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第1章 绪论1

1．1 GNSS/INS综述1

1．2 GNSS概述2

1．2．1 GPS2

1．2．2 全球导航卫星系统（GLONASS）3

1．2．3 伽利略系统（Galileo）4

1．3 差分和增强GPS6

1．3．1 差分GPS6

1．3．2 局域差分GPS6

1．3．3 广域差分GPS7

1．3．4 广域增强系统WAAS7

1．4 空基增强系统（SBAS）7

1．4．1 历史背景7

1．4．2 广域增强系统（WAAS）8

1．4．3 欧洲同步导航覆盖系统（EGNOS）9

1．4．4 日本的基于MTSAT多功能传输卫星的增强系统（MSAS）10

1．4．5 加拿大的广域增强系统（CWAAS）10

1．4．6 中国的卫星导航增强系统（SNAS）10

1．4．7 印度的GPS和GEO增强导航系统（GAGAN）10

1．4．8 地基增强系统（GBAS）11

1．4．9 Inmarsat民用导航13

1．4．10 卫星重叠导航服务13

1．4．11 未来的卫星系统13

1．5 应用14

1．5．1 航空14

1．5．2 航天器引导14

1．5．3 海运14

1．5．4 陆地14

1．5．5 地理信息系统（GISs）、绘图及农业15

习题15

第2章 卫星导航和惯性导航的基本原理16

2．1 导航系统研究16

2．1．1 不同于GNSS的系统16

2．1．2 比较标准16

2．2 惯性导航的基本原理17

2．2．1 惯性导航的基本概念17

2．2．2 惯性导航系统19

2．2．3 传感器的信号处理23

2．2．4 独立INS性能28

2．3 卫星导航29

2．3．1 卫星轨道29

2．3．2 导航解算（二维实例）30

2．3．3 卫星选择和精度因子32

2．3．4 DOPs的计算实例36

2．4 时间与GPS37

2．4．1 协调世界时的产生37

2．4．2 GPS系统时38

2．4．3 接收机UTC的计算38

2．5 例子：无误差的用户定位计算39

2．5．1 用户的位置计算39

2．5．2 用户的速率计算41

习题41

第3章 信号特征及信息提取45

3．1 信号的数学模型45

3．2 GPS信号的组成、用途和特性46

3．2．1 50bps的数据码流46

3．2．2 GPS卫星位置的计算51

3．2．3 C/A码及其性能54

3．2．4 P码及其性能59

3．2．5 L1和L2载波60

3．3 信号功率电平61

3．3．1 发射功率电平61

3．3．2 自由空间损耗因子61

3．3．3 大气损耗因子61

3．3．4 天线增益和最低接收信号功率61

3．4 信号的捕获和跟踪62

3．4．1 可见卫星的确定62

3．4．2 信号的多普勒估计63

3．4．3 在频率和C/A码相位范围内搜索信号63

3．4．4 信号检测和确认66

3．4．5 码跟踪环68

3．4．6 载波相位跟踪环71

3．4．7 位同步74

3．4．8 数据位解调74

3．5 导航解算所需信息的提取75

3．5．1 信号发射时间信息75

3．5．2 星历数据75

3．5．3 使用C/A码的伪距测量75

3．5．4 使用载波相位的伪距测量77

3．5．5 载波的多普勒测量78

3．5．6 积分的多普勒测量79

3．6 伪距和频率估计的理论考虑80

3．6．1 码伪距性能的理论值与实际值80

3．6．2 载波伪距的理论误差界限82

3．6．3 频率测量的理论误差界限83

3．7 GPS的现代化83

3．7．1 当前系统的不足83

3．7．2 现代GPS的组成84

3．7．3 GPS卫星系列87

3．7．4 现代化的精度改进87

3．7．5 现代化改进信号的结构88

习题90

第4章 接收机及天线的设计93

4．1 接收机的结构93

4．1．1 射频级（前端）93

4．1．2 下变频及中频放大94

4．1．3 数字化95

4．1．4 基带信号处理96

4．2 接收机设计的选择97

4．2．1 信道数和序列速率97

4．2．2 L2特性99

4．2．3 码型选择：C/A码、P码或无码99

4．2．4 SA信号100

4．2．5 差分性能101

4．2．6 伪卫星的兼容性102

4．2．7 对伪卫星信号的抗扰性106

4．2．8 辅助输入107

4．3 高灵敏辅助的GPS系统（室内定位）107

4．3．1 辅助数据如何改变接收机的性能108

4．3．2 影响接收机高灵敏度的因素110

4．4 天线的设计112

4．4．1 天线形式112

4．4．2 GPS信号的圆极化113

4．4．3 相控阵天线的原理114

4．4．4 天线相位中心117

习题117

第5章 GNSS数据误差119

5．1 选择可用性误差119

5．1．1 时域描述121

5．1．2 SA的数据采集123

5 2 电离层传播误差124

5．2．1 电离层延迟模型126

5．2．2 GPS的电离层算法127

5．3 对流层传播误差134

5．4 多径问题135

5．5 多径如何引起测距误差135

5．6 多径抑制方法137

5．6．1 窄间处理技术137

5．6．2 时域处理139

5．6．3 MMT技术142

5．6．4 时域方法的性能149

5．7 多径消除的理论限制151

5．7．1 估计理论方法151

5．7．2 MMSE估计器152

5．7．3 多径建模误差152

5．8 星历数据误差152

5．9 星载时钟误差152

5．10 接收机时钟误差154

5．11 误差预估计155

5．12 差分GNSS156

5．12．1 码差分测量156

5．12．2 载波相位差分测量157

5．12．3 利用二次差分测量的定位159

5．13 GPS精确点定位服务及产品160

习题162

第6章 差分GNSS164

6．1 简介164

6．2 LADGPS、WADGPS和SBAS164

6．2．1 局域差分GPS（LADGPS）164

6．2．2 广域差分GPS（WADGPS）164

6．2．3 空基增强系统（SBAS）165

6．3 地基增强系统（GBAS）169

6．3．1 区域增强系统（LAAS）169

6．3．2 联合精度进近着陆系统（JPALS）169

6．3．3 LORAN-C170

6．4 GEO上行链路子系统（GUS）170

6．4．1 GUS算法170

6．4．2 在轨测试（IOT）172

6．4．3 电离层延迟估计172

6．4．4 码-载波频率的相干性173

6．4．5 载频稳定性175

6．5 GUS的时钟控制算法175

6．5．1 主GUS的时钟控制算法176

6．5．2 备用GUS的时钟控制算法177

6．5．3 时钟控制测试结果的描述178

6．6 GEO L1／L5信号179

6．6．1 空基增强系统（SBAS）的GE0179

6．6．2 GEO上行链路子系统类型1（GUST）控制环181

6．7 新的GUS时钟控制算法185

6．7．1 接收机时钟误差的确定187

6．7．2 时钟驱动控制定律188

6．8 GEO轨道的确定190

6．8．1 影响GEO信号性能的因素190

6．8．2 轨道确定协方差分析190

习题195

第7章 GNSS、GEO信号的完好性196

7．1 接收机自主完好性监测（RAIM）196

7．1．1 Lee距离比较法［121］196

7．1．2 最小二乘法［151］196

7．1．3 等价法［182，183］197

7．2 SBAS和GBAS完好性的设计198

7．2．1 SBAS误差源和完好性威胁199

7．2．2 与GPS相关的误差200

7．2．3 与GEO相关的误差202

7．2．4 接收机和测量处理误差202

7．2．5 估计误差204

7．2．6 与完好性界限相关的误差204

7．2．7 GEO上行链路误差205

7．2．8 完好性威胁的消除205

7．3 SBAS实例210

7．4 结束语212

7．5 GPS完好性信道（GIC）212

第8章 卡尔曼滤波213

8．1 简介213

8．1．1 什么是卡尔曼滤波器？213

8．1．2 卡尔曼滤波器的工作原理214

8．2 卡尔曼增益215

8．2．1 获取卡尔曼增益的途径215

8．2．2 高斯概率分布密度函数216

8．2．3 似然函数的性质217

8．2．4 组合信息矩阵的求解219

8．2．5 组合最大值（argmax）的求解219

8．2．6 有噪测量似然220

8．2．7 高斯最大似然估计221

8．2．8 用于最大似然估计的卡尔曼增益矩阵223

8．2．9 利用卡尔曼增益的估计修正223

8．2．10 用于测量的协方差修正224

8．3 预测224

8．3．1 连续时间随机系统224

8．3．2 离散时间随机系统229

8．3．3 离散时间状态空间模型230

8．3．4 动态扰动噪声分布矩阵231

8．3．5 预测器方程231

8．4 卡尔曼滤波方程总结232

8．4．1 基本方程232

8．4．2 常用术语232

8．4．3 数据流程图233

8．5 对时间相关噪声的适应性234

8．5．1 相关噪声模型234

8．5．2 传感器噪声的经验模型236

8．5．3 状态向量增量238

8．6 非线性和自适应的实现239

8．6．1 非线性动态239

8．6．2 非线性传感器240

8．6．3 线性卡尔曼滤波241

8．6．4 扩展卡尔曼滤波242

8．6．5 自适应卡尔曼滤波243

8．7 卡尔曼—布西滤波器（KALMAN-BUCYFILTER）244

8．7．1 实现方程244

8．7．2 卡尔曼—布西滤波器参数245

8．8 GPS接收机实例246

8．8．1 卫星模型246

8．8．2 测量模型247

8．8．3 坐标247

8．8．4 测量灵敏度矩阵247

8．8．5 实现的结果248

8．9 其他的卡尔曼滤波器改进254

8．9，1 斯密特—卡尔曼次最佳滤波254

8．9．2 串行测量处理256

8．9．3 改进数字稳定性258

8．9．4 卡尔曼滤波器监控261

习题264

第9章 惯性导航系统267

9．1 惯性传感器技术267

9．1．1 早期的陀螺仪267

9．1．2 早期的加速度计270

9．1．3 反馈控制技术273

9．1．4 旋转科里奥利多传感器275

9．1．5 激光技术和光学陀螺仪277

9．1．6 振动科里奥利陀螺仪（VCG）278

9．1．7 微机电系统技术279

9．2 惯性系统技术280

9．2．1 早期的需求280

9．2．2 计算机技术281

9．2．3 早期的捷联系统282

9．2．4 INS和GNSS282

9．3 惯性传感器模型284

9．3．1 零均值随机误差284

9．3．2 系统误差285

9．3．3 其他校准参数288

9．3．4 校准参数的不稳定性289

9．3．5 辅助传感器290

9．4 系统运行模型290

9．4．1 一维的实例290

9．4．2 初始化和校准292

9．4．3 地球模型294

9．4．4 平衡环姿态的实现300

9．4．5 捷联姿态的实现302

9．4．6 导航计算机和软件的需求307

9．5 系统级误差模型308

9．5．1 误差来源309

9．5．2 导航误差传播311

9．5．3 传感器的误差传播316

9．5．4 实例319

习题323

第10章 GNSS/INS组合324

10．1 背景324

10．1．1 传感器组合324

10．1．2 对主载体轨迹性能的影响325

10．1．3 松耦合和紧耦合组合325

10．1．4 天线／惯性传感器组的偏移修正327

10．2 主飞行器动态的影响328

10．2．1 飞行器跟踪滤波器329

10．2．2 主飞行器专用跟踪滤波器331

10．2．3 飞行器跟踪滤波器的比较340

10．3 松耦合组合342

10．3．1 总体方法342

10．3．2 GNSS误差模型343

10．3．3 接收机位置误差模型346

10．3．4 INS误差模型347

10．4 紧耦合组合351

10．4．1 为获得JNS垂直通道稳定性使用GNSS351

10．4．2 利用INS加速度以辅助GNSS信号跟踪352

10．4．3 使用GNSS伪距352

10．4．4 实时INS校准356

10．5 未来发展361

附录A 软件362

附录B 向量和矩阵366

附录C 坐标变换390

缩略语430

参考文献437