GNSS應(yīng)用與方法

第1章 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：現(xiàn)在與未來 （1）
1.1 引言 （1）
1.1.1 當前和計劃中的GNSS星座 （1）
1.1.2 GNSS用戶架構(gòu) （2）
1.1.3 當前的GNSS應(yīng)用 （4）
1.1.4 定位性能評估 （6）
1.2 GNSS信號的改進 （6）
1.2.1 增加的GPS頻率 （6）
1.2.2 高精度測距 （7）
1.2.3 更長的測距碼 （7）
1.2.4 更高的傳輸功率水平 （8）
1.3 先進的接收機技術(shù) （8）
1.3.1 傳統(tǒng)接收機 （8）
1.3.2 基于FPGA的接收機 （9）
1.3.3 軟件定義的GNSS接收機 （9）
1.4 路線圖：如何使用本書 （10）
1.5 擴展閱讀 （14）
參考文獻 （14）
第2章 GNSS信號的捕獲與跟蹤 （15）
2.1 引言 （15）
2.2 GNSS信號的背景 （15）
2.2.1 BOC信號調(diào)制 （16）
2.2.2 PRN碼 （17）
2.3 PSK信號的搜索 （18）
2.4 PSK信號的跟蹤 （23）
2.4.1 鎖相環(huán)（PLL） （23）
2.4.2 鎖頻環(huán)（FLL） （24）
2.4.3 延遲鎖定環(huán)（DLL） （25）
2.5 BOC信號的搜索 （27）
2.6 BOC信號的跟蹤 （29）
2.6.1 利用單邊帶（SSB）技術(shù)的BOC信號跟蹤 （30）
2.6.2 利用多門鑒別器（MGD）的BOC信號跟蹤 （30）
2.6.3 利用碰撞與跳躍（BJ）算法的BOC信號跟蹤 （32）
2.6.4 利用雙重估計器（DE）的BOC信號跟蹤 （32）
參考文獻 （36）
第3章 GNSS導(dǎo)航：對位置、速度和時間的估計 （38）
3.1 概述 （38）
3.2 位置、速度、時間（PVT）估計 （38）
3.2.1 估計接收位置和時鐘偏差 （39）
3.2.2 電離層誤差的影響 （42）
3.2.3 衛(wèi)星用戶幾何結(jié)構(gòu)的影響（DOP） （43）
3.2.4 估計接收機速度和時鐘漂移 （44）
3.2.5 估計時間 （45）
3.2.6 使用擴展卡爾曼濾波器（EKF）的PVT估計 （45）
3.2.7 通過載波相位定位增強精度 （46）
3.2.8 誤差源 （46）
3.3 GNSS模擬器 （47）
3.3.1 GNSS模擬器的測量細節(jié) （47）
3.3.2 GNSS模擬器接口文件 （49）
3.3.3 后處理GNSS模擬器輸出文件 （50）
3.4 GNSS模擬器實例 （50）
3.4.1 例1：簡單的導(dǎo)航 （50）
3.4.2 例2：目的地之間移動 （52）
3.4.3 例3：FlightGear航點導(dǎo)航 （54）
3.4.4 例4：雙頻計算 （55）
3.4.5 例5：增加Galileo衛(wèi)星 （57）
3.4.6 例6：基于航天器的接收機 （58）
3.5 總結(jié) （59）
3.6 DVD中提供的程序與工具 （59）
參考文獻 （60）
第4章 差分GNSS：準確性與完好性 （61）
4.1 DGNSS簡介 （61）
4.2 差分GNSS的基本原理 （61）
4.2.1 誤差來源與空間關(guān)聯(lián)度 （62）
4.2.2 局域/區(qū)域DGNSS改正數(shù)和DGNSS網(wǎng)絡(luò) （65）
4.2.3 DGNSS改正數(shù)的分發(fā)方法 （66）
4.2.4 DGNSS改正數(shù)的延遲管理 （67）
4.3 DGNSS完好性威脅和抑制 （68）
4.3.1 完好性威脅和GNSS故障 （68）
4.3.2 DGNSS系統(tǒng)故障造成的完好性威脅 （76）
4.3.3 信號傳播異常導(dǎo)致的完好性威脅 （76）
4.4 總結(jié) （80）
4.5 DVD中提供的數(shù)據(jù) （81）
參考文獻 （81）
第5章 GPS軟件接收機 （86）
5.1 引言和背景 （86）
5.2 許可、開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具 （86）
5.2.1 許可 （86）
5.2.2 GNU/Linux操作系統(tǒng) （87）
5.2.3 微軟Windows系統(tǒng) （87）
5.2.4 蘋果Mac OS X系統(tǒng) （87）
5.2.5 顯示接收機輸出 （87）
5.3 示例數(shù)據(jù)集 （88）
5.3.1 數(shù)據(jù)集1 （88）
5.3.2 數(shù)據(jù)集2，與WAAS修正數(shù)據(jù)一起使用 （89）
5.4 fastgps軟件接收機的使用 （89）
5.4.1 配置文件 （90）
5.4.2 輸出文件 （92）
5.5 fastgps軟件接收機的結(jié)構(gòu) （94）
5.5.1 定時和時鐘管理 （94）
5.5.2 主處理循環(huán) （95）
5.5.3 捕獲 （96）
5.5.4 跟蹤 （98）
5.5.5 導(dǎo)航 （101）
5.6 對未來改進的建議 （103）
5.7 擴展閱讀 （104）
參考文獻 （104）
第6章 GNSS和INS的組合：第一部分 （106）
6.1 引言 （106）
6.2 慣性導(dǎo)航 （107）
6.2.1 慣性傳感器 （107）
6.2.2 坐標系 （107）
6.2.3 動力學方程 （108）
6.2.4 系統(tǒng)初始化 （111）
6.2.5 INS誤差模型 （112）
6.3 GNSS/INS組合的概念 （113）
6.3.1 GNSS/INS組合的動機 （113）
6.3.2 組合結(jié)構(gòu)概述 （113）
6.3.3 GNSS/INS松組合 （114）
6.3.4 GNSS/INS緊組合 （115）
6.3.5 GNSS/INS深組合 （116）
6.4 濾波/估計算法 （117）
6.4.1 GNSS/INS擴展卡爾曼濾波器（EKF）概述 （117）
6.4.2 GNSS/INS系統(tǒng)的時間演化 （119）
6.5 GNSS/INS組合的實現(xiàn) （120）
6.5.1 IMU傳感器誤差模型 （120）
6.5.2 GNSS/INS組合：分步步驟 （122）
6.6 實際考慮的因素 （123）
6.6.1 杠桿臂 （123）
6.6.2 時間要求 （123）
6.7 總結(jié)和擴展閱讀 （124）
參考文獻 （124）
第7章 GNSS和INS的組合：第二部分 （127）
7.1 引言 （127）
7.2 案例1：低成本GNSS/INS組合導(dǎo)航儀 （127）
7.3 案例2：車輛側(cè)滑估計 （130）
7.3.1 動機 （130）
7.3.2 可觀測性 （132）
7.4 案例3：INS輔助高精度GNSS （133）
7.4.1 GNSS模糊度解析概述 （133）
7.4.2 INS模糊度解析的優(yōu)點 （134）
7.5 軟件示例 （135）
參考文獻 （135）
第8章 LADAR、INS和GNSS組合導(dǎo)航 （137）
8.1 引言 （137）
8.2 基于LADAR的TERRAIN組合方法 （137）
8.3 基于LADAR的地形參考位置估計 （140）
8.3.1 位置估計和表面SSE （140）
8.3.2 窮舉網(wǎng)格搜索 （142）
8.3.3 基于梯度的搜索 （143）
8.4 慣性速度誤差的估計 （145）
8.5 TERRAIN系統(tǒng)性能的案例研究 （145）
8.5.1 個案研究Ⅰ——通用定位系統(tǒng) （145）
8.5.2 個案研究Ⅱ—精密進近引導(dǎo)系統(tǒng) （147）
參考文獻 （151）
第9章 GNSS與射頻系統(tǒng)結(jié)合 （152）
9.1 定位系統(tǒng)備選方案 （152）
9.2 RF定位類型和分類 （153）
9.2.1 接近（proximity）定位 （155）
9.2.2 無線電測向（DF）和到達角（AOA）定位 （156）
9.2.3 使用多普勒頻率定位 （158）
9.2.4 使用信號強度的位置估計 （160）
9.2.5 用時間、相位和到達時間差（TOA、POA和TDOA）定位 （161）
9.3 估計方法 （163）
9.3.1 用三角測量作確定性估計 （163）
9.3.2 用最近鄰法作確定性估計 （165）
9.3.3 基于非測距的位置估計 （167）
9.3.4 使用質(zhì)心/中心的概率估計 （167）
9.3.5 貝葉斯狀態(tài)估計 （168）
9.4 組合方法 （169）
9.4.1 最小二乘組合 （169）
9.4.2 卡爾曼濾波組合 （169）
9.4.3 語境處理 （170）
9.5 系統(tǒng)實例 （170）
9.5.1 偽衛(wèi)星 （170）
9.5.2 偽同步 （171）
9.5.3 自同步網(wǎng)絡(luò) （171）
9.5.4 GPS和相對導(dǎo)航 （171）
9.5.5 基于電視的定位 （172）
9.5.6 蜂窩定位系統(tǒng)和GNSS的組合 （173）
9.6 DVD中包含的例子 （173）
9.7 擴展閱讀 （174）
參考文獻 （174）
第10章 航空應(yīng)用 （178）
10.1 引言 （178）
10.2 航空增強系統(tǒng)的分類 （178）
10.3 GPS及其增強系統(tǒng)對航空用戶的優(yōu)勢 （179）
10.3.1 海上飛行 （179）
10.3.2 陸上飛行：途中導(dǎo)航、終端導(dǎo)航和非精密進近 （180）
10.3.3 精密進近和著陸 （180）
10.4 GNSS航空導(dǎo)航的未來 （181）
10.4.1 GNSS現(xiàn)代化 （181）
10.4.2 下一代空中交通管理系統(tǒng)（NextGen） （182）
10.4.3 航空導(dǎo)航能力備份 （182）
10.5 航空增強系統(tǒng)的功能 （183）
10.5.1 增強系統(tǒng)的性能要求 （183）
10.5.2 正常情況下的誤差限 （184）
10.5.3 異常情況下的誤差限 （186）
10.5.4 監(jiān)測 （189）
10.6 結(jié)論 （191）
10.7 擴展閱讀 （192）
參考文獻 （192）
第11章 GNSS與羅蘭系統(tǒng)組合 （196）
11.1 引言 （196）
11.2 羅蘭概述 （196）
11.2.1 羅蘭C （196）
11.2.2 eLoran （197）
11.3 工作原理 （198）
11.4 GNSS/Loran組合的歷史原因 （200）
11.5 組合方案 （201）
11.5.1 位置域組合 （201）
11.5.2 距離域組合 （202）
11.5.3 Déjà Vu 導(dǎo)航：距離域組合案例（205）
11.5.4 距離域組合的完好性 （207）
11.5.5 用于羅蘭完好性的準確度改進 （208）
11.5.6 跟蹤環(huán)域組合 （208）
11.6 結(jié)論 （209）
參考文獻 （209）
第12章 室內(nèi)和弱信號導(dǎo)航 （211）
12.1 引言 （211）
12.2 與微弱信號處理相關(guān)的注意事項 （212）
12.2.1 弱信號捕獲 （213）
12.2.2 時鐘穩(wěn)定性和積分時間 （214）
12.2.3 弱信號跟蹤 （214）
12.2.4 互相關(guān)和干擾信號 （215）
12.2.5 多徑抑制 （215）
12.2.6 未來GNSS的好處 （217）
12.3 輔助的可能性和支持系統(tǒng) （217）
12.3.1 輔助 （217）
12.3.2 GNSS支持系統(tǒng) （218）
12.4 弱信號條件下的導(dǎo)航算法 （219）
12.4.1 用戶運動的約束 （220）
12.4.2 地圖匹配 （220）
12.4.3 自適應(yīng)算法 （221）
12.5 質(zhì)量和完好性監(jiān)測 （221）
12.5.1 完好性監(jiān)測簡介 （221）
12.5.2 可靠性測試 （222）
12.5.3 加權(quán)最小二乘法 （223）
12.5.4 殘差和冗余 （224）
12.5.5 全局測試 （224）
12.5.6 局部測試 （225）
12.5.7 零假設(shè)和備擇假設(shè) （226）
12.5.8 用于故障檢測與排除的參數(shù) （227）
12.5.9 多個異常 （227）
12.5.10 卡爾曼濾波中的故障檢測與排除 （228）
12.5.11 質(zhì)量控制 （228）
12.5.12 質(zhì)量控制的實際考慮 （229）
12.6 DVD中包含的例子 （230）
12.6.1 例1：弱信號捕獲 （230）
12.6.2 例2：故障檢測與排除 （233）
12.7 總結(jié) （234）
12.8 擴展閱讀 （234）
參考文獻 （234）
第13章 空間應(yīng)用 （238）
13.1 引言 （238）
13.2 操作注意事項 （238）
13.2.1 航天器速度 （238）
13.2.2 軌道幾何結(jié)構(gòu) （239）
13.2.3 天線方向 （240）
13.2.4 體積和功率 （240）
13.2.5 多徑 （240）
13.2.6 信號強度 （241）
13.2.7 環(huán)境 （241）
13.3 應(yīng)用 （242）
13.3.1 精密定軌 （242）
13.3.2 實時導(dǎo)航 （242）
13.3.3 編隊飛行和近距離作業(yè) （243）
13.3.4 遙感 （244）
13.3.5 定姿 （244）
13.3.6 高軌GNSS （245）
13.3.7 發(fā)射、入軌和著陸 （245）
13.4 GNSS現(xiàn)代化 （246）
13.5 例子：處理來自GRACE衛(wèi)星的原始測量數(shù)據(jù) （246）
13.6 總結(jié) （248）
參考文獻 （248）
第14章 大地測量和測量學 （251）
14.1 背景介紹 （251）
14.1.1 GNSS測量技術(shù) （251）
14.1.2 GNSS大地測量 （253）
14.2 技術(shù)概述 （253）
14.2.1 GNSS大地測量和測量學的數(shù)據(jù)模型和處理策略 （253）
14.2.2 數(shù)學模型 （254）
14.2.3 基線處理 （256）
14.2.4 定位的網(wǎng)絡(luò)處理 （259）
14.3 GNSS地面設(shè)施——連續(xù)運行參考站（CORS）網(wǎng)絡(luò) （259）
14.3.1 IGS基礎(chǔ)設(shè)施 （260）
14.3.2 國家CORS基礎(chǔ)設(shè)施 （263）
14.4 測量和大地測量應(yīng)用及運行模式 （265）
14.4.1 GNSS測量技術(shù) （265）
14.4.2 GNSS大地測量 （268）
14.5 未來：下一代GNSS （271）
14.5.1 更多衛(wèi)星和信號的好處 （271）
14.5.2 GNSS基礎(chǔ)設(shè)施的提高 （272）
14.5.3 應(yīng)用和未來 （273）
參考文獻 （273）
第15章 使用GNSS掩星的大氣遙感 （276）
15.1 引言 （276）
15.2 掩星測量 （277）
15.3 大氣反演 （279）
15.3.1 彎曲角度廓線推導(dǎo) （279）
15.3.2 電離層校正 （280）
15.3.3 大氣廓線的推導(dǎo) （281）
15.4 天氣和氣候應(yīng)用 （283）
15.5 最新進展 （283）
15.6 DVD中包含的腳本和數(shù)據(jù) （285）
15.7 擴展閱讀 （286）
參考文獻 （286）
第16章 基于雙基GNSS反射信號的遙感 （289）
16.1 引言 （289）
16.1.1 傳統(tǒng)遙感技術(shù)的一般性討論 （289）
16.1.2 利用GNSS反射信號的遙感技術(shù) （290）
16.2 反射幾何關(guān)系 （291）
16.2.1 表面反射點位置的估計 （291）
16.2.2 延遲和多普勒在表面的分布 （291）
16.3 信號處理 （293）
16.3.1 檢測和表面映射 （293）
16.3.2 平均連續(xù)相關(guān) （294）
16.3.3 延遲波形與延遲多普勒圖 （295）
16.4 遙感理論 （297）
16.4.1 雙基表面散射 （297）
16.4.2 雙基雷達散射截面 （298）
16.4.3 海面建模 （299）
16.4.4 雙基陸地散射 （300）
16.4.5 海冰的雙基散射 （301）
16.5 海面測高 （301）
16.5.1 動機 （302）
16.5.2 機載測高 （302）
16.5.3 空間GNSS海洋測高 （303）
16.6 海風及海浪遙感 （304）
16.6.1 飛機上的海風及海浪測量 （304）
16.6.2 航天器上的海浪遙感 （305）
16.7 GNSS雙基陸地與冰塊遙感 （307）
16.7.1 GNSS陸地反射的歷史與應(yīng)用 （307）
16.7.2 航天器檢測到的地面反射 （307）
16.7.3 GNSS冰面反射的歷史與應(yīng)用 （309）
16.7.4 航天器檢測到的海冰反射 （309）
16.8 DVD上提供的數(shù)據(jù) （312）
16.8.1 鏡面反射點計算腳本 （313）
16.8.2 表面散射模型 （313）
16.8.3 航天器數(shù)據(jù)和處理工具 （313）
16.9 擴展閱讀 （313）
參考文獻 （314）
第17章 發(fā)展中的新導(dǎo)航信號和未來系統(tǒng) （317）
17.1 GNSS的歷史 （317）
17.1.1 GPS （317）
17.1.2 衛(wèi)星載波信號的調(diào)制 （318）
17.2 發(fā)展的目的 （318）
17.2.1 Galileo運行的主要概念 （319）
17.3 新調(diào)制策略 （320）
17.3.1 現(xiàn)有的擴譜符號——BPSK調(diào)制 （320）
17.3.2 二進制偏置載波（BOC）調(diào)制 （322）
17.3.3 多路復(fù)用BOC調(diào)制 （328）
17.3.4 復(fù)合BOC調(diào)制 （329）
17.3.5 時分多路BOC調(diào)制 （331）
17.3.6 其他擴頻符號調(diào)制方案 （332）
17.3.7 交替BOC（AltBOC）調(diào)制 （334）
17.4 信號多路復(fù)用技術(shù) （336）
17.4.1 QPSK （337）
17.4.2 Interplex （337）
17.4.3 其他技術(shù) （338）
17.5 干擾 （338）
17.5.1 性能指標 （339）
17.5.2 頻譜分離系數(shù)（SSC） （341）
17.6 建議的系統(tǒng)和信號特性列表 （345）
17.6.1 全球CDMA衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)I：GPS （345）
17.6.2 全球CDMA衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Ⅱ：Galileo （347）
17.6.3 全球CDMA衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Ⅲ：Compass （348）
17.7 總結(jié) （348）
參考文獻 （349）
作者簡介 （350）