北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法

目錄
第1章 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述 1
1.1 世界衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展歷史回顧 1
1.1.1 美國(guó) 1
1.1.2 俄羅斯 4
1.1.3 歐盟 4
1.2 我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展歷程 5
1.2.1 北斗一號(hào)：地球靜止軌道衛(wèi)星定位系統(tǒng) 6
1.2.2 北斗二號(hào)：區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 6
1.2.3 北斗三號(hào)：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 7
1.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(hù)段 13
1.4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的服務(wù) 14
1.5 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特色和優(yōu)勢(shì) 15
1.5.1 混合星座設(shè)計(jì)提高用戶(hù)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù) 15
1.5.2 導(dǎo)航與通信一體化設(shè)計(jì)提供多種服務(wù) 16
1.5.3 星間鏈路實(shí)現(xiàn)星座靈活管控與自主運(yùn)行 16
1.5.4 多頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)增加用戶(hù)可選擇性 17
1.6 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位的典型應(yīng)用 17
1.6.1 精密測(cè)量 17
1.6.2 地理測(cè)繪 18
1.6.3 車(chē)輛導(dǎo)航 18
1.6.4 航海應(yīng)用 19
1.6.5 航空應(yīng)用 20
1.6.6 航天應(yīng)用 20
1.6.7 軍事應(yīng)用 20
1.6.8 北斗授時(shí) 21
1.6.9 機(jī)械控制 21
1.6.10 大眾消費(fèi) 21
第2章 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位基本原理 23
2.1 無(wú)線(xiàn)電測(cè)距定位原理 23
2.1.1 利用到達(dá)時(shí)間測(cè)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(huì)確定三維位置 24
2.2 衛(wèi)星導(dǎo)航定位基本要素 26
2.2.1 導(dǎo)航衛(wèi)星 26
2.2.2 導(dǎo)航信號(hào) 27
2.2.3 導(dǎo)航電文 28
2.2.4 距離測(cè)量 29
2.3 衛(wèi)星導(dǎo)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(jié)果精度及誤差分析 32
2.4.1 定位結(jié)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(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) 37
3.1 地球坐標(biāo)系統(tǒng) 37
3.1.1 大地水準(zhǔn)面與地球橢球 37
3.1.2 地心大地坐標(biāo)系 38
3.1.3 地心地固直角坐標(biāo)系 40
3.1.4 地極移動(dòng) 41
3.1.5 協(xié)議地球坐標(biāo)系 43
3.1.6 北斗坐標(biāo)系的定義 44
3.1.7 地固坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 45
3.2 天球坐標(biāo)系統(tǒng) 46
3.2.1 天球的基本概念 46
3.2.2 坐標(biāo)系 47
3.2.3 歲差和章動(dòng) 47
3.2.4 協(xié)議天球坐標(biāo)系 48
3.2.5 協(xié)議天球坐標(biāo)系與協(xié)議地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 49
3.2.6 國(guó)際參考坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換關(guān)系 53
3.3 測(cè)站坐標(biāo)系統(tǒng) 55
3.3.1 測(cè)站坐標(biāo)系的定義 55
3.3.2 測(cè)站坐標(biāo)系與地心地固坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 56
3.3.3 方位角和高度角的計(jì)算 57
3.4 時(shí)間系統(tǒng) 58
3.4.1 時(shí)間系統(tǒng)概述 58
3.4.2 世界時(shí)系統(tǒng) 59
3.4.3 原子時(shí)系統(tǒng) 61
3.4.4 協(xié)調(diào)世界時(shí) 61
3.4.5 北斗時(shí)(BDT) 的定義 61
3.4.6 時(shí)間系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換 61
3.4.7 時(shí)間標(biāo)示法及其轉(zhuǎn)換關(guān)系 63
第4章 北斗衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ) 68
4.1 開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三大定律 68
4.2 衛(wèi)星軌道無(wú)攝運(yùn)動(dòng) 69
4.2.1 二體問(wèn)題 70
4.2.2 軌道根數(shù) 70
4.2.3 衛(wèi)星位置和速度的計(jì)算 75
4.3 衛(wèi)星軌道受攝運(yùn)動(dòng) 77
4.3.1 地球非球形攝動(dòng) 78
4.3.2 日月引力攝動(dòng) 79
4.3.3 太陽(yáng)光壓攝動(dòng) 80
4.4 北斗衛(wèi)星星歷 81
4.4.1 北斗二號(hào)廣播星歷 81
4.4.2 北斗三號(hào)廣播星歷 82
4.5 利用衛(wèi)星星歷計(jì)算北斗衛(wèi)星位置 83
4.5.1 北斗二號(hào)衛(wèi)星位置計(jì)算方法 83
4.5.2 北斗三號(hào)衛(wèi)星位置計(jì)算方法 89
4.6 北斗衛(wèi)星星座及其可見(jiàn)性 93
4.6.1 北斗星座的衛(wèi)星軌道類(lèi)型組成 93
4.6.2 北斗星座的衛(wèi)星可見(jiàn)性 98
第5章 北斗測(cè)量模型及定位誤差源分析 102
5.1 北斗測(cè)量模型 102
5.1.1 偽距測(cè)量模型 102
5.1.2 載波相位測(cè)量模型 104
5.1.3 偽距和載波相位的關(guān)系 106
5.1.4 測(cè)量中包含的誤差 106
5.2 與衛(wèi)星相關(guān)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(hù)測(cè)距誤差 109
5.3 信號(hào)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(duì)流層延遲及其修正方法 119
5.3.3 多路徑效應(yīng) 121
5.4 與接收機(jī)相關(guān)的誤差 122
5.4.1 接收機(jī)噪聲 122
5.4.2 天線(xiàn)相位中心誤差 123
5.5 其他誤差 123
5.5.1 相對(duì)論效應(yīng) 123
5.5.2 地球自轉(zhuǎn)效應(yīng) 125
第6章 北斗偽距定位、測(cè)速與授時(shí)方法 127
6.1 偽距單點(diǎn)定位方法 127
6.1.1 定位方法的分類(lèi) 127
6.1.2 偽距觀測(cè)方程的線(xiàn)性化 128
6.1.3 最小二乘法 130
6.1.4 卡爾曼濾波技術(shù) 130
6.1.5 偽距定位算法及步驟 131
6.2 單點(diǎn)定位精度評(píng)估 136
6.2.1 精度衰減因子 136
6.2.2 衛(wèi)星的幾何分布對(duì)DOP 值的影響 139
6.2.3 最佳星座的選擇問(wèn)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(cè)速解算方法 147
6.4.1 偽距變化率測(cè)速方法 148
6.4.2 衛(wèi)星速度的計(jì)算方法 149
6.5 北斗授時(shí)解算方法 150
6.5.1 單向測(cè)量授時(shí) 151
6.5.2 共視測(cè)量授時(shí) 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(cè)值 153
7.1.1 非差觀測(cè)值 153
7.1.2 單差觀測(cè)值 154
7.1.3 雙差觀測(cè)值 155
7.1.4 三差觀測(cè)值 156
7.2 實(shí)時(shí)動(dòng)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(luò)RTK系統(tǒng)服務(wù)技術(shù) 163
7.3 精密單點(diǎn)定位方法 167
7.3.1 精密單點(diǎn)定位解算方法 167
7.3.2 PPP有關(guān)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(cè)與處理問(wèn)題 182
第8章 北斗導(dǎo)航信號(hào)基礎(chǔ) 184
8.1 北斗信號(hào)概述 184
8.2 載波及其頻率 185
8.2.1 無(wú)線(xiàn)電頻譜 185
8.2.2 北斗的頻率 186
8.3 北斗的測(cè)距碼 186
8.3.1 偽隨機(jī)噪聲碼 186
8.3.2 m序列 188
8.3.3 截短碼和復(fù)合碼 191
8.3.4 Gold碼 193
8.3.5 北斗二號(hào)測(cè)距碼 194
8.3.6 Weil碼 196
8.3.7 北斗三號(hào)測(cè)距碼 197
8.4 北斗的數(shù)據(jù)碼 198
8.4.1 北斗二號(hào)數(shù)據(jù)碼 199
8.4.2 北斗三號(hào)數(shù)據(jù)碼 201
8.5 北斗的信號(hào)結(jié)構(gòu) 205
8.5.1 北斗二號(hào)信號(hào)結(jié)構(gòu) 206
8.5.2 北斗三號(hào)信號(hào)結(jié)構(gòu) 206
8.6 北斗信號(hào)的調(diào)制方式 209
8.6.1 BPSK調(diào)制方式 210
8.6.2 QPSK調(diào)制方式 211
8.6.3 BOC調(diào)制方式 212
8.6.4 QMBOC調(diào)制方式 214
第9章 北斗接收機(jī)原理 216
9.1 接收機(jī)組成原理 216
9.2 接收機(jī)類(lèi)型 217
9.2.1 按用途分類(lèi) 217
9.2.2 按載波頻率分類(lèi) 219
9.2.3 按通道數(shù)分類(lèi) 219
9.2.4 按工作原理分類(lèi) 220
9.2.5 按產(chǎn)品形態(tài)分類(lèi) 220
9.3 接收機(jī)天線(xiàn) 221
9.3.1 天線(xiàn)類(lèi)型 221
9.3.2 天線(xiàn)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(jī)常用概念 223
9.4.1 系統(tǒng)和頻點(diǎn) 223
9.4.2 衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度(信噪比) 223
9.4.3 接收機(jī)通道 224
9.4.4 接收機(jī)的啟動(dòng) 224
9.4.5 首次定位收斂時(shí)間 225
9.4.6 衛(wèi)星方位及星空?qǐng)D 225
9.4.7 通信端口和波特率 225
9.5 常見(jiàn)接收機(jī)及其性能指標(biāo) 227
9.6 接收機(jī)檢測(cè)原理 229
9.6.1 檢測(cè)系統(tǒng)組成及其工作原理 230
9.6.2 典型指標(biāo)測(cè)試方法 237
第10章北斗接收機(jī)信號(hào)處理基礎(chǔ) 244
10.1 信號(hào)處理的幾個(gè)概念 244
10.1.1 信號(hào)功率與路徑損耗 244
10.1.2 天線(xiàn)增益 245
10.1.3 鏈路預(yù)算 246
10.1.4 信號(hào)強(qiáng)度與載噪比 246
10.2 信號(hào)捕獲原理 248
10.2.1 下變頻與中頻信號(hào) 248
10.2.2 相干積分 250
10.2.3 搜索空間 251
10.3 信號(hào)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(hào)的跟蹤 255
第11章 GPS及其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 258
11.1 美國(guó)GPS 258
11.1.1 系統(tǒng)組成 259
11.1.2 信號(hào)特征 262
11.1.3 導(dǎo)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(hào)特征 270
11.2.3 導(dǎo)航電文 271
11.3 歐盟Galileo 272
11.3.1 系統(tǒng)組成 272
11.3.2 信號(hào)特征 274
11.3.3 導(dǎo)航電文 278
第12章 多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合定位原理 2