GNSS惯性导航组合（第3版）

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
1．2 GNSS综述 3
1．2．1 GPS 3
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
1．4 GNSS/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
2．2．4 DOP的计算实例 35
2．3 时间与GPS 37
2．3．1 协调世界时（UTC）的产生 37
2．3．2 GPS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
3．4．4 GNSS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
3．8 INS性能标准 82
3．8．1 自由惯性运行 82
3．8．2 INS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
4．1．3 GPS卫星位置的计算 94
4．1．4 C/A码及其性能 99
4．1．5 P(Y)码及其特性 104
4．1．6 L1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
4．2 GPS的现代化 107
4．2．1 从现代化中受益的领域 107
4．2．2 GPS现代化改进的基本内容 108
4．2．3 L2民用（L2C）信号 109
4．2．4 L5信号 109
4．2．5 M码 111
4．2．6 L1C信号 112
4．2．7 GPS卫星系列 113
4．2．8 GPS III 113
4．3 GLONASS信号结构和特征 113
4．3．1 频分多址（FDMA）信号 114
4．3．2 CDMA现代化 115
4．4 GALILEO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
5．2 GNSS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
5．2．5 GNSS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
5．3 GNSS天线设计的电磁计算模型（CEM） 131
5．4 GNSS天线技术 132
5．4．1 偶极子GNSS天线 132
5．4．2 GNSS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
5．5．2 STAP 145
5．5．3 SFAP 145
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
6．1．1 GNSS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
7．2．2 GNSS SBAS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MMT 215
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
7．6．2 MMSE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GNSS 233
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
8．2．1 LADGNSS 233
8．2．2 WADGNSS 234
8．2．3 SBAS 234
8．3 GEO L1L5信号 238
8．3．1 概述 238
8．3．2 GEO上行链路子系统类型1（GUST）控制环 240
8．4 GUS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
8．5 GEO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DGNSS 255
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
8．8 GNSS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
8．8．3 GPS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
8．8．5 Scripps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
9．2 SBAS和GBAS完好性设计 267
9．2．1 SBAS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
9．2．7 GEO上行链路误差 274
9．2．8 完好性威胁的消除 274
9．3 SBAS实例 279
9．4 总结 281
9．5 未来：GIC 281
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-BUCY FILTER） 319
10．7．1 实现方程 320
10．7．2 卡尔曼-布西滤波器参数 320
10．8 GNSS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
11．2．1 9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
12．2 GNSS/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
12．3 GNSS/INS组合的统一模型 388
12．3．1 GNSS误差模型 388
12．3．2 INS误差模型 390
12．3．3 GNSS/INS 391
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．3．4 ECI坐标系 410
B．3．5 ECEF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．3．8 RPY坐标系 420
B．3．9 载体姿态的欧拉角 420
B．3．10 GNSS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