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| 內容簡介： |
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本教材是北京大学21世纪地学规划教材之一，旨在全面介绍卫星导航定位的基础知识，包括基本原理，方法以及简单的应用，重点介绍美国GPS系统和我国北斗系统的组成、信号的处理、单点定位与导航的计算原理、实施动态定位与导航的方法等内容。为让学生有更直接的认识，《卫星导航定位基础》后半部分还有供学生亲手操作的实验内容，可以让学生亲手操作实验，让同学们掌握相关算法以及用户模块使用，为进一步深入学习和运用卫星导航定位的相关理论与技术奠定基础。
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| 關於作者： |
孙敏
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孙敏，北京大学地球与空间学院遥感所副教授，博士生导师，主要研究领域为无人机遥感、数字影像分析、增强现实地理信息系统。
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| 目錄：
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第１章 绪论 ……………………………………………………………………… １
１．１ 什么是卫星导航定位 …………………………………………………………… １
１．２ 传统测绘定位方法 ……………………………………………………………… ２
１．３ GPS的产生与发展 ……………………………………………………………… ４
１．３．１ 子午卫星系统的发展 …………………………………………………… ５
１．３．２ 子午卫星系统及其不足 ………………………………………………… ６
１．３．３ 美国卫星导航定位系统的发展历史 ………………………………… １０
１．３．４ 结语 …………………………………………………………………… １７
第２章 卫星导航定位系统所涉及的时间系统…………………………… １９
２．１ 时间系统的概念 ……………………………………………………………… １９
２．２ 太阳时与恒星时 ……………………………………………………………… ２０
２．２．１ 太阳时 ………………………………………………………………… ２０
２．２．２ 恒星时 ………………………………………………………………… ２１
２．２．３ 世界时 ………………………………………………………………… ２２
２．３ 原子时、协调世界时与GPS时 ……………………………………………… ２２
２．３．１ 原子时 ………………………………………………………………… ２２
２．３．２ 协调世界时 …………………………………………………………… ２３
２．３．３ GPS时 ………………………………………………………………… ２３
２．４ 建立在相对论框架下的时间系统 …………………………………………… ２４
２．５ 几种时间标示法 ……………………………………………………………… ２４
２．５．１ 历法 …………………………………………………………………… ２４
２．５．２ 儒略日 ………………………………………………………………… ２４
２．５．３ 儒略日与格里高利历的转换 ………………………………………… ２５
２．５．４ 年积日 ………………………………………………………………… ２６
卫星导航定位基础
第３章 卫星导航定位系统所涉及的坐标系统…………………………… ２７
３．１ 地球坐标系 …………………………………………………………………… ２７
３．２ 天球坐标系 …………………………………………………………………… ３１
３．２．１ 岁差 …………………………………………………………………… ３２
３．２．２ 章动 …………………………………………………………………… ３３
３．３ ITRS与GCRS间的坐标转换………………………………………………… ３４
３．４ 北斗导航系统所涉及的时间和坐标系统 …………………………………… ３６
第４章 卫星导航定位系统的组成及信号结构…………………………… ３８
４．１ GPS卫星导航定位系统的组成 ……………………………………………… ３８
４．１．１ 空间部分 ……………………………………………………………… ３８
４．１．２ 地面监控部分 ………………………………………………………… ４２
４．１．３ 用户部分 ……………………………………………………………… ４３
４．２ GPS载波、测距码与导航电文 ………………………………………………… ４６
４．２．１ 载波 …………………………………………………………………… ４６
４．２．２ 测距码 ………………………………………………………………… ４７
４．２．３ 导航电文 ……………………………………………………………… ５０
４．３ GPS卫星位置的计算 ………………………………………………………… ６０
４．３．１ 开普勒定律 …………………………………………………………… ６０
４．３．２ 卫星轨道位置地心坐标计算 ………………………………………… ６２
４．３．３ 卫星的可视性预报与精度因子计算 ………………………………… ７１
第５章 GPS卫星导航定位中的误差分析 ………………………………… ７５
５．１ 误差概述 ……………………………………………………………………… ７５
５．１．１ 模型改正法 …………………………………………………………… ７６
５．１．２ 求差法 ………………………………………………………………… ７６
５．２ 相对论效应误差 ……………………………………………………………… ７７
５．２．１ 卫星轨道视为正圆时的相对论效应 ………………………………… ７７
５．２．２ 卫星轨道椭圆变化量的相对论效应 ………………………………… ７９
５．２．３ 接收机时钟的相对论效应 …………………………………………… ８０
５．３ 卫星时钟误差 ………………………………………………………………… ８１
５．３．１ 广播卫星钟差 ………………………………………………………… ８１
５．３．２ 精密卫星钟差 ………………………………………………………… ８２
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目 录
５．３．３ 硬件时延误差 ………………………………………………………… ８３
５．４ 卫星星历误差 ………………………………………………………………… ８４
５．４．１ 广播星历误差 ………………………………………………………… ８４
５．４．２ 精密星历误差 ………………………………………………………… ８５
５．４．３ 削弱星历误差的主要方法 …………………………………………… ８５
５．４．４ 国际GNSS服务 ……………………………………………………… ８６
５．５ 电离层延迟误差 ……………………………………………………………… ８８
５．５．１ 电离层对卫星信号传播的影响 ……………………………………… ８８
５．５．２ 电离层误差公式推导 ………………………………………………… ８９
５．５．３ 电子密度及其分布特征 ……………………………………………… ９０
５．５．４ 电离层改正模型 ……………………………………………………… ９３
５．５．５ 利用双频观测进行电离层延迟改正 ………………………………… ９６
５．５．６ 利用双频观测数据构建模型实现电离层改正 ……………………… １００
５．６ 对流层延迟误差 ……………………………………………………………… １０１
５．６．１ 对流层对卫星信号的影响 …………………………………………… １０１
５．６．２ 对流层误差模型 ……………………………………………………… １０３
５．６．３ 水汽压计算 …………………………………………………………… １０６
５．６．４ 气象参数测定及误差 ………………………………………………… １０６
５．６．５ 标准气象元素法 ……………………………………………………… １０８
５．６．６ 无气象参数改正模型 ………………………………………………… １０９
５．６．７ 投影函数的高精度模型研究 ………………………………………… １１１
５．７ 多路径效应误差 ……………………………………………………………… １１４
５．７．１ 测距码观测时的影响 ………………………………………………… １１５
５．７．２ 载波相位观测时的影响 ……………………………………………… １１６
５．７．３ 消除多路径效应的方法与措施 ……………………………………… １１７
５．８ 其他误差改正 ………………………………………………………………… １１８
５．８．１ 地球自转改正误差 …………………………………………………… １１８
５．８．２ 天线相位中心误差 …………………………………………………… １１９
第６章 卫地距测量与单点定位方法 ……………………………………… １２２
６．１ 简单的卫星导航定位原理 …………………………………………………… １２２
６．２ 测距码测定卫地距 …………………………………………………………… １２３
６．２．１ 测距码测量原理 ……………………………………………………… １２３
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卫星导航定位基础
６．２．２ 测距码观测方程 ……………………………………………………… １２９
６．３ 载波相位测量 ………………………………………………………………… １３０
６．３．１ 重建载波的方法 ……………………………………………………… １３１
６．３．２ 载波相位测量原理 …………………………………………………… １３２
６．３．３ 载波相位观测方程 …………………………………………………… １３３
６．４ 单点定位计算 ………………………………………………………………… １３４
６．４．１ 伪距观测单点定位 …………………………………………………… １３４
６．４．２ 使用载波相位观测的精密单点定位 ………………………………… １３８
第７章 差分定位 ……………………………………………………………… １４１
７．１ 差分定位的概念与分类 ……………………………………………………… １４１
７．１．１ 差分定位概念 ………………………………………………………… １４１
７．１．２ 差分定位的分类 ……………………………………………………… １４１
７．２ 差分改正数的计算方法 ……………………………………………………… １４４
７．２．１ 坐标域差分 …………………………………………………………… １４４
７．２．２ 观测值域差分 ………………………………………………………… １４５
７．２．３ 状态空间域(广域)差分 ……………………………………………… １４６
７．２．４ 流动站数据处理 ……………………………………………………… １４６
７．３ 数据传输标准 ………………………………………………………………… １４７
RTCMＧSCＧ１０４传输格式 ……………………………………………………… １４７
第８章 相对定位 ……………………………………………………………… １５８
８．１ 单差、双差、三差观测方程 …………………………………………………… １５８
８．１．１ 相对定位消除误差的方法 …………………………………………… １５８
８．１．２ 单差观测方程 ………………………………………………………… １６０
８．１．３ 双差观测方程 ………………………………………………………… １６２
８．１．４ 三差观测方程 ………………………………………………………… １６４
８．１．５ 流动站初始坐标与其定位结果的关系分析 ………………………… １６５
８．２ 周跳的探测及修复 …………………………………………………………… １６６
８．２．１ 整周跳变产生的原因 ………………………………………………… １６６
８．２．２ 周跳的探测与修复方法 ……………………………………………… １６７
８．３ 整周模糊度的确定 …………………………………………………………… １７４
８．３．１ 确定整周数的原因 …………………………………………………… １７４
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目 录
８．３．２ 确定整周模糊度的几种常用方法 …………………………………… １７５
８．４ 静态相对定位原理 …………………………………………………………… １８９
８．５ 动态相对定位原理 …………………………………………………………… １９２
８．６ RTK技术 …………………………………………………………………… １９３
８．６．１ RTK系统组成 ……………………………………………………… １９３
８．６．２ 网络RTK …………………………………………………………… １９５
第９章 连续运行参考系统 ………………………………………………… ２０５
９．１ CORS的技术发展 …………………………………………………………… ２０５
９．２ CORS的定义与运行框架 …………………………………………………… ２０６
９．３ CORS的分类 ………………………………………………………………… ２０７
９．４ CORS数据中心构成及通信协议 …………………………………………… ２０８
９．４．１ 数据中心的主要功能 ………………………………………………… ２０８
９．４．２ 数据中心软件 ………………………………………………………… ２１０
９．４．３ RTK流动站接收机 ………………………………………………… ２１５
９．４．４ 通信协议 ……………………………………………………………… ２１７
第１０章 定位导航实验 ……………………………………………………… ２１９
１０．１ 卫星轨道位置计算与可视化 ……………………………………………… ２２０
１０．１．１ 实验的编程环境 …………………………………………………… ２２０
１０．１．２ 基础程序框架构建 ………………………………………………… ２２２
１０．１．３ 星历参数数据的读取 ……………………………………………… ２２６
１０．１．４ 卫星轨道位置计算流程 …………………………………………… ２２８
１０．１．５ 卫星轨道位置的二维可视化 ……………………………………… ２２９
１０．１．６ 三维可视化基础程序要点介绍 …………………………………… ２３１
１０．１．７ 单颗卫星轨道及其位置可视化效果 ……………………………… ２４０
１０．１．８ 精密星历理解与可视化 …………………………………………… ２４８
１０．２ OEM 板卡简介及实验系统组装 …………………………………………… ２５５
１０．２．１ BGG９０板卡性能与结构 …………………………………………… ２５５
１０．２．２ BGG９０板卡实验系统组装 ………………………………………… ２５６
１０．２．３ BGG９０板卡与计算机连接及常用指令 …………………………… ２６０
１０．２．４ 板卡定位数据读取实验 …………………………………………… ２６４
１０．２．５ 导航电文读取与分解 ……………………………………………… ２６７
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卫星导航定位基础
１０．２．６ 多卫星位置计算与轨道可视化 …………………………………… ２７０
１０．３ 伪距单点定位计算 ………………………………………………………… ２７２
１０．３．１ 各项误差的计算方法 ……………………………………………… ２７２
１０．３．２ 卫星定位观测值的获取 …………………………………………… ２７９
１０．３．３ 单点定位程序框架 ………………………………………………… ２８２
１０．４ RTK系统组成与高精度实时定位 ………………………………………… ２８８
１０．４．１ 单基准站RTK系统的硬件组装 …………………………………… ２８８
１０．４．２ RTK相关参数设置 ………………………………………………… ２９４
１０．４．３ 户外实时定位实验 ………………………………………………… ２９９
１０．４．４ 数据分析实验 ……………………………………………………… ３０１
参考文献 ………………………………………………………………………… ３０７
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