本书分为10章，主要介绍了GNSS高精度定位的基本概况和基本原理。作为一种尝试，本书略写同类型书籍中常见的空间大地测量的基本原理和观测方程内容，避免与现有的教科书雷同。同时，本书从物理、通讯和地球物理的角度，以麦克斯韦电磁方程组为起点，推导并介绍GNSS电磁波信号的基本特征和传播介质的影响，阐述GNSS信号及系统误差的物理机制。同时介绍接收机内部捕获、跟踪和提取GNSS信号的系统设计，输出数据的压缩原理和数据传输方式，阐述GNSS高精度定位和定向测姿原理，以及数据分析中比较前沿的算法。
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目录
丛书序
序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 GNSS发展历史 1
1.2 现代卫星导航系统 2
1.2.1 GPS卫星导航系统 2
1.2.2 GLONASS卫星导航系统 5
1.2.3 Galileo卫星导航系统 6
1.2.4 北斗卫星导航系统 7
1.3 GNSS高精度定位应用 8
1.3.1 走向高频 8
1.3.2 从误差源到信息源 8
1.3.3 单天线扩展到多天线 9
1.3.4 多技术融合 9
1.3.5 高精度动态应用 10
1.3.6 GNSS无线电掩星探测 11
第2章 GNSS信号构成 12
2.1 GPS信号构成 12
2.1.1 载波 12
2.1.2 伪码 13
2.1.3 数据码 16
2.1.4 导航电文 17
2.2 其他导航系统的信号构成 18
2.2.1 GLONASS卫星信号 18
2.2.2 Galileo系统的信号构成 19
2.2.3 北斗导航系统 20
第3章 GNSS信号的基本特征和传播 22
3.1 电磁波信号的物理特征 22
3.1.1 麦克斯韦方程组和平面电磁波 22
3.1.2 电磁波的频率特征 26
3.1.3 电磁波的极化特征 27
3.1.4 电磁波的干涉和衍射 28
3.1.5 电磁波的多普勒效应 29
3.2 GNSS信号的传播：从自由空间到地面 30
3.2.1 GNSS信号在电离层中的传播 30
3.2.2 GNSS信号在对流层中的传播 38
3.2.3 GNSS信号在地面的广义多路径效应 51
计算和思考 63
第4章卫星信号处理 65
4.1 GNSS接收机捕获原理 65
4.1.1 串行捕获算法 66
4.1.2 基于FFT/IFFT的并行捕获算法 68
4.1.3 弱信号的捕获算法 70
4.2 GNSS接收机跟踪原理 74
4.2.1 载波跟踪算法 74
4.2.2 码跟踪算法 83
4.3 软件接收机系统设计与分析 86
4.3.1 系统总体架构 87
4.3.2 射频信号接收硬件设计与分析 87
第5章 地面接收端产生的误差 94
5.1卫星和接收机天线相位中心偏差 94
5.1.1 微波暗室测定 95
5.1.2 室外机器人测定 96
5.1.3 室外短基线测定 97
5.2 多路径误差 100
5.2.1 多路径误差定义 100
5.2.2 多路径特征 100
5.2.3 多路径消除方法概述 103
5.3 接收机钟差和周跳 105
5.3.1 接收机钟误差 105
5.3.2 接收机周跳 105
5.4 空基和地基相位缠绕 106
5.4.1 相位缠绕效应 106
5.4.2 空基相位缠绕 107
5.4.3 地基相位缠绕 107
第6章卫星数据压缩与传输 112
6.1 数据压缩基本原理与信息熵 112
6.1.1 数据压缩的信息论基础 112
6.1.2 信息熵与冗余度 113
6.1.3 数据压缩的性能指标和标准 115
6.2 卫星信号压缩技术 116
6.2.1 有损压缩 116
6.2.2 无损压缩 117
6.2.3 GNSS数据的Hatanaka压缩 118
6.3 接收机输出的数据传输 121
6.3.1 TCP/IP协议的层次结构 121
6.3.2 IP协议 122
6.3.3 TCP协议 124
6.3.4 TCP/IP协议在卫星数据传输中的应用 129
6.4 基于UDP的卫星数据传输 129
6.4.1 UDP通信协议概述 130
6.4.2 UDP数据报格式 130
6.4.3 UDP基本工作过程 132
第7章 坐标系统和时间系统 134
7.1 坐标系统 134
7.1.1 地心坐标系 135
7.1.2 地理坐标系 135
7.1.3 测站坐标系 136
7.1.4卫星固连坐标系 136
7.1.5 我国采用的高斯平面坐标系和高程系统 137
7.1.6 空间坐标与高斯平面坐标的转换 138
7.1.7 大地参考系统和大地参考框架 141
7.1.8 国际大地参考框架 141
7.1.9 ITRF实现的难点 143
7.2 时间系统 146
7.2.1 时间系统的定义 147
7.2.2 时间系统之间的转换 149
7.2.3 GNSS时间系统 151
7.2.4 守时和授时 152
计算和思考 153
第8章 GNSS高精度定位原理 154
8.1 GNSS观测量 154
8.1.1 伪距测量及其观测方程 154
8.1.2 载波相位测量及其观测方程 154
8.1.3 观测方程的线性组合 157
8.2 误差改正 158
8.2.1 对流层延迟误差改正 159
8.2.2 电离层延迟误差改正 160
8.2.3 与卫星有关的误差 161
8.2.4 测站相关修正 163
8.2.5 多路径效应的实时模型改正 165
8.3 单站精密单点定位 167
8.3.1 单站精密单点定位的函数模型 167
8.3.2 单站精密单点定位的随机模型 169
8.3.3 单站精密单点定位的参数估计方法 170
8.4 多系统精密单点定位 174
8.4.1 GPS/GLONASS综合数据处理统一模型 174
8.4.2 GPS/GLONASS系统时延偏差 176
8.4.3 频间差特性分析 179
8.5 载波相位差分技术 182
8.6 观测值中的周跳检测 189
8.6.1 多频周跳探测算法 189
8.6.2 单频周跳探测算法 195
8.7 整周模糊度估计算法 196
8.7.1 参数估计理论和FARA算法 196
8.7.2 最小二乘模糊度搜索算法 199
8.7.3 Z变换和LAMBDA算法 200
第9章 GNSS定向测姿原理 205
9.1 GNSS定向测姿的需求 205
9.2 GNSS定向测姿的基本原理 206
9.3 共用时钟GNSS多天线接收机的定向测姿技术 208
9.3.1 共用时钟GNSS多天线接收机测姿原理 208
9.3.2 测姿算法中单差和双差等价性讨论 209
9.3.3 单差模糊度估计的ASA算法 213
9.4 GNSS/INS紧耦合定位定向测姿的基本原理 216
9.4.1 GNSS/INS紧耦合数学模型 216
9.4.2 INS误差状态方程 217
9.4.3 GNSS/INS紧组合系统的状态方程 218
9.4.4 GNSS/INS紧耦合系统观测方程 219
9.5 GNSS单天线伪姿态角定向测姿的基本原理 224
9.5.1 伪姿态角计算方法 224
9.5.2 伪姿态角方法应用 225
计算和思考 226
第10章 GNSS数据分析的算法原理 227
10.1 平差估计和滤波估计 227
10.1.1 最小二乘估计 227
10.1.2 序贯最小二乘估计 230
10.1.3 类观测和约束 231
10.2 参数的隐式解和矩阵的分块约化 234
10.3 考察矩阵和缩放敏感矩阵 237
10.4 Kalman滤波 240
10.4.1 Kalman滤波基本方程 240
10.4.2 Kalman滤波的扩展：AKF、EKF和UKF 243
10.4.3 Kalman滤波下的残差平方和增量 247
10.5 广义约束理论 248
10.6 最少约束、内约束和参考框架确定 250
10.7 区域滤波、共模误差和主分量分析 253
10.7.1 共模误差(CME) 253
10.7.2 区域滤波和主分量分析(PCA) 254
10.7.3 独立分量分析(ICA) 260
10.7.4 奇异谱(SSA)和多通道奇异谱(MSSA)分析 263
10.8 噪声模型和噪声分析 265
10.9 对高度相关参数和统计理论的新挑战 269
计算和思考 272
参考文献 273
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