本書主要介紹北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的基本原理與基本方法，以導航技術的基本原理與及北斗的新技術結合，介紹我國北斗衛(wèi)星導航定位的現(xiàn)狀和發(fā)展，利用BDSIM等仿真軟件，介紹了北斗系統(tǒng)仿真的原理，以便讓學生更加深入的學習后續(xù)課程。
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目錄
第1章 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)概述 1
1.1 世界衛(wèi)星導航發(fā)展歷史回顧 1
1.1.1 美國 1
1.1.2 俄羅斯 4
1.1.3 歐盟 4
1.2 我國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)發(fā)展歷程 5
1.2.1 北斗一號：地球靜止軌道衛(wèi)星定位系統(tǒng) 6
1.2.2 北斗二號：區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng) 6
1.2.3 北斗三號：全球衛(wèi)星導航系統(tǒng) 7
1.3 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)組成 8
1.3.1 空間段 9
1.3.2 地面段 11
1.3.3 用戶段 13
1.4 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的服務 14
1.5 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的特色和優(yōu)勢 15
1.5.1 混合星座設計提高用戶可見衛(wèi)星數(shù) 15
1.5.2 導航與通信一體化設計提供多種服務 16
1.5.3 星間鏈路實現(xiàn)星座靈活管控與自主運行 16
1.5.4 多頻點導航信號增加用戶可選擇性 17
1.6 北斗衛(wèi)星導航定位的典型應用 17
1.6.1 精密測量 17
1.6.2 地理測繪 18
1.6.3 車輛導航 18
1.6.4 航海應用 19
1.6.5 航空應用 20
1.6.6 航天應用 20
1.6.7 軍事應用 20
1.6.8 北斗授時 21
1.6.9 機械控制 21
1.6.10 大眾消費 21
第2章 北斗衛(wèi)星導航定位基本原理 23
2.1 無線電測距定位原理 23
2.1.1 利用到達時間測距的原理 23
2.1.2 平面內(nèi)二維位置的確定 23
2.1.3 三球交會確定三維位置 24
2.2 衛(wèi)星導航定位基本要素 26
2.2.1 導航衛(wèi)星 26
2.2.2 導航信號 27
2.2.3 導航電文 28
2.2.4 距離測量 29
2.3 衛(wèi)星導航定位方程 29
2.3.1 偽距方程 29
2.3.2 定位方程 31
2.4 定位結果精度及誤差分析 32
2.4.1 定位結果的精度 32
2.4.2 定位誤差源 32
2.5 差分定位 35
第3章 北斗的坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng) 37
3.1 地球坐標系統(tǒng) 37
3.1.1 大地水準面與地球橢球 37
3.1.2 地心大地坐標系 38
3.1.3 地心地固直角坐標系 40
3.1.4 地極移動 41
3.1.5 協(xié)議地球坐標系 43
3.1.6 北斗坐標系的定義 44
3.1.7 地固坐標系之間的轉換 45
3.2 天球坐標系統(tǒng) 46
3.2.1 天球的基本概念 46
3.2.2 坐標系 47
3.2.3 歲差和章動 47
3.2.4 協(xié)議天球坐標系 48
3.2.5 協(xié)議天球坐標系與協(xié)議地球坐標系的轉換 49
3.2.6 國際參考坐標系及其轉換關系 53
3.3 測站坐標系統(tǒng) 55
3.3.1 測站坐標系的定義 55
3.3.2 測站坐標系與地心地固坐標系的轉換 56
3.3.3 方位角和高度角的計算 57
3.4 時間系統(tǒng) 58
3.4.1 時間系統(tǒng)概述 58
3.4.2 世界時系統(tǒng) 59
3.4.3 原子時系統(tǒng) 61
3.4.4 協(xié)調世界時 61
3.4.5 北斗時(BDT) 的定義 61
3.4.6 時間系統(tǒng)之間的轉換 61
3.4.7 時間標示法及其轉換關系 63
第4章 北斗衛(wèi)星軌道運動基礎 68
4.1 開普勒行星運動三大定律 68
4.2 衛(wèi)星軌道無攝運動 69
4.2.1 二體問題 70
4.2.2 軌道根數(shù) 70
4.2.3 衛(wèi)星位置和速度的計算 75
4.3 衛(wèi)星軌道受攝運動 77
4.3.1 地球非球形攝動 78
4.3.2 日月引力攝動 79
4.3.3 太陽光壓攝動 80
4.4 北斗衛(wèi)星星歷 81
4.4.1 北斗二號廣播星歷 81
4.4.2 北斗三號廣播星歷 82
4.5 利用衛(wèi)星星歷計算北斗衛(wèi)星位置 83
4.5.1 北斗二號衛(wèi)星位置計算方法 83
4.5.2 北斗三號衛(wèi)星位置計算方法 89
4.6 北斗衛(wèi)星星座及其可見性 93
4.6.1 北斗星座的衛(wèi)星軌道類型組成 93
4.6.2 北斗星座的衛(wèi)星可見性 98
第5章 北斗測量模型及定位誤差源分析 102
5.1 北斗測量模型 102
5.1.1 偽距測量模型 102
5.1.2 載波相位測量模型 104
5.1.3 偽距和載波相位的關系 106
5.1.4 測量中包含的誤差 106
5.2 與衛(wèi)星相關的誤差 107
5.2.1 星歷誤差 107
5.2.2 鐘差誤差 108
5.2.3 用戶測距誤差 109
5.3 信號空間傳播誤差 111
5.3.1 電離層延遲及其修正方法 111
5.3.2 對流層延遲及其修正方法 119
5.3.3 多路徑效應 121
5.4 與接收機相關的誤差 122
5.4.1 接收機噪聲 122
5.4.2 天線相位中心誤差 123
5.5 其他誤差 123
5.5.1 相對論效應 123
5.5.2 地球自轉效應 125
第6章 北斗偽距定位、測速與授時方法 127
6.1 偽距單點定位方法 127
6.1.1 定位方法的分類 127
6.1.2 偽距觀測方程的線性化 128
6.1.3 最小二乘法 130
6.1.4 卡爾曼濾波技術 130
6.1.5 偽距定位算法及步驟 131
6.2 單點定位精度評估 136
6.2.1 精度衰減因子 136
6.2.2 衛(wèi)星的幾何分布對DOP 值的影響 139
6.2.3 最佳星座的選擇問題 140
6.3 偽距差分定位方法 140
6.3.1 差分定位基本原理 141
6.3.2 北斗差分定位方法 144
6.3.3 偽距差分定位誤差分析 146
6.4 北斗測速解算方法 147
6.4.1 偽距變化率測速方法 148
6.4.2 衛(wèi)星速度的計算方法 149
6.5 北斗授時解算方法 150
6.5.1 單向測量授時 151
6.5.2 共視測量授時 151
第7章 北斗載波相位精確定位原理與方法 153
7.1 載波相位差分觀測值 153
7.1.1 非差觀測值 153
7.1.2 單差觀測值 154
7.1.3 雙差觀測值 155
7.1.4 三差觀測值 156
7.2 實時動態(tài)差分定位方法 157
7.2.1 RTK組成原理 157
7.2.2 RTK解算方法 160
7.2.3 網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)服務技術 163
7.3 精密單點定位方法 167
7.3.1 精密單點定位解算方法 167
7.3.2 PPP有關的誤差 170
7.4 整周模糊度解算 173
7.4.1 整周模糊度解算原理 174
7.4.2 整周模糊度解算方法 175
7.5 周跳探測與處理問題 182
第8章 北斗導航信號基礎 184
8.1 北斗信號概述 184
8.2 載波及其頻率 185
8.2.1 無線電頻譜 185
8.2.2 北斗的頻率 186
8.3 北斗的測距碼 186
8.3.1 偽隨機噪聲碼 186
8.3.2 m序列 188
8.3.3 截短碼和復合碼 191
8.3.4 Gold碼 193
8.3.5 北斗二號測距碼 194
8.3.6 Weil碼 196
8.3.7 北斗三號測距碼 197
8.4 北斗的數(shù)據(jù)碼 198
8.4.1 北斗二號數(shù)據(jù)碼 199
8.4.2 北斗三號數(shù)據(jù)碼 201
8.5 北斗的信號結構 205
8.5.1 北斗二號信號結構 206
8.5.2 北斗三號信號結構 206
8.6 北斗信號的調制方式 209
8.6.1 BPSK調制方式 210
8.6.2 QPSK調制方式 211
8.6.3 BOC調制方式 212
8.6.4 QMBOC調制方式 214
第9章 北斗接收機原理 216
9.1 接收機組成原理 216
9.2 接收機類型 217
9.2.1 按用途分類 217
9.2.2 按載波頻率分類 219
9.2.3 按通道數(shù)分類 219
9.2.4 按工作原理分類 220
9.2.5 按產(chǎn)品形態(tài)分類 220
9.3 接收機天線 221
9.3.1 天線類型 221
9.3.2 天線的方向性及增益 221
9.3.3 工作頻率與帶寬 222
9.3.4 極化 222
9.3.5 阻抗匹配 222
9.4 接收機常用概念 223
9.4.1 系統(tǒng)和頻點 223
9.4.2 衛(wèi)星信號強度(信噪比) 223
9.4.3 接收機通道 224
9.4.4 接收機的啟動 224
9.4.5 首次定位收斂時間 225
9.4.6 衛(wèi)星方位及星空圖 225
9.4.7 通信端口和波特率 225
9.5 常見接收機及其性能指標 227
9.6 接收機檢測原理 229
9.6.1 檢測系統(tǒng)組成及其工作原理 230
9.6.2 典型指標測試方法 237
第10章北斗接收機信號處理基礎 244
10.1 信號處理的幾個概念 244
10.1.1 信號功率與路徑損耗 244
10.1.2 天線增益 245
10.1.3 鏈路預算 246
10.1.4 信號強度與載噪比 246
10.2 信號捕獲原理 248
10.2.1 下變頻與中頻信號 248
10.2.2 相干積分 250
10.2.3 搜索空間 251
10.3 信號跟蹤原理 251
10.3.1 載波環(huán) 251
10.3.2 碼環(huán) 253
10.3.3 信號的跟蹤 255
第11章 GPS及其他衛(wèi)星導航系統(tǒng) 258
11.1 美國GPS 258
11.1.1 系統(tǒng)組成 259
11.1.2 信號特征 262
11.1.3 導航電文 265
11.1.4 SA和A-S政策 268
11.2 俄羅斯GLONASS 269
11.2.1 系統(tǒng)組成 269
11.2.2 信號特征 270
11.2.3 導航電文 271
11.3 歐盟Galileo 272
11.3.1 系統(tǒng)組成 272
11.3.2 信號特征 274
11.3.3 導航電文 278
第12章 多衛(wèi)星導航系統(tǒng)融合定位原理 282
12.1 多衛(wèi)星導航系統(tǒng)概述 282
12.2 多系統(tǒng)融合定位解算方法 283
12.3 多系統(tǒng)融合定位誤差分析 285
12.3.1 系統(tǒng)空間基準偏差 285
12.3.2 系統(tǒng)時間基準偏差 286
12.3.3 接收機端和衛(wèi)星端未校正延遲 287
12.4 多系統(tǒng)融合定位的優(yōu)勢 287
12.4.1 提高導航解的精度 288
12.4.2 提高導航解的可靠性 288
12.4.3 提高導航解的可用性 288
第13章常見衛(wèi)星導航處理軟件及其應用方法 289
13.1 測后數(shù)據(jù)處理概述 289
13.1.1 GNSS測量工作簡介 289
13.1.2 測后數(shù)據(jù)處理原理 291
13.1.3 后處理軟件 292
13.2 GAMIT/GLOBK軟件及其使用方法 293
13.2.1 GAMIT/GLOBK軟件簡介 293
13.2.2 GAMIT應用實例 295
13.3 Bernese軟件及其使用方法 300
13.3.1 Bernese軟件簡介 300
13.3.2 Bernese 5.0應用實例 301
13.4 RTKLib軟件及其使用方法 313
13.4.1 RTKLib軟件簡介 313
13.4.2 RTKLib可執(zhí)行程序操作流程 314
13.4.3 RTKLib應用實例 319
13.5 TEQC軟件及其使用方法 321
13.5.1 TEQC軟件簡介 321
13.5.2 TEQC應用實例 321
第14章衛(wèi)星導航應用與開發(fā)基礎 323
14.1 基于Android系統(tǒng)的導航應用開發(fā) 323
14.1.1 Android系統(tǒng)App開發(fā)概述 323
14.1.2 Android定位API說明 324
14.2 基于iOS系統(tǒng)的導航應用開發(fā) 325
14.2.1 iOS系統(tǒng)App開發(fā)概述 325
14.2.2 iOS定位API說明 325
14.3 地圖投影與電子地圖 326
14.3.1 地圖投影 326
14.3.2 電子地圖 327
14.3.3 結合高德地圖的開發(fā) 328
14.3.4 結合百度地圖的開發(fā) 329
14.4 智能移動終端原始觀測數(shù)據(jù)的獲取 330
14.4.1 獲取原始觀測數(shù)據(jù)的API 函數(shù) 331
14.4.2 原始觀測數(shù)據(jù)的生成原理 332
14.4.3 原始觀測數(shù)據(jù)的應用 336
14.5 智能移動終端定位App 開發(fā)示例 338
14.5.1 開發(fā)任務簡介 338
14.5.2 開發(fā)環(huán)境構建 339
14.5.3 代碼編程實現(xiàn) 339
14.5.4 運行結果展示 341
第15章 北斗RDSS業(yè)務原理簡介 341
15.1 RDSS概述 341
15.1.1 衛(wèi)星系統(tǒng) 342
15.1.2 地面系統(tǒng) 342
15.1.3 用戶設備 343
15.2 RDSS信號與測量 343
15.2.1 RDSS信號體制 343
15.2.2 RDSS測量 345
15.3 北斗RDSS定位與授時方法 347
15.3.1 雙星定位原理 347
15.3.2 RDSS定位算法 348
15.3.3 RDSS單向授時算法 349
15.3.4 RDSS雙向授時算法 350
15.4 北斗RDSS短報文通信原理 351
15.4.1 衛(wèi)星通信原理 351
15.4.2 北斗RDSS短報文通信 352
參考文獻 353
附錄A BDGIM模型非發(fā)播系數(shù)及預報周期表 357
附錄B 衛(wèi)星導航常用協(xié)議 359
附錄C 衛(wèi)星導航常見數(shù)據(jù)格式 369
附錄D 縮略語參考表 385
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