北斗与GNSS系统概论

本书是作者经过多年思考，并进行了大量调研后的研究成果，其需求背景非常明确；由于涉及面较宽，其作者由不同方面的专家构成。 

本书系统地介绍了GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统在内的四大全球导航卫星系统及其增强系统和区域卫星导航系统，在此基础上进一步研究系统的设计和测试，实际上是在一个新的系统组成基础上开展性能功能指标的设计规划，并且提出测试要求和方法，这是个开拓创新的过程。本书的后部分展望了在GNSS后时代的定位、导航、授时新技术，尤其是室内外无缝导航和多系统多手段融合定位技术。

曹冲，原中国电波传播研究所研究员，现任中国卫星导航定位协会首席专家，《全球定位系统》杂志编委会主任委员。在利用卫星研究电离层信标探测技术和理论研究方面均有重要成果。两度赴南极，填补了我国现代极光研究和极区电离层实验研究上的空白。在包括北斗导航系统在内的GNSS应用技术及其产业化应用推广领域有重大建树。许多年来积极参与中国卫星导航定位协会的有关活动，并做出了自己的贡献。先后十次获包括国家自然科学奖和科技进步奖在内的国家和省部级以上奖项。发表论文和译作两百余篇，并有《极光的故事》、《卫星导航常用知识问答》、《“北斗”伴咱走天下》、《中国新时空服务体系概论》等多部著作出版，其中“神奇的极光”一文被人民教育出版社收入全日制普通高级中学教科书和中等专业学校教科书作为课文。

目 录第1章　概述 11.1 GNSS引言 21.1.1 GNSS的概况 21.1.2 国际卫星导航产业发展现状与前景 41.1.3 GNSS系统及其产业发展经验与借鉴 51.2 GNSS的定义 81.3 GNSS系统组成 91.4 GNSS应用 91.5 GNSS全球市场 131.6 GNSS的需求分析 151.6.1 使命需求 151.6.2 市场需求 151.6.3 产业与用户需求 171.6.4 中国时空信息产业的发展需求 181.7 GNSS全球系统、区域系统及其多模增强格局 191.7.1 全球系统 191.7.2 区域系统 191.7.3 多模增强系统和差分系统 201.8 卫星导航的重要性和战略定位 221.8.1 卫星导航发展带来的启迪 221.8.2 卫星导航系统提供时间与空间两大参量 241.8.3 不可或缺的国家信息基础设施 241.8.4 服务国计民生的高技术 241.8.5 智能信息产业的核心与关键 241.8.6 大国和平崛起的重要标志 251.9 多系统融合成为发展大趋势 251.9.1 GNSS多系统的兼容互操作 251.9.2 卫星导航与通信系统的融合 261.9.3 与惯性技术和其他系统的组合融合 271.10 北斗产业和GNSS的现状与前景 281.10.1 2015年北斗产业实现了质和量的齐头并进 281.10.2 2016年是迈向真正GNSS时代的新起点 291.10.3 室内外融合定位是未来产业发展的重头戏 301.10.4 当前快速健康持续发展北斗产业的几点建议 31第2章　导航定位发展演变史 372.1 导航从史前到近代 382.1.1 石器时代的导航概念 382.1.2 天体导航（或者称为星球导航）时代 392.1.3 时间和经度的测量 452.2 无线电导航时代 542.2.1 无线电的发明 542.2.2 无线电导航概念 552.2.3 无线电导航系统的由来和发展 592.3 地面无线电导航系统演变与发展 602.3.1 无线电信标 602.3.2 台卡系统 602.3.3 伏尔/测距器 612.3.4 塔康/VOR 612.3.5 罗兰A 612.3.6 罗兰C 612.3.7 奥米加 622.3.8 仪表着陆系统 632.3.9 微波着陆系统 642.4 卫星导航系统的发展历程 642.4.1 颗人造地球卫星上天 652.4.2 代导航卫星系统——“子午仪”与“蝉” 662.4.3 第二代导航卫星系统（全球系统、区域系统及其增强） 72第3章　北斗卫星导航系统（BDS） 773.1 概述 783.1.1 系统概述 783.1.2 政策原则 813.2 发展过程 823.3 北斗卫星导航试验系统 863.3.1 空间部分 863.3.2 地面控制段 873.3.3 用户系统（设备） 873.3.4 系统功能与主要技术指标 883.3.5 定位原理与工作过程 893.3.6 “北斗一号”用户系统 903.3.7 “北斗一号”集团应用系统 913.4 北斗区域系统 943.4.1 北斗区域系统功能与指标 943.4.2 北斗区域系统组成 963.5 在建中的北斗全球系统进展 983.5.1 北斗（新一代）全球导航卫星 983.5.2 北斗全球系统信号设计进展 1013.6 北斗系统工作原理和关键技术 1033.6.1 定位原理 1033.6.2 卫星导航三角测量学 1043.6.3 关键技术 1053.7 北斗系统的应用服务 1133.7.1 应用推广 1133.7.2 行业与安全应用 1153.7.3 大众应用 1163.7.4 科学应用 1163.8 产业发展现状 1173.8.1 北斗产业概况 1173.8.2 五大突破和连升三级 1173.8.3 标准化配置是产业发展的重大关键举措 1183.9 国际合作交流 1193.9.1 合作的基本原则 1193.9.2 积极推进多边合作 1193.9.3 大力促进双边合作 1213.9.4 支持支撑国际交流 1213.10 结论 121第4章　GNSS基本构成与关键技术 1234.1 概述 1244.2 GNSS的基本构成 1254.2.1 GNSS的整体概念 1254.2.2 GNSS系统应用服务的创新思维 1254.2.3 GNSS系统的组成 1264.3 GNSS的重大关键技术 1264.3.1 空间工作平台技术 1264.3.2 空间原子钟技术 1264.3.3 轨道确定、维护、保持技术 1274.3.4 信号体制的理论与方法 1274.3.5 电波传播环境模化技术 1284.3.6 大规模集成电路应用技术 1284.4 长寿命卫星和星座与星系布设 1284.5 定轨与测控技术 1324.6 空间原子钟技术 1354.7 信号编码调制体制理论与方法 1414.8 环境段及其增强技术 1474.8.1 环境段概念 1474.8.2 卫星导航的脆弱性难题和历来的应对措施 1474.8.3 大气（电离层与对流层）效应和多径效应 1484.8.4 导航系统的电磁环境和信号干扰来源及其对策 1504.9 大规模集成电路与系统融合集成技术 150第5章　GNSS之全球系统 1595.1 概述 1605.1.1 GNSS系统之系统的概念 1605.1.2 GNSS体系格局基本形成 1605.1.3 若干热点问题与动向 1615.1.4 四大发展趋势不可逆转，大众化产业化特点日益明晰 1625.1.5 GNSS发展过程中几个有深远影响的经验启迪 1635.2 GNSS概念在更新，面临重大转折需要根本性的突破 1645.2.1 GNSS需要有与时俱进的革命性诠释 1645.2.2 GNSS遭遇脆弱性的阻击 1645.2.3 GNSS需要整体上的创新，环境段是重点 1645.2.4 泛在导航的需求势不可挡，急需根本性突破 1655.3 GPS 1655.3.1 概述 1655.3.2 部署发展 1665.3.3 GPS工作原理要点 1675.3.4 系统组成 1685.3.5 频率与信号 1745.3.6 服务功能与性能 1755.4 GPS系统现代化 1765.4.1 概述 1765.4.2 GPS现代化进程时间表 1785.4.3 空间段现代化 1805.4.4 运控段现代化 1845.4.5 频率与信号现代化 1875.5 GLONASS 1905.5.1 概述 1905.5.2 部署发展 1925.5.3 系统组成 1945.5.4 GLONASS提供的服务 1995.6 GLONASS系统现代化 2015.6.1 概述 2015.6.2 GLONASS现代化的主要目标 2025.6.3 GLONASS采用的现代化发展策略 2055.7 Galileo 2065.7.1 概述 2065.7.2 部署发展 2075.7.3 系统组成 2085.7.4 频率与信号 2115.7.5 服务功能与性能 2165.7.6 伽利略系统的现状与发展计划 218第6章　GNSS之区域系统和多模增强系统 2196.1 概述 2206.2 日本的QZSS 2206.2.1 QZSS概述 2206.2.2 QZSS发展过程 2226.2.3 时空参考系统 2236.2.4 QZSS提供的服务 2236.2.5 QZSS体系框架结构 2246.2.6 QZSS的频率和信号 2276.3 印度的IRNSS 2296.3.1 IRNSS概述 2296.3.2 IRNSS发展过程 2306.3.3 IRNSS提供的服务 2306.3.4 IRNSS体系框架 2316.3.5 IRNSS的频率和信号 2346.4 星基增强系统 2346.4.1 星基增强系统概论 2346.4.2 美国的广域增强系统（WAAS） 2356.4.3 欧洲的导航重叠系统（EGNOS） 2416.4.4 俄罗斯的差分改正监测系统（SDCM） 2486.4.5 日本的多功能运输卫星（MTSAT）星基增强系统（MSAS） 2496.4.6 印度的辅助GPS的静地星基增强导航系统（GAGAN） 2516.5 地基增强系统 2556.5.1 地基增强系统概论 2556.5.2 局域增强系统（LAAS） 2556.5.3 国家差分GPS（NDGPS） 2576.5.4 国家连续运行参考站网络（CORS网） 2576.5.5 沿海的无线电信标（DGPS）网络系统 2576.5.6 D-GNSSd的海上精密定位测量 2576.5.7 全球差分GPS（GDGPS） 2586.6 其他多模增强系统 261第7章　GNSS接收机与用户终端 2637.1 概述 2647.1.1 用户段地位举足轻重 2647.1.2 接收机的分类 2647.1.3 接收机的主要组成和性能指标 2677.1.4 软件接收机 2697.1.5 接收机融合技术的

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 言观斗转星移，看岁月更迭，移智云大物，定时空乾坤。《北斗与GNSS系统概论》，阐述的是一个系统的系统，需要从时空服务体系化的角度去认识，去剖析，去归纳，去提高。为此，不仅要看到局部，更加需要着眼全局；不仅要看到北斗系统本身，更加需要透视GNSS整体；不仅要看到定位、导航、授时的表象，更加需要揭示其时空服务工具的本质；不仅要看到它们的过去、现在的状态，更加需要明晰其未来的发展与前景。这是件非常有意义的事情，也有很大的难度。在这一领域中，具体写导航定位授时的某个系统、某项技术、某种领域的书，已经为数不少。我们所设想的是简明扼要地较为全面地从总体上进行强化论述，似乎十分有必要，特别是从GNSS整体上做些文章，从其前瞻性的互补后备替代系统体系的角度去开拓，更加有点创意的味道，本书希望在这些点上进行探索与实践。全书分为十章，它们分别是：概述、导航定位发展演变史、北斗卫星导航系统（BDS）、GNSS基本构成与关键技术、GNSS之全球系统、GNSS之区域系统和多模增强系统、GNSS接收机与用户终端、GNSS应用与服务、GNSS产业与市场、GNSS系统演变升级和新时空服务体系发展。本书由曹冲著，参加编写的还有景贵飞、苗前军、肖雄兵、李冬航、邵剑晖。在成书过程中，得到了过静珺、王淑芳、施浒立、赵毅和刘建军等好友，以及电子工业出版社宋梅、来春丽等的悉心帮助和鼎力支持，无私地施予援手，在此一并表示由衷的感谢。同时，也感谢我的夫人和子女家人们，伴我一路同行，共享在爬格子过程带来的没完没了的艰难困扰和无穷无尽的欢乐愉悦。由于时空服务技术与智能信息产业迅速发展，以及成书过程匆忙和见识所限，本书的错误与不足在所难免，敬请大家批评指正，但愿能抛砖引玉。曹冲 2016年2月于北京