本書分為10章，主要介紹了GNSS高精度定位的基本概況和基本原理。作為一種嘗試，本書略寫同類型書籍中常見的空間大地測量的基本原理和觀測方程內容，避免與現(xiàn)有的教科書雷同。同時，本書從物理、通訊和地球物理的角度，以麥克斯韋電磁方程組為起點，推導并介紹GNSS電磁波信號的基本特征和傳播介質的影響，闡述GNSS信號及系統(tǒng)誤差的物理機制。同時介紹接收機內部捕獲、跟蹤和提取GNSS信號的系統(tǒng)設計，輸出數(shù)據(jù)的壓縮原理和數(shù)據(jù)傳輸方式，闡述GNSS高精度定位和定向測姿原理，以及數(shù)據(jù)分析中比較前沿的算法。
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目錄
叢書序
序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 GNSS發(fā)展歷史 1
1.2 現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng) 2
1.2.1 GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng) 2
1.2.2 GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng) 5
1.2.3 Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng) 6
1.2.4 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) 7
1.3 GNSS高精度定位應用 8
1.3.1 走向高頻 8
1.3.2 從誤差源到信息源 8
1.3.3 單天線擴展到多天線 9
1.3.4 多技術融合 9
1.3.5 高精度動態(tài)應用 10
1.3.6 GNSS無線電掩星探測 11
第2章 GNSS信號構成 12
2.1 GPS信號構成 12
2.1.1 載波 12
2.1.2 偽碼 13
2.1.3 數(shù)據(jù)碼 16
2.1.4 導航電文 17
2.2 其他導航系統(tǒng)的信號構成 18
2.2.1 GLONASS衛(wèi)星信號 18
2.2.2 Galileo系統(tǒng)的信號構成 19
2.2.3 北斗導航系統(tǒng) 20
第3章 GNSS信號的基本特征和傳播 22
3.1 電磁波信號的物理特征 22
3.1.1 麥克斯韋方程組和平面電磁波 22
3.1.2 電磁波的頻率特征 26
3.1.3 電磁波的極化特征 27
3.1.4 電磁波的干涉和衍射 28
3.1.5 電磁波的多普勒效應 29
3.2 GNSS信號的傳播：從自由空間到地面 30
3.2.1 GNSS信號在電離層中的傳播 30
3.2.2 GNSS信號在對流層中的傳播 38
3.2.3 GNSS信號在地面的廣義多路徑效應 51
計算和思考 63
第4章衛(wèi)星信號處理 65
4.1 GNSS接收機捕獲原理 65
4.1.1 串行捕獲算法 66
4.1.2 基于FFT/IFFT的并行捕獲算法 68
4.1.3 弱信號的捕獲算法 70
4.2 GNSS接收機跟蹤原理 74
4.2.1 載波跟蹤算法 74
4.2.2 碼跟蹤算法 83
4.3 軟件接收機系統(tǒng)設計與分析 86
4.3.1 系統(tǒng)總體架構 87
4.3.2 射頻信號接收硬件設計與分析 87
第5章 地面接收端產(chǎn)生的誤差 94
5.1衛(wèi)星和接收機天線相位中心偏差 94
5.1.1 微波暗室測定 95
5.1.2 室外機器人測定 96
5.1.3 室外短基線測定 97
5.2 多路徑誤差 100
5.2.1 多路徑誤差定義 100
5.2.2 多路徑特征 100
5.2.3 多路徑消除方法概述 103
5.3 接收機鐘差和周跳 105
5.3.1 接收機鐘誤差 105
5.3.2 接收機周跳 105
5.4 空基和地基相位纏繞 106
5.4.1 相位纏繞效應 106
5.4.2 空基相位纏繞 107
5.4.3 地基相位纏繞 107
第6章衛(wèi)星數(shù)據(jù)壓縮與傳輸 112
6.1 數(shù)據(jù)壓縮基本原理與信息熵 112
6.1.1 數(shù)據(jù)壓縮的信息論基礎 112
6.1.2 信息熵與冗余度 113
6.1.3 數(shù)據(jù)壓縮的性能指標和標準 115
6.2 衛(wèi)星信號壓縮技術 116
6.2.1 有損壓縮 116
6.2.2 無損壓縮 117
6.2.3 GNSS數(shù)據(jù)的Hatanaka壓縮 118
6.3 接收機輸出的數(shù)據(jù)傳輸 121
6.3.1 TCP/IP協(xié)議的層次結構 121
6.3.2 IP協(xié)議 122
6.3.3 TCP協(xié)議 124
6.3.4 TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應用 129
6.4 基于UDP的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸 129
6.4.1 UDP通信協(xié)議概述 130
6.4.2 UDP數(shù)據(jù)報格式 130
6.4.3 UDP基本工作過程 132
第7章 坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 134
7.1 坐標系統(tǒng) 134
7.1.1 地心坐標系 135
7.1.2 地理坐標系 135
7.1.3 測站坐標系 136
7.1.4衛(wèi)星固連坐標系 136
7.1.5 我國采用的高斯平面坐標系和高程系統(tǒng) 137
7.1.6 空間坐標與高斯平面坐標的轉換 138
7.1.7 大地參考系統(tǒng)和大地參考框架 141
7.1.8 國際大地參考框架 141
7.1.9 ITRF實現(xiàn)的難點 143
7.2 時間系統(tǒng) 146
7.2.1 時間系統(tǒng)的定義 147
7.2.2 時間系統(tǒng)之間的轉換 149
7.2.3 GNSS時間系統(tǒng) 151
7.2.4 守時和授時 152
計算和思考 153
第8章 GNSS高精度定位原理 154
8.1 GNSS觀測量 154
8.1.1 偽距測量及其觀測方程 154
8.1.2 載波相位測量及其觀測方程 154
8.1.3 觀測方程的線性組合 157
8.2 誤差改正 158
8.2.1 對流層延遲誤差改正 159
8.2.2 電離層延遲誤差改正 160
8.2.3 與衛(wèi)星有關的誤差 161
8.2.4 測站相關修正 163
8.2.5 多路徑效應的實時模型改正 165
8.3 單站精密單點定位 167
8.3.1 單站精密單點定位的函數(shù)模型 167
8.3.2 單站精密單點定位的隨機模型 169
8.3.3 單站精密單點定位的參數(shù)估計方法 170
8.4 多系統(tǒng)精密單點定位 174
8.4.1 GPS/GLONASS綜合數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一模型 174
8.4.2 GPS/GLONASS系統(tǒng)時延偏差 176
8.4.3 頻間差特性分析 179
8.5 載波相位差分技術 182
8.6 觀測值中的周跳檢測 189
8.6.1 多頻周跳探測算法 189
8.6.2 單頻周跳探測算法 195
8.7 整周模糊度估計算法 196
8.7.1 參數(shù)估計理論和FARA算法 196
8.7.2 最小二乘模糊度搜索算法 199
8.7.3 Z變換和LAMBDA算法 200
第9章 GNSS定向測姿原理 205
9.1 GNSS定向測姿的需求 205
9.2 GNSS定向測姿的基本原理 206
9.3 共用時鐘GNSS多天線接收機的定向測姿技術 208
9.3.1 共用時鐘GNSS多天線接收機測姿原理 208
9.3.2 測姿算法中單差和雙差等價性討論 209
9.3.3 單差模糊度估計的ASA算法 213
9.4 GNSS/INS緊耦合定位定向測姿的基本原理 216
9.4.1 GNSS/INS緊耦合數(shù)學模型 216
9.4.2 INS誤差狀態(tài)方程 217
9.4.3 GNSS/INS緊組合系統(tǒng)的狀態(tài)方程 218
9.4.4 GNSS/INS緊耦合系統(tǒng)觀測方程 219
9.5 GNSS單天線偽姿態(tài)角定向測姿的基本原理 224
9.5.1 偽姿態(tài)角計算方法 224
9.5.2 偽姿態(tài)角方法應用 225
計算和思考 226
第10章 GNSS數(shù)據(jù)分析的算法原理 227
10.1 平差估計和濾波估計 227
10.1.1 最小二乘估計 227
10.1.2 序貫最小二乘估計 230
10.1.3 類觀測和約束 231
10.2 參數(shù)的隱式解和矩陣的分塊約化 234
10.3 考察矩陣和縮放敏感矩陣 237
10.4 Kalman濾波 240
10.4.1 Kalman濾波基本方程 240
10.4.2 Kalman濾波的擴展：AKF、EKF和UKF 243
10.4.3 Kalman濾波下的殘差平方和增量 247
10.5 廣義約束理論 248
10.6 最少約束、內約束和參考框架確定 250
10.7 區(qū)域濾波、共模誤差和主分量分析 253
10.7.1 共模誤差(CME) 253
10.7.2 區(qū)域濾波和主分量分析(PCA) 254
10.7.3 獨立分量分析(ICA) 260
10.7.4 奇異譜(SSA)和多通道奇異譜(MSSA)分析 263
10.8 噪聲模型和噪聲分析 265
10.9 對高度相關參數(shù)和統(tǒng)計理論的新挑戰(zhàn) 269
計算和思考 272
參考文獻 273
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