第1章全球卫星导航系统起源与发展动态
　　【教学及学习目标】
　　本章主要介绍全球卫星导航系统起源、发展动态及应用。通过本章的学习，学生可以了解卫星导航定位系统的基本情况、前沿动态、在国防与国民经济建设领域的典型应用，以及基于GNSS的PNT体系建设情况，从而建立起对卫星导航定位系统全局性的认识。
　　1.1引言
　　1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号（Sputnik-1）。
　　卫星入轨后，科学家意外发现：当卫星过境时，地面站测量可检测到明显的无线电信号多普勒频移信息，该信息可用于卫星轨道确定。该发现及相关的研究成果推动了美国海军设计建设世界上第一个卫星导航系统，开启了人类利用人造卫星进行导航定位的新纪元。
　　基于多普勒频移测量的卫星导航系统适合海上舰船，因为其用户定位更新需求不频繁，但不适合要求频繁或连续定位的飞机和移动用户。为了满足用户连续、实时、精确导航的需求，人们开始探索基于无线电信号传输的时间和星地时间同步的被动式卫星测距技术。
　　随着卫星导航系统在越来越多领域中的广泛应用，系统提供的基本全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）性能已无法满足某些特定应用场景下用户的需求。
　　人们通过技术进步与创新，提出并实现了面向民航、海事等生命安全重点用户领域的广域差分与完好性增强等技术手段。
　　卫星导航系统具有统一、精确、易用、广泛的独特优势，作为信息化社会基础的时间空间基准服务已深度融入社会的各行各业中，在空间信息网络中的重要地位日益凸显，催生着其在定位授时功能的基础上进行融合创新，并发展符合新用户需求的各类特色服务。
　　随着自动驾驶、移动物联网、5G等技术的发展，智能时代已经来临，人类对精准时空信息的需求愈发强烈，卫星导航系统作为*重要的时空基础设施，可为各类智能应用场景广泛赋能。目前，各卫星导航系统相互并存也相互竞争，通过时空基准、信号体制的创新设计，实现了不同系统的兼容互操作和融合处理，共同为人类提供更加优质的定位、导航和授时（positioning，navigation，and timing，PNT）服务。与此同时，各卫星导航系统地面系统能力大幅提升，数以万计的地面监测站覆盖全球，低成本高性能接收设备不断涌现，卫星导航信号和信息数据处理技术不断创新，使卫星导航进入多星座全球服务新时代。
　　1.2卫星导航系统起源
　　卫星导航系统的建立，*初是出于军事目的。1964年投入使用的美国子午仪卫星导航系统（简称子午仪系统），就是为修正北极星潜艇的惯性导航系统定位误差而研制的。随着冷战的结束及卫星导航系统的发展和完善，卫星导航技术在军事和民用领域已经得到了广泛的应用，卫星导航定位技术的商业化趋势也越来越明显。
　　1.2.1子午仪系统及其局限性
　　子午仪系统（图1-1），又称为海军导航卫星系统（navy navigation satellite system，NNSS）。1964年在军事上正式投入使用，1967年开始提供民用，目前已停止使用。子午仪系统由三部分组成，即空间部分、地面监控部分和用户部分。
　　（1）空间部分由6颗轨道高约1100km的卫星组成，它们分布在6个轨道平面内，其轨道面相对地球赤道的倾角约为90°，轨道形状近于圆形，运行周期约为108min。卫星发播400MHz及150MHz两种频率的载波，供用户及监控站对卫星进行观测。在400MHz的载波上调制有导航电文，它向用户提供卫星位置和时间信息，用于测站位置解算。
　　（2）地面监控部分包括卫星跟踪站、计算
　　中心和注入站。卫星跟踪站不间断地观测卫星，将数据传至计算中心，计算中心根据跟踪数据计算卫星轨道，并形成对应不同时间的一系列导航电文，注入站将电文注入卫星存储器，由卫星定时提供给用户。
　　（3）用户部分主要是用户接收机。用户接收机接收卫星播发的无线电信号，测量卫星与接收机相对运动而产生的多普勒频移，并根据卫星播发的导航电文，计算卫星位置。由于多普勒频移反映了卫星与接收机的相对运动速度，它包含了卫星与接收机的相对位置信息，根据卫星位置就可以计算接收机的位置。
　　子午仪系统只能提供二维导航解，取得一次定位结果需对一颗卫星观测8～10min，定位精度一般优于±40m。不同地理位置的测站，平均1.5h才能定位一次，利用卫星的瞬时位置和测站坐标之间的数学关系，可以计算出测站地心坐标。固定地面测站，每隔一小时可以观测到子午仪卫星通过一次，一般观测40～50次，利用收到的卫星星历和单点定位技术求得的测站地心坐标，其精度可达±（3～5）m。
　　苏联在20世纪70年代也建成过类似于子午仪系统的奇卡达（Tsikada）卫星导航系统。奇卡达卫星导航系统由6颗导航卫星组成卫星网，轨道高约为1000km，与赤道面夹角为83°，绕地球一周时间为105min。系统工作频率为400MHz和150MHz，信号调制方法与子午仪系统有所不同。
　　虽然采用多普勒测量的方法建立起来的子午仪系统在卫星导航定位的发展中具有里程碑的意义，但该系统也存在明显的缺点，主要表现如下。
　　（1）无法提供实时、动态定位。由于该系统卫星数目较少，从地面站观测所需等待卫星出现的时间较长（平均约为1.5h），无法提供连续的实时定位，难以充分满足军事方面的要求，尤其是高动态目标（如飞机、导弹、卫星等）导航的要求，也无法满足汽车等运行轨迹较为复杂的地面车辆导航定位的需要。
　　（2）定位速度慢。利用子午仪卫星进行测量时，由于卫星数目少，大部分时间都是在等待卫星，真正的观测时间不足20%，限制了作业效率。为获得对大地测量有意义的成果，一般需观测50～100次合格的卫星通过，历时一星期左右。
　　（3）定位精度低。子午仪卫星运行高度较低（平均约为1100km），属于低轨卫星，卫星运行时受地球重力场模型误差和大气阻力等摄动因素造成的误差影响很大，通常只能获得分米级至米级的定位精度；同时，还受到信号频率、卫星钟等其他因素的影响，因此该系统在大地测量学和地球动力学研究方面的应用也受到了很大的限制。
　　1.2.2全球定位系统的产生、发展及前景
　　随着1957年苏联第一颗人造地球卫星的发射，20世纪60年代空间技术迅速发展，各种人造卫星相继升空，人们很自然地想到如果把无线电信号从卫星上发射，组成一个卫星导航系统，就能较好地解决覆盖面与定位精度之间的矛盾，于是出现了卫星导航系统。它具有地基无线电导航系统无法比拟的优点和精度，因而得到了迅速的发展，特别是美国全球定位系统（global positioning system，GPS）的投入使用和应用范围的不断扩大，逐渐使传统的天文导航和地面/近地无线电导航定位系统结束了长期的垄断地位。
　　卫星导航定位技术代表着无线电导航技术的发展趋势，对传统的导航理论与技术产生了深远的影响。随着卫星导航系统的建设与发展，一些传统的无线电导航系统有的已经关闭或退出现役，如奥米伽系统已经关闭、子午仪系统已退出现役。一些已有的卫星导航系统如美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）的发展与应用及地理信息技术在国民经济发展中凸显出的重要作用，促使一些国家和地区开始建设和发展其自身的卫星导航系统，如欧洲正在建设中的伽利略（Galileo）卫星导航系统、日本的准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system，QZSS）等。其中，GPS、GLONASS、Galileo、BDS为全球导航系统，为方便起见，在本书中将以上卫星导航系统统一称为全球导航卫星系统（GNSS）。GNSS具有如下特点。
　　（1）覆盖区域广。GNSS能在全球范围内提供全天候连续定位、导航和授时（PNT）服务。
　　（2）测量精度高。GNSS能连续地为用户提供三维的位置和速度信息，以及精确的时间信息。如GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，在100～500km范围内可达10-7，在1000km以上可达10-9。在300～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解算，其平面误差小于1mm；测速精度优于0.1m/s；相对于GPS时间标准的授时精度优于10ns，相对世界协调时（coordinated universal time，UTC）的授时精度优于1μs，将来有可能提高到100ns。
　　（3）观测时间短。一般的用户接收机冷启动时间约为35s、热启动时间为1s，观测数据采样率可达100Hz，这对飞机、火箭、导弹等高动态用户有重要意义。GNSS用于快速静态相对定位测量，流动站与基准站基线距离小于15km时，流动站只需观测1～2min，即可达到毫米级测量精度；用于动态相对定位，基线距离小于15km时，实时动态定位精度平面优于75px、垂直优于125px。
　　（4）抗干扰能力强。GNSS导航信号是用导航电文和伪随机码调制高频载波而得到的。通过给不同的导航卫星分配不同的伪随机码，用伪随机码对导航电文进行调制，使导航信号的带宽被扩展，进而调制高频载波，实现码分多址（code division multiple access，CDMA），从而使卫星导航信号具有CDMA抗干扰性强的基本特点。
　　（5）操作简便。GNSS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高程、监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，其他的观测和数据记录等均由仪器自动完成。
　　1.3全球卫星导航系统建设进展
　　1.3.1BDS
　　1.概述
　　北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。
　　我国高度重视北斗系统建设发展，自20世纪80年代开始探索适合我国国情的卫星导航系统发展道路，形成了“三步走”发展战略：2000年底，建成北斗一号系统，向国内提供服务；2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成北斗三号系统，向全球提供服务（发展历程如图1-2所示，星轨设计如图1-3所示，北斗导航卫星系统覆盖范围示意图如图1-4所示，卫星发射情况如表1-1所示）。

目录
第1章 全球卫星导航系统起源与发展动态 1
【教学及学习目标】 1
1.1 引言1
1.2 卫星导航系统起源 2
1.2.1 子午仪系统及其局限性 2
1.2.2 全球定位系统的产生、发展及前景 3
1.3 全球卫星导航系统建设进展4
1.3.1 BDS 4
1.3.2 Galileo 14
1.3.3 GPS24
1.3.4 GLONASS 31
1.3.5 区域导航系统 35
1.4 GNSS在各个领域中的应用及我国卫星导航应用展望 37
1.4.1 民用领域 38
1.4.2 军事领域 38
1.4.3 我国卫星导航应用展望 38
1.5 基于GNSS的PNT体系 40
1.5.1 体系框架41
1.5.2 综合PNT 42
1.5.3 水下PNT 46
1.5.4 微PNT 51
1.5.5 弹性PNT 57
思考题 61
参考文献 61
第2章 GNSS精密定位基本数学原理 63
【教学及学习目标】 63
2.1 引言 63
2.2 GNSS基本观测方程 63
2.2.1 测距码观测量 63
2.2.2 载波相位观测量 64
2.3 GNSS定位基本数学模型 64
2.3.1 单点定位模型 64
2.3.2 双差精密定位模型 66
2.4 GNSS精密定位整数估计方法 67
2.4.1 混合整数模型估计步骤 68
2.4.2 整数估计定义 68
2.5 三种常用整数估计 70
2.5.1 取整估计 70
2.5.2 Bootstrapping估计 70
2.5.3 整数*小二乘估计 71
2.6 整数估计成功率 73
2.6.1 取整估计成功率 73
2.6.2 Bootstrapping估计成功率 74
2.6.3 整数*小二乘估计成功率 74
2.7 基于格基规约的GNSS整数估计 76
2.7.1 格基理论及GNSS整数估计 76
2.7.2 LLL规约 78
2.8 LAMBDA规约及搜索算法 82
2.8.1 LAMBDA规约方法 82
2.8.2 LAMBDA规约与1-LLL规约等效 83
2.8.3 LAMBDA搜索算法 84
2.9 LLL深度规约 87
2.9.1 定义 87
2.9.2 两种全局排序方法 88
2.9.3 快速V-BLAST排序 90
2.9.4 循环快速V-BLAST 排序规约 91
2.10 GNSS整数估计检验 92
2.10.1 常用GNSS整数解检验方法 93
2.10.2 GNSS整数解后验概率检验 93
2.10.3 后验概率检验 97
思考题 100
参考文献 100
第3章 网络RTK 技术 104
【教学及学习目标】 104
3.1 引言 104
3.2 网络RTK概述 105
3.2.1 基本概念及原理 105
3.2.2 系统组成 106
3.2.3 技术特点及影响因素 109
3.2.4 关键技术 110
3.3 网络RTK技术服务种类 112
3.3.1 虚拟参考站技术 113
3.3.2 主辅站技术 115
3.3.3 区域改正参数技术 116
3.3.4 综合误差内插法 117
3.3.5 联合单参考站RTK技术 117
3.4 网络RTK建设现状及发展趋势 118
3.4.1 建设现状 118
3.4.2 发展趋势 120
思考题 121
参考文献 121
第4章 精密单点定位技术 123
【教学及学习目标】 123
4.1 引言 123
4.2 精密单点定位技术发展现状 123
4.2.1 PPP实数解 124
4.2.2 PPP固定解 127
4.2.3 实时PPP 129
4.2.4 多频多系统PPP 130
4.2.5 PPP-RTK 132
4.3 精密单点定位基本原理 133
4.3.1 精密单点定位函数模型构建 133
4.3.2 精密单点定位随机模型构建 135
4.3.3 参数估计 136
4.3.4 数据预处理及质量控制 138
4.4 精密单点定位误差来源及处理方法 141
4.4.1 与卫星相关误差及处理方法 141
4.4.2 与信号传播过程相关误差及处理方法 143
4.4.3 与接收机和测站相关误差及处理方法 144
4.5 精密单点定位模糊度固定 147
4.5.1 模糊度固定基本问题 147
4.5.2 模糊度验证及质量控制方法 151
4.6 精密单点定位性能分析 154
4.6.1 静态定位性能分析 154
4.6.2 动态定位性能分析 156
思考题 158
参考文献 158
第5章 北斗/GNSS地基/星基增强系统 164
【教学及学习目标】 164
5.1 引言 164
5.2 地基增强系统 165
5.2.1 系统概述 165
5.2.2 北斗地基增强系统构成 169
5.2.3 北斗地基增强系统产品 171
5.2.4 北斗地基增强服务性能指标 175
5.3 星基增强系统 176
5.3.1 系统概述 176
5.3.2 北斗星基增强系统构成 187
5.3.3 北斗星基增强系统产品 192
5.3.4 北斗星基增强服务性能指标 196
5.4 低轨导航GNSS增强系统 198
5.4.1 信息增强及信号增强 198
5.4.2 现有GNSS增强系统 198
5.4.3 低轨星座优缺点 200
5.4.4 低轨导航增强关键技术 201
5.5 星载GNSS定轨技术 201
5.5.1 发展现状及应用前景 201
5.5.2 低轨卫星星载GNSS定轨 201
5.5.3 星载GNSS定轨原理 204
5.5.4 导航卫星星间链路自主定轨 209
思考题 214
参考文献 214
第6章 GNSS组合导航 216
【教学及学习目标】 216
6.1 引言 216
6.2 GNSS/INS组合导航 217
6.2.1 概述 217
6.2.2 系统结构 218
6.2.3 数学模型 222
6.2.4 关键技术 225
6.2.5 发展趋势 226
6.3 GNSS/GIS数据融合 228
6.3.1 地理信息在卫星导航应用中的发展趋势 229
6.3.2 GNSS/GIS集成在车辆导航中的应用 231
6.3.3 3S一体化融合应用 233
6.3.4 基于北斗卫星导航系统的高精度位置服务系统 236
6.4 GNSS/天文组合导航 238
6.4.1 系统结构 238
6.4.2 数学模型 239
6.5 GNSS/视觉组合导航 242
6.6 GNSS与传统无线电组合导航 244
思考题 245
参考文献 246
第7章 GNSS遥感新技术 247
【教学及学习目标】 247
7.1 引言 247
7.2 GNSS折射遥感技术 248
7.2.1 大气分层及大气折射 248
7.2.2 GNSS对流层延迟 250
7.2.3 GNSS电离层延迟 252
7.2.4 地基GNSS大气水汽探测 254
7.2.5 地基GNSS电离层TEC 探测 255
7.2.6 地基GNSS大气水汽/电离层层析探测 256
7.3 GNSS反射遥感技术 258
7.3.1 观测模式及接收平台 258
7.3.2 双天线GNSS-R遥感技术 259
7.3.3 单天线GNSS-R遥感技术 261
7.3.4 GNSS SAR成像遥感技术 263
7.4 GNSS遥感新技术发展趋势 264
7.4.1 GNSS-R低轨卫星 264
7.4.2 GNSS-R接收机265
7.4.3 基于北斗卫星的GNSS-R新兴遥感 265
思考题 265
参考文献 266
附录A IGS组织 268
附录B iGMAS 274
附录C STK 仿真软件 277
附录D RTKLIB软件 282
附录E Bernese 5.2软件 286