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GNSS惯性导航组合（第3版）

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GNSS惯性导航组合（第3版）

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Content Description

全书共12章，第1章综述了GNSS、INS和GNSS/INS组合的发展现状和应用情况；第2、3章分别介绍了卫星导航和惯性导航的基本知识；第4章详细介绍了原有GPS信号的特性，并着重介绍了GPS现代化、GLONASS、Galileo等的基本情况；第5、6章介绍了GNSS天线和接收机设计；第7章分析了GNSS数据误差，着重介绍了多径问题及其消除方法；第8、9章分别介绍了差分GNSS和GNSS及GEO信号完好性等内容，第10章重点研究了卡尔曼滤波，介绍了几种不同的卡尔曼滤波实现方法；第11章对惯性导航系统的主要误差进行了深入分析；第12章系统研究了GNSS/INS组合的原理及数学建模、性能分析等内容。

Author Description

陈军：中国人民解放军63880部队技术部高级工程师，参加翻译、编写出版了多部专著。

Catalogue

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
Introduction

译 者 序

导航是保障人类交通及军事活动的重要手段。从19世纪中期开始，惯性导航技术经历100多年的时间，目前已发展成为一种涉及多学科的综合性尖端技术。卫星导航从20世纪60年代出现后，展现了巨大的优越性，加速发展的势头至今不减。两种导航的组合应用能够充分发挥两者的优势，是当前导航领域的一个研究热点，也是译者所在的导航技术实验室非常感兴趣的一个技术方向。

对导航技术感兴趣的众多科技人员和院校学生非常需要一些提供导航基础理论并关注技术应用设计方面的参考书籍。我们是一群从事导航技术研究、应用与测试的技术人员。在学习和工作过程中，我们确实感觉到参考与交流的重要性，找到合适的技术参考资料，学习和工作的效率会大大提高。因此，我们将自己在科研试验中的工作经验和研究成果进行总结归纳，撰写出版了《通信对抗装备试验》（含卫星导航干扰内容）、《卫星导航定位与抗干扰技术》等涉及导航技术的著作。同时，结合自身的应用感受，我们将自己参考过的一些外文技术书籍进行了翻译，包括《GPS软件接收机基础》、《高速传感器辅助导航》和《GPS惯性导航组合》等，这些都是我们认为比较有特色的书籍。它们被实验室用作进行导航技术学习和训练的系列教材，反映较好；同时，这些书籍出版后，得到了广大读者的肯定和鼓励，这也成为我们翻译本书的重要动力来源。

本书的特点在于其基础理论知识讲述透彻，技术应用方法思路清晰。对卫星导航基础知识的书籍而言，有关惯性导航基础知识的书籍要少得多，本书恰恰对卫星导航和惯性导航的基本原理都讲述得非常清楚。在技术应用方面，原书作者对卫星导航和惯性导航误差进行了深入分析，对卡尔曼滤波及实现组合导航的若干技术问题进行了建模分析，对应用理论知识解决实际问题时的技术思路具有示范意义。本书是一本适合高等院校相关专业师生教学参考和相关领域科研人员阅读的书籍。

本书内容主要围绕卫星导航与惯性导航的原理及其组合导航技术展开，注重从理论基础引向系统设计方法。书中主要介绍了GNSS和INS的基本理论，详细分析了如何对GNSS和INS组合实施有效的卡尔曼滤波，从而提高导航定位精度，提供了INS运行所必需的数学模型、卡尔曼滤波的MATLAB实现算法及GNSS/INS组合仿真的MATLAB实现。

本书以《GPS惯性导航组合》为基础，并根据GNSS/INS技术的重要进步和审阅者及读者的一些建议，增加了GNSS系统的升级和其他当前正在开发的系统的有关进展以及GNSS/INS组合等方面的内容。

本书由陈军、余金峰、纪学军、安新源、孙吉、赵彬和云超翻译。参加翻译的还有李飞、王大明、崔建勇、芦秀伟、商向永、余辉、窦赛、李星和张耀春等。本书由中国电子科技集团第五十四所副所高晓滨研究员主审。

易翔和梁高波等参与了本书上一版《GPS惯性导航组合》的翻译工作，黄静华、郭伟锋、黄璞和李鹏等对本书的校对做了大量工作，××重点实验室主任××研究员对译稿进行了仔细审阅并提出了许多宝贵意见，在此谨致深切谢意。

原书所配光盘中的内容，读者可以登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后免费进行下载。

由于译者水平有限，书中难免存在错误和不足之处，恳请读者批评指正。


译 者


致 谢

我们感谢克莱尔蒙特研究生大学的John Angus教授、加利福尼亚大学河滨分校的Jay A. Farrell和New Brunswick大学的Richard B. Langley在本书的编写和出版过程中所给予的帮助。感谢雷神公司的Laura A. 女士在第8章（差分GNSS）和MATLAB程序代码方面提供的专业性帮助。特别要感谢加利福尼亚州立大学的Larry Weill博士在第7章抗多径算法方面所做的贡献。

A. P. A.感谢莫斯科航空研究院的Andrey Podkorytov对施密特-卡尔曼滤波器的修改；感谢来自Northrop Grumman的Randall Core和来自C. S. Draper实验室的Michael Ash对惯性传感器技术IEEE初步标准方面的工作；感谢GPSoft公司的Michael Braasch博士提供的GPSoft INS和GPS MATLAB工具箱的评估版；感谢Jeff Schmit博士和Robert F. Nease博士，他们分别作为工程部原副总裁和自动控制部首席科学家，提供了关于早期惯性导航的相关信息；感谢Edward H. Martin提供了关于GPS/INS组合导航早期历史的相关信息；感谢Helen Boltinghouse女士提供了关于其已故丈夫Joseph C. Boltinghouse的个人回忆录。

C. G. B.感谢俄亥俄大学及其优秀教职员和学生们，在这些年中，作者和他们在教学和研究中进行了愉快的互动交流。在这样良好的环境下，他能够开展广泛的研究，并将这些研究成果撰写出版。还要感谢NovAtel公司的Pat Fenton和Samantha Poon、Sensor Systems公司的Dave Brooks、Roke公司的James Horne及u-blox公司的Herbert Blaser，感谢他们提供了天线方面的信息。

出 版 说 明

对定位和导航的需求伴随着人类文明的发展史，进入21世纪以来，人类社会对这种需求却从未像今天这样迫切。定位和导航技术在国防和军事上的重要性不言而喻，同时在民用领域也已经展现了巨大的应用前景和广阔的商业市场，势必在不远的将来改变我们每个人的思维方式和生活习惯。随着现代科学技术的发展，尤其是通信、航天和半导体技术的飞速发展，基于卫星的无线电导航系统已经成为目前主流的定位和导航系统的系统架构。目前，全世界已经投入运行的卫星定位和导航系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，正在发展的有欧盟的伽利略系统和中国的北斗卫星导航系统。从系统构成的角度分析，基于卫星的定位和导航系统主要由空间卫星网络、地面控制中心和用户终端构成；从技术的角度分析，卫星定位和导航系统包括卫星姿态控制、卫星通信、原子钟技术、控制理论、微电子技术、系统状态参数估计和测绘测量等诸多现代科技分支。总体而言，基于卫星的定位和导航系统是现代科技多分支的有机结合，体现了一个国家的综合技术实力，是当前世界大国和主要利益集团之间竞相发展和竞争的热点科技领域。

在这样的背景下，为了推进祖国卫星定位和导航技术的快速发展，同时共享世界上已经成熟的相关理论和应用，我们携手业界知名专家和相关技术人员，借鉴了在学术界和工业界都已经成熟的卫星定位和导航理论，注重实际经验的总结与提炼，策划出版了这套面向21世纪的“卫星定位与导航系列丛书”。本套丛书中除了有国内专家、学者创作的技术专著外，还包括我们精挑细选从国外引进的一些精品图书。丛书的作、译者都是当今站在卫星定位和导航技术前沿的专家、学者及相关技术人员，丛书凝聚了他们在理论研究和实践工作中的大量经验和体会，以及电子工业出版社编辑的心血和汗水。丛书立足于卫星定位和导航系统中所涉及的最新和成熟技术，以实用性、工具性、可读性强为特色，注重读者在实际工作和学习中最关心的问题，涵盖了从初学者到具有一定水平的工程技术开发人员和学术研究人员的不同需求，对卫星定位和导航技术的基本概念、多学科的技术细节和实现，以及未来技术展望进行了深入浅出的翔实论述。其宗旨是将卫星定位和导航技术中最实用的知识、最经典的技术应用奉献给业界的广大读者，使读者通过阅读本套丛书得到某种启示，在日常工作中有所借鉴。

本套丛书的读者定位于卫星定位和导航相关产业的工程技术人员、技术管理人员，高等院校相关专业的高年级本科生、研究生，以及所有对卫星定位和导航技术感兴趣的人。

在本套丛书的编辑出版过程中，我们得到了业界许多专家、学者的鼎力相助，丛书的作、译者为之付出了大量的心血，对此，我们表示衷心感谢！同时，也热切欢迎广大读者对本套丛书提出宝贵意见和建议，或推荐其他优秀的选题（E-mail：mariams@phei.com.cn），以帮助我们在未来的日子里，为广大读者及时推出更多、更好的卫星定位和导航技术类优秀图书。



电子工业出版社

2015年12月


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品牌 京東圖書
品牌屬地 China

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