全球导航卫星系统原理

本书是优选靠前本真正意义上介绍GNSS的书籍，描述了以GPS、格洛纳斯和伽利略这三大系统为主要对象的GNSS的概况，详尽探讨了BPSK-R、BOC、MBOC/TMBOC/CBOC、AltBOC等多种信号调制技术和Interplex、CASM两种复用调制方式，全面剖析了三大系统的卫星信号体制和导航电文，具体给出了三大系统的卫星在它们各自相应时空坐标系中的位置和速度的计算步骤，清晰地解释了伪距、载波相位和多普勒频率等GNSS测量值的定义及其各种测量误差源，深刻、透彻地讨论了单一GNSS、联合GNSS和差分GNSS的定位算法，介绍了多个可用来定量评估不同卫星调制信号在码跟踪精度、互操作性、抗干扰、抗多径等方面性能的参量和方法，归纳总结了现代化GNSS在星座和信号设计方面上所具有的一些优良特性和发展趋势。本书理论分析清晰，实用性强，并且内容力求反映近些年来出现的GNSS近期新技术与成果。

第1章 绪论篇 1
1.1 GNSS 1
1.1.1 GNSS的定义 1
1.1.2 GNSS的系统构成 4
1.1.3 GNSS定位原理 6
1.1.4 GNSS接收机设计 8
1.1.5 GNSS性能指标 12
1.2 GPS 15
1.2.1 GPS概况 15
1.2.2 GPS空间星座部分 17
1.2.3 GPS地面监控部分 22
1.2.4 GPS服务与限制 23
1.3 GLONASS 24
1.3.1 GLONASS概况 25
1.3.2 GLONASS空间星座部分 27
1.3.3 GLONASS地面监控部分 32
1.3.4 GLONASS服务 33
1.4 Galileo系统 34
1.4.1 Galileo系统概况和系统构成 34
1.4.2 Galileo系统服务 38
1.5 其他GNSS概况 39
我国的北斗卫星导航系统 40
日本准天顶卫星系统 42
印度区域卫星导航系统 43
参考文献 43
第2章 BPSK-R和BOC调制 49
2.1 数字通信系统基础 49
2.1.1 扩频调制 49
2.1.2 载波调制 53
2.2 BPSK-R调制 55
2.2.1 BPSK-R调制信号的功率谱密度 56
2.2.2 BPSK-R调制信号的自相关函数 59
2.3 BOC调制 60
2.3.1 BOC调制信号模型 60
2.3.2 BOC调制副载波的频谱 64
2.3.3 BOC调制信号的功率谱密度 66
2.3.4 BOC调制信号的自相关函数计算 74
2.3.5 BOC调制信号的自相关函数特征 83
2.3.6 BOC调制的优缺点 85
参考文献 87
第3章 MBOC、AltBOC和复用调制 89
3.1 MBOC调制 89
3.1.1 MBOC调制信号的定义 89
3.1.2 TMBOC调制 92
3.1.3 CBOC调制 96
3.2 AltBOC调制 98
3.2.1 单边带副载波 99
3.2.2 非恒包络AltBOC调制 101
3.2.3 恒包络AltBOC调制 103
3.3 复用调制 108
3.3.1 Interplex调制 108
3.3.2 CASM 112
参考文献 114
第4章 GPS信号 117
4.1 概况 118
4.2 L1 C/A信号 123
4.2.1 C/A码 124
4.2.2 NAV电文 126
4.3 L1/L2 P(Y)信号 127
4.4 L2C信号 129
4.4.1 L2 CM/CL码 129
4.4.2 L2C的数据调制 130
4.5 L1/L2 M信号 133
4.6 L5C信号 135
4.6.1 L5 I5/Q5码 135
4.6.2 L5C的数据调制 137
4.7 L1C信号 139
4.7.1 L1C伪码 139
4.7.2 L1C覆盖码 141
4.7.3 L1C的数据调制 142
4.8 CNAV电文 144
4.8.1 CNAV电文的结构 144
4.8.2 第0类信息条 145
4.8.3 第10～11类信息条 145
4.8.4 第12类信息条 147
4.8.5 第13～14类信息条 148
4.8.6 第15类信息条 148
4.8.7 第30～37类信息条 148
4.8.8 信息条播发顺序 150
4.8.9 CRC-24Q校验 151
4.8.10 L2C与L5C上CNAV电文之间的差异 152
4.9 CNAV-2电文 153
4.9.1 CNAV-2电文的结构 154
4.9.2 BCH编码 155
4.9.3 LDPC编码 156
4.9.4 块交织编码 157
4.9.5 CNAV-2电文的内容 159
参考文献 162
第5章 GLONASS信号 165
5.1 概况 165
5.2 伪码 170
5.2.1 C/A码 170
5.2.2 P码 171
5.2.3 时间志 172
5.3 数据调制 173
5.4 导航电文 175
5.4.1 导航电文结构 175
5.4.2 导航电文内容 176
5.4.3 导航电文即时数据 179
5.4.4 导航电文非即时数据 181
5.4.5 数据校验算法 183
5.4.6 解译电文的实例分析 184
参考文献 187
第6章 Galileo信号 189
6.1 概况 189
6.2 E1信号 193
6.3 E6信号 197
6.4 E5信号 199
6.5 阶梯码 205
6.5.1 阶梯码的构筑 205
6.5.2 主码 208
6.5.3 副码 210
6.6 F/NAV和I/NAV电文 211
6.6.1 F/NAV和I/NAV电文的共同结构特点 212
6.6.2 F/NAV电文的结构和内容 213
6.6.3 I/NAV电文的结构和内容 216
6.6.4 F/NAV和I/NAV电文的共同参数内容 224
参考文献 225
第7章 GNSS时空坐标系和卫星轨道计算 228
7.1 时间坐标系 228
7.1.1 协调世界时和原子时 229
7.1.2 GPS时间 230
7.1.3 GLONASS时间 233
7.1.4 Galileo系统时间 235
7.2 空间坐标系 236
7.2.1 惯性坐标系 237
7.2.2 地心地固直角坐标系 237
7.2.3 大地坐标系 240
7.2.4 站心坐标系 242
7.2.5 GPS、Galileo和GLONASS的空间坐标系 244
7.2.6 WGS-84与PZ-90之间的坐标变换 246
7.3 GPS/Galileo卫星轨道计算 249
7.4 GLONASS卫星轨道计算 253
7.4.1 卫星运动方程 253
7.4.2 龙格-库塔法 255
7.5 卫星位置的地球自转校正 258
参考文献 262
第8章 GNSS测量及其误差 265
8.1 GNSS测量值 265
8.1.1 伪距测量值 265
8.1.2 多普勒频移和载波相位测量值 269
8.1.3 GNSS测量值之间的比较 274
8.2 GNSS测量误差 276
8.2.1 卫星时钟误差 277
8.2.2 卫星星历误差 283
8.2.3 电离层延时 285
8.2.4 对流层延时 290
8.2.5 多径误差 291
8.2.6 接收机噪声 293
8.2.7 接收机器件群波延时及其信道间差异 293
8.3 差分GNSS原理及其测量 298
8.3.1 差分GNSS原理 298
8.3.2 GNSS单差伪距 300
8.3.3 GNSS双差伪距 303
8.3.4 GNSS单差载波相位 305
8.3.5 GNSS双差载波相位 307
参考文献 310
第9章 GNSS定位及其精度 313
9.1 单个GNSS的定位算法 313
9.1.1 牛顿迭代及其线性化方法 313
9.1.2 最小二乘法 315
9.1.3 伪距定位原理 318
9.1.4 最小二乘法伪距定位算法 321
9.1.5 二维定位及其辅助方程 326
9.1.6 多普勒定速算法 328
9.1.7 免时定位算法 330
9.2 单个GNSS的定位精度分析 332
9.2.1 定位误差的方差分析 333
9.2.2 精度衰减因子 334
9.2.3 卫星几何分布 338
9.3 GNSS联合定位 340
9.3.1 接收机钟差模型 340
9.3.2 算法1：直接利用系统时间差异播发值校正测量值 343
9.3.3 算法2：在接收机端测定系统时间差异值 345
9.3.4 算法3：建立系统时间差异辅助方程 348
9.3.5 对算法和卫星几何分布的一些讨论 350
9.4 差分GNSS相对定位算法 353
9.4.1 单差伪距定位 353
9.4.2 双差伪距定位 355
9.4.3 单差载波相位定位 357
9.4.4 双差载波相位定位 359
参考文献 362
第10章 总结篇 365
10.1 联合GNSS的优势与挑战 365
10.2 GNSS信号性能的定量评估 369
10.2.1 GNSS接收机模型 370
10.2.2 均方根带宽和等效矩形带宽 373
10.2.3 谱分离系数和码跟踪谱灵敏度系数 375
10.2.4 等效载噪比和信干噪比 380
10.2.5 自相关函数和码环跟踪精度 389
10.2.6 抗多径性能 392
10.3 GNSS设计及其发展趋势 395
10.3.1 卫星星座布局 395
10.3.2 卫星星座自主导航 398
10.3.3 信号多址机制 399
10.3.4 频率规划 400
10.3.5 伪码 403
10.3.6 信号波形 406
10.3.7 导频信号 408
10.3.8 导航电文 409
10.3.9 时空坐标系 413
参考文献 414
附录A 缩写词中英对照 422
附录B 单位制及其换算 429
附录C 傅里叶变换 431
附录D 随机变量及其数字特征 437
附录E 自相关函数和频谱密度 442