北斗卫星导航定位原理与方法

目录第1章 北斗卫星导航系统概述 1 1.1 世界卫星导航发展历史回顾 1 1.1.1 美国 1 1.1.2 俄罗斯 4 1.1.3 欧盟 4 1.2 我国卫星导航定位系统发展历程 5 1.2.1 北斗一号：地球静止轨道卫星定位系统 6 1.2.2 北斗二号：区域卫星导航系统 6 1.2.3 北斗三号：全球卫星导航系统 7 1.3 北斗卫星导航系统组成 8 1.3.1 空间段 9 1.3.2 地面段 11 1.3.3 用户段 13 1.4 北斗卫星导航系统提供的服务 14 1.5 北斗卫星导航系统的特色和优势 15 1.5.1 混合星座设计提高用户可见卫星数 15 1.5.2 导航与通信一体化设计提供多种服务 16 1.5.3 星间链路实现星座灵活管控与自主运行 16 1.5.4 多频点导航信号增加用户可选择性 17 1.6 北斗卫星导航定位的典型应用 17 1.6.1 精密测量 17 1.6.2 地理测绘 18 1.6.3 车辆导航 18 1.6.4 航海应用 19 1.6.5 航空应用 20 1.6.6 航天应用 20 1.6.7 军事应用 20 1.6.8 北斗授时 21 1.6.9 机械控制 21 1.6.10 大众消费 21 第2章 北斗卫星导航定位基本原理 23 2.1 无线电测距定位原理 23 2.1.1 利用到达时间测距的原理 23 2.1.2 平面内二维位置的确定 23 2.1.3 三球交会确定三维位置 24 2.2 卫星导航定位基本要素 26 2.2.1 导航卫星 26 2.2.2 导航信号 27 2.2.3 导航电文 28 2.2.4 距离测量 29 2.3 卫星导航定位方程 29 2.3.1 伪距方程 29 2.3.2 定位方程 31 2.4 定位结果精度及误差分析 32 2.4.1 定位结果的精度 32 2.4.2 定位误差源 32 2.5 差分定位 35 第3章 北斗的坐标系统和时间系统 37 3.1 地球坐标系统 37 3.1.1 大地水准面与地球椭球 37 3.1.2 地心大地坐标系 38 3.1.3 地心地固直角坐标系 40 3.1.4 地极移动 41 3.1.5 协议地球坐标系 43 3.1.6 北斗坐标系的定义 44 3.1.7 地固坐标系之间的转换 45 3.2 天球坐标系统 46 3.2.1 天球的基本概念 46 3.2.2 坐标系 47 3.2.3 岁差和章动 47 3.2.4 协议天球坐标系 48 3.2.5 协议天球坐标系与协议地球坐标系的转换 49 3.2.6 国际参考坐标系及其转换关系 53 3.3 测站坐标系统 55 3.3.1 测站坐标系的定义 55 3.3.2 测站坐标系与地心地固坐标系的转换 56 3.3.3 方位角和高度角的计算 57 3.4 时间系统 58 3.4.1 时间系统概述 58 3.4.2 世界时系统 59 3.4.3 原子时系统 61 3.4.4 协调世界时 61 3.4.5 北斗时(BDT) 的定义 61 3.4.6 时间系统之间的转换 61 3.4.7 时间标示法及其转换关系 63 第4章 北斗卫星轨道运动基础 68 4.1 开普勒行星运动三大定律 68 4.2 卫星轨道无摄运动 69 4.2.1 二体问题 70 4.2.2 轨道根数 70 4.2.3 卫星位置和速度的计算 75 4.3 卫星轨道受摄运动 77 4.3.1 地球非球形摄动 78 4.3.2 日月引力摄动 79 4.3.3 太阳光压摄动 80 4.4 北斗卫星星历 81 4.4.1 北斗二号广播星历 81 4.4.2 北斗三号广播星历 82 4.5 利用卫星星历计算北斗卫星位置 83 4.5.1 北斗二号卫星位置计算方法 83 4.5.2 北斗三号卫星位置计算方法 89 4.6 北斗卫星星座及其可见性 93 4.6.1 北斗星座的卫星轨道类型组成 93 4.6.2 北斗星座的卫星可见性 98 第5章 北斗测量模型及定位误差源分析 102 5.1 北斗测量模型 102 5.1.1 伪距测量模型 102 5.1.2 载波相位测量模型 104 5.1.3 伪距和载波相位的关系 106 5.1.4 测量中包含的误差 106 5.2 与卫星相关的误差 107 5.2.1 星历误差 107 5.2.2 钟差误差 108 5.2.3 用户测距误差 109 5.3 信号空间传播误差 111 5.3.1 电离层延迟及其修正方法 111 5.3.2 对流层延迟及其修正方法 119 5.3.3 多路径效应 121 5.4 与接收机相关的误差 122 5.4.1 接收机噪声 122 5.4.2 天线相位中心误差 123 5.5 其他误差 123 5.5.1 相对论效应 123 5.5.2 地球自转效应 125 第6章 北斗伪距定位、测速与授时方法 127 6.1 伪距单点定位方法 127 6.1.1 定位方法的分类 127 6.1.2 伪距观测方程的线性化 128 6.1.3 *小二乘法 130 6.1.4 卡尔曼滤波技术 130 6.1.5 伪距定位算法及步骤 131 6.2 单点定位精度评估 136 6.2.1 精度衰减因子 136 6.2.2 卫星的几何分布对DOP 值的影响 139 6.2.3 **星座的选择问题 140 6.3 伪距差分定位方法 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 伪距差分定位误差分析 146 6.4 北斗测速解算方法 147 6.4.1 伪距变化率测速方法 148 6.4.2 卫星速度的计算方法 149 6.5 北斗授时解算方法 150 6.5.1 单向测量授时 151 6.5.2 共视测量授时 151 第7章 北斗载波相位精确定位原理与方法 153 7.1 载波相位差分观测值 153 7.1.1 非差观测值 153 7.1.2 单差观测值 154 7.1.3 双差观测值 155 7.1.4 三差观测值 156 7.2 实时动态差分定位方法 157 7.2.1 RTK组成原理 157 7.2.2 RTK解算方法 160 7.2.3 网络RTK系统服务技术 163 7.3 精密单点定位方法 167 7.3.1 精密单点定位解算方法 167 7.3.2 PPP有关的误差 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 周跳探测与处理问题 182 第8章 北斗导航信号基础 184 8.1 北斗信号概述 184 8.2 载波及其频率 185 8.2.1 无线电频谱 185 8.2.2 北斗的频率 186 8.3 北斗的测距码 186 8.3.1 伪随机噪声码 186 8.3.2 m序列 188 8.3.3 截短码和复合码 191 8.3.4 Gold码 193 8.3.5 北斗二号测距码 194 8.3.6 Weil码 196 8.3.7 北斗三号测距码 197 8.4 北斗的数据码 198 8.4.1 北斗二号数据码 199 8.4.2 北斗三号数据码 201 8.5 北斗的信号结构 205 8.5.1 北斗二号信号结构 206 8.5.2 北斗三号信号结构 206 8.6 北斗信号的调制方式 209 8.6.1 BPSK调制方式 210 8.6.2 QPSK调制方式 211 8.6.3 BOC调制方式 212 8.6.4 QMBOC调制方式 214 第9章 北斗接收机原理 216 9.1 接收机组成原理 216 9.2 接收机类型 217 9.2.1 按用途分类 217 9.2.2 按载波频率分类 219 9.2.3 按通道数分类 219 9.2.4 按工作原理分类 220 9.2.5 按产品形态分类 220 9.3 接收机天线 221 9.3.1 天线类型 221 9.3.2 天线的方向性及增益 221 9.3.3 工作频率与带宽 222 9.3.4 极化 222 9.3.5 阻抗匹配 222 9.4 接收机常用概念 223 9.4.1 系统和频点 223 9.4.2 卫星信号强度(信噪比) 223 9.4.3 接收机通道 224 9.4.4 接收机的启动 224 9.4.5 首次定位收敛时间 225 9.4.6 卫星方位及星空图 225 9.4.7 通信端口和波特率 225 9.5 常见接收机及其性能指标 227 9.6 接收机检测原理 229 9.6.1 检测系统组成及其工作原理 230 9.6.2 典型指标测试方法 237 第10章北斗接收机信号处理基础 244 10.1 信号处理的几个概念 244 10.1.1 信号功率与路径损耗 244 10.1.2 天线增益 245 10.1.3 链路预算 246 10.1.4 信号强度与载噪比 246 10.2 信号捕获原理 248 10.2.1 下变频与中频信号 248 10.2.2 相干积分 250 10.2.3 搜索空间 251 10.3 信号跟踪原理 251 10.3.1 载波环 251 10.3.2 码环 253 10.3.3 信号的跟踪 255 第11章 GPS及其他卫星导航系统 258 11.1 美国GPS 258 11.1.1 系统组成 259 11.1.2 信号特征 262 11.1.3 导航电文 265 11.1.4 SA和A-S政策 268 11.2 俄罗斯GLONASS 269 11.2.1 系统组成 269 11.2.2 信号特征 270 11.2.3 导航电文 271 11.3 欧盟Galileo 272 11.3.1 系统组成 272 11.3.2 信号特征 274 11.3.3 导航电文 278 第12章 多卫星导航系统融合定位原理 2