基本介紹
內容簡介,目錄,
內容簡介
在上千年的歷史長河中，中國發明的指南針一直都是人類的主要導航工具。而GPS和格洛納斯衛星導航系統創建了一個新的人工場域，猶如地球的磁場，使得人類可以在任意空間定位，同時位置測定精度能夠達到人體的尺寸，時間測定的誤差比人反應的最快時間還小，這種日趨普及的資源將人類活動的空間提升到了一個新的高度。
當今，中國研製的“北斗”衛星導航系統業已進入到了全球導航系統的大家族，我們盛讚這一事件。因為，這正如中國一位偉大領導人所說的“百花齊放”，同時也保障了提高導航時間測定的可靠性，這一問題也是我們目前亟需解決的。另外，全球導航界正在考慮集成和研製多系統兼容的信號導航設備。要想將其變成可能，需要很好地掌握各系統信號制定和研發的特點。
目錄
引言1
第一篇 衛星無線電導航系統的構成及基本原理
第1章 衛星無線電導航系統組成7
1.1 基本構成7
1.2 太空飛行器子系統8
1.3 運控子系統9
1.4 用戶導航設備9
1.5 中軌衛星無線電導航系統的星曆信息組成特點10
1.6 不同用戶對衛星無線電導航系統的需要10
參考文獻15
第2章 時間坐標16
2.1 天體坐標和時間測量單位17
2.2 原子時和時間單位18
2.3 通用時間坐標和衛星無線電導航系統使用的時間坐標18
2.4 衛星無線電導航系統中的局部時間坐標20
2.5 基準振盪器中頻率和時間的穩定性21
2.6 衛星無線電導航系統中的時間坐標同步24
參考文獻26
第3章 導航衛星的軌道運動27
3.1 衛星無線電導航系統中所使用的坐標系統27
3.2 慣性坐標系內導航衛星非攝動軌道運動方程32
3.3 衛星軌道的經典根數33
3.4 非攝動軌道衛星的運動35
3.5 使用軌道根數情況下衛星在慣性坐標系中的非攝動運動方程36
3.6 導航衛星攝動運動的基本特徵39
3.7 地心運動坐標系中的攝動運動近似方程41
3.8 導航衛星的可見區域和時間42
參考文獻45
第4章 導航任務的解算方法46
4.1 基本內容46
4.2 測距方法47
4.3 偽距測量方法48
4.4 差分—測距和差分—偽距測量方法51
4.5 徑向—速度（都卜勒）方法51
4.6 偽徑向—速度（偽都卜勒）方法53
4.7 差分—徑向—速度方法54
4.8 組合方法54
4.9 通過衛星無線電導航系統確定方位55
參考文獻56
第5章 衛星無線電導航系統中的無線電信號和導航通信57
5.1 衛星無線電導航系統中對無線電信號的要求57
5.2 無線電信號的數學基礎58
5.3 衛星無線電導航系統的移相鍵控信號60
5.3.1 二進制移相鍵控信號的基本性質61
5.3.2 M序列的基本特性64
5.3.3 Gold序列67
5.3.4 Casami序列68
5.4 副載波上的調製相移鍵控信號69
5.5 不同調製下的信號時延估計精度比較71
5.6 衛星無線電導航系統中的導航通信75
5.6.1 基本內容75
5.6.2 導航信息的抗干擾編碼76
5.7 通過導航通信調製無線電信號79
5.7.1 相對相移鍵控79
5.7.2 無線電信號的相移鍵控80
5.8 接收機中衛星無線電導航系統信號同步81
參考文獻82
第6章 用戶設備的信號處理和導航解算83
6.1 基本內容83
6.2 搜尋信號延遲和多譜勒頻率84
6.3 衛星導航設備中跟蹤系統設計的基本原理96
6.3.1 BPSK導航接收機96
6.3.2 基於跟蹤系統提取估計信息99
6.3.3 接收機中相干和非相干信號處理101
6.3.4 跟蹤系統鑑別器合成101
6.3.5 解調導航電文111
6.3.6 平滑過濾器合成112
6.4 二次處理算法（導航算法） 140
6.4.1 二次觀測140
6.4.2 偽距二次平滑算法141
6.4.3 二次處理單步算法147
6.4.4 二次處理的過濾算法149
6.5 衛星無線電導航系統接收機中單步信號處理154
6.5.1 主要內容154
6.5.2 用於非相干工作模式的信號處理單步算法設計155
6.5.3 用於非相干工作模式的信號處理單步算法合成161
6.6 多路徑效應條件下信號接收167
6.6.1 多路徑效應基本特徵167
6.6.2 多路徑效應條件下的接收最佳化算法170
6.6.3 鑑別特徵173
6.6.4 潛在的精確特徵值175
6.6.5 處理非相干算法的特徵值177
附錄6.1 相干接收機的相關器同相和正交部分的統
計特徵值179
附錄6.2 非相干接收機的相關器同相和正交部分的
統計特徵值181
附錄6.3 相位鑑別器統計特徵值182
附錄6.4 頻率鑑別器統計特徵值184
附錄6.5 信號延遲鑑別器統計特徵值192
參考文獻197
第7章 衛星無線電導航系統中確定導航時間的誤差源和精度199
7.1 確定偽距誤差的組成199
7.2 確定偽速誤差的組成200
7.3 傳播介質影響信號參數202
7.3.1 信號傳播的群速度和相速度202
7.3.2 介質折射係數204
7.3.3 電離層影響信號滯後205
7.3.4 對流層影響信號滯後206
7.4 相對論和萬有引力效應的影響207
7.5 信號多路徑效應傳播的影響210
7.6 導航接收機引入的誤差211
7.7 確定偽距和偽速的降低誤差方法214
7.8 確定偽距和偽速的誤差源217
7.9 解算導航任務產生的誤差218
7.9.1 星座保障的誤差218
7.9.2 衛星無線電導航系統中的幾何因素219
參考文獻222
第8章 用戶設備的干擾穩定性223
8.1 基本定義和方法223
8.2 導航接收機干擾穩定性評估方法224
8.2.1 干擾影響相關器的評估方法224
8.2.2 相關器輸出端計算干擾組成的方法226
8.3 通過使用不同型號的碼分導航信號，分析系統內的干擾228
8.3.1 BPSK（n）調製信號系統內干擾分析229
8.3.2 通過BOC（m，n）調製使用信號，分析系統內的干擾232
8.3.3 通過計算干擾和導航頻率信號的失調，分析系統內的干擾236
8.4 分析不同類型干擾對不同類型碼分導航信號用戶設備的影響240
8.5 搜尋和截獲信號制的干擾穩定性246
8.6 跟蹤系統干擾穩定性漸近估計方法247
8.7 跟蹤信號相位自主系統的干擾穩定性248
8.8 自主信號頻率跟蹤系統的干擾穩定性249
8.9 跟蹤信號延遲系統的干擾穩定性251
8.10 考慮跟蹤系統相互影響下的干擾穩定性251
8.10.1 非相干接收機干擾穩定性252
8.10.2 相干接收機干擾穩定性253
8.11 綜合跟蹤系統干擾穩定性254
參考文獻255
第二篇 格洛納斯衛星無線電導航系統
第9章 格洛納斯衛星無線電導航系統的基本內容259
9.1 結構和基本特徵259
9.2 建設發展階段261
9.3 格洛納斯衛星無線電導航系統使用的坐標系統266
9.4 頻率———時間保障（PNT）格洛納斯系統的時間尺度268
參考文獻269
第10章 地面段（運控子系統） 270
10.1 運控子系統的用途和組成270
10.1.1 主要內容270
10.1.2 系統控制中心272
10.1.3 控制站272
10.1.4 量子—光學站（雷射站） 273
10.1.5 相位控制系統274
10.1.6 場控制設備274
10.2 星座保障275
10.2.1 格洛納斯星曆信息的特點276
10.2.2 典型控制操作276
10.2.3 確定衛星運動軌位的技術278
參考文獻280
第11章 太空飛行器子系統281
11.1 衛星的軌道特徵281
11.2 格洛納斯衛星無線電導航系統的無線電信號285
11.2.1 使用信號的類型285
11.2.2 播發的導航無線電信號特徵值286
11.3 調製序列的特徵289
11.4 格洛納斯衛星無線電導航系統的導航通信292
11.4.1 主要內容292
11.4.2 格洛納斯導航系統的星座295
11.4.3 格洛納斯系統曆書298
11.4.4 超幀種的儲備等級301
11.4.5 導航數據真實性控制301
11.5 格洛納斯衛星無線電導航系統的完好性監測302
11.6 格洛納斯系統的導航衛星304
11.6.1 格洛納斯導航衛星304
11.6.2 格洛納斯－M導航衛星307
11.6.3 格洛納斯－K導航衛星309
11.6.4 Etalon被動式衛星311
11.6.5 導航衛星建造特點312
11.6.6 導航衛星運行邏輯313
11.7 衛星的星載無線電設備315
11.7.1 導航無線電信號星載源315
11.7.2 天線—饋線系統320
11.7.3 星間星載測量設備320
11.7.4 星載同步裝置328
11.7.5 星載控制設備329
11.7.6 定向和穩定系統，其他輔助系統330
11.7.7 衛星星載系統運行331
參考文獻332
第12章 格洛納斯衛星無線電導航系統的差分體制333
12.1 差分體制基本原理333
12.2 差分體制的數學模型336
12.3 差分校正的空間—時間特徵339
12.4 星曆保障誤差的差分校正340
12.5 差分體制中確定偽距的誤差源342
12.6 差分子系統的衛星無線電導航系統完好性監測343
12.7 差分子系統中信息傳輸的數據格式344
12.8 差分子系統建造示例349
12.8.1 海洋局部差分子系統349
12.8.2 具有前景的俄羅斯差分子系統355
12.8.3 廣域差分子系統364
參考文獻367
第13章 用戶設備369
13.1 用戶設備原理369
13.2 導航接收機天線370
13.3 無線電接收機372
13.4 模/數轉換器373
13.5 基準振盪器和頻率合成器374
13.6 多通道相關器375
13.7 信號處理算法377
13.7.1 捕獲和檢測算法377
13.7.2 信號相位跟蹤的工作算法和流程385
13.7.3 信號延遲跟蹤的工作算法和流程387
13.7.4 鎖頻環的工作算法和流程388
13.7.5 跟蹤系統環路中的數字濾波器工作算法389
13.7.6 跟蹤系統中基準信號振盪器的控制算法392
13.7.7 導航信息提取算法393
13.8 信息處理算法394
13.8.1 用戶坐標和速度矢量評估394
13.8.2 基於非運算信息（天文年曆）的導航衛星狀態矢量
計算395
13.8.3 基於運算信息的導航衛星狀態矢量計算397
13.8.4 大地坐標系中地球用戶坐標換算398
13.9 使用用戶設備的信號處理和信息最佳化算法399
參考文獻400
第三篇 衛星導航技術的發展方向
第14章 格洛納斯衛星導航系統的現代化403
14.1 格洛納斯衛星導航系統的現代化403
14.2 格洛納斯全球導航系統的信號407
14.2.1 格洛納斯全球導航系統的導航信號發展方案407
14.2.2 碼分信號的頻率方案411
14.2.3 L3OC導航信號412
14.2.4 BOC（6，4）調製的L1OC導航信號412
14.3 衛星無線電導航系統的全球監測系統414
14.3.1 建立格洛納斯/GPS擴展監測系統的必要性414
14.3.2 衛星無線電導航監測系統的基本任務414
14.3.3 衛星無線電導航系統完好性監測系統組成416
14.3.4 向用戶提供訪問監測系統結果419
14.3.5 從格洛納斯－K導航衛星上轉發完好性信息的
通道特徵419
14.3.6 監測系統可靠性420
第15章 基於相位測量確定信號傳播時間424
15.1 衛星無線電導航接收機中測量的主要導航參數424
15.1.1 信號時間概念424
15.1.2 衛星無線電導航系統的相位和碼測量模型430
15.1.3 衛星無線電導航系統中確定高精度信號傳播時間的
無線電導航參數觀測模型431
15.1.4 衛星無線電導航系統中導航參數測量數
學模型的精度檢測方法433
15.2 二次處理中相位測量模糊度解算方法437
15.2.1 相位測量模糊度基本解算方法437
15.2.2 無窮舉的模糊度解算方法439
15.3 基於載波相位測量獲得信號傳播時間的最優濾波方法套用442
15.3.1 增補變數方法442
15.3.2 單頻相干無線電信號延遲估計443
15.3.3 雙頻相干無線電信號延遲估計444
15.3.4 帶有觀測周期函式的參數估計基本問題446
15.3.5 存在觀測周期函式的濾波方法448
15.3.6 使用增補變數方法解算模糊度的改進濾波算法450
15.4 基於載波相位測量的信號傳播時間的測定算法453
15.4.1 信號傳播時間測量算法任務描述453
15.4.2 二次處理階段，衛星無線電導航系統中使用相位
測量，信號傳播時間測量的算法合成基本方法453
15.4.3 實驗研究結果454
參考文獻464
第16章 通過衛星無線電導航系統信號測定方位角466
16.1 通過衛星無線電導航系統信號，估計目標方位角的最佳化算法466
16.2 確定方位角的潛在精度470
16.3 在衛星無線電導航系統中，在空間各點的雙頻相位差的
最佳化濾波472
16.4 根據衛星無線電導航系統的信號，用於測定目標方位角裝置的
最佳化導航接收機482
參考文獻487
第17章 衛星/慣性組合導航系統488
17.1 衛星/慣性組合導航系統的建造原理488
17.2 衛星無線電導航系統/慣性導航系統導航用戶終端的組合
算法合成495
17.2.1 綜合改進方案495
17.2.2 衛星無線電導航系統/慣性導航系統導航用戶終端
組合緊耦合算法496
17.2.3 組合導航算法（松耦合算法） 505
17.2.4 衛星無線電導航系統導航用戶終端中的慣性導航
系統修正算法合成（非耦合的算法） 508
17.3 衛星/慣性組合導航系統的精度和抗干擾穩定性512
17.3.1 衛星/慣性組合導航系統的精度512
17.3.2 自動模式中衛星/慣性組合導航系統的精度515
17.3.3 衛星/慣性組合導航系統的抗干擾穩定性517
17.4 現代化衛星/慣性組合導航系統概述520
17.5 衛星/慣性組合導航系統中的測量同步525
附錄 慣性導航基礎526
附錄17.1 捷聯慣性導航系統算法526
附錄17.2 捷聯慣性導航系統誤差模型529
附錄17.3 四元數532
附錄17.4 不同方位表述方式的數學關係535
參考文獻536
第18章 用戶設備的空時信號處理539
18.1 空間抑制干擾的原理539
18.2 空時處理的最佳化算法540
18.3 典型的天線干擾補償器542
18.4 最佳化空間濾波器的結構546
18.5 信號的空間處理算法特徵548
18.6 權係數的形成552
18.6.1 最佳化跟蹤算法553
18.6.2 最佳化非跟蹤算法555
18.6.3 分離空間和時間運算元的算法555
18.6.4 調整特徵556
18.7 干擾空間補償中的技術突破556
18.8 用於衛星導航接收機的干擾補償器實驗驗證558
18.8.1 干擾雙通道補償器的實驗驗證558
18.8.2 通過頻率特徵值檢驗的方法，抑制特徵值提升的
可行性的實驗研究560
18.8.3 通過頻率特徵值檢驗的方法，抑制特徵值提升的
可行性分析562
18.8.4 用於衛星無線電導航系統接收機的數字干擾天線
補償器實驗研究563
18.9 空間干擾抑制的知名設備569
參考文獻571
第19章 窄帶干擾的頻率—時間阻隔573
19.1 頻率—時間干擾方法的理論基礎573
19.1.1 干擾參數最佳化評估方法573
19.1.2 改進型的橫向濾波器方法575
19.1.3 基於離散傅立葉變換，頻率區域的干擾阻隔方法576
19.1.4 干擾頻率—時間補償方法和設備的簡明特徵577
19.2 橫向濾波器的合成和分析578
19.3 基於離散傅立葉變換的窄帶干擾頻域阻隔588
19.4 比較頻率區域窄帶干擾阻隔算法有效性和橫向濾波器592
參考文獻593
