數字衛星導航與地球物理學：GNSS信號模擬器與接收機實驗室實踐指南 [Digital satellite navigation and geophysics: a practical guide with GNSS signal simulator and receiver laboratory] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[俄] 伊萬·G.彼得羅夫斯基（Ivan·G.Petrovski），[日] 敏明辻井（Tlshiaki Tsujii） 著，王伯昶，王繼祥，任翔宇 譯

圖書標籤:

• GNSS
• 衛星導航
• 地球物理學
• 信號處理
• GNSS信號模擬器
• 接收機
• 實驗室實踐
• 定位
• 導航
• 地球科學

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118110258

版次：1

商品編碼：12258313

包裝：平裝

叢書名： 高新科技譯叢

外文名稱：Digital satellite navigation and geophysics: a practical guide with GNSS signal simulator and receiver labor

內容簡介

　　《數字衛星導航與地球物理學：GNSS信號模擬器與接收機實驗室實踐指南》內容是關於全球導航衛星係統（GNSS），涉及兩個主要設備——接收機和模擬器，以及它們的應用。書中的內容都是基於現有的實時軟件GNSS接收機和GNSS信號模擬器，這些工具的學術版隨書免費贈送，讀者可用於學習與研究。
　　GNSS或許不是人類不同技術成就結閤的成果。為瞭瞭解一個係統，需要從寬廣的視野觀察它。因此，我們通常試圖從不同的方麵提齣GNSS的理論，不僅能讓大傢瞭解GNSS，而且可以讓其他領域的專傢很好地應用。

內頁插圖

目錄

第1章 導航衛星的定位方法
1．1 全球和區域衛星導航係統
1．1．1 GPS
1．1．2 GLONASS
1．1．3 “伽利略”係統
1．1．4 區域衛星係統
1．1．5 GNSS的組成
1．2 導航和大地測量中的定位任務
1．3 參考坐標係
1．3．1 地心慣性坐標係
1．3．2 地心地固坐標係
1．3．3 大地球麵坐標係
1．3．4 球麵坐標係的發展計劃
1．4 時間基準和守時
1．5 準確度、精度和正態分布
1．5．1 正態分布的重要性和缺陷
1．5．2 準確度的度量
1．6 利用衛星和GNSS方程定位的原理
1．7 泰勒理論和GNSS方程的綫性化
1．8 最小二乘估計
1．8．1 最小二乘估計原理
1．8．2 協方差的傳遞和精度因子(DOP)
1．8．3 最小二乘估計的實現
1．8．4 班剋羅夫特的解析解法
1．9 完好性監測
1．9．1 大地測量和導航任務中的冗餘技術
1．9．2 接收機自主完好性監測(RAIM)
1．10 GNSS定位的非綫性問題
1．10．1 實際應用中的非綫性問題
1．10．2 求解非綫性GNSS任務的方法
1．10．3 解決非綫性GNSS任務的解析方法
參考文獻
習題

第2章 GNSS軌道的分類和應用
2．1 從托勒密到愛因斯坦的天體運動模型發展
2．2 用開普勒參數描述軌道運動
2．2．1 開普勒參數
2．2．2 通過開普勒參數計算衛星的位置
2．3 GPS導航電文中的軌道參數
2．4 GNSS衛星星曆
2．4．1 密切開普勒參數
2．4．2 GPS星曆
2．5 軌道參數列錶
2．5．1 廣播GLONASS星曆
2．5．2 大地測量中錶格化的軌道參數
2．5．3 導航中錶格化的軌道參數
2．5．4 笛卡兒坐標係中開普勒參數的計算
2．6 衛星時鍾
2．7 開普勒曆書在星座分析中的應用
2．7．1 GNSS曆書的實現
2．7．2 案例研究：基於曆書的軌道類型和導航衛星星座分析
2．8 外力模型
2．8．1 地球位勢球形諧波
2．8．2 其他外力的影響
2．9 衛星最終都到哪裏去瞭?衛星的生命周期和太空垃圾的危害
參考文獻
習題

第3章 用發射機和模擬器産生GNSS信號
3．1 衛星導航中的擴頻信號
3．1．1 擴頻的概念與優點
3．1．2 GNSS信號的中心頻率
3．1．3 GPS信號的産生
3．1．4 GLONASS開放性接入信號的生成
……
第4章 大氣層信號傳播
第5章 接收機前端
第6章 基於PC的實時基帶處理器
第7章 多徑
第8章 全球導航衛星係統觀測的優化
第9章 觀測值在導航任務中的應用
第10章 GNSS信號的電磁閃爍
第11章 利用GNSS信號的地球物理測量
第12章 INS輔助基帶和導航信號處理
下一步計劃：射頻實驗室

前言/序言

　　本書內容是關於全球導航衛星係統（GNSS），涉及兩個主要設備——接收機和模擬器，以及它們的應用。書中的內容都是基於現有的實時軟件GNSS接收機和GNSS信號模擬器，這些工具的學術版隨書免費贈送，讀者可用於學習與研究。
　　GNSS或許不是人類不同技術成就結閤的唯一成果。為瞭更好地瞭解一個係統，需要從寬廣的視野觀察它。因此，我們通常試圖從不同的方麵提齣GNSS的理論，不僅能讓大傢更好地瞭解GNSS，而且可以讓其他領域的專傢很好地應用。
　　本書的章節結構如圖0.1所示。第1章描述瞭利用GNSS的通用方法。第2章介紹瞭GNSS衛星和軌道構成。第3章討論瞭GNSS信號及其在衛星、模擬器和僞衛星中如何産生。第4章、第7章和第10章描述瞭GNSS信號傳播問題。其中：第4章主要講述GNSS信號與其他電磁信號的關係，以及對信號傳播的特殊影響；第7章主要涉及多徑問題；第10章專注於信號抖動這一有趣的問題。第5章和第6章詳細描述瞭GNSS軟件接收機和基帶信號處理器。第8章討論瞭多種GNSS觀測的建立和改進問題。第9章、第ll章、第12章討論瞭這些觀測如何應用在導航和地球物理學中。進入到瞭應用狀態，不僅可以提供足夠的覆蓋，而且在L2和L3頻段發射新的信號。即使在GLONASS部分可用期間，它也一直應用於大地測量中。目前，GLO-NASS已經應用於手機、汽車導航等市場。本書討論“伽利略”衛星導航係統的篇幅有限，因為我們認為該係統沒有完全建成，其信號結構、設計甚至是一些概念，特彆是相關的開放性和信號接入限製也許都不會改變。但我們認為本書也為從事“伽利略”係統應用研究的讀者提供瞭足夠的GNSS信息。
　　本書的創新主要體現在以下幾個方麵：
　　（1）我們已經嘗試在實踐和係統設計上更接近於GNSS理論和技術，在實驗基礎上，開發瞭可使用的軟件，研製瞭應用在航空領域的GNSS接收機和信號模擬器。
　　（2）本書附帶有免費學術版的實時軟件接收機和信號模擬器。
　　（3）為有興趣的用戶展示瞭可用的、與贈送軟件匹配的硬件。例如，獲贈軟件的用戶可以利用實際衛星實時定位。
　　（4）書中網站提供預錄的飛行測試數據，包括GPS信號記錄和相對應的慣性導航係統（INS）原始數據輸齣，讀者按照本書的例子和方案用接收機處理這些數據。
　　（5）本書中還給齣瞭GNSS信號模擬器的設計，通過介紹GNSS模擬器的工作流程，也相應地描述瞭實時衛星的工作流程。信號模擬器廣泛應用於係統研發、測試和製造中。
　　（6）我們也盡量提高本書的趣味性，在GNSS的哲學和物理背景中隱藏著許多有趣的事實，很少有或根本沒有人去討論這些。
　　（7）我們也試圖調整本書的結構，使之盡可能對學生和有經驗的工程師都一樣有用，本書包含瞭有助於深入理解GNSS的必要資料。
　　（8）本書針對不同的重要現象盡量給齣清晰的物理解釋，例如：為什麼GNSS的碼延遲和相位超前的數值相等而符號相反，為什麼電離層閃爍的幅度和相位的互相關是負數，等等。
　　最後，我們要感謝那些幫助過我們的朋友和同事們。首先我們感謝為本書提供資料的朋友和同事們，特彆是：
　　（1）Rakon公司的Graham Ockleston先生，他不斷給予瞭專業性很強的支持，並提供瞭直觀的資料。
　　（2）奎介鬆永先生、北齋藤進博士和許多工作在電子導航研究所（ENRI）的同事，他們為我們提供瞭電磁閃爍條件下的GPS測試數據和一些有用的討論結果。
　　（3）國傢信息與通信技術研究所的拓哉津川博士，泰國孟剋國王理工學院的PornchaiSupnithi教授，泰國硃拉隆功大學（Chulalongkorn University）的Chalemcho“Satirapod教授。在研究電離層理論時得到瞭他們的幫助。
　　（4）中國颱灣的陳紅躍博士和安藤正孝教授，日本靜岡大學的良也生田教授，他們為本書提供瞭大量資料。
　　（5）日本立命館大學的蘇杉本教授和幸宏久保教授提供瞭大量資料和他們的研究成果。

探索全球定位的奧秘：從信號到應用 本書並非一本探討數字衛星導航與地球物理學之間復雜聯係的學術專著，也非一本詳盡介紹GNSS信號模擬器與接收機操作細節的實驗室手冊。相反，它是一次引人入勝的探索之旅，旨在揭示隱藏在日常“定位”服務背後的科學原理、技術演進以及廣泛的應用前景。我們將跨越理論的海洋，潛入工程的深邃，最終抵達實踐的彼岸，但請注意，這次旅程的重點在於理解“為何”和“如何”，而非“具體的操作步驟”或“特定設備的參數設置”。 第一篇：定位的基石——信號的誕生與傳播 我們並非從介紹GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等具體係統及其技術規格開始，而是從最基礎的概念入手：什麼是導航信號？ 首先，我們將迴溯人類早期探索空間和定位的努力。從簡單的天體觀測、地標指引，到航海中使用的六分儀和星盤，再到無綫電導航的萌芽，這些曆史的足跡都為我們理解現代衛星導航的齣現奠定瞭基礎。我們會看到，導航的核心在於“知道自己在哪裏”，而要實現這一點，就需要一個能夠提供清晰、一緻的“參考係”的係統。 接著，我們將聚焦於導航信號本身的物理本質。它們不是魔法，而是精心設計的電磁波。我們將探討電磁波的傳播特性，例如頻率、波長、相位和振幅，以及這些特性如何被編碼以傳遞信息。我們會討論為什麼選擇特定的頻率範圍（如L波段），以及這些頻率如何平衡穿透性、帶寬和天綫尺寸的需求。 然後，我們將深入剖析信號的“內容”。一個導航信號不僅僅是一個載波，它承載著至關重要的信息，包括： 精確的時間戳： 這是衛星導航的核心。我們將解釋原子鍾的工作原理，以及它們如何被用於産生超高精度的時鍾信號，並探討“同步”的挑戰。 衛星的身份和健康狀況： 信號需要告訴接收機“我是誰”，以及“我是否工作正常”。 星曆數據： 這是最關鍵的信息之一，它描述瞭衛星在太空中的精確軌道。我們將闡述星曆數據的本質，以及它如何被實時更新和傳輸。 導航電文（Message Structure）： 導航電文的編碼方式，例如二元相移鍵控（BPSK）或Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK)，以及它們如何將海量信息以高效的方式傳輸。我們將探討子幀、幀和超級幀的概念，以及它們如何組織和存儲數據。 在理解信號內容後，我們將探討信號在太空中的傳播過程。這包括： 信號衰減（Signal Attenuation）： 信號在傳輸過程中會逐漸減弱，受到空間距離、大氣層（電離層和對流層）的影響。我們將討論這些介質對信號的影響，例如延遲和摺射，以及它們如何影響定位的精度。 多徑效應（Multipath Effect）： 信號並非總是直綫到達接收機，它可能在建築物、地形等錶麵發生反射，從而産生多個到達路徑，這會對接收機産生乾擾。我們將簡要介紹多徑效應的成因和影響。 多普勒效應（Doppler Effect）： 由於衛星和接收機之間的相對運動，接收到的信號頻率會發生變化。我們將解釋多普勒效應的原理，以及它如何被用於估計接收機的速度。 第二篇：從信號到位置——接收機的奧秘 接收機是實現定位的關鍵。我們並非要教您如何焊接電路闆或編寫驅動程序，而是要理解接收機“看到”信號後，是如何將其轉化為我們能夠理解的位置信息的。 我們將從接收機的基本架構齣發，介紹其主要的功能模塊： 天綫： 接收來自太空的微弱信號。我們將探討不同類型天綫的特點，以及它們如何聚焦和收集信號。 低噪聲放大器（LNA）： 放大微弱的衛星信號，同時盡量減少引入噪聲。 混頻器： 將高頻的衛星信號下變頻到較低的頻率，便於後續處理。 數字信號處理器（DSP）： 這是接收機的大腦，負責對接收到的數字信號進行解碼、跟蹤和計算。 時鍾： 維持接收機內部的精確時間。 接下來，我們將深入理解接收機如何“解碼”和“跟蹤”信號： 載波跟蹤（Carrier Tracking）： 接收機需要精確地跟蹤衛星信號的載波頻率，以補償多普勒頻移。我們將介紹鎖相環（PLL）等基本控製理論在其中的應用。 僞碼捕獲與跟蹤（Pseudorange Acquisition and Tracking）： 導航信號中包含一種特殊的“僞碼”，接收機通過匹配這個僞碼來判斷信號的傳播延遲。我們將解釋僞碼的作用，以及接收機如何通過“滑動”和“比對”來找到最佳匹配。 導航電文解碼： 接收機需要從信號中提取星曆、時間等導航信息。我們將探討接收機如何解析這些電文，並將其存儲和使用。 然後，我們將聚焦於定位算法的核心——三邊測量原理。這是理解GNSS定位的關鍵： 僞距離（Pseudorange）： 接收機根據信號的傳播時間（從發送到接收）乘以光速來估算衛星到接收機的距離。我們將解釋為何是“僞”距離，以及它與真實距離之間的差異（由時鍾誤差引起）。 四個衛星的必要性： 我們將詳細解釋為何需要至少四個衛星來確定三維位置和精確時間。我們會通過幾何圖形和數學方程，直觀地展示四元方程組的求解過程，揭示“四球交匯”的幾何意義。 誤差的來源與消除： 定位並非完美，各種誤差都會影響精度。我們將探討主要的誤差源，包括： 衛星鍾誤差： 即使是原子鍾，也存在微小的偏差。 星曆誤差： 衛星軌道並非絕對精確。 大氣層延遲（電離層和對流層）： 信號穿過大氣層時會發生摺射和延遲。 接收機鍾誤差： 接收機內部的時鍾不如衛星的原子鍾精確。 多徑效應： 如前所述，信號反射會引入誤差。 接收機噪聲： 電子元件的固有噪聲。 相對論效應： 盡管微小，但對於高精度定位是不可忽視的。 我們將簡要介紹如何通過差分技術（如DGPS、RTK）來提高定位精度，理解其核心思想是利用參考站的已知位置來抵消部分誤差。 第三篇：超越基礎——地球物理學與GNSS的交融 本篇將探討GNSS技術與地球物理學的深刻聯係，它們並非獨立的學科，而是相互促進、相互印證。 我們將從GNSS信號的傳播特性與地球物理現象的關聯開始： 電離層延遲與GNSS： 電離層是地球上層的一片等離子體區域，它會嚴重影響GNSS信號的傳播速度和方嚮。我們將探討電離層的結構、變化規律（如日變化、地磁活動），以及GNSS信號如何被用於監測和研究電離層。這包括電離層延遲對定位精度的影響，以及如何利用GNSS數據反演電離層延遲模型。 對流層延遲與GNSS： 對流層是地球大氣層的最底層，其密度和濕度變化也會引起GNSS信號的延遲。我們將討論對流層的垂直結構，以及GNSS數據如何被用於反演對流層延遲，進而用於天氣預報和氣候研究。 GNSS在地球動力學中的應用： 闆塊運動與地震監測： 通過高精度GNSS接收機網絡，可以精確測量地殼的微小變形，從而監測大陸闆塊的運動、斷層的應力積纍，為地震預警提供數據支持。我們將介紹“連續運行參考站網絡”（CORS）的概念。 地殼形變與火山活動： GNSS可以監測火山區域的地錶抬升或沉降，揭示岩漿活動，為火山爆發預測提供綫索。 冰川融化與海平麵變化： GNSS數據可以精確測量陸地冰川和冰蓋的運動，以及測量海平麵高度的變化。 重力場測量與大地水準麵： GNSS結閤其他技術，可以幫助測量地球的重力場，繪製大地水準麵，這對於理解地球的質量分布和內部結構至關重要。 GNSS在海洋學和水文學中的應用： 潮汐與海流觀測： 浮標上搭載的GNSS接收機可以提供精確的位置信息，用於測量潮汐的高度和海流的速度。 河流流量與地下水監測： GNSS可以用於測量河流的流速和水位，以及監測地下水的變化。 第四篇：應用萬象——GNSS改變我們的生活 最後，我們將展望GNSS技術在各個領域的廣泛應用，這些應用已經深深地滲透到我們日常生活的方方麵麵。 交通運輸： 汽車導航、航空管製、船舶定位、軌道交通調度，GNSS已經成為現代交通係統的“神經係統”。 測繪與地理信息係統（GIS）： 高精度的GNSS技術是現代測繪的基礎，為GIS提供精確的空間數據，支撐城市規劃、土地管理、資源開發等。 精準農業： GNSS指導下的農機自動駕駛、變量施肥、精準灌溉，極大地提高瞭農業生産效率和資源利用率。 應急響應與搜救： 在災難發生時，GNSS可以提供精確的位置信息，幫助救援隊伍快速定位遇險人員和評估災情。 時間和同步： GNSS提供的精確時間信號被廣泛應用於通信網絡、金融交易、電力係統等需要高精度時間同步的領域。 科學研究： 除瞭地球物理學，GNSS還被用於生物學（動物遷徙追蹤）、考古學（古跡定位）、環境監測等眾多科研領域。 個人消費電子： 智能手機、智能手錶中的定位功能，讓我們隨時隨地都能知道自己的位置。 結語 本書並非一本技術手冊，而是一次關於“如何知道我們在哪裏”的深刻探討。我們將從最基礎的物理原理齣發，理解信號的産生、傳播和接收，然後揭示GNSS技術如何與地球物理學緊密相連，最終展現其在改變我們生活和推動科學進步方麵所扮演的關鍵角色。這是一場關於理解我們所處世界的旅程，一次關於空間、時間和技術的奇妙探索。我們期待您能通過閱讀本書，對這個看似平常卻又極其重要的定位技術，産生更深層次的理解和興趣。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名本身就勾勒齣一個非常具體且實用的學習框架。我之前一直對GNSS信號的細節和接收機的內部工作機製感到好奇，但往往難以找到一本能夠將這些理論知識與實際操作緊密結閤起來的書籍。“GNSS信號模擬器”這個概念尤其吸引我，因為它意味著我們可以主動地去探索和理解信號的特性，而不是僅僅被動地接收和處理。我猜想這本書會深入講解GNSS信號的各個組成部分，包括導航電文、測距碼、載波相位等，以及這些信號在傳播過程中可能遇到的各種影響，如電離層和對流層延遲、多路徑效應等。同時，“接收機實驗室實踐指南”的部分則讓我看到瞭親手操作的機會，我期待書中能夠提供詳細的硬件配置建議、軟件使用教程，甚至是一些經典的實驗項目，比如如何利用接收機測量大氣參數，如何評估接收機在不同環境下的定位精度，或者如何通過模擬器進行接收機固件的性能測試。這絕對是一本能夠幫助我從“知道”走嚮“做到”的書。

評分☆☆☆☆☆

當我看到這本書的書名時，腦海中立刻浮現齣各種與GNSS相關的應用場景，尤其是那些對精度要求極高的地球物理學研究。例如，利用GNSS數據監測闆塊運動、研究地幔對流、理解地球自轉變化，甚至在災害預警中扮演重要角色。書名中的“數字衛星導航與地球物理學”直接點明瞭這種跨學科的融閤，而“GNSS信號模擬器與接收機實驗室實踐指南”則為想要深入瞭解這一領域的讀者提供瞭一條清晰的學習路徑。我特彆期待書中能夠詳細闡述GNSS信號的傳播模型、接收機的工作原理，以及如何通過信號模擬器來復現各種復雜的信號環境。這對於理解GNSS數據質量、進行數據質量控製、開發先進的數據處理算法至關重要。我希望書中能提供一些經典的GNSS地球物理學應用案例，並結閤實驗室實踐，指導讀者如何從原始的GNSS觀測數據中提取齣有用的地球物理信息。這本書聽起來像是為那些渴望將理論知識轉化為實際研究成果的科研人員和學生量身定製的。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣現，恰好填補瞭我近期在GNSS接收機硬件層麵和信號模擬技術上的知識空白。我一直關注GNSS技術的發展，特彆是它如何從簡單的定位工具演變成能夠進行精密測量的平颱，用於地球科學的眾多前沿研究。書名中的“信號模擬器”幾個字立刻吸引瞭我，因為我深知在實際接收機測試和算法開發過程中，能夠精確控製和生成各種衛星信號是多麼重要。如果這本書能夠提供關於如何構建或使用GNSS信號模擬器的詳細教程，包括其內部工作原理、不同信號類型的生成方法（如GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou），以及如何模擬多路徑、大氣延遲等乾擾，那將是極大的福音。而且，“實驗室實踐指南”的定位也意味著它不會止步於理論講解，而是會給齣實際可行的操作步驟和實驗設計，讓讀者能夠從零開始，逐步掌握GNSS接收機的配置、數據采集、初步處理等關鍵技能。我非常希望書中能夠涵蓋一些關於接收機敏感度、跟蹤能力、抗乾擾性能的測試方法，以及如何利用模擬器來驗證和優化這些性能。

評分☆☆☆☆☆

讀到這本書的書名，我立刻就被它所吸引，因為我一直對GNSS技術在精密測量和地球物理學領域的應用潛力抱有濃厚的興趣。書名中的“數字衛星導航與地球物理學”精準地概括瞭這本書的核心內容，強調瞭GNSS作為一種強大工具在理解和監測地球係統中的作用。而“GNSS信號模擬器與接收機實驗室實踐指南”則清晰地指明瞭這本書的特色，它不僅會介紹理論知識，更會提供實用的操作方法和實驗指導。我特彆期待這本書能夠深入講解GNSS信號的傳播機製、接收機的工作原理，以及如何有效地利用GNSS信號模擬器來模擬各種復雜場景，例如在多路徑效應顯著的城市環境中，或者在電離層擾動劇烈的區域。同時，“實驗室實踐指南”的定位也意味著它將提供一係列可行的實驗項目，讓讀者能夠親手操作GNSS接收機，采集數據，並利用這些數據進行地球物理學的分析，例如地殼形變監測、大氣參數反演等。這本書聽起來非常適閤希望深入瞭解GNSS技術並將其應用於實際研究的專業人士和學生。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字聽起來就很有吸引力，尤其是對於那些對衛星導航和地球物理學交叉領域感興趣的人。我一直對GNSS（全球導航衛星係統）技術如何被用於精確測量地球的運動、形變以及其他地質現象感到好奇。書名中的“數字衛星導航與地球物理學”直接點齣瞭這個核心主題，而“GNSS信號模擬器與接收機實驗室實踐指南”則暗示瞭這本書的實用性和動手操作性。我尤其期待它能夠提供詳細的實驗指導，讓我能夠親手搭建模擬器、操作接收機，並理解其中的原理。想象一下，能夠模擬不同的衛星信號環境，測試接收機在各種條件下的錶現，甚至利用實際的GNSS數據來進行地球物理學的分析，這聽起來是多麼令人興奮的事情！這本書的定位似乎非常清晰，它不僅僅是理論的堆砌，更是一種能力的培養，能夠讓讀者真正地“玩轉”GNSS技術，並將其應用於高精度的地球科學研究。我希望書中能包含一些案例研究，展示GNSS在地震監測、火山活動監測、地殼形變測量等方麵的實際應用，這樣不僅能加深理論理解，還能激發我的研究靈感。