数字卫星导航与地球物理学 GNSS信号模拟器与接收机实验室实践指南PDF电子书下载

第1章 导航卫星的定位方法 1

1.1 全球和区域卫星导航系统 1

1.1.1 GPS 1

1.1.2 GLONASS 2

1.1.3 “伽利略”，系统 3

1.1.4 区域卫星系统 4

1.1.5 GNSS的组成 4

1.2 导航和大地测量中的定位任务 5

1.3 参考坐标系 7

1.3.1 地心惯性坐标系 7

1.3.2 地心地固坐标系 8

1.3.3 大地球面坐标系 10

1.3.4 球面坐标系的发展计划 11

1.4 时间基准和守时 13

1.5 准确度、精度和正态分布 13

1.5.1 正态分布的重要性和缺陷 14

1.5.2 准确度的度量 15

1.6 利用卫星和GNSS方程定位的原理 16

1.7 泰勒理论和GNSS方程的线性化 19

1.8 最小二乘估计 20

1.8.1 最小二乘估计原理 20

1.8.2 协方差的传递和精度因子（DOP） 22

1.8.3 最小二乘估计的实现 23

1.8.4 班克罗夫特的解析解法 24

1.9 完好性监测 25

1.9.1 大地测量和导航任务中的冗余技术 25

1.9.2 接收机自主完好性监测（RAIM） 26

1.10 GNSS定位的非线性问题 27

1.10.1 实际应用中的非线性问题 27

1.10.2 求解非线性GNSS任务的方法 28

1.10.3 解决非线性GNSS任务的解析方法 29

参考文献 30

习题 31

第2章 GNSS轨道的分类和应用 32

2.1 从托勒密到爱因斯坦的天体运动模型发展 32

2.2 用开普勒参数描述轨道运动 36

2.2.1 开普勒参数 36

2.2.2 通过开普勒参数计算卫星的位置 37

2.3 GPS导航电文中的轨道参数 40

2.4 GNSS卫星星历 41

2.4.1 密切开普勒参数 41

2.4.2 GPS星历 42

2.5 轨道参数列表 44

2.5.1 广播GLONASS星历 45

2.5.2 大地测量中表格化的轨道参数 45

2.5.3 导航中表格化的轨道参数 46

2.5.4 笛卡儿坐标系中开普勒参数的计算 47

2.6 卫星时钟 47

2.7 开普勒历书在星座分析中的应用 48

2.7.1 GNSS历书的实现 48

2.7.2 案例研究：基于历书的轨道类型和导航卫星星座分析 49

2.8 外力模型 53

2.8.1 地球位势球形谐波 53

2.8.2 其他外力的影响 54

2.9 卫星最终都到哪里去了？卫星的生命周期和太空垃圾的危害 54

参考文献 55

习题 57

第3章 用发射机和模拟器产生GNSS信号 58

3.1 卫星导航中的扩频信号 58

3.1.1 扩频的概念与优点 58

3.1.2 GNSS信号的中心频率 59

3.1.3 GPS信号的产生 61

3.1.4 GLONASS开放性接入信号的生成 67

3.1.5 GPS和GLONASS导航电文 68

3.1.6 未来的“伽利略”和现代化的GPS、GLONASS信号的新特点 69

3.2 GNSS信号模拟器 70

3.2.1 为什么需要模拟器 70

3.2.2 GNSS模拟器主要设计方法 71

3.3 案例研究：机载接收机的场景数据生成 74

3.3.1 GNSS和惯性导航系统仿真生成飞行轨迹 74

3.3.2 生成模拟场景 77

3.3.3 接收机的GNSS观测 80

3.4 用GNSS模拟器产生的DIF信号 82

3.5 射频信号的产生 84

3.5.1 模拟器中射频信号的产生 84

3.5.2 卫星发射机上射频信号的产生 85

3.5.3 伪卫星 86

3.6 课题设计：利用ReGen模拟器产生GPS信号 87

参考文献 89

习题 90

第4章 大气层信号传播 91

4.1 无线电信号传播的几何光学理论 92

4.2 GNSS在大气层的射线弯曲 94

4.3 GNSS信号在电离层的相速度和群速度 96

4.4 电离层中GNSS传播模型 98

4.4.1 电子总量的模型形式 98

4.4.2 GPS电离层广播模型 101

4.4.3 GLONASS接收机电离层误差补偿 103

4.4.4 “伽利略”接收机电离层误差补偿——NeQuick模型 104

4.4.5 电离层信号衰减 105

4.5 对流层传播 105

4.5.1 原理 105

4.5.2 模型 106

4.6 接收机和模拟器中大气误差建模 107

4.7 课题设计 108

参考文献 109

第5章 接收机前端 111

5.1 软件GNSS接收机射频前端 111

5.1.1 通用GNSS接收机 111

5.1.2 软件GNSS接收机 112

5.1.3 前端应用 113

5.1.4 前端带宽 114

5.2 天线 114

5.2.1 天线增益方向图 115

5.2.2 极化 117

5.2.3 天线设计 117

5.2.4 电缆和电缆接头 120

5.3 前端设计 120

5.4 前端时钟 121

5.4.1 前端时钟和接收机时钟 121

5.4.2 OCXO与TCXO比较 122

5.4.3 时钟在模拟器及采集与回放系统中的作用 124

5.5 下变频 125

5.6 模／数变换 126

5.6.1 确定采样频率 126

5.6.2 量化 127

5.7 课题设计：用PC实时记录 GNSS信号 129

参考文献 132

习题 133

第6章 基于PC的实时基带处理器 134

6.1 我们需要完整的接收机还是只需要基带处理器 134

6.2 一般操作 136

6.3 捕获 137

6.3.1 搜索捕获区 137

6.3.2 循环相关算法 138

6.3.3 相干与非相干积分 141

6.3.4 频率分辨率 142

6.4 软件基带处理器中的跟踪 143

6.5 其他GNSS信号的捕获与跟踪 150

6.5.1 GLONASS信号的捕获与跟踪 150

6.5.2 BOC信号的捕获与跟踪 151

6.6 锁定检测器 151

6.7 位同步 152

6.8 测量 153

6.9 实时实现 154

6.10 课题设计 156

参考文献 156

习题 157

第7章 多径 158

7.1 多径误差及其仿真 158

7.1.1 确定性模型 159

7.1.2 随机模型 159

7.2 案例研究：多径对BPSK和BOC（1，1）信号的影响 160

7.3 多径抑制 165

7.3.1 天线 165

7.3.2 多相关器接收机 166

7.4 课题设计：采用多径仿真研究多径对接收机性能的影响 166

参考文献 167

第8章 全球导航卫星系统观测的优化 168

8.1 全球导航卫星系统观测误差估算 168

8.2 形成观测值 170

8.2.1 载波平滑编码相位观测值 170

8.2.2 差分解决方案 171

8.3 多频点观测值 174

8.3.1 宽巷线性组合 174

8.3.2 窄巷线性组合 174

8.3.3 无电离层观测值 175

8.4 利用增强系统改善观测值 176

8.4.1 星基增强系统（SBAS） 177

8.4.2 陆基增强系统（GBAS） 182

8.5 课题设计：LAAS仿真数据 188

参考文献 189

习题 189

第9章 观测值在导航任务中的应用 190

9.1 利用载波相位观测值精确定位 190

9.1.1 解模糊度 191

9.1.2 LAMBDA方法 196

9.1.3 跳周检测 197

9.2 案例研究：飞机姿态的确定 198

9.2.1 算法 198

9.2.2 飞行试验 202

参考文献 205

第10章 GNSS信号的电磁闪烁 206

10.1 电离层的不规则性 207

10.2 弱散射Rytov近似算法 210

10.3 闪烁监测 213

10.3.1 信号强度测量 213

10.3.2 基带处理器中的闪烁测量 214

10.3.3 差分闪烁监控 216

10.4 案例研究：弱电离区的闪烁 216

10.5 试验获得闪烁数据的特性 222

10.6 弱闪烁唯象模型 223

10.7 分波束闪烁模型 225

10.8 课题设计：利用iPRx接收机监测电离层闪烁 226

参考文献 227

习题 229

第11章 利用GNSS信号的地球物理测量 230

11.1 电离层参数估算 231

11.2 无线电掩星技术 233

11.3 地球自转参数估算 235

11.4 GNSS在地震研究中的应用 238

11.5 案例研究：海底监控系统 240

11.6 电离层中的地震前兆 242

11.6.1 利用电离层前兆预测和预报 242

11.6.2 电离层前兆的形成机理 243

11.6.3 地震光 243

11.6.4 温度变化 244

11.6.5 氡气排放 244

11.6.6 电气变化 244

11.6.7 磁性变化 246

参考文献 246

第12章 INS辅助基带和导航信号处理 250

12.1 集成GNSS与INS的原则 250

12.2 案例研究：INS辅助稳健跟踪 251

12.2.1 多普勒辅助PLL 251

12.2.2 飞行试验 254

12.3 案例研究：闪烁条件下INS辅助跟踪 259

12.3.1 多普勒辅助的理论性能 259

12.3.2 利用模拟信号进行测试 261

12.4 动态应用的精确单点定位 265

12.5 设计：利用软件接收机处理飞行数据 268

参考文献 269

下一步计划：射频实验室 271