第1章 概 論…………………………………………………………………………………… 1
1.1 現代主要導航技術……………………………………………………………………… 1
1.2 衛星導航技術的發展與現狀…………………………………………………………… 5
1.3 高精度衛星導航技術…………………………………………………………………… 11
作業思考題…………………………………………………………………………………… 14
第2章 衛星導航系統基礎…………………………………………………………………… 15
2.1 GNSS時空參照系統和軌道…………………………………………………………… 15
2.1.1 GNSS坐標系統…………………………………………………………………… 15
2.1.2 GNSS時間系統…………………………………………………………………… 19
2.1.3 衛星運動及其軌道參數…………………………………………………………… 22
2.1.4 衛星軌道攝動……………………………………………………………………… 24
2.1.5 衛星星歷…………………………………………………………………………… 26
2.1.6 衛星坐標計算……………………………………………………………………… 27
2.2 GNSS信號……………………………………………………………………………… 31
2.2.1 信號結構…………………………………………………………………………… 32
2.2.2 導航電文…………………………………………………………………………… 35
2.2.3 信號擴頻與調制…………………………………………………………………… 41
2.3 GNSS觀測量與誤差分析……………………………………………………………… 43
2.3.1 碼偽距測量………………………………………………………………………… 43
2.3.2 載波相位偽距測量………………………………………………………………… 45
2.3.3 誤差來源及分析…………………………………………………………………… 46
2.4 位置、速度和時間解算………………………………………………………………… 49
2.4.1 基于碼偽距的解算………………………………………………………………… 49
2.4.2 基于載波相位的解算……………………………………………………………… 52
2.4.3 定位精度的幾何評價……………………………………………………………… 54
作業思考題…………………………………………………………………………………… 56
第3章 GNSS接收機………………………………………………………………………… 59
3.1 概 述…………………………………………………………………………………… 59
3.1.1 GNSS接收機的發展歷程………………………………………………………… 59
3.1.2 GNSS接收機的類型……………………………………………………………… 61
3.1.3 GNSS接收機的體系結構………………………………………………………… 61
3.2 天線及射頻信號處理…………………………………………………………………… 64
3.2.1 天 線……………………………………………………………………………… 64
3.2.2 射頻信號處理……………………………………………………………………… 65
3.3 中頻信號處理———信號捕獲…………………………………………………………… 67
3.3.1 捕獲的基本原理…………………………………………………………………… 67
3.3.2 常用捕獲算法……………………………………………………………………… 68
3.3.3 信號檢測與判決…………………………………………………………………… 72
3.3.4 捕獲與跟蹤的轉換………………………………………………………………… 74
3.3.5 微弱信號捕獲……………………………………………………………………… 75
3.4 中頻信號處理———信號跟蹤…………………………………………………………… 77
3.4.1 跟蹤的基本原理…………………………………………………………………… 77
3.4.2 常用的跟蹤算法…………………………………………………………………… 77
3.4.3 跟蹤環路的數學模型……………………………………………………………… 79
3.4.4 跟蹤帶寬與濾波器設計…………………………………………………………… 83
3.4.5 跟蹤誤差下界……………………………………………………………………… 84
3.4.6 矢量跟蹤環路……………………………………………………………………… 86
3.5 基帶信號處理———同步與解調………………………………………………………… 87
3.5.1 信號同步…………………………………………………………………………… 87
3.5.2 導航電文解調……………………………………………………………………… 90
3.5.3 高精度量測值的產生……………………………………………………………… 90
3.5.4 信道干擾對測量精度的影響……………………………………………………… 94
作業思考題…………………………………………………………………………………… 96
第4章 差分GNSS技術……………………………………………………………………… 97
4.1 差分定位原理…………………………………………………………………………… 97
4.1.1 偽距觀測量誤差分析……………………………………………………………… 97
4.1.2 衛星軌道參數誤差影響分析……………………………………………………… 99
4.1.3 差分系統分類…………………………………………………………………… 100
4.2 碼差分定位…………………………………………………………………………… 101
4.2.1 碼偽距差分系統定位方法……………………………………………………… 101
4.2.2 局域差分系統定位方法………………………………………………………… 103
4.2.3 廣域差分系統定位方法………………………………………………………… 103
4.3 載波相位觀測量差分………………………………………………………………… 106
4.3.1 單 差…………………………………………………………………………… 107
4.3.2 雙 差…………………………………………………………………………… 109
4.3.3 三 差…………………………………………………………………………… 111
4.4 多頻測量值組合……………………………………………………………………… 112
4.4.1 線性組合………………………………………………………………………… 112
4.4.2 窄巷、寬巷和超寬巷組合………………………………………………………… 115
4.5 周跳探測和修復……………………………………………………………………… 117
4.5.1 周跳的概念……………………………………………………………………… 117
4.5.2 基于觀測值變化規律的周跳探測……………………………………………… 118
4.5.3 基于多類觀測值組合的周跳探測……………………………………………… 120
4.5.4 基于觀測值估值殘差的周跳探測……………………………………………… 121
作業思考題…………………………………………………………………………………… 122
第5章 高精度動態定位技術………………………………………………………………… 123
5.1 引 言………………………………………………………………………………… 123
5.2 整周模糊度求解技術………………………………………………………………… 124
5.2.1 交換天線位置…………………………………………………………………… 124
5.2.2 利用偽距的取整估算法………………………………………………………… 125
5.2.3 LAMBDA 算法………………………………………………………………… 126
5.2.4 逐級模糊度確定法……………………………………………………………… 129
5.3 網絡RTK技術……………………………………………………………………… 131
5.3.1 網絡RTK關鍵技術…………………………………………………………… 132
5.3.2 網絡RTK系統………………………………………………………………… 137
5.3.3 網絡RTK技術的發展現狀和趨勢…………………………………………… 143
5.4 精密單點定位(PPP) ………………………………………………………………… 144
5.4.1 精密單點定位技術的發展現狀………………………………………………… 144
5.4.2 精密單點定位的基本原理……………………………………………………… 145
5.4.3 IGS精密星歷和衛星鐘差產品………………………………………………… 147
5.4.4 精密單點定位的主要誤差源和改正模型……………………………………… 147
5.4.5 精密單點定位的技術優勢……………………………………………………… 152
5.4.6 精密單點定位中的坐標框架…………………………………………………… 153
作業思考題…………………………………………………………………………………… 154
第6章 GNSS/INS組合導航………………………………………………………………… 156
6.1 GNSS/INS組合導航簡述…………………………………………………………… 156
6.2 GNSS/INS組合導航基礎…………………………………………………………… 157
6.2.1 GNSS/INS組合導航方式分類………………………………………………… 157
6.2.2 卡爾曼濾波技術………………………………………………………………… 160
6.3 GNSS/INS松組合…………………………………………………………………… 162
6.3.1 松組合概述……………………………………………………………………… 162
6.3.2 松組合誤差模型………………………………………………………………… 163
6.3.3 松組合狀態方程………………………………………………………………… 166
6.3.4 松組合量測方程………………………………………………………………… 171
6.4 GNSS/INS緊組合…………………………………………………………………… 173
6.4.1 緊組合概述……………………………………………………………………… 173
6.4.2 緊組合狀態方程………………………………………………………………… 173
6.4.3 緊組合量測方程………………………………………………………………… 174
6.5 GNSS/INS超緊組合………………………………………………………………… 177
6.5.1 INS輔助GPS超緊組合模式…………………………………………………… 177
6.5.2 GPS/INS深組合模式…………………………………………………………… 178
6.5.3 GNSS/INS超緊組合的卡爾曼濾波方程……………………………………… 180
作業思考題…………………………………………………………………………………… 181
第7章 GNSS組合姿態測量………………………………………………………………… 182
7.1 GNSS組合姿態測量概述…………………………………………………………… 182
7.2 GNSS單基線姿態測量原理………………………………………………………… 183
7.2.1 單基線單差姿態測量…………………………………………………………… 183
7.2.2 單基線雙差姿態測量…………………………………………………………… 187
7.3 GNSS多基線姿態測量原理………………………………………………………… 191
7.3.1 雙基線姿態測量………………………………………………………………… 191
7.3.2 多基線姿態測量………………………………………………………………… 194
7.4 GNSS天線配置對姿態測量的影響………………………………………………… 196
7.4.1 天線配置方法…………………………………………………………………… 196
7.4.2 基線矢量夾角與姿態角精度的關系…………………………………………… 198
7.4.3 基線長度與姿態角精度的關系………………………………………………… 199
7.4.4 基線長度與姿態解算實時性的關系…………………………………………… 200
7.5 GNSS姿態測量誤差分析…………………………………………………………… 202
7.5.1 姿態測量誤差源………………………………………………………………… 202
7.5.2 姿態測量方程誤差……………………………………………………………… 202
7.5.3 姿態測量精度因子……………………………………………………………… 203
7.6 雙天線GNSS與INS組合姿態測量………………………………………………… 206
7.6.1 慣性姿態傳感器組合…………………………………………………………… 206
7.6.2 天線GNSS與INS組合測量…………………………………………………… 208
7.6.3 INS輔助快速確定整周模糊度………………………………………………… 211
7.7 GNSS與其他系統的組合姿態測量………………………………………………… 215
7.7.1 GNSS與磁強計的組合姿態測量……………………………………………… 215
7.7.2 GNSS與AHRS的組合姿態測量……………………………………………… 215
作業思考題…………………………………………………………………………………… 215
參考文獻………………………………………………………………………………………… 217