內容簡介
全書共12章，第1章綜述了GNSS、INS和GNSS/INS組合的發展現狀和套用情況；第2、3章分別介紹了衛星導航和慣性導航的基本知識；第4章詳細介紹了原有GPS信號的特性，並著重介紹了GPS現代化、GLONASS、Galileo等的基本情況；第5、6章介紹了GNSS天線和接收機設計；第7章分析了GNSS數據誤差，著重介紹了多徑問題及其消除方法；第8、9章分別介紹了差分GNSS和GNSS及GEO信號完好性等內容，第10章重點研究了卡爾曼濾波，介紹了幾種不同的卡爾曼濾波實現方法；第11章對慣性導航系統的主要誤差進行了深入分析；第12章系統研究了GNSS/INS組合的原理及數學建模、性能分析等內容。
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 導航 1
1.1.1 與導航相關的技術 1
1.1.2 導航模式 2
1.2 GNSS綜述 3
1.2.1 GPS 3
1.2.2 全球軌道導航衛星系統（GLONASS） 4
1.2.3 伽利略（Galileo）系統 5
1.2.4 北斗（BeiDou-2）衛星導航系統 7
1.3 慣性導航綜述 8
1.3.1 理論基礎 8
1.3.2 慣性感測器技術 9
1.4 GNSS/INS組合綜述 23
1.4.1 卡爾曼濾波器的作用 23
1.4.2 實現 24
1.4.3 套用 24
習題 25
參考文獻 25
第2章 衛星導航系統基礎 28
2.1 導航系統研究 28
2.1.1 不同於GNSS的系統 28
2.1.2 比較準則 28
2.2 衛星導航 29
2.2.1 衛星軌道 29
2.2.2 導航解算（二維實例） 30
2.2.3 衛星選擇和精度因子 32
2.2.4 DOP的計算實例 35
2.3 時間與GPS 37
2.3.1 協調世界時（UTC）的產生 37
2.3.2 GPS系統時 37
2.3.3 接收機UTC的計算 37
2.4 例子：無誤差時用戶位置計算 38
2.4.1 用戶位置計算 38
2.4.2 用戶速度計算 40
習題 41
參考文獻 42
第3章 慣性導航基礎 44
3.1 本章重點 44
3.2 基本術語 44
3.3 慣性感測器誤差模型 47
3.3.1 零均值隨機誤差 48
3.3.2 固定型誤差 49
3.3.3 感測器誤差穩定性 50
3.4 感測器校準和補償 50
3.4.1 感測器偏差、尺度因子和錯位 51
3.4.2 其他校準參數 52
3.4.3 校準參數的不穩定性 54
3.4.4 GNSS之前的輔助感測器 54
3.4.5 感測器性能範圍 55
3.5 地球模型 55
3.5.1 陸地導航坐標系 56
3.5.2 地球旋轉 56
3.5.3 重力模型 57
3.6 硬體實現方法 62
3.6.1 平衡環系統的實現方法 63
3.6.2 浮台系統的實現方法 65
3.6.3 旋轉木馬及分度法 65
3.6.4 捷聯繫統 66
3.6.5 捷聯繫統的旋轉木馬及分度 66
3.7 軟體實現方法 67
3.7.1 一維的例子 67
3.7.2 九維的初始化 68
3.7.3 平衡環姿態的實現 71
3.7.4 平衡環導航的實現 72
3.7.5 捷聯姿態的實現 73
3.7.6 捷聯導航的實現 79
3.7.7 導航計算機和軟體的需求 81
3.8 INS性能標準 82
3.8.1 自由慣性運行 82
3.8.2 INS性能度量 82
3.8.3 性能級別 83
3.9 測試和評估 83
3.9.1 實驗室測試 84
3.9.2 現場測試 84
3.10 總結 84
習題 85
參考文獻 87
第4章 GNSS信號結構特徵及信息利用 88
4.1 原有GPS信號的成分、用途和特徵 88
4.1.1 原有GPS信號的數學信號模型 88
4.1.2 導航數據格式 91
4.1.3 GPS衛星位置的計算 94
4.1.4 C/A碼及其性能 99
4.1.5 P(Y)碼及其特性 104
4.1.6 L1和L2載波 105
4.1.7 發射功率電平 106
4.1.8 自由空間及其他損耗因子 106
4.1.9 接收信號功率 106
4.2 GPS的現代化 107
4.2.1 從現代化中受益的領域 107
4.2.2 GPS現代化改進的基本內容 108
4.2.3 L2民用（L2C）信號 109
4.2.4 L5信號 109
4.2.5 M碼 111
4.2.6 L1C信號 112
4.2.7 GPS衛星系列 113
4.2.8 GPS III 113
4.3 GLONASS信號結構和特徵 113
4.3.1 頻分多址（FDMA）信號 114
4.3.2 CDMA現代化 115
4.4 GALILEO系統（GALILEO） 115
4.4.1 星座和服務等級 116
4.4.2 導航數據和信號 116
4.5 北斗系統 117
4.6 準天頂衛星系統（QZSS） 118
習題 119
參考文獻 120
第5章 GNSS天線設計與分析 123
5.1 套用 123
5.2 GNSS天線性能特點 123
5.2.1 尺寸和成本 123
5.2.2 頻率和頻寬 123
5.2.3 輻射圖特性 124
5.2.4 天線極化和軸比 125
5.2.5 GNSS天線的指向、效率和增益 127
5.2.6 天線阻抗、駐波比和回波損耗 128
5.2.7 天線頻寬 129
5.2.8 天線噪聲係數 130
5.3 GNSS天線設計的電磁計算模型（CEM） 131
5.4 GNSS天線技術 132
5.4.1 偶極子GNSS天線 132
5.4.2 GNSS貼片天線 132
5.4.3 勘測級/參考GNSS天線 139
5.5 自適應相控陣天線原理 141
5.5.1 數字波束形成自適應天線陣公式 143
5.5.2 STAP 145
5.5.3 SFAP 145
5.5.4 自適應相控陣天線的結構 145
5.5.5 自適應相控陣天線的優點 146
5.6 校準/補償的套用考量 146
習題 148
參考文獻 149
第6章 GNSS接收機設計與分析 153
6.1 接收機設計的選擇 153
6.1.1 GNSS所支持的套用 153
6.1.2 單頻或多頻支持 153
6.1.3 通道數 154
6.1.4 碼型選擇 155
6.1.5 差分性能 155
6.1.6 輔助輸入 156
6.2 接收機結構 157
6.2.1 射頻（RF）前端 157
6.2.2 下變頻及中頻放大 159
6.2.3 模數轉換與自動增益控制 160
6.2.4 基帶信號處理 161
6.3 信號捕獲與跟蹤 161
6.3.1 對用戶位置的假定 162
6.3.2 關於可視衛星的假定 162
6.3.3 信號都卜勒估計 162
6.3.4 在頻率和C/A碼相位範圍內搜尋信號 163
6.3.5 信號檢測與確認 166
6.3.6 碼跟蹤環 168
6.3.7 載波相位跟蹤環 172
6.3.8 位同步 175
6.3.9 數據位解調 175
6.4 用戶解算所需信息的提取 176
6.4.1 信號發射時間信息 176
6.4.2 衛星位置和速度的星曆數據 176
6.4.3 利用碼相位的偽距測量公式 177
6.4.4 利用載波相位的測量 178
6.4.5 載波都卜勒測量 179
6.4.6 積分都卜勒測量 180
6.5 偽距、載波相位和頻率估計的理論考慮 181
6.5.1 碼相位測量的理論誤差限 182
6.5.2 載波相位測量的理論誤差限 182
6.5.3 頻率測量的理論誤差限 183
6.6 高靈敏度A-GPS系統 185
6.6.1 輔助數據如何改進接收機性能 185
6.6.2 高靈敏度接收機的影響因素 188
6.7 軟體無線電（SDR）方法 190
6.8 偽衛星的考慮 190
習題 191
參考文獻 193
第7章 GNSS數據誤差 197
7.1 數據誤差 197
7.2 電離層傳播誤差 197
7.2.1 電離層延遲模型 198
7.2.2 GNSS SBAS電離層算法 200
7.3 對流層傳播誤差 207
7.4 多徑問題 208
7.5 多徑抑制方法 210
7.5.1 空間處理技術 210
7.5.2 時域處理技術 212
7.5.3 多徑消除技術MMT 215
7.5.4 時域方法的性能 222
7.6 多徑消除的理論極限 224
7.6.1 估計理論方法 224
7.6.2 MMSE估計器 225
7.6.3 多徑建模誤差 225
7.7 星曆數據誤差 225
7.8 星載時鐘誤差 226
7.9 接收機時鐘誤差 227
7.10 選擇可用性誤差 228
7.11 誤差預估計 228
習題 229
參考文獻 230
第8章 差分GNSS 233
8.1 簡介 233
8.2 局域差分GNSS（LADGNSS）、廣域差分GNSS（WADGNSS）和
天基增強系統（SBAS） 233
8.2.1 LADGNSS 233
8.2.2 WADGNSS 234
8.2.3 SBAS 234
8.3 GEO L1L5信號 238
8.3.1 概述 238
8.3.2 GEO上行鏈路子系統類型1（GUST）控制環 240
8.4 GUS時鐘控制算法 244
8.4.1 接收機時鐘誤差的確定 246
8.4.2 時鐘驅動控制定律 247
8.5 GEO軌道的確定（OD） 249
8.6 地基增強系統（GBAS） 254
8.6.1 區域增強系統（LAAS） 254
8.6.2 聯合精密進近著陸系統（JPALS） 254
8.6.3 增強的遠距離導航（eLoran） 255
8.7 基於相對測量的DGNSS 255
8.7.1 碼差分測量 255
8.7.2 載波相位差分測量 256
8.7.3 利用雙差測量的定位 258
8.8 GNSS精確單點定位服務及產品 259
8.8.1 國際GNSS服務（IGS） 259
8.8.2 持續運行的參考站（CORS） 259
8.8.3 GPS推斷定位系統（GIPSY）和軌道分析仿真軟體（OASIS） 259
8.8.4 澳大利亞的線上式GPS處理系統（AUPOS） 260
8.8.5 Scripps坐標更新工具（SCOUT） 260
8.8.6 線上定位用戶服務（OPUS） 260
習題 261
參考文獻 261
第9章 GNSS和GEO信號完好性 264
9.1 引言 264
9.1.1 距離比較法 265
9.1.2 最小二乘法 265
9.1.3 等價法 266
9.2 SBAS和GBAS完好性設計 267
9.2.1 SBAS誤差源和完好性威脅 268
9.2.2 與GNSS相關的誤差 269
9.2.3 與GEO相關的誤差 271
9.2.4 接收機和測量處理誤差 271
9.2.5 估計誤差 272
9.2.6 與完好性界限相關的誤差 273
9.2.7 GEO上行鏈路誤差 274
9.2.8 完好性威脅的消除 274
9.3 SBAS實例 279
9.4 總結 281
9.5 未來：GIC 281
習題 281
參考文獻 281
第10章 卡爾曼濾波 284
10.1 簡介 284
10.1.1 什麼是卡爾曼濾波器 284
10.1.2 卡爾曼濾波器如何工作 285
10.1.3 如何套用卡爾曼濾波器 286
10.2 卡爾曼濾波器修正更新 287
10.2.1 卡爾曼增益推導 287
10.2.2 利用卡爾曼增益的估計修正 295
10.2.3 用於使用測量值的協方差修正 295
10.3 卡爾曼濾波器預測更新 295
10.3.1 連續時間隨機系統 295
10.3.2 離散時間隨機系統 300
10.3.3 離散時間狀態空間模型 301
10.3.4 動態擾動噪聲分布矩陣 302
10.3.5 預測器方程 302
10.4 卡爾曼濾波方程總結 303
10.4.1 基本方程 303
10.4.2 常用術語 303
10.4.3 數據流圖 304
10.5 對時間相關噪聲的適應性 305
10.5.1 相關噪聲模型 305
10.5.2 感測器噪聲的經驗模型 307
10.5.3 增廣狀態向量 309
10.6 非線性和自適應的實現 310
10.6.1 線性近似誤差的評估 310
10.6.2 非線性動態 315
10.6.3 非線性感測器 315
10.6.4 線性卡爾曼濾波 316
10.6.5 擴展卡爾曼濾波 317
10.6.6 自適應卡爾曼濾波 318
10.7 卡爾曼-布西濾波器（KALMAN-BUCY FILTER） 319
10.7.1 實現方程 320
10.7.2 卡爾曼-布西濾波器參數 320
10.8 GNSS主載體跟蹤濾波器 321
10.8.1 載體跟蹤濾波器 321
10.8.2 信息的動態稀釋 321
10.8.3 載體跟蹤專用濾波器 323
10.8.4 載體跟蹤濾波器比較 332
10.9 其他實現方法 334
10.9.1 斯密特-卡爾曼次優濾波 334
10.9.2 串列測量處理 337
10.9.3 改進數值穩定性 338
10.9.4 卡爾曼濾波器監控 341
10.10 總結 345
習題 345
參考文獻 347
第11章 慣性導航系統誤差分析 350
11.1 本章重點 350
11.2 導航解中的誤差 351
11.2.1 9個核心INS誤差變數 351
11.2.2 用於INS誤差分析的坐標系 351
11.2.3 模型變數和參數 352
11.2.4 動態耦合機制 356
11.3 導航誤差動力學 358
11.3.1 速度積分產生的誤差動態 359
11.3.2 重力計算產生的誤差動態 360
11.3.3 科里奧利加速度引起的誤差動態 361
11.3.4 離心加速度引起的誤差動態 362
11.3.5 地球速率調平引起的誤差動態 363
11.3.6 速度調平引起的誤差動態 363
11.3.7 加速度和錯位引起的誤差動態 364
11.3.8 所有效應的綜合模型 365
11.3.9 垂直導航不穩定性 367
11.3.10 舒勒振盪 371
11.3.11 核心模型的校驗與調整 372
11.4 慣性感測器噪聲 373
11.5 感測器補償誤差 374
11.5.1 概述 374
11.5.2 感測器補償誤差模型 375
11.6 軟體源 379
11.7 總結 380
習題 381
參考文獻 382
第12章 GNSS/INS組合 383
12.1 本章重點 383
12.1.1 目標 383
12.1.2 內容順序 384
12.2 GNSS/INS組合綜述 384
12.2.1 歷史背景 384
12.2.2 松/緊分級 385
12.2.3 統一導航模型 387
12.3 GNSS/INS組合的統一模型 388
12.3.1 GNSS誤差模型 388
12.3.2 INS誤差模型 390
12.3.3 GNSS/INS 391
12.4 性能分析 393
12.4.1 動態仿真模型 393
12.4.2 結果 394
12.5 其他組合問題 397
12.5.1 天線/ISA偏移修正 397
12.5.2 軌跡對性能的影響 398
12.6 總結 399
習題 400
參考文獻 400
附錄A 軟體 401
A.1 軟體源 401
A.2 第3章的軟體 401
A.3 第4章的軟體 402
A.4 第7章的軟體 402
A.5 第10章的軟體 402
A.6 第11章的軟體 403
A.7 第12章的軟體 404
A.8 曆書/星曆數據源 404
附錄B 坐標系統及其變換 405
B.1 坐標變換矩陣 405
B.1.1 符號 405
B.1.2 定義 405
B.1.3 單位坐標向量 406
B.1.4 方向餘弦 406
B.1.5 坐標變換合成 407
B.2 慣性基準方向 407
B.3 取決於套用的坐標系 407
B.3.1 笛卡兒坐標和極坐標 408
B.3.2 天體坐標系 408
B.3.3 衛星軌道坐標系 409
B.3.4 ECI坐標系 410
B.3.5 ECEF坐標系 410
B.3.6 橢球曲率半徑 417
B.3.7 本地切平面（LTP）坐標系 417
B.3.8 RPY坐標系 420
B.3.9 載體姿態的歐拉角 420
B.3.10 GNSS導航坐標系 422
B.4 坐標系變換模型 424
B.4.1 歐拉角 424
B.4.2 旋轉向量 425
B.4.3 方向餘弦矩陣 438
B.4.4 四元數 442
B.5 旋轉坐標系中的牛頓力學 446
B.5.1 旋轉坐標系 446
B.5.2 矩陣乘積的時間微分 447
B.5.3 離心和科里奧利加速度求解 447
縮略語 448
