GPS/GNSS 原理與應用, 3/e Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications, 3/e

本書詳細介紹了GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo、QZSS和NavIC系統的最新信息，涵蓋了各個系統的星座配置、衛星、地面控制系統和用戶設備，提供了詳細的衛星信號特徵。內容包括GNSS簡介、衛星導航基礎、全球衛星導航系統、GLONASS、伽利略系統、北鬥衛星導航系統、區域衛星導航系統、GNSS接收機、GNSS擾亂、GNSS誤差、獨立GNSS的性能、差分GNSS和精密單點定位、GNSS與其他傳感器的組合及網絡輔助、GNSS市場與應用。本書可作為高校相關專業學生學習GNSS基本知識的教材，也可供業內相關技術人員參考。

Elliott D. Kaplan，美國馬薩諸塞州貝德福德MITRE公司首席工程師，美國紐約理工學院電氣工程理學學士，美國東北大學電氣工程理學碩士。
自1986年以來，Kaplan先生一直積極參與GPS相關的政府計劃。
他目前正在支持美國空軍研究實驗室航天飛行局和GPS理事會的活動，其中包括AFRL導航技術衛星3（NTS-3）的開發。

寇艷紅，博士，北京航空航天大學電子信息工程學院副教授。
長期從事衛星導航、通信與信號處理領域的科研和教學工作，擔任CSNC、ION GNSS/ITM、CPGPS、MMT等國際會議分會主席，中國第二代衛星導航系統重大專項專家組專家。
已主持完成科研項目30餘項，發表論文百餘篇、合著1部、譯著2部、標準2部，獲授權發明專利十餘項，獲省部級科技進步獎6項、校優秀教學成果獎2項。

1章 引言 1
1．1 簡介 1
1．2 GNSS概述 1
1．3 全球定位系統 2
1．4 全球導航衛星系統 3
1．5 伽利略系統 4
1．6 北斗系統 5
1．7 區域系統 6
1．7．1 準天頂衛星系統 6
1．7．2 印度導航星座（NavIC） 7
1．8 增強系統 7
1．9 市場與應用 8
1．10 本書的結構 9
參考文獻 12

2章 衛星導航基礎 13
2．1 利用到達時間測量值測距的概念 13
2．1．1 二維定位 13
2．1．2 衛星測距碼定位原理 15
2．2 參考坐標系 17
2．2．1 地心慣性坐標系 17
2．2．2 地心地固坐標系 17
2．2．3 當地切平面（當地地平）坐標系 19
2．2．4 本體框架坐標系 20
2．2．5 大地（橢球）坐標 21
2．2．6 高度坐標與大地水準面 22
2．2．7 國際地球參考框架 23
2．3 衛星軌道基礎 24
2．3．1 軌道力學 24
2．3．2 星座設計 28
2．4 GNSS信號 33
2．4．1 頻載波 33
2．4．2 調製 33
2．4．3 次級碼 36
2．4．4 復用技術 36
2．4．5 信號模型與特性 37
2．5 利用測距碼確定位置 41
2．5．1 確定衛星到用戶的距離 41
2．5．2 用戶位置的計算 43
2．6 求解用戶的速度 45
2．7 頻率源、時間和GNSS 47
2．7．1 頻率源 47
2．7．2 時間和GNSS 53
參考文獻 53

3章 全球衛星導航系統 55
3．1 概述 55
3．1．1 空間段概述 55
3．1．2 控制段概述 55
3．1．3 用戶段概述 56
3．2 空間段描述 56
3．2．1 GPS衛星星座描述 56
3．2．2 星座設計指南 58
3．2．3 分階段發展的空間段 60
3．3 控制段描述 75
3．3．1 OCS的當前配置 76
3．3．2 OCS的進化 86
3．3．3 OCS未來計劃的升級 88
3．4 用戶段 89
3．4．1 GNSS接收機的特性 89
3．5 GPS大地測量和時標 93
3．5．1 大地測量 93
3．5．2 時間系統 94
3．6 服務 94
3．6．1 SPS性能標準 95
3．6．2 PPS性能標準 97
3．7 GPS信號 99
3．7．1 傳統信號 99
3．7．2 現代化信號 110
3．7．3 民用導航（CNAV）和CNAV-2導航數據 116
3．8 GPS星曆參數和衛星位置計算 120
3．8．1 傳統星曆參數 120
3．8．2 CNAV和CNAV-2星曆參數 121
參考文獻 123

4章 全球導航衛星系統 126
4．1 簡介 126
4．2 空間段 127
4．2．1 星座 127
4．2．2 衛星 128
4．3 地面段 131
4．3．1 系統控制中心 131
4．3．2 同步器 131
4．3．3 遙測、跟踪和指揮 132
4．3．4 激光測距站 132
4．4 GLONASS用戶設備 132
4．5 大地測量學與時間系統 133
4．5．1 大地測量參考坐標系 133
4．5．2 GLONASS時間 134
4．6 導航服務 135
4．7 導航信號 135
4．7．1 FDMA導航信號 135
4．7．2 頻率 136
4．7．3 調製 137
4．7．4 編碼特性 137
4．7．5 GLONASS P碼 138
4．7．6 導航電文 138
4．7．7 C/A碼導航電文 139
4．7．8 P碼導航電文 139
4．7．9 CDMA導航信號 140
致謝 142
參考文獻 142

5章 伽利略系統 144
5．1 項目概述和目標 144
5．2 伽利略系統的實現 145
5．3 伽利略服務 145
5．3．1 伽利略開放服務 145
5．3．2 公共監管服務 146
5．3．3 商業服務 146
5．3．4 搜索與救援服務 146
5．3．5 生命安全服務 146
5．4 系統概述 146
5．4．1 地面任務段 149
5．4．2 地面控制段 152
5．4．3 空間段 153
5．4．4 運載火箭 158
5．5 伽利略信號特徵 159
5．5．1 伽利略擴頻碼和序列 161
5．5．2 導航電文結構 162
5．5．3 正向糾錯編碼和塊交織 163
5．6 互作性 164
5．6．1 伽利略大地參考坐標系 164
5．6．2 時間參考坐標系 164
5．7 伽利略搜索和救援任務 165
5．7．1 SAR/Galileo服務描述 165
5．7．2 歐洲SAR/Galileo覆蓋區域和MEOSAR環境 166
5．7．3 SAR/Galileo系統架構 168
5．7．4 SAR頻率計劃 170
5．8 伽利略系統性能 172
5．8．1 授時性能 172
5．8．2 測距性能 173
5．8．3 定位性能 176
5．8．4 終運營能力的預期性能 177
5．9 系統部署完成FOC的時間 178
5．10 FOC之後系統伽利略的發展 179
參考文獻 179

6章 北斗衛星導航系統 181
6．1 概述 181
6．1．1 北斗衛星導航系統簡介 181
6．1．2 北斗的發展歷程 182
6．1．3 BDS的特點 185
6．2 BDS的空間段 186
6．2．1 BDS星座 186
6．2．2 BDS衛星 190
6．3 BDS控制段 191
6．3．1 BDS控制段的組成 191
6．3．2 BDS控制段的運行 192
6．4 大地測量參考系和時間參考系 192
6．4．1 BDS坐標系 192
6．4．2 BDS時間系統 193
6．5 BDS服務 193
6．5．1 BDS服務類型 193
6．5．2 BDS RDSS服務 194
6．5．3 BDS RNSS服務 195
6．5．4 BDS SBAS服務 197
6．6 BDS信號 197
6．6．1 RDSS信號 197
6．6．2 BDS區域系統的RNSS信號 198
6．6．3 BDS全球系統的RNSS信號 205
參考文獻 207

7章 區域衛星導航系統 209
7．1 準天頂衛星系統 209
7．1．1 概述 209
7．1．2 空間段 209
7．1．3 控制段 211
7．1．4 大地測量和時間系統 213
7．1．5 服務 213
7．1．6 信號 214
7．2 印度導航星座 217
7．2．1 概述 217
7．2．2 空間段 218
7．2．3 NavIC控制段 219
7．2．4 大地測量和時間系統 221
7．2．5 導航服務 223
7．2．6 信號 223
7．2．7 應用和NavIC用戶設備 224
參考文獻 225

8章 GNSS接收機 228
8．1 概述 228
8．1．1 天線單元和電子設備 229
8．1．2 前端 230
8．1．3 數字存儲器（緩衝器和多路復用器）和數字接收機通道 230
8．1．4 接收機控制和處理、導航控制和處理 230
8．1．5 參考振盪器和頻率合成器 230
8．1．6 用戶和/或外部接口 231
8．1．7 備用接收機控制接口 231
8．1．8 電源 231
8．1．9 小結 231
8．2 天線 231
8．2．1 所需屬性 232
8．2．2 天線設計 232
8．2．3 軸比 234
8．2．4 電壓駐波比 236
8．2．5 天線噪聲 237
8．2．6 無源天線 238
8．2．7 有源天線 238
8．2．8 智能天線 238
8．2．9 軍用天線 239
8．3 前端 239
8．3．1 功能描述 240
8．3．2 增益 241
8．3．3 下變頻方案 242
8．3．4 輸出到ADC 242
8．3．5 ADC、數字增益控制和模擬頻率合成器功能 243
8．3．6 ADC實現損耗及設計示例 244
8．3．7 ADC採樣率與抗混疊 247
8．3．8 ADC欠採樣 249
8．3．9 噪聲係數 251
8．3．10 動態範圍、態勢感知及對噪聲係數的影響 251
8．3．11 與GLONASS FDMA信號的兼容性 253
8．4 數字通道 254
8．4．1 快速功能 254
8．4．2 慢速功能 267
8．4．3 搜索功能 271
8．5 捕獲 286
8．5．1 單次試驗檢測器 286
8．5．2 唐檢測器 289
8．5．3 N中取M檢測器 291
8．5．4 組合唐與N中取M檢測器 293
8．5．5 基於FFT的技術 293
8．5．6 GPS軍用信號直捕 295
8．5．7 微調多普勒與峰值碼搜索 301
8．6 載波跟踪 301
8．6．1 載波環鑑別器 302
8．7 碼跟踪 306
8．7．1 碼環鑑別器 306
8．7．2 BPSK-R信號 308
8．7．3 BOC信號 310
8．7．4 GPS P(Y)碼無碼/半無碼處理 311
8．8 環路濾波器 311
8．8．1 PLL濾波器設計 313
8．8．2 FLL濾波器設計 314
8．8．3 FLL輔助PLL濾波器設計 314
8．8．4 DLL濾波器設計 315
8．8．5 穩定性 315
8．9 測量誤差和跟踪門限 323
8．9．1 PLL跟踪環測量誤差 323
8．9．2 PLL熱噪聲 323
8．9．3 由振動引起的振盪器相位噪聲 325
8．9．4 艾倫偏差振盪器相位噪聲 326
8．9．5 動態應力誤差 327
8．9．6 參考振盪器加速度應力誤差 327
8．9．7 總PLL跟踪環測量誤差與門限 328
8．9．8 FLL跟踪環測量誤差 330
8．9．9 碼跟踪環測量誤差 331
8．9．10 BOC碼跟踪環測量誤差 336
8．10 偽距、?偽距和積分多普勒的形成 337
8．10．1 偽距 338
8．10．2 偽距 347
8．10．3 積分多普勒 348
8．10．4 偽距載波平滑 349
8．11 接收機的初始工作順序 350
8．12 數據解調 352
8．12．1 傳統GPS信號解調 353
8．12．2 其他GNSS信號的數據解調 356
8．12．3 數據誤比特率比較 357
8．13 特殊的基帶功能 358
8．13．1 信噪功率比估計 358
8．13．2 鎖定檢測器 360
8．13．3 週跳編輯 365
參考文獻 371

9章 GNSS擾亂 374
9．1 概述 374
9．2 干擾 374
9．2．1 干擾類型與乾擾源 374
9．2．2 影響 377
9．2．3 干擾抑制 397
9．3 電離層閃爍 400
9．3．1 基礎物理 400
9．3．2 幅度衰落與相位擾動 400
9．3．3 對接收機的影響 401
9．3．4 抑制 402
9．4 信號阻塞 402
9．4．1 植被 402
9．4．2 地形 403
9．4．3 人造建築物 406
9．5 多徑 407
9．5．1 多徑特性及模型 408
9．5．2 多徑對接收機性能的影響 410
9．5．3 多徑抑制 416
參考文獻 417

10章 GNSS誤差 420
10．1 簡介 420
10．2 測量誤差 420
10．2．1 衛星鐘誤差 421
10．2．2 星曆誤差 424
10．2．3 相對論效應 427
10．2．4 大氣效應 429
10．2．5 接收機噪聲和分辨率 440
10．2．6 多徑與遮蔽效應 440
10．2．7 硬件偏差誤差 441
10．3 偽距誤差預算 444
參考文獻 444

11章 獨立GNSS的性能 446
11．1 簡介 446
11．2 位置、速度和時間估計的概念 446
11．2．1 GNSS中的衛星幾何分佈和精度因子 446
11．2．2 GNSS星座的DOP特性 450
11．2．3 精度指標 453
11．2．4 加權小二乘 456
11．2．5 其他狀態變量 456
11．2．6 卡爾曼濾波 457
11．3 GNSS可用性 458
11．3．1 使用24顆衛星的標稱GPS星座預測GPS可用性 458
11．3．2 衛星故障對GPS可用性的影響 459
11．4 完好性 465
11．4．1 關於危險程度的討論 465
11．4．2 完好性異常的來源 465
11．4．3 完好性改進技術 467
11．5 連續性 475
11．5．1 GPS 475
11．5．2 GLONASS 476
11．5．3 伽利略 476
11．5．4 北斗 476
參考文獻 476

12章 差分GNSS和精密單點定位 478
12．1 簡介 478
12．2 基於碼的DGNSS 479
12．2．1 局域DGNSS 479
12．2．2 區域DGNSS 482
12．2．3 廣域DGNSS 482
12．3 基於載波的DGNSS 484
12．3．1 基線的實時確定 484
12．3．2 靜態應用 497
12．3．3 機載應用 498
12．3．4 姿態確定 500
12．4 精密單點定位 501
12．4．1 傳統PPP 501
12．4．2 具有模糊度解算的PPP 503
12．5 RTCM SC-104電文格式 506
12．5．1 2．3版 506
12．5．2 3．3版 508
12．6 DGNSS和PPP示例 509
12．6．1 基於碼的DGNSS 509
12．6．2 基於載波 524
12．6．3 PPP 527
參考文獻 528

13章 GNSS與其他傳感器的組合及網絡輔助 531
13．1 概述 531
13．2 GNSS/慣性組合 532
13．2．1 GNSS接收機性能問題 532
13．2．2 慣性導航系統綜述 534
13．2．3 卡爾曼濾波器作為系統組合器 539
13．2．4 GNSSI組合方法 542
13．2．5 典型GPS/INS卡爾曼濾波器設計 544
13．2．6 實現卡爾曼濾波器的注意事項 548
13．2．7 可控接收模式天線的組合 548
13．2．8 跟踪環路的慣性輔助 550
13．3 陸地車輛系統中的傳感器組合 555
13．3．1 引言 555
13．3．2 陸地車輛增強傳感器 558
13．3．3 陸地車輛傳感器組合 571
13．4 A-GNSS：基於網絡的捕獲和定位輔助 576
13．4．1 輔助GNSS的歷史 578
13．4．2 應急響應系統要求和指南 579
13．4．3 輔助數據對捕獲時間的影響 584
13．4．4 無線設備中的GNSS接收機集成 588
13．4．5 網絡輔助的來源 590
13．5 移動設備中的混合定位 601
13．5．1 引言 601
13．5．2 移動設備增強傳感器 602
13．5．3 移動設備傳感器組合 607
參考文獻 609

14章 GNSS市場與應用 613
14．1 GNSS：基於支持技術的複雜市場 613
14．1．1 簡介 613
14．1．2 市場挑戰的定義 614
14．1．3 GNSS市場的預測 615
14．1．4 市場隨時間的變化 616
14．1．5 市場範圍和細分 617
14．1．6 政策依賴性 617
14．1．7 GNSS市場的特點 617
14．1．8 銷售預測 618
14．1．9 市場局限性、競爭體系和政策 618
14．2 GNSS的民用應用 619
14．2．1 基於位置的服務 619
14．2．2 道路 620
14．2．3 GNSS在測繪、製圖和地理信息系統中的應用 621
14．2．4 農業 621
14．2．5 海洋 622
14．2．6 航空 623
14．2．7 無人駕駛飛行器和無人機 624
14．2．8 鐵路 625
14．2．9 授時與同步 625
14．2．10 空間應用 625
14．2．11 GNSS室內挑戰 626
14．3 政府及軍事應用 626
14．3．1 軍事用戶設備：航空、船舶和陸地 626
14．3．2 自主接收機：智能武器 627
14．4 結論 628
參考文獻 628

附錄A 小二乘和加權小二乘估計 629
參考文獻 629

附錄B 頻率源穩定度測量 630
B． 1 引言 630
B． 2 頻率標準穩定度 630
B． 3 穩定度的測量 631
B． 3．1 艾倫方差 631
B． 3．2 哈達瑪方差 631
參考文獻 632

附錄C 自由空間傳播損耗 633
C． 1 簡介 633
C． 2 自由空間傳播損耗 633
C． 3 功率譜密度與功率通量密度的轉換 635
參考文獻 635