高精度卫星导航技术

第1章 概 论…………………………………………………………………………………… 1
1.1 现代主要导航技术……………………………………………………………………… 1
1.2 卫星导航技术的发展与现状…………………………………………………………… 5
1.3 高精度卫星导航技术…………………………………………………………………… 11
作业思考题…………………………………………………………………………………… 14
第2章 卫星导航系统基础…………………………………………………………………… 15
2.1 GNSS时空参照系统和轨道…………………………………………………………… 15
2.1.1 GNSS坐标系统…………………………………………………………………… 15
2.1.2 GNSS时间系统…………………………………………………………………… 19
2.1.3 卫星运动及其轨道参数…………………………………………………………… 22
2.1.4 卫星轨道摄动……………………………………………………………………… 24
2.1.5 卫星星历…………………………………………………………………………… 26
2.1.6 卫星坐标计算……………………………………………………………………… 27
2.2 GNSS信号……………………………………………………………………………… 31
2.2.1 信号结构…………………………………………………………………………… 32
2.2.2 导航电文…………………………………………………………………………… 35
2.2.3 信号扩频与调制…………………………………………………………………… 41
2.3 GNSS观测量与误差分析……………………………………………………………… 43
2.3.1 码伪距测量………………………………………………………………………… 43
2.3.2 载波相位伪距测量………………………………………………………………… 45
2.3.3 误差来源及分析…………………………………………………………………… 46
2.4 位置、速度和时间解算………………………………………………………………… 49
2.4.1 基于码伪距的解算………………………………………………………………… 49
2.4.2 基于载波相位的解算……………………………………………………………… 52
2.4.3 定位精度的几何评价……………………………………………………………… 54
作业思考题…………………………………………………………………………………… 56
第3章 GNSS接收机………………………………………………………………………… 59
3.1 概 述…………………………………………………………………………………… 59
3.1.1 GNSS接收机的发展历程………………………………………………………… 59
3.1.2 GNSS接收机的类型……………………………………………………………… 61
3.1.3 GNSS接收机的体系结构………………………………………………………… 61
3.2 天线及射频信号处理…………………………………………………………………… 64
3.2.1 天 线……………………………………………………………………………… 64
3.2.2 射频信号处理……………………………………………………………………… 65
3.3 中频信号处理———信号捕获…………………………………………………………… 67
3.3.1 捕获的基本原理…………………………………………………………………… 67
3.3.2 常用捕获算法……………………………………………………………………… 68
3.3.3 信号检测与判决…………………………………………………………………… 72
3.3.4 捕获与跟踪的转换………………………………………………………………… 74
3.3.5 微弱信号捕获……………………………………………………………………… 75
3.4 中频信号处理———信号跟踪…………………………………………………………… 77
3.4.1 跟踪的基本原理…………………………………………………………………… 77
3.4.2 常用的跟踪算法…………………………………………………………………… 77
3.4.3 跟踪环路的数学模型……………………………………………………………… 79
3.4.4 跟踪带宽与滤波器设计…………………………………………………………… 83
3.4.5 跟踪误差下界……………………………………………………………………… 84
3.4.6 矢量跟踪环路……………………………………………………………………… 86
3.5 基带信号处理———同步与解调………………………………………………………… 87
3.5.1 信号同步…………………………………………………………………………… 87
3.5.2 导航电文解调……………………………………………………………………… 90
3.5.3 高精度量测值的产生……………………………………………………………… 90
3.5.4 信道干扰对测量精度的影响……………………………………………………… 94
作业思考题…………………………………………………………………………………… 96
第4章 差分GNSS技术……………………………………………………………………… 97
4.1 差分定位原理…………………………………………………………………………… 97
4.1.1 伪距观测量误差分析……………………………………………………………… 97
4.1.2 卫星轨道参数误差影响分析……………………………………………………… 99
4.1.3 差分系统分类…………………………………………………………………… 100
4.2 码差分定位…………………………………………………………………………… 101
4.2.1 码伪距差分系统定位方法……………………………………………………… 101
4.2.2 局域差分系统定位方法………………………………………………………… 103
4.2.3 广域差分系统定位方法………………………………………………………… 103
4.3 载波相位观测量差分………………………………………………………………… 106
4.3.1 单 差…………………………………………………………………………… 107
4.3.2 双 差…………………………………………………………………………… 109
4.3.3 三 差…………………………………………………………………………… 111
4.4 多频测量值组合……………………………………………………………………… 112
4.4.1 线性组合………………………………………………………………………… 112
4.4.2 窄巷、宽巷和超宽巷组合………………………………………………………… 115
4.5 周跳探测和修复……………………………………………………………………… 117
4.5.1 周跳的概念……………………………………………………………………… 117
4.5.2 基于观测值变化规律的周跳探测……………………………………………… 118
4.5.3 基于多类观测值组合的周跳探测……………………………………………… 120
4.5.4 基于观测值估值残差的周跳探测……………………………………………… 121
作业思考题…………………………………………………………………………………… 122
第5章 高精度动态定位技术………………………………………………………………… 123
5.1 引 言………………………………………………………………………………… 123
5.2 整周模糊度求解技术………………………………………………………………… 124
5.2.1 交换天线位置…………………………………………………………………… 124
5.2.2 利用伪距的取整估算法………………………………………………………… 125
5.2.3 LAMBDA 算法………………………………………………………………… 126
5.2.4 逐级模糊度确定法……………………………………………………………… 129
5.3 网络RTK技术……………………………………………………………………… 131
5.3.1 网络RTK关键技术…………………………………………………………… 132
5.3.2 网络RTK系统………………………………………………………………… 137
5.3.3 网络RTK技术的发展现状和趋势…………………………………………… 143
5.4 精密单点定位(PPP) ………………………………………………………………… 144
5.4.1 精密单点定位技术的发展现状………………………………………………… 144
5.4.2 精密单点定位的基本原理……………………………………………………… 145
5.4.3 IGS精密星历和卫星钟差产品………………………………………………… 147
5.4.4 精密单点定位的主要误差源和改正模型……………………………………… 147
5.4.5 精密单点定位的技术优势……………………………………………………… 152
5.4.6 精密单点定位中的坐标框架…………………………………………………… 153
作业思考题…………………………………………………………………………………… 154
第6章 GNSS/INS组合导航………………………………………………………………… 156
6.1 GNSS/INS组合导航简述…………………………………………………………… 156
6.2 GNSS/INS组合导航基础…………………………………………………………… 157
6.2.1 GNSS/INS组合导航方式分类………………………………………………… 157
6.2.2 卡尔曼滤波技术………………………………………………………………… 160
6.3 GNSS/INS松组合…………………………………………………………………… 162
6.3.1 松组合概述……………………………………………………………………… 162
6.3.2 松组合误差模型………………………………………………………………… 163
6.3.3 松组合状态方程………………………………………………………………… 166
6.3.4 松组合量测方程………………………………………………………………… 171
6.4 GNSS/INS紧组合…………………………………………………………………… 173
6.4.1 紧组合概述……………………………………………………………………… 173
6.4.2 紧组合状态方程………………………………………………………………… 173
6.4.3 紧组合量测方程………………………………………………………………… 174
6.5 GNSS/INS超紧组合………………………………………………………………… 177
6.5.1 INS辅助GPS超紧组合模式…………………………………………………… 177
6.5.2 GPS/INS深组合模式…………………………………………………………… 178
6.5.3 GNSS/INS超紧组合的卡尔曼滤波方程……………………………………… 180
作业思考题…………………………………………………………………………………… 181
第7章 GNSS组合姿态测量………………………………………………………………… 182
7.1 GNSS组合姿态测量概述…………………………………………………………… 182
7.2 GNSS单基线姿态测量原理………………………………………………………… 183
7.2.1 单基线单差姿态测量…………………………………………………………… 183
7.2.2 单基线双差姿态测量…………………………………………………………… 187
7.3 GNSS多基线姿态测量原理………………………………………………………… 191
7.3.1 双基线姿态测量………………………………………………………………… 191
7.3.2 多基线姿态测量………………………………………………………………… 194
7.4 GNSS天线配置对姿态测量的影响………………………………………………… 196
7.4.1 天线配置方法…………………………………………………………………… 196
7.4.2 基线矢量夹角与姿态角精度的关系…………………………………………… 198
7.4.3 基线长度与姿态角精度的关系………………………………………………… 199
7.4.4 基线长度与姿态解算实时性的关系…………………………………………… 200
7.5 GNSS姿态测量误差分析…………………………………………………………… 202
7.5.1 姿态测量误差源………………………………………………………………… 202
7.5.2 姿态测量方程误差……………………………………………………………… 202
7.5.3 姿态测量精度因子……………………………………………………………… 203
7.6 双天线GNSS与INS组合姿态测量………………………………………………… 206
7.6.1 惯性姿态传感器组合…………………………………………………………… 206
7.6.2 天线GNSS与INS组合测量…………………………………………………… 208
7.6.3 INS辅助快速确定整周模糊度………………………………………………… 211
7.7 GNSS与其他系统的组合姿态测量………………………………………………… 215
7.7.1 GNSS与磁强计的组合姿态测量……………………………………………… 215
7.7.2 GNSS与AHRS的组合姿态测量……………………………………………… 215
作业思考题…………………………………………………………………………………… 215
参考文献………………………………………………………………………………………… 217