第1章 绪论 1
1.1 卫星导航系统概述 1
1.1.1 卫星导航系统组成及运行原理 1
1.1.2 全球四大卫星导航系统简介 2
1.2 卫星导航系统建模与仿真需求分析 4
1.2.1 卫星导航系统指标论证需求 5
1.2.2 卫星导航系统测试与评估需求 9
1.3 卫星导航系统建模与仿真发展现状 11
1.3.1 美国GPS系统建模与仿真发展现状 11
1.3.2 欧洲Galileo系统建模与仿真现状 13
1.3.3 中国北斗系统建模与仿真现状 17
第2章 卫星导航系统建模与仿真基础 20
2.1 卫星导航基本原理 20
2.1.1 导航电文模型 21
2.1.2 卫星空间位置计算 23
2.1.3 接收机伪距测量模型 28
2.1.4 接收机导航解算模型 30
2.2 系统建模与仿真理论基础 31
2.2.1 系统建模与仿真的概念 31
2.2.2 系统建模与仿真的方法 33
2.2.3 面向实体仿真方法 35
2.2.4 系统建模与仿真的作用和意义 39
2.3 卫星导航系统建模与仿真的任务 39
2.3.1 卫星导航系统实体对象和类抽象 39
2.3.2 卫星导航系统建模与仿真总体任务划分 41
第3章 卫星导航系统时空系统模型 44
3.1 时问系统模型 44
3.1.1 世界时系统 44
3.1.2 协调世界时 47
3.1.3 卫星导航时 47
3.1.4 力学时系统 48
3.1.5 时间系统间转换模型 48
3.1.6 时间标示法及其转换关系 50
3.2 坐标系统模型 54
3.2.1 地球地固坐标系统 54
3.2.2 地心惯性坐标系统 58
3.2.3 站心坐标系统 59
3.2.4 坐标系统间转换模型 60
3.2.5 坐标表示方法及其转换关系 62
3.3 地球自转模型 64
3.3.1 岁差模型 64
3.3.2 章动模型 66
3.3.3 极移模型 68
3.4 国际参考框架 68
3.4.1 国际地球参考系ITRS及其参考框架ITRF 69
3.4.2 国际天球参考系ICRS及其参考框架ICRF 70
3.4.3 天球坐标系和地球坐标系之间的转换 71
第4章 卫星导航系统空间段模型 72
4.1 卫星导航系统空间段概述 72
4.2 卫星导航星座构型 72
4.2.1 均匀对称星座 73
4.2.2 混合非对称星座 74
4.3 导航卫星轨道力学模型 77
4.3.1 二体问题 77
4.3.2 地球非球形摄动 81
4.3.3 第三体引力模型 82
4.3.4 太阳光压模型 83
4.3.5 其他模型 95
4.3.6 轨道摄动力量级分析 98
4.3.7 轨道数值预报模型 99
4.3.8 轨道计算模型 101
4.4 导航卫星姿态模型 102
4.4.1 导航卫星姿态数学模型 102
4.4.2 导航卫星姿态计算模型 103
4.5 星载原子钟模型 104
4.5.1 星载原子钟类型 104
4.5.2 星载原子钟数学模型 104
4.5.3 钟差计算模型 108
4.5.4 相对论效应模型 108
4.6 导航卫星有效载荷模型 111
4.6.1 导航卫星有效载荷 111
4.6.2 有效载荷的图形化建模方法 114
4.7 星间链路与星座组网模型 116
4.7.1 GPS星间链路模型 116
4.7.2 Galileo星间链路模型 117
4.7.3 星间可见性模型 119
4.8 星载自主导航模型 121
4.8.1 星间观测值模型 121
4.8.2 自主导航模型 122
第5章 卫星导航系统环境段模型 129
5.1 卫星导航系统环境段概述 129
5.2 对流层模型 129
5.2.1 对流层天顶延迟数学模型 130
5.2.2 对流层延迟映射函数模型 134
5.2.3 对流层延迟模型特性分析 135
5.2.4 对流层计算模型 139
5.3 电离层模型 140
5.3.1 电离层TEC变化特性分析 140
5.3.2 全球电离层TEC数学模型 147
5.3.3 电离层延迟修正模型 154
5.3.4 电离层延迟映射函数模型 157
5.3.5 电离层计算模型 158
5.4 地面监测站多路径效应模型 159
5.4.1 多路径特性分析 159
5.4.2 多路径效应模型 161
5.4.3 多路径效应计算模型 162
第6章 卫星导航系统地面段模型 164
6.1 卫星导航系统地面段概述 164
6.1.1 主控站概述 164
6.1.2 注入站概述 165
6.1.3 监测站概述 165
6.2 地面站观测计算模型 165
6.2.1 地面可见性模型 165
6.2.2 伪距观测值模型 166
6.2.3 载波相位观测值模型 168
6.2.4 伪距变化率观测值模型 171
6.2.5 星地时间同步观测值模型 173
6.2.6 站间时间同步观测值模型 176
6.2.7 激光测距观测值模型 178
6.3 地面观测误差模型 180
6.3.1 系统误差模型 180
6.3.2 随机误差模型 181
6.4 主控站信息处理模型 182
6.4.1 精密定轨模型 182
6.4.2 时间同步模型 186
6.4.3 电离层解算模型 187
6.4.4 上注导航电文生成模型 189
6.5 主控站计算模型 196
第7章 卫星导航系统用户段模型 198
7.1 卫星导航系统用户段概述 198
7.2 用户接收机载体模型 198
7.2.1 载体轨迹数学模型 200
7.2.2 载体姿态数学模型 213
7.2.3 载体动态计算模型 215
7.3 用户接收机模型 216
7.3.1 用户接收机类型 216
7.3.2 用户接收机安装 217
7.3.3 天线相位中心模型 218
7.4 用户接收机导航解算模型 220
7.4.1 定位数学模型 220
7.4.2 定速数学模型 224
7.4.3 授时数学模型 225
7.4.4 接收机导航解算计算模型 226
7.5 卫星导航高精度解算模型 227
7.5.1 实时动态高精度（RTK）解算模型 227
7.5.2 单点精密定位（PPP）解算模型 232
第8章 卫星导航系统模型有效性验证方法 239
8.1 模型一致性验证方法 239
8.1.1 一致性验证理论与方法简介 239
8.1.2 钟差计算模型的有效性验证 239
8.2 理论值比对法 241
8.2.1 理论值比对法概述 241
8.2.2 轨道数值积分模型有效性验证 241
8.3 实测数据比对法 242
8.3.1 方法简介 242
8.3.2 基于IGS实测数据的电离层模型有效性验证 242
8.3.3 基于IGS实测数据的地面站观测数据有效性验证 243
8.4 成熟软件比对法 244
8.4.1 成熟软件简介 244
8.4.2 基于STK/HPOP的轨道计算结果有效性验证 245
8.4.3 基于Bemese的空间环境计算模型有效性验证 246
8.5 数据处理验证法 249
8.5.1 数据处理方法简介 249
8.5.2 基于星地联合定轨的观测数据有效性验证 249
8.5.3 基于Bemese单点定位的用户观测数据有效性验证 252
第9章 卫星导航系统面向对象仿真模型标准规范 255
9.1 卫星导航系统仿真模型描述方法 255
9.2 卫星导航系统仿真模型规范 256
9.2.1 模型设计基本原则 257
9.2.2 模型组成要素 257
9.2.3 模型计算约束 258
9.2.4 模型开发规范 258
9.3 基于UML的卫星导航系统模型描述方法 261
第10章 卫星导航系统面向对象仿真模型设计 265
10.1 仿真模型设计概述 265
10.1.1 仿真模型分类 265
10.1.2 模型间关系 266
10.2 仿真模型设计实例 268
10.2.1 空间段模型设计 268
10.2.2 地面段模型设计 272
10.2.3 用户段模型设计 274
10.2.4 环境段模型设计 277
10.3 仿真模型集成 279
10.3.1 仿真模型集成设计 279
10.3.2 仿真模型集成框架 280
第11章 卫星导航系统仿真软件架构设计与实现 282
11.1 仿真软件运行模式设计 283
11.1.1 实时运行模式 283
11.1.2 超实时运行模式 284
11.1.3 演示运行模式 284
11.2 仿真软件的模块组成 284
11.2.1 仿真场景配置模块 286
11.2.2 仿真进程控制模块 286
11.2.3 数据处理与分析模块 286
11.2.4 导航仿真业务调度模块 286
11.2.5 可视化输出与监控模块 287
11.2.6 状态消息报告模块 287
11.2.7 系统输入输出模块 287
11.2.8 系统应用接口模块 288
11.2.9 算法模型验证与评估模块 288
11.3 仿真软件的交互设计 288
11.3.1 模型 288
11.3.2 视图 289
11.3.3 视图模型 289
11.4 卫星导航仿真软件实现 290
11.4.1 仿真场景配置模块实现 290
11.4.2 可视化与评估实现 293
11.4.3 系统输入输出实现 295
第12章 卫星导航系统仿真软件接口设计 298
12.1 输入/输出模块设计 298
12.1.1 系统输入 298
12.1.2 系统输出 299
12.2 外部接口设计 300
12.2.1 与STK接口设计 300
12.2.2 与 Google Earth接口设计 306
第13章 卫星导航系统仿真软件的应用 309
13.1 在卫星导航平行系统中的应用 309
13.1.1 GNSS平行系统支持模型精化的计算实验设计 311
13.1.2 GNSS平行系统支持地面试验验证的计算实验设计 311
13.2 在地面操作人员培训系统中的应用 312
13.2.1 地面操作人员培训需求 312
13.2.2 基于平行系统的地面操作人员培训方法及流程 313
13.3 在卫星导航系统故障诊断中的应用 317
第14章 外部数据在卫星导航仿真中的应用 318
14.1 实测数据来源与简介 318
14.1.1 IGS数据 318
14.1.2 CODE数据 319
14.2 实测数据在卫星导航仿真中的应用 319
14.2.1 IGS精密星历的应用 319
14.2.2 IGS精密钟差的应用 321
14.2.3 IGS地面站观测数据的应用 322
14.2.4 CODE电离层延迟数据的应用 324
参考文献 328
附录A卫星导航仿真软件 337
附录B IAU时空转换工具包（SOFA） 354
附录C外部数据来源及格式说明 361