卫星导航定位基础

　　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，本书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。

　　孙敏：：：：：：： 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。

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 ……………………