●目錄
叢書序
序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 GNSS發展歷史 1
1.2 現代衛星導航繫統 2
1.2.1 GPS衛星導航繫統 2
1.2.2 GLONASS衛星導航繫統 5
1.2.3 Galileo衛星導航繫統 6
1.2.4 北鬥衛星導航繫統 7
1.3 GNSS高精度定位應用 8
1.3.1 走向高頻 8
1.3.2 從誤差源到信息源 8
1.3.3 單天線擴展到多天線 9
1.3.4 多技術融合 9
1.3.5 高精度動態應用 10
1.3.6 GNSS無線電掩星探測 11
第2章 GNSS信號構成 12
2.1 GPS信號構成 12
2.1.1 載波 12
2.1.2 偽碼 13
2.1.3 數據碼 16
2.1.4 導航電文 17
2.2 其他導航繫統的信號構成 18
2.2.1 GLONASS衛星信號 18
2.2.2 Galileo繫統的信號構成 19
2.2.3 北鬥導航繫統 20
第3章 GNSS信號的基本特征和傳播 22
3.1 電磁波信號的物理特征 22
3.1.1 麥克斯韋方程組和平面電磁波 22
3.1.2 電磁波的頻率特征 26
3.1.3 電磁波的極化特征 27
3.1.4 電磁波的干涉和衍射 28
3.1.5 電磁波的多普勒效應 29
3.2 GNSS信號的傳播：從自由空間到地面 30
3.2.1 GNSS信號在電離層中的傳播 30
3.2.2 GNSS信號在對流層中的傳播 38
3.2.3 GNSS信號在地面的廣義多路徑效應 51
計算和思考 63
第4章衛星信號處理 65
4.1 GNSS接收機捕獲原理 65
4.1.1 串行捕獲算法 66
4.1.2 基於FFT/IFFT的並行捕獲算法 68
4.1.3 弱信號的捕獲算法 70
4.2 GNSS接收機跟蹤原理 74
4.2.1 載波跟蹤算法 74
4.2.2 碼跟蹤算法 83
4.3 軟件接收機繫統設計與分析 86
4.3.1 繫統總體架構 87
4.3.2 射頻信號接收硬件設計與分析 87
第5章 地面接收端產生的誤差 94
5.1衛星和接收機天線相位中心偏差 94
5.1.1 微波暗室測定 95
5.1.2 室外機器人測定 96
5.1.3 室外短基線測定 97
5.2 多路徑誤差 100
5.2.1 多路徑誤差定義 100
5.2.2 多路徑特征 100
5.2.3 多路徑消除方法概述 103
5.3 接收機鐘差和周跳 105
5.3.1 接收機鐘誤差 105
5.3.2 接收機周跳 105
5.4 空基和地基相位纏繞 106
5.4.1 相位纏繞效應 106
5.4.2 空基相位纏繞 107
5.4.3 地基相位纏繞 107
第6章衛星數據壓縮與傳輸 112
6.1 數據壓縮基本原理與信息熵 112
6.1.1 數據壓縮的信息論基礎 112
6.1.2 信息熵與冗餘度 113
6.1.3 數據壓縮的性能指標和標準 115
6.2 衛星信號壓縮技術 116
6.2.1 有損壓縮 116
6.2.2 無損壓縮 117
6.2.3 GNSS數據的Hatanaka壓縮 118
6.3 接收機輸出的數據傳輸 121
6.3.1 TCP/IP協議的層次結構 121
6.3.2 IP協議 122
6.3.3 TCP協議 124
6.3.4 TCP/IP協議在衛星數據傳輸中的應用 129
6.4 基於UDP的衛星數據傳輸 129
6.4.1 UDP通信協議概述 130
6.4.2 UDP數據報格式 130
6.4.3 UDP基本工作過程 132
第7章 坐標繫統和時間繫統 134
7.1 坐標繫統 134
7.1.1 地心坐標繫 135
7.1.2 地理坐標繫 135
7.1.3 測站坐標繫 136
7.1.4衛星固連坐標繫 136
7.1.5 我國采用的高斯平面坐標繫和高程繫統 137
7.1.6 空間坐標與高斯平面坐標的轉換 138
7.1.7 大地參考繫統和大地參考框架 141
7.1.8 國際大地參考框架 141
7.1.9 ITRF實現的難點 143
7.2 時間繫統 146
7.2.1 時間繫統的定義 147
7.2.2 時間繫統之間的轉換 149
7.2.3 GNSS時間繫統 151
7.2.4 守時和授時 152
計算和思考 153
第8章 GNSS高精度定位原理 154
8.1 GNSS觀測量 154
8.1.1 偽距測量及其觀測方程 154
8.1.2 載波相位測量及其觀測方程 154
8.1.3 觀測方程的線性組合 157
8.2 誤差改正 158
8.2.1 對流層延遲誤差改正 159
8.2.2 電離層延遲誤差改正 160
8.2.3 與衛星有關的誤差 161
8.2.4 測站相關修正 163
8.2.5 多路徑效應的實時模型改正 165
8.3 單站精密單點定位 167
8.3.1 單站精密單點定位的函數模型 167
8.3.2 單站精密單點定位的隨機模型 169
8.3.3 單站精密單點定位的參數估計方法 170
8.4 多繫統精密單點定位 174
8.4.1 GPS/GLONASS綜合數據處理統一模型 174
8.4.2 GPS/GLONASS繫統時延偏差 176
8.4.3 頻間差特性分析 179
8.5 載波相位差分技術 182
8.6 觀測值中的周跳檢測 189
8.6.1 多頻周跳探測算法 189
8.6.2 單頻周跳探測算法 195
8.7 整周模糊度估計算法 196
8.7.1 參數估計理論和FARA算法 196
8.7.2 最小二乘模糊度搜索算法 199
8.7.3 Z變換和LAMBDA算法 200
第9章 GNSS定向測姿原理 205
9.1 GNSS定向測姿的需求 205
9.2 GNSS定向測姿的基本原理 206
9.3 共用時鐘GNSS多天線接收機的定向測姿技術 208
9.3.1 共用時鐘GNSS多天線接收機測姿原理 208
9.3.2 測姿算法中單差和雙差等價性討論 209
9.3.3 單差模糊度估計的ASA算法 213
9.4 GNSS/INS緊耦合定位定向測姿的基本原理 216
9.4.1 GNSS/INS緊耦合數學模型 216
9.4.2 INS誤差狀態方程 217
9.4.3 GNSS/INS緊組合繫統的狀態方程 218
9.4.4 GNSS/INS緊耦合繫統觀測方程 219
9.5 GNSS單天線偽姿態角定向測姿的基本原理 224
9.5.1 偽姿態角計算方法 224
9.5.2 偽姿態角方法應用 225
計算和思考 226
第10章 GNSS數據分析的算法原理 227
10.1 平差估計和濾波估計 227
10.1.1 最小二乘估計 227
10.1.2 序貫最小二乘估計 230
10.1.3 類觀測和約束 231
10.2 參數的隱式解和矩陣的分塊約化 234
10.3 考察矩陣和縮放敏感矩陣 237
10.4 Kalman濾波 240
10.4.1 Kalman濾波基本方程 240
10.4.2 Kalman濾波的擴展：AKF、EKF和UKF 243
10.4.3 Kalman濾波下的殘差平方和增量 247
10.5 廣義約束理論 248
10.6 最少約束、內約束和參考框架確定 250
10.7 區域濾波、共模誤差和主分量分析 253
10.7.1 共模誤差(CME) 253
10.7.2 區域濾波和主分量分析(PCA) 254
10.7.3 獨立分量分析(ICA) 260
10.7.4 奇異譜(SSA)和多通道奇異譜(MSSA)分析 263
10.8 噪聲模型和噪聲分析 265
10.9 對高度相關參數和統計理論的新挑戰 269
計算和思考 272
參考文獻 273

本書分為10章，主要介紹了GNSS高精度定位的基本概況和基本原理。作為一種嘗試，本書略寫同類型書籍中常見的空間大地測量的基本原理和觀測方程內容，避免與現有的教科書雷同。同時，本書從物理、通訊和地球物理的角度，以麥克斯韋電磁方程組為起點，推導並介紹GNSS電磁波信號的基本特征和傳播介質的影響，闡述GNSS信號及繫統誤差的物理機制。同時介紹接收機內部捕獲、跟蹤和提取GNSS信號的繫統設計，輸出數據的壓縮原理和數據傳輸方式，闡述GNSS高精度定位和定向測姿原理，以及數據分析中比較前沿的算法。

    章 緒論
    人類生活在時空四維世界中，時間和空間的信息是人類社會發展和進步很基本的需求。從北鬥星辰到指南磁針，從地圖繪制到羅盤導航，漫長歲月中人類的位置信息服務基本上來自地面局域觀測資料的積累。隨著人類活動空間的優選化和信息需求的實時化，這種地基觀測手段的積累周期、傳輸效率、覆蓋範圍、分析能力和定位精度越來越趕不上社會發展的步伐。從地基走向空基，從局域走向廣域，從二維走向多維，是時空信息獲取和服務的必然趨勢。
    1.1 GNSS發展歷史
    1957年10月4日，世界上靠前顆人造地球衛星“火花號”（Sputnik）在蘇聯拜科努爾發射場發射，標志著人類航天時代來臨。
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