卫星系统观测误差估算168

8.2 形成观测值170

8.2.1 载波平滑编码相位观测值170

8.2.2 差分解决方案171

8.3 多频点观测值174

8.3.1 宽巷线性组合174

8.3.2 窄巷线性组合174

8.3.3 无电离层观测值175

8.4 利用增强系统改善观测值176

8.4.1 星基增强系统（SBAS）177

8.4.2 陆基增强系统（GBAS）182

8.5 课题设计：LAAS仿真数据188

参考文献189

习题189

第9章 观测值在导航任务中的应用190

9.1 利用载波相位观测值精确定位190

9.1.1 解模糊度191

9.1.2 LAMBDA方法196

9.1.3 跳周检测197

9.2 案例研究：飞机姿态的确定198

9.2.1 算法198

9.2.2 飞行试验202

参考文献205

第10章 GNSS信号的电磁闪烁206

10.1 电离层的不规则性207

10.2 弱散射Rytov近似算法210

10.3 闪烁监测213

10.3.1 信号强度测量213

10.3.2 基带处理器中的闪烁测量214

10.3.3 差分闪烁监控216

10.4 案例研究：弱电离区的闪烁216

10.5 试验获得闪烁数据的特性222

10.6 弱闪烁唯象模型223

10.7 分波束闪烁模型225

10.8 课题设计：利用iPRx接收机监测电离层闪烁226

参考文献227

习题229

第11章 利用GNSS信号的地球物理测量230

11.1 电离层参数估算231

11.2 无线电掩星技术233

11.3 地球自转参数估算235

11.4 GNSS在地震研究中的应用238

11.5 案例研究：海底监控系统240

11.6 电离层中的地震前兆242

11.6.1 利用电离层前兆预测和预报242

11.6.2 电离层前兆的形成机理243

11.6.3 地震光243

11.6.4 温度变化244

11.6.5 氡气排放244

11.6.6 电气变化244

11.6.7 磁性变化246

参考文献246

第12章 INS辅助基带和导航信号处理250

12.1 集成GNSS与INS的原则250

12.2 案例研究：INS辅助稳健跟踪251

12.2.1 多普勒辅助PLL251

12.2.2 飞行试验254

12.3 案例研究：闪烁条件下INS辅助跟踪259

12.3.1 多普勒辅助的理论性能259

12.3.2 利用模拟信号进行测试261

12.4 动态应用的精确单点定位265

12.5 设计：利用软件接收机处理飞行数据268

参考文献269

下一步计划：射频实验室271