GNSS惯性导航组合

全书共12章，靠前章综述了GNSS、INS和GNSS/INS组合的发展现状和应用情况；第2、3章分别介绍了卫星导航和惯性导航的基本知识；第4章详细介绍了原有GPS信号的特性，并着重介绍了GPS现代化、GLONASS、Galileo等的基本情况；第5、6章介绍了GNSS天线和接收机设计；第7章分析了GNSS数据误差，着重介绍了多径问题及其消除方法；第8、9章分别介绍了差分GNSS和GNSS及GEO信号完好性等内容，靠前0章重点研究了卡尔曼滤波，介绍了几种不同的卡尔曼滤波实现方法；靠前1章对惯性导航系统的主要误差进行了深入分析；靠前2章系统研究了GNSS/INS组合的原理及数学建模、性能分析等内容。

陈军：中国人民解放军63880部队技术部不错工程师，参加翻译、编写出版了多部专著。

第1章绪论1
1.1导航1
1.1.1与导航相关的技术1
1.1.2导航模式2
1.2GNSS综述3
1.2.1GPS3
1.2.2全球轨道导航卫星系统（GLONASS）4
1.2.3伽利略（Galileo）系统5
1.2.4北斗（BeiDou-2）卫星导航系统7
1.3惯性导航综述8
1.3.1理论基础8
1.3.2惯性传感器技术9
1.4GNSS/INS组合综述23
1.4.1卡尔曼滤波器的作用23
1.4.2实现24
1.4.3应用24
习题25
参考文献25
第2章卫星导航系统基础28
2.1导航系统研究28
2.1.1不同于GNSS的系统28
2.1.2比较准则28
2.2卫星导航29
2.2.1卫星轨道29
2.2.2导航解算（二维实例）30
2.2.3卫星选择和精度因子32
2.2.4DOP的计算实例35
2.3时间与GPS37
2.3.1协调世界时（UTC）的产生37
2.3.2GPS系统时37
2.3.3接收机UTC的计算37
2.4例子：无误差时用户位置计算38
2.4.1用户位置计算38
2.4.2用户速度计算40
习题41
参考文献42
第3章惯性导航基础44
3.1本章重点44
3.2基本术语44
3.3惯性传感器误差模型47
3.3.1零均值随机误差48
3.3.2固定型误差49
3.3.3传感器误差稳定性50
3.4传感器校准和补偿50
3.4.1传感器偏差、尺度因子和错位51
3.4.2其他校准参数52
3.4.3校准参数的不稳定性54
3.4.4GNSS之前的辅助传感器54
3.4.5传感器性能范围55
3.5地球模型55
3.5.1陆地导航坐标系56
3.5.2地球旋转56
3.5.3重力模型57
3.6硬件实现方法62
3.6.1平衡环系统的实现方法63
3.6.2浮台系统的实现方法65
3.6.3旋转木马及分度法65
3.6.4捷联系统66
3.6.5捷联系统的旋转木马及分度66
3.7软件实现方法67
3.7.1一维的例子67
3.7.2九维的初始化68
3.7.3平衡环姿态的实现71
3.7.4平衡环导航的实现72
3.7.5捷联姿态的实现73
3.7.6捷联导航的实现79
3.7.7导航计算机和软件的需求81
3.8INS性能标准82
3.8.1自由惯性运行82
3.8.2INS性能度量82
3.8.3性能级别83
3.9测试和评估83
3.9.1实验室测试84
3.9.2现场测试84
3.10总结84
习题85
参考文献87
第4章GNSS信号结构特征及信息利用88
4.1原有GPS信号的成分、用途和特征88
4.1.1原有GPS信号的数学信号模型88
4.1.2导航数据格式91
4.1.3GPS卫星位置的计算94
4.1.4C/A码及其性能99
4.1.5P(Y)码及其特性104
4.1.6L1和L2载波105
4.1.7发射功率电平106
4.1.8自由空间及其他损耗因子106
4.1.9接收信号功率106
4.2GPS的现代化107
4.2.1从现代化中受益的领域107
4.2.2GPS现代化改进的基本内容108
4.2.3L2民用（L2C）信号109
4.2.4L5信号109
4.2.5M码111
4.2.6L1C信号112
4.2.7GPS卫星系列113
4.2.8GPSIII113
4.3GLONASS信号结构和特征113
4.3.1频分多址（FDMA）信号114
4.3.2CDMA现代化115
4.4GALILEO系统（GALILEO）115
4.4.1星座和服务等级116
4.4.2导航数据和信号116
4.5北斗系统117
4.6准天顶卫星系统（QZSS）118
习题119
参考文献120
第5章GNSS天线设计与分析123
5.1应用123
5.2GNSS天线性能特点123
5.2.1尺寸和成本123
5.2.2频率和带宽123
5.2.3辐射图特性124
5.2.4天线极化和轴比125
5.2.5GNSS天线的指向、效率和增益127
5.2.6天线阻抗、驻波比和回波损耗128
5.2.7天线带宽129
5.2.8天线噪声系数130
5.3GNSS天线设计的电磁计算模型（CEM）131
5.4GNSS天线技术132
5.4.1偶极子GNSS天线132
5.4.2GNSS贴片天线132
5.4.3勘测级/参考GNSS天线139
5.5自适应相控阵天线原理141
5.5.1数字波束形成自适应天线阵公式143
5.5.2STAP145
5.5.3SFAP145
5.5.4自适应相控阵天线的结构145
5.5.5自适应相控阵天线的优点146
5.6校准/补偿的应用考量146
习题148
参考文献149
第6章GNSS接收机设计与分析153
6.1接收机设计的选择153
6.1.1GNSS所支持的应用153
6.1.2单频或多频支持153
6.1.3通道数154
6.1.4码型选择155
6.1.5差分性能155
6.1.6辅助输入156
6.2接收机结构157
6.2.1射频（RF）前端157
6.2.2下变频及中频放大159
6.2.3模数转换与自动增益控制160
6.2.4基带信号处理161
6.3信号捕获与跟踪161
6.3.1对用户位置的假定162
6.3.2关于可视卫星的假定162
6.3.3信号多普勒估计162
6.3.4在频率和C/A码相位范围内搜索信号163
6.3.5信号检测与确认166
6.3.6码跟踪环168
6.3.7载波相位跟踪环172
6.3.8位同步175
6.3.9数据位解调175
6.4用户解算所需信息的提取176
6.4.1信号发射时间信息176
6.4.2卫星位置和速度的星历数据176
6.4.3利用码相位的伪距测量公式177
6.4.4利用载波相位的测量178
6.4.5载波多普勒测量179
6.4.6积分多普勒测量180
6.5伪距、载波相位和频率估计的理论考虑181
6.5.1码相位测量的理论误差限182
6.5.2载波相位测量的理论误差限182
6.5.3频率测量的理论误差限183
6.6高灵敏度A-GPS系统185
6.6.1辅助数据如何改进接收机性能185
6.6.2高灵敏度接收机的影响因素188
6.7软件无线电（SDR）方法190
6.8伪卫星的考虑190
习题191
参考文献193
第7章GNSS数据误差197
7.1数据误差197
7.2电离层传播误差197
7.2.1电离层延迟模型198
7.2.2GNSSSBAS电离层算法200
7.3对流层传播误差207
7.4多径问题208
7.5多径抑制方法210
7.5.1空间处理技术210
7.5.2时域处理技术212
7.5.3多径消除技术MMT215
7.5.4时域方法的性能222
7.6多径消除的理论极限224
7.6.1估计理论方法224
7.6.2MMSE估计器225
7.6.3多径建模误差225
7.7星历数据误差225
7.8星载时钟误差226
7.9接收机时钟误差227
7.10选择可用性误差228
7.11误差预估计228
习题229
参考文献230
第8章差分GNSS233
8.1简介233
8.2局域差分GNSS（LADGNSS）、广域差分GNSS（WADGNSS）和
天基增强系统（SBAS）233
8.2.1LADGNSS233
8.2.2WADGNSS234
8.2.3SBAS234
8.3GEOL1L5信号238
8.3.1概述238
8.3.2GEO上行链路子系统类型1（GUST）控制环240
8.4GUS时钟控制算法244
8.4.1接收机时钟误差的确定246
8.4.2时钟驱动控制定律247
8.5GEO轨道的确定（OD）249
8.6地基增强系统（GBAS）254
8.6.1区域增强系统（LAAS）254
8.6.2联合精密进近着陆系统（JPALS）254
8.6.3增强的远距离导航（eLoran）255
8.7基于相对测量的DGNSS255
8.7.1码差分测量255
8.7.2载波相位差分测量256
8.7.3利用双差测量的定位258
8.8GNSS精确单点定位服务及产品259
8.8.1国际GNSS服务（IGS）259
8.8.2持续运行的参考站（CORS）259
8.8.3GPS推断定位系统（GIPSY）和轨道分析仿真软件（OASIS）259
8.8.4澳大利亚的在线式GPS处理系统（AUPOS）260
8.8.5Scripps坐标更新工具（SCOUT）260
8.8.6在线定位用户服务（OPUS）260
习题261
参考文献261
第9章GNSS和GEO信号完好性264
9.1引言264
9.1.1距离比较法265
9.1.2最小二乘法265
9.1.3等价法266
9.2SBAS和GBAS完好性设计267
9.2.1SBAS误差源和完好性威胁268
9.2.2与GNSS相关的误差269
9.2.3与GEO相关的误差271
9.2.4接收机和测量处理误差271
9.2.5估计误差272
9.2.6与完好性界限相关的误差273
9.2.7GEO上行链路误差274
9.2.8完好性威胁的消除274
9.3SBAS实例279
9.4总结281
9.5未来：GIC281
习题281
参考文献281
第10章卡尔曼滤波284
10.1简介284
10.1.1什么是卡尔曼滤波器284
10.1.2卡尔曼滤波器如何工作285
10.1.3如何应用卡尔曼滤波器286
10.2卡尔曼滤波器修正更新287
10.2.1卡尔曼增益推导287
10.2.2利用卡尔曼增益的估计修正295
10.2.3用于使用测量值的协方差修正295
10.3卡尔曼滤波器预测更新295
10.3.1连续时间随机系统295
10.3.2离散时间随机系统300
10.3.3离散时间状态空间模型301
10.3.4动态扰动噪声分布矩阵302
10.3.5预测器方程302
10.4卡尔曼滤波方程总结303
10.4.1基本方程303
10.4.2常用术语303
10.4.3数据流图304
10.5对时间相关噪声的适应性305
10.5.1相关噪声模型305
10.5.2传感器噪声的经验模型307
10.5.3增广状态向量309
10.6非线性和自适应的实现310
10.6.1线性近似误差的评估310
10.6.2非线性动态315
10.6.3非线性传感器315
10.6.4线性卡尔曼滤波316
10.6.5扩展卡尔曼滤波317
10.6.6自适应卡尔曼滤波318
10.7卡尔曼-布西滤波器（KALMAN-BUCYFILTER）319
10.7.1实现方程320
10.7.2卡尔曼-布西滤波器参数320
10.8GNSS主载体跟踪滤波器321
10.8.1载体跟踪滤波器321
10.8.2信息的动态稀释321
10.8.3载体跟踪专用滤波器323
10.8.4载体跟踪滤波器比较332
10.9其他实现方法334
10.9.1斯密特-卡尔曼次优滤波334
10.9.2串行测量处理337
10.9.3改进数值稳定性338
10.9.4卡尔曼滤波器监控341
10.10总结345
习题345
参考文献347
第11章惯性导航系统误差分析350
11.1本章重点350
11.2导航解中的误差351
11.2.19个核心INS误差变量351
11.2.2用于INS误差分析的坐标系351
11.2.3模型变量和参数352
11.2.4动态耦合机制356
11.3导航误差动力学358
11.3.1速度积分产生的误差动态359
11.3.2重力计算产生的误差动态360
11.3.3科里奥利加速度引起的误差动态361
11.3.4离心加速度引起的误差动态362
11.3.5地球速率调平引起的误差动态363
11.3.6速度调平引起的误差动态363
11.3.7加速度和错位引起的误差动态364
11.3.8所有效应的综合模型365
11.3.9垂直导航不稳定性367
11.3.10舒勒振荡371
11.3.11核心模型的校验与调整372
11.4惯性传感器噪声373
11.5传感器补偿误差374
11.5.1概述374
11.5.2传感器补偿误差模型375
11.6软件源379
11.7总结380
习题381
参考文献382
第12章GNSS/INS组合383
12.1本章重点383
12.1.1目标383
12.1.2内容顺序384
12.2GNSS/INS组合综述384
12.2.1历史背景384
12.2.2松/紧分级385
12.2.3统一导航模型387
12.3GNSS/INS组合的统一模型388
12.3.1GNSS误差模型388
12.3.2INS误差模型390
12.3.3GNSS/INS391
12.4性能分析393
12.4.1动态仿真模型393
12.4.2结果394
12.5其他组合问题397
12.5.1天线/ISA偏移修正397
12.5.2轨迹对性能的影响398
12.6总结399
习题400
参考文献400
附录A软件401
A.1软件源401
A.2第3章的软件401
A.3第4章的软件402
A.4第7章的软件402
A.5第10章的软件402
A.6第11章的软件403
A.7第12章的软件404
A.8历书/星历数据源404
附录B坐标系统及其变换405
B.1坐标变换矩阵405
B.1.1符号405
B.1.2定义405
B.1.3单位坐标向量406
B.1.4方向余弦406
B.1.5坐标变换合成407
B.2惯性基准方向407
B.3取决于应用的坐标系407
B.3.1笛卡儿坐标和极坐标408
B.3.2天体坐标系408
B.3.3卫星轨道坐标系409
B.3.4ECI坐标系410
B.3.5ECEF坐标系410
B.3.6椭球曲率半径417
B.3.7本地切平面（LTP）坐标系417
B.3.8RPY坐标系420
B.3.9载体姿态的欧拉角420
B.3.10GNSS导航坐标系422
B.4坐标系变换模型424
B.4.1欧拉角424
B.4.2旋转向量425
B.4.3方向余弦矩阵438
B.4.4四元数442
B.5旋转坐标系中的牛顿力学446
B.5.1旋转坐标系446
B.5.2矩阵乘积的时间微分447
B.5.3离心和科里奥利加速度求解447
缩略语448