卫星导航基础原理

学习卫星导航技术的基本原理，并通过MATLAB程序实现可视化仿真

 

本书系统、透彻地阐述了卫星导航系统的各项相关内容，包括卫星导航基础简介、轨道、信号体制、接收机、误差分析、差分定位、组合导航及应用等。本书的主要特色是并未专注于某一现有的导航系统，而是以通俗易懂的语言描述卫星导航系统的基本原理和运算公式，且涵盖了卫星导航系统的通用原理。此外，本书使用了MATLAB作为编程工具，对重要的概念和技术进行阐述。 本书以尽量少的数学知识来解释卫星导航的基础原理，避免使用各类复杂的方程，其首要原则是帮助读者理解相关的理论知识，并通过一些实际案例使读者逐步建立相应的知识体系。此外，本书通过MATLAB仿真来解决相应问题，从而使读者理解在不同配置下导航信号及系统的运行方式。本书还讨论了卫星导航的实施和应用以及相应的专题，如卡尔曼滤波和电离层。 代码下载网址：http://booksite.elsevier.com/9780127999494/学习目标● 了解卫星导航系统是如何工作的● 了解从事卫星导航系统工作时，如何提高效率● 学会使用MATLAB进行仿真，建立可视化的概念● 学会多种技术实现方法● 掌握卫星导航系统*重要的应用

Rajat Acharya博士为印度空间研究组织（ISRO）的科学家，多年来致力于印度的卫星导航系统（IRNSS）及增强系统（GAGAN）的研究，其主要贡献为电离层建模。任教于联合国亚太空间科学与教育中心（CSSTE-AP），为硕士研究生讲授有关于卫星通信和卫星导航方面的课程；另外，他也是古吉拉特大学的客座教授，为学生讲授地球信息科学和卫星通信的学位课程。

　　袁洪：研究员，博士生导师；1995年在中国科学院陕西天文台取得博士学位，先后在中国科学院武汉物理与数学研究所和中国科学院光电研究院从事科研工作，主要研究领域涉及电离层探测、卫星导航、多源融合导航等。

　　徐颖：中国科学院光电研究院研究员，博士生导师，从事卫星导航、导航与通信融合、新型信号体制、信号同步算法等方面的研究工作。中国专利审查技术专家，中国科学院青年创新促进会会员，多家SCI/EI期刊审稿专家。

　　陈夏兰：中国科学院光电研究院工程师，2012年在北京航空航天大学取得硕士学位，研究方向为新型卫星导航信号体制、接收机设计、多源融合导航等。

第1章 导航概述
1.1 引言
1.1.1 本书的组织结构
1.2 导航
1.2.1 导航的历史
1.2.2 导航系统的分类
1.3 位置参考
1.3.1 参考系
1.4 无线电导航系统
1.4.1 引航型系统
1.4.2 导向型系统
1.4.3 航位推算系统
思考题
参考文献
第2章 卫星导航
2.1 卫星导航
2.1.1 卫星导航的概念
2.1.2 导航服务
2.1.3 服务参数
2.1.4 卫星导航的分类
2.2 组成结构
2.3 控制段
2.3.1 监测站
2.3.2 地面天线
2.3.3 主控站
2.3.4 导航时间
思考题
参考文献
第3章 卫星轨道
3.1 开普勒定律和轨道参数
3.1.1 椭圆
3.1.2 椭圆轨道
3.2 卫星轨道相对地球的方向参数
3.2.1 轨道方向参数
3.3 卫星轨道摄动
3.3.1 摄动参数
3.3.2 轨道摄动对系统的影响
3.4 不同类型的轨道
3.5 轨道参数的选择
思考题
参考文献
第4章 导航信号
4.1 导航信号
4.1.1 组成结构
4.2 导航电文
4.2.1 电文内容
4.2.2 电文结构
4.2.3 电文频谱
4.2.4 检错与纠错
4.2.5 本节附录
4.3 测距码
4.3.1 伪随机噪声序列
4.3.2 测距码的调制
4.3.3 导航信号中扩频码的作用
4.4 加密
4.4.1 安全要求
4.4.2 鉴权要求
4.5 多址
4.5.1 码分多址
4.5.2 频分多址
4.6 数字调制
4.6.1 载波波形
4.6.2 调制技术
4.6.3 交替二进制偏移载波（Alt-BOC）调制
4.7 典型链路计算
思考题
参考文献
第5章 导航接收机
5.1 导航接收机
5.1.1 通用接收机
5.1.2 用户接收机的类型
5.1.3 测量、处理及估计
5.1.4 接收机中的噪声
5.2 用户接收机的功能单元
5.2.1 典型结构
5.2.2 射频接口
5.2.3 射频前端
5.2.4 基带信号处理器
5.2.5 伪距测量
5.2.6 导航定位解算
思考题
参考文献
第6章 定位解算
6.1 基本概念
6.2 观测方程的建立
6.3 线性化
6.4 位置解算
6.5 位置解算的其他方法
6.5.1 非线性化测距方程的解算
6.5.2 其他方法
6.6 速度估计
思考题
参考文献
第7章 误差和误差修正
7.1 误差范围
7.1.1 误差源
7.2 控制段误差
7.2.1 星历误差
7.3 空间段误差
7.3.1 卫星钟差
7.3.2 卫星码偏差
7.4 传播误差和用户段误差
7.4.1 传播误差
7.4.2 用户段误差
7.4.3 总误差
7.5 误差抑制技术
7.5.1 基于参考站的修正
7.5.2 误差的估计
7.6 误差对定位的影响
7.6.1 精度因子
7.6.2 水平和垂直精度因子
7.6.3 加权小二乘解
7.7 误差预算和性能
思考题
参考文献
第8章 差分定位
8.1 差分定位
8.1.1 基本原理
8.1.2 主要误差分析
8.1.3 差分定位的分类
8.2 差分修正技术
8.2.1 基于伪距的差分定位
8.2.2 基于载波相位的差分定位
8.3 差分系统的实现
思考题
参考文献
第9章 专题
9.1 卡尔曼滤波
9.1.1 卡尔曼滤波介绍
9.1.2 卡尔曼滤波基础
9.1.3 滤波方程推导
9.1.4 卡尔曼滤波应用
9.2 电离层
9.2.1 电离层的基本结构
9.2.2 赤道区域电离层
9.2.3 电离层模型
9.2.4 其他电离层估计方法
思考题
参考文献
第10章 应用
10.1 概述
10.1.1 相对于其他导航系统的优势
10.2 应用概述
10.2.1 应用的体系结构
10.2.2 应用一览
10.3 具体应用
10.3.1 测姿
10.3.2 时间传递
参考文献
附录A 卫星导航系统简介

学习卫星导航技术的基本原理，并通过MATLAB程序实现可视化仿真

 

 

         本书以尽量少的数学知识来解释卫星导航的基础原理，避免使用各类复杂的方程，其首要原则是帮助读者理解相关的理论知识，并通过一些实际案例使读者逐步建立相应的知识体系。此外，本书通过MATLAB仿真来解决相应问题，从而使读者理解在不同配置下导航信号及系统的运行方式。本书还讨论了卫星导航的实施和应用以及相应的专题，如卡尔曼滤波和电离层。

 

         代码下载网址：http://booksite.elsevier.com/9780127999494/

 

学习目标

●
了解卫星导航系统是如何工作的

●
了解从事卫星导航系统工作时，如何提高效率

●
学会使用MATLAB进行仿真，建立可视化的概念

●
学会多种技术实现方法

●
掌握卫星导航系统重要的应用

 

 

译者序

卫星导航系统可在全球范围内提供全天候的、连续的高精度定位、导航及授时服务，迄今已产生了巨大的应用效益，深入到人类生活的各个方面。我国北斗卫星导航系统于2012年底正式提供区域服务，进一步引起了国人对卫星导航技术的关注。我国越来越多的青年学者和在校学生期望了解卫星导航、研究卫星导航；
与此同时，有关卫星导航的书籍也大量涌现，其中不乏深受卫星导航爱好者喜爱的参考书。但是，从我们多年从事卫星导航领域研究工作和研究生培养工作的经验来看，对于刚接触卫星导航的初学者而言，国内尚缺乏一本较为系统、同时又形象易懂的卫星导航基础原理参考书。

我们在2015年次看到Rajat Acharya教授所著的Understanding Satellite Navigation。这本书非常全面、系统地涵盖了卫星导航各方面的基础知识，更为难得的是，它以一种简单易懂和轻松的方式向读者阐述卫星导航的基础原理。对于复杂晦涩的内容，作者通常会以类比的方式切入，达到深入浅出的效果。我们认为，这是一本系统性阐述卫星导航原理，适用于不同阶段读者阅读，尤其适用于卫星导航初学者的参考书。希望此书的中译本能为那些对卫星导航相关知识感兴趣的学生、青年学者和研究人员提供一些参考。

Rajat Acharya教授为印度空间研究组织（ISRO）的科学家，多年来致力于印度的卫星导航系统（IRNSS）及增强系统（GAGAN）的研究，同时作为联合国亚太空间科学与教育中心(CSSTE-AP)的教师，为硕士研究生讲授有关于卫星通信和卫星导航方面的课程，在卫星导航领域积累了丰厚的知识及教学经验。

本书共10章，前两章讲述了卫星导航的发展历程和基础知识；
从第3章开始介绍卫星导航的原理性内容，包括轨道、导航信号、接收机、定位解算、误差和误差修正、差分定位等内容；
第9章独立于其他章节，阐述了卡尔曼滤波和电离层这两个与卫星导航系统性能密切相关的专题；
第10章介绍了卫星导航的典型应用。为了便于初学者掌握相关术语，我们特意在每章的开头整理了本章内容的英、中对照关键词表。

本书由中国科学院光电研究院的袁洪研究员、徐颖研究员、陈夏兰工程师共同完成翻译工作。中国科学院光电研究院卫星导航团队的其他成员在本书翻译过程中提供了大力支持，他们是：
李子申、魏东岩、李雯、来奇峰、赵姣姣、李祥红、周凯、袁超、田向伟、刘文学、唐阳阳。此外，中国科学院大学的研究生汪亮、姚团结、曾茂书、霍翠萍、陆一等协助完成了大量的译稿整理工作。译者谨对所有曾给予过支持和提供帮助的同志表示诚挚的感谢。

本书由欧阳光洲研究员进行了仔细的审阅并提出了许多宝贵意见，在此深表感谢。

在本书的翻译过程中，译者力求忠实于原著，但限于时间及水平，不妥之处在所难免，敬请读者不吝指正。

 

前言

笔者曾编写一本由印度空间研究组织（ISRO）内部出版的有关卫星导航的小册子，并深受联合国亚太空间科学与教育中心（CSSTE-AP）的学生们的喜爱，那时我便渐渐萌生了编写一本有关卫星导航原理参考书的想法。从我获得的信息来看，无论从学术还是国家的角度出发，也无论是对于商业还是战略性的用户，甚至对于科研人员而言，一本通俗易懂的卫星导航入门级参考书都是必不可少的；
尤其对于初学者，一本在内容上经过合理组织、易懂的入门级参考书，更能起到事半功倍的效果。因此，本书的目的是，针对来自不同背景的初学者，以一种简单易懂的形式，从零开始介绍卫星导航的相关知识。

本书的主要特点之一是，从基础的物理原理出发，阐述卫星导航的基本工作原理，书中仅使用了必要的基础数学知识，而没有使用各类复杂的方程进行推导。在编写本书的过程中，我一直把潜在读者设想为大学生或者是次接触卫星导航的初学者。希望这种从基本原理乃至所有相关技术细节都简单化的处理方式，能够使读者在学习到相关知识的同时，有一个愉悦的学习体验。

本书涵盖了卫星导航系统的通用工作原理，而并未专注于某一特定的卫星导航系统。它强调的是从基本的物理概念和常识出发，渐进剖析每一个复杂的过程，其中每一个基本原理都给出了数学证明，但尽可能多地只使用目标读者可能掌握的基础数学知识；
此外，对于每一个重要的概念，本书均给出了相应的MATLAB可视化仿真程序，从而使得读者可以通过对实例的仿真来更深入地理解他们所学的知识。我认为，这也正是本书的独一无二之处。

后，值得一提的是，本书完整地包含了卫星导航各方面的基础知识。本书提出的观点仅代表作者个人，并不代表我的单位和印度政府。

致谢

衷心感谢印度加尔各答大学，特别是Asish Dasgupta教授、Apurba Datta教授和Bijoy Banerjee教授等人，他们一直是我灵感的源泉。感谢印度空间研究组织的空间应用中心（SAC-ISRO）给我提供的支持，并特别要感谢Bijoy Roy博士、Chandrashekhar博士、Suman Aich博士和Ananya Roy先生对初稿的审查和评论。感谢来自CFRSI的Suman Ganguly博士的友好合作，同时感谢M. R. Sivaraman博士、Kalyan Bandyopadhyay博士、Vilas Palsule先生以及整个CSSTE-AP团队的慷慨付出。感谢整个Elsevier团队和本书的多位审稿人。后但同样重要的是，真诚地感谢我的妻子Chandrani，我的儿子Anubrata和我的父母对我的鼓励以及本书写作期间的长期付出，从而使得这项努力终获得成功。