北斗在高精度定位领域中的应用

本书通过北斗典型应用案例，详细论述了北斗高精度应用，介绍了北斗支撑与保障体系，并对未来北斗产业化发展方向进行了展望。 

本书作者在总结多年科学研究成果的基础上，全面系统地介绍了北斗卫星导航系统的发展、构成、产业现状等，并从定位、导航、授时、通信等方面阐述了北斗卫星导航系统的高精度应用。本书介绍了基于北斗兼容技术的硬件系统，包括天线、芯片、板卡和RTK产品；讨论了多模GNSS定位原理与基础模型、网络RTK及高精度定位数据处理技术，包括实时差分技术、后处理差分技术、精密单点定位技术等；描述了国家政策、行业标准及人才工程的现状并从技术产品、行业应用及国家战略等方面做了总结与展望。

夏林元，1964年生于武汉，1986年毕业于天武汉测绘科技大学大地测量专业毕业，2001获得武汉大学博士学位。曾工作于水利部长江水利委员会、武汉大学测绘学院、测绘遥感信息工程国家重点实验室，1997年赴南极中国长城站进行科学考察，2002－2009年多次赴香港理工大学、香港浸会大学进行学术访问，2007年由中山大学“百人计划”引进，现为中山大学地理科学与规划学院教授、博士生导师。国际学术期刊《Survey Review》、《Inside GNSS》编委及审稿人。主要研究方向为GNSS卫星导航定位及应用，曾承担国家重点基础研究发展计划(973)子课题、国家自然科学基金、广东省重大科技专项、广州市科信局、香港研究资助局（RGC）等研究项目；获武汉大学优秀博士论文、国际卫星导航学会（ION）优秀论文及测绘科技进步一等奖等奖项。

目 录第1章 北斗卫星导航系统概述 11.1 概述 21.1.1 三步走战略 31.1.2 管理和运营 41.2 时空参考框架 41.2.1 坐标系统 41.2.2 时间系统 51.3 系统服务 61.3.1 开放服务 71.3.2 授权服务 71.4 北斗系统结构 81.4.1 空间段 81.4.2 地面段 121.4.3 用户段 121.5 其他全球卫星导航系统 131.5.1 GPS 131.5.2 GLONASS 151.5.3 Galileo 161.5.4 GNSS系统间的异同 181.6 主要组织机构 191.6.1 官方组织机构 191.6.2 民间组织机构 231.7 全球卫星导航系统基础设施 261.7.1 地基增强系统（GBAS） 271.7.2 星基增强系统（SBAS） 311.8 北斗高精度产业现状 361.8.1 CORS系统建设 361.8.2 北斗兼容型高精度芯片 361.8.3 北斗兼容型高精度接收机 371.8.4 北斗兼容型高精度天线 37第2章 卫星导航定位及高精度应用 392.1 定位 402.1.1 大地测量 412.1.2 高速铁路 442.1.3 精细农业 462.1.4 港口运输 482.1.5 监测防灾 512.2 导航 532.2.1 位置服务 542.2.2 车辆导航 552.2.3 物流管理 582.2.4 航海导航 602.2.5 航空导航 622.3 授时 632.3.1 电信网同步与移动通信 652.3.2 智能电网同步与监控 672.3.3 金融与网络同步 682.3.4 广播电视及三网融合 692.3.5 国防建设 712.4 北斗短报文通信 712.4.1 气象预报预警 732.4.2 船舶交通管理 732.4.3 地震灾情汇集 742.4.4 森林火灾监测 75第3章 多模GNSS定位原理 773.1 北斗卫星信号 783.1.1 卫星码信号 783.1.2 卫星导航电文 833.1.3 信号构成 873.2 观测量的误差源及其影响 893.2.1 误差的分类 893.2.2 与卫星有关的误差 903.2.3 与信号传播有关的误差 933.2.4 与接收设备有关的误差 993.2.5 其他误差来源 1003.3 定位 1023.3.1 定位方法概述 1023.3.2 伪距法定位原理 1023.3.3 伪距定位精度评定 1093.4 相对定位 1113.4.1 静态相对定位观测方程 1123.4.2 动态相对定位观测方程 1163.5 网络RTK 1203.5.1 VRS技术模式 1203.5.2 FKP计算模型 1213.5.3 MAC技术模式 1223.6 精密单点定位 1243.6.1 定位原理 1243.6.2 误差分析 1243.7 整周模糊度确定方法及周跳分析 1253.7.1 整周模糊度及其确定方法 1253.7.2 周跳分析 1283.8 北斗卫星网整体平差 1313.8.1 整体平差方法概述 1313.8.2 基线向量网平差模型 1323.8.3 平差结果精度评定 135第4章 北斗兼容型高精度接收机技术 1374.1 北斗兼容型高精度天线 1384.1.1 引言 1394.1.2 天线的关键特性 1394.1.3 天线的关键技术 1434.1.4 天线的种类 1474.1.5 产品介绍 1484.2 北斗兼容型导航芯片及板卡 1504.2.1 引言 1504.2.2 北斗/GPS双模板卡的主要技术指标 1514.2.3 射频前端处理技术 1524.2.4 高灵敏度基带信号处理技术 1544.2.5 多星座数据融合处理前端技术 1614.2.6 导航解算处理后端技术 1644.2.7 北斗兼容型导航芯片架构设计 1694.3 北斗兼容型高精度GNSS RTK产品 1704.3.1 引言 1704.3.2 接收机产品介绍 1714.3.3 北斗兼容型高精度GIS设备 177第5章 高精度定位数据处理与软件技术 1815.1 实时差分技术 1825.1.1 实时动态伪距差分 1845.1.2 实时动态载波相位差分 1865.2 后处理差分技术 1895.3 精密单点定位技术 1935.3.1 精密单点定位 1935.3.2 三频精密单点定位 1955.4 网络CORS及其定位技术 197第6章 北斗高精度定位专业应用 2016.1 科学研究 2026.1.1 大气探测 2026.1.2 电离层延迟 2036.2 行业应用 2046.2.1 精细农业 2046.2.2 灾害监测 2106.2.3 精密授时 2216.2.4 国情监测 2246.2.5 机械控制 2256.3 区域发展概况 2316.3.1 珠三角地区 2316.3.2 环渤海地区 2326.3.3 长三角地区 2326.3.4 华中鄂豫湘地区 2336.3.5 西部川陕渝地区 233第7章 典型应用工程与案例 2357.1 重大工程 2367.1.1 现代测绘基准体系建设 2367.1.2 海岛与岛礁测绘 2407.1.3 国家航空应急测绘体系建设 2417.1.4 极地测绘 2437.2 示范工程 2447.2.1 重点运输过程监控管理示范工程 2447.2.2 物流管理应用示范工程 2467.2.3 智能交通及车辆信息系统示范工程 2487.2.4 移动位置服务示范工程 2507.2.5 泛在PNT系统示范工程 2547.2.6 高精度应用创新专项工程 2557.2.7 水利工程自动化监控 2587.3 典型应用案例 2607.3.1 地质灾害及建筑物安全监控 2607.3.2 高速铁路安全监控 2647.3.3 精密施工与机械控制 2657.3.4 飞机精密进近 267第8章 支撑与保障体系产业现状 2718.1 社会资源与环境 2728.1.1 国家政策 2728.1.2 知识产权保护 2768.1.3 法律法规 2778.1.4 市场环境 2788.2 行业技术标准及规范 2808.2.1 测试检验 2808.2.2 标准与规范 2838.3 人才与引智工程 2868.3.1 卫星导航专业人才培养 2868.3.2 地方部门与高校及院所联合 2878.3.3 示范城市与示范工程 2888.3.4 人才培养与引智总结 289第9章 总结与展望 2919.1 高精度导航定位技术产品 2939.1.1 广域实时精密定位技术 2939.1.2 协同实时精密定位技术 2949.1.3 智能硬件 2959.1.4 无人驾驶技术 2969.2 北斗卫星导航的行业应用 2969.2.1 行业应用技术体系 2979.2.2 典型应用分析 2979.2.3 行业应用拓展 3029.3 北斗全球化和国家战略 3039.3.1 北斗东盟国际合作 3049.3.2 北斗与“一带一路” 306附录 309附录A 国内外常用GNSS数据处理软件 310A.1 PANDA软件 310A.2 GAMIT软件 312A.3 Bernese软件 314A.4 GIPSY软件 317A.5 TriP软件 319A.6 HGO数据后处理软件 320附录B 厂商 320B.1 天宝 320B.2 徕卡 320B.3 诺瓦泰 321B.4 中海达 321B.5 华测 322B.6 南方测绘 322附录C 学术刊物 322C.1 Journal of Geophysical Research（JGR） 322C.2 Geophysical Research Letters（GRL） 323C.3 Journal of Geodesy 323C.4 GPS Solutions 324C.5 Navigation 324C.6 Advances in Space Research 324C.7 Survey Review 324C.8 Inside GNSS 325C.9 GPS World 325C.10 Journal of Navigation 325C.11 Journal of Global Positioning Systems （JGPS） 326参考文献 327缩略语 337

总　　序“北斗系统与应用出版工程”丛书，能作为国家出版工程推进，是件很好的事情，我表示热烈的祝贺，欣然作序予以鼓励支持。北斗系统不仅是项充满活力的新兴技术，而且是国家重要的时空信息基础设施，同时由于它与其他技术和产业的多重关联性和融合性，故成为现代智能信息产业群体的重大技术支持系统和具有巨大带动力的时代产业发展引擎，与国家安全、国民经济和社会民生密切相关，与两个“中国梦”密切相关，能够服务全中国和全世界。北斗系统的建设和运营，给国家和社会的兴邦强国、行业和企业的建功立业、团队和个人的著书立说与创新创业创造精神的大发挥、大发展，提供了百年难遇的良好机会。“北斗系统与应用出版工程”丛书，也承载着同样的使命，它所包括的内容包括系统、技术和应用三个方面，这种选择非常符合实际需要，很全面，且顾及了眼前和长远，而且应用方面所占的分量相当大。我建议在应用的服务领域要多下点功夫，这是北斗系统和时空信息服务体系的关键。在当今的条件下，推进这个出版工程，具有明显的现实意义和长远价值。为此，我在这里要强调三点：一是一定要把国内外GNSS领域的成功经验和教训，进行系统总结，作为良好的参考；二是应该将我们在系统建设中的实践，上升为理论与模式，进一步推进我们的工作与事业；三是在上面两点的基础上，我们要有所前进，有所创造，在理论、实践、产业和体系化发展推进上有所突破，逐步走向世界的前列，真正把这一出版工程，做成北斗系统伟大工程的一个不可分割的组成部分，反过来对于系统工程发挥指导促进作用，发挥其GNSS里程碑效应和效能。 2015年12月前 言随着北斗卫星导航系统的亚太服务及全球化应用发展，基于北斗卫星导航系统的产业化应用已逐步开展，北斗卫星导航系统作为全球卫星导航系统（GNSS）的三大营运服务系统之一，其应用潜力就像有识之士指出的那样，只受人们想象力的限制，并会成为我国时空信息的支柱，逐步引领众多行业及产业的发展与提升。高精度导航定位的应用作为北斗产业化的一个重要板块，在变形监测、精细农业、机械控制等多方面彰显优势，并涌现出一批典型技术系统与示范应用工程。例如，广州中海达卫星导航技术股份有限公司近年来运用北斗高精度定位理论，研究了相关解算方法，并结合新一代无线数据通信技术，提出与研制了一种基于现代无线网络远程控制RTK系统的方法、装置及系统，并不断将这些智能化的高精度定位技术应用在多项领域，诸如现代农业、精准控制及健康监测等，并取得了良好的效果。为了总结、推动与深化这些北斗高精度的相关应用，编著组在综合十余年来取得的系列研究及应用成果的基础上，适当增加了一些相关的新素材与主题内容编写而形成本书。随着我国北斗卫星导航系统的不断完善和各种应用的深入、新的技术与应用需求也会不断涌现，这都需要我们不断以新的视野，从新的高度去学习并推动这些应用，才能限度地发挥北斗卫星导航系统的潜能。本书在比较短促的时间内对目前北斗卫星导航系统的高精度应用做了初步总结与分析，希望能起到抛砖引玉的作用，更希望同行与专家们对不足之处批评指正。本书由夏林元负责大纲的制定并组织撰写，参与本书编写的还有鲍志雄、李成钢、金永新、李倩霞、李青睿、潘国富、李庚禄。另外，中山大学的研究生李吉龙、王泽彬、黄秋楣参与了本书的编写工作。本书的编写工作同时得到了武汉大学施闯教授、姚宜斌教授、叶世榕教授及张小红教授的大力支持；本书还得到电子工业出版社及广东省水利科技创新项目[基于北斗与GPS集成定位的水利工程自动化监控关键技术研究（2014-19）]的支持，在此一并致谢。作者 2016年1月于广州