1.內(nèi)容提要 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，已成為中國改革開放40多年來取得的重要成就之一，2020年北斗三號系統(tǒng)即將全面完成建設(shè)，為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。本書首先介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理，包括系統(tǒng)的組成、坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)與衛(wèi)星信號、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、北斗導(dǎo)航定位的誤差源、北斗導(dǎo)航定位的基本原理；然后介紹了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用，包括在地球科學(xué)中的應(yīng)用、位置服務(wù)中的應(yīng)用等，并列舉了典型的應(yīng)用案例。
全書結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)容深入淺出，可作為大學(xué)本科測繪、土木、交通、GIS、通信、農(nóng)林等專業(yè)的公共基礎(chǔ)課教材或者高職高專相關(guān)專業(yè)的教材,也可作為從事衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)、科研和生產(chǎn)人員的參考書。 2.前言
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是我國實(shí)施改革開放40多年來取得的重要成就之一。2018年年底，北斗三號基本系統(tǒng)完成建設(shè)，并開始提供全球服務(wù)，這標(biāo)志著北斗系統(tǒng)正式從區(qū)域走向全球。隨著2020年北斗三號系統(tǒng)的全面建成、提供全球化服務(wù)，以及國家戰(zhàn)略實(shí)施和宏觀政策的有力支持，我國衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)正邁向嶄新的發(fā)展階段。
20世紀(jì)后期，我國結(jié)合國情制定了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”戰(zhàn)略。第一步，
2000年建成北斗一號系統(tǒng)，采用有源定位體制，利用地球同步衛(wèi)星為中國用戶提供定位、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù)，解決了我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題，使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。第二步，2007年到2012年，發(fā)射14顆北斗二號衛(wèi)星，建成北斗二號系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2012年12月27日啟動(dòng)區(qū)域性導(dǎo)航定位與授時(shí)正式服務(wù)，并在兼容北斗一號技術(shù)體制基礎(chǔ)上，增加無源定位體制，為亞太地區(qū)用戶提供定位、測速、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。第三步，2020年，完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號系統(tǒng)。北斗三號系統(tǒng)繼承北斗有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制，能夠?yàn)槿蛴脩籼峁┗緦?dǎo)航（定位、測速、授時(shí)）、全球短報(bào)文通信、國際搜救服務(wù)，中國及周邊地區(qū)用戶還可享有區(qū)域短報(bào)文通信、星際增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位等服務(wù)。計(jì)劃在2035年以前，將以北斗系統(tǒng)為核心，建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）體系。
本書首先介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理，包括系統(tǒng)的組成、坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)與衛(wèi)星信號、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、北斗導(dǎo)航定位的誤差源、北斗導(dǎo)航定位的基本原理；其次介紹了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用，包括在地球科學(xué)中的應(yīng)用、在位置服務(wù)中的應(yīng)用等。
本書由魏浩翰、沈飛、桑文剛、樂洋、賈東振、陳健、王笑蕾、曹新運(yùn)、徐敬青、王爾申等編著。其中，南京林業(yè)大學(xué)魏浩翰、南京林業(yè)大學(xué)陳健編寫第1章、第2章，山東建筑大學(xué)桑文剛、南京郵電大學(xué)樂洋、南京師范大學(xué)曹新運(yùn)編寫第3章、第5章和附錄，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)徐敬青、沈陽航空航天大學(xué)王爾申編寫第4章，南京師范大學(xué)沈飛、河海大學(xué)賈東振、河海大學(xué)王笑蕾編寫第6章、第7章、第8章，長江巖土工程總公司（武漢）何廣源參與編寫了第8章實(shí)例內(nèi)容。全書由魏浩翰、沈飛負(fù)責(zé)統(tǒng)稿。
本書編寫過程中得到東南大學(xué)出版社和江蘇萊特北斗信息科技有限公司的大力支持。東南大學(xué)出版社的曹勝玫老師為本書的策劃、編寫和出版付出很多努力，江蘇萊特北斗信息科技有限公司為本書提供相關(guān)實(shí)訓(xùn)和實(shí)習(xí)素材（網(wǎng)址:
http://shiyan.ltbeidou.com/）。在本書即將出版之際，向他們表示衷心感謝。本書參閱和引用了國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的著作和發(fā)表的文獻(xiàn)資料，在此向這些作者表示感謝！
由于編者的水平所限，特別是當(dāng)前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)理論、技術(shù)仍在不斷發(fā)展和完善，相關(guān)行業(yè)應(yīng)用仍在不斷拓展，要覆蓋整個(gè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)困難，因此本教材仍有不盡如人意的地方，敬請讀者朋友不吝賜教。 編著者
2020年5月
3.目錄
第1章緒論1
1.1導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展歷程1
1.1.1人類早期的導(dǎo)航1
1.1.2近現(xiàn)代導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展2
1.1.3導(dǎo)航定位技術(shù)分類4
1.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)6
1.2.1北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展歷程6
1.2.2系統(tǒng)組成7
1.2.3時(shí)間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)9
1.2.4信號特征和服務(wù)類型9
1.2.5特色與優(yōu)勢13
1.3其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)13
1.3.1GPS系統(tǒng)13
1.3.2GLONASS系統(tǒng)15
1.3.3Galileo系統(tǒng)16
1.4區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)18
1.4.1區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)18
1.4.2星基增強(qiáng)系統(tǒng)18
1.5衛(wèi)星導(dǎo)航快速入門19
1.5.1衛(wèi)星導(dǎo)航基本原理19
1.5.2距離測量原理20
1.5.3信號傳播時(shí)間及其誤差21
參考文獻(xiàn)22
思考題22
第2章坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)23
2.1天球坐標(biāo)系23
2.1.1天球的基本概念23
2.1.2瞬時(shí)天球坐標(biāo)系24
2.1.3歲差與章動(dòng)的影響25
2.1.4協(xié)議天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換26
2.2地球坐標(biāo)系27
2.2.1瞬時(shí)地球坐標(biāo)系27
2.2.2地極移動(dòng)29
2.2.3協(xié)議地球坐標(biāo)系與國際地球參考框架30
2.2.4協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換32
2.3常用的GNSS坐標(biāo)系32
2.3.1WGS84坐標(biāo)系33
2.3.2PZ90坐標(biāo)系33
2.3.3Galileo坐標(biāo)系33
2.3.4北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系34
2.4時(shí)間系統(tǒng)35
2.4.1世界時(shí)系統(tǒng)35
2.4.2歷書時(shí)37
2.4.3原子時(shí)37
2.4.4協(xié)調(diào)世界時(shí)38
2.4.5北斗時(shí)間系統(tǒng)38
參考文獻(xiàn)39
思考題39
第3章北斗衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)與衛(wèi)星信號40
3.1北斗衛(wèi)星軌道40
3.1.1基于開普勒軌道參數(shù)及其變化率來描述40
3.1.2按固定時(shí)間間隔直接給出對應(yīng)歷元衛(wèi)星位置及其運(yùn)動(dòng)速度描述42
3.2北斗衛(wèi)星星歷42
3.2.1衛(wèi)星星歷與歷書42
3.2.2 廣播星歷與精密星歷44
3.3北斗衛(wèi)星信號47
3.3.1載波信號47
3.3.2測距碼48
3.3.3導(dǎo)航電文50
3.4北斗衛(wèi)星位置計(jì)算53
3.4.1利用廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星位置53
3.4.2利用精密星歷計(jì)算衛(wèi)星位置55
參考文獻(xiàn)56
思考題57
第4章北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)58
4.1GNSS接收機(jī)基本原理58
4.1.1GNSS接收機(jī)組成58
4.1.2導(dǎo)航信號捕獲跟蹤流程61
4.1.3幾種常見的GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方式65
4.1.4GNSS接收機(jī)發(fā)展趨勢65
4.2GNSS接收機(jī)的分類66
4.2.1按工作原理分類66
4.2.2按用途分類67
4.2.3按所用載波頻率分類67
4.2.4按接收機(jī)通道方式分類68
4.3北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)性能68
4.3.1北斗系統(tǒng)導(dǎo)航業(yè)務(wù)功能68
4.3.2北斗系統(tǒng)短報(bào)文業(yè)務(wù)功能70
4.3.3衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)主要指標(biāo)71
4.3.4常規(guī)指標(biāo)的測試方法72
4.4北斗導(dǎo)航接收機(jī)數(shù)據(jù)格式74
4.4.1NMEA數(shù)據(jù)接口74
4.4.2RTCM數(shù)據(jù)接口75
4.4.3RINEX數(shù)據(jù)接口77
4.4.4私有數(shù)據(jù)接口79
參考文獻(xiàn)80
思考題80
第5章北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差源81
5.1概述81
5.1.1誤差分類82
5.1.2消除或削弱誤差影響的方法和措施84
5.2與衛(wèi)星有關(guān)的誤差86
5.2.1衛(wèi)星星歷誤差86
5.2.2衛(wèi)星鐘差87
5.2.3相對論效應(yīng)88
5.2.4信號在衛(wèi)星內(nèi)的時(shí)延89
5.2.5衛(wèi)星天線相位中心改正90
5.3與信號傳播有關(guān)的誤差91
5.3.1電離層延遲誤差91
5.3.2對流層延遲100
5.3.3多路徑效應(yīng)103
5.4與接收機(jī)有關(guān)的誤差104
5.4.1接收機(jī)鐘差104
5.4.2接收機(jī)內(nèi)部測量噪聲104
5.4.3接收機(jī)天線相位中心改正105
5.4.4地球潮汐改正106
參考文獻(xiàn)107
思考題108
第6章北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位基本原理與方法109
6.1衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理109
6.1.1定位原理109
6.1.2定位方法分類110
6.2北斗系統(tǒng)基本觀測量111
6.2.1偽距觀測值111
6.2.2載波相位觀測值113
6.2.3多普勒頻移測量值115
6.3單點(diǎn)定位116
6.3.1偽距單點(diǎn)定位116
6.3.2精密單點(diǎn)定位技術(shù)119
6.4差分定位121
6.4.1偽距差分定位121
6.4.2載波相位差分定位123
6.4.3網(wǎng)絡(luò)RTK127
參考文獻(xiàn)131
思考題131
第7章北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在地球科學(xué)中的應(yīng)用132
7.1地球參考框架維持132
7.2國民基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)134
7.2.1大壩監(jiān)測134
7.2.2邊坡監(jiān)測135
7.2.3橋梁監(jiān)測138
7.3氣象監(jiān)測139
7.3.1氣象參數(shù)反演139
7.3.2氣象數(shù)據(jù)傳輸141
7.3.3氣象智能化141
7.4地表環(huán)境監(jiān)測143
7.4.1海面潮位監(jiān)測144
7.4.2海面風(fēng)場監(jiān)測145
7.4.3積雪監(jiān)測146
7.4.4土壤濕度監(jiān)測147
7.5典型應(yīng)用案例——邊坡變形監(jiān)測148
7.5.1研究區(qū)概況148
7.5.2GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)149
參考文獻(xiàn)153
思考題155
第8章北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在位置服務(wù)中的應(yīng)用156
8.1大眾領(lǐng)域的應(yīng)用156
8.1.1智能手機(jī)的應(yīng)用156
8.1.2共享單車應(yīng)用157
8.1.3乘用車導(dǎo)航158
8.1.4對特殊人群的關(guān)愛159
8.2智慧城市中的應(yīng)用160
8.2.1公交車智能調(diào)度160
8.2.2公務(wù)車管理161
8.2.3網(wǎng)約車監(jiān)管162
8.2.4公安應(yīng)急通信指揮163
8.2.5城市網(wǎng)格化管理164
8.3交通領(lǐng)域的應(yīng)用165
8.3.1重點(diǎn)運(yùn)輸車輛過程監(jiān)控165
8.3.2物流配送車輛監(jiān)管165
8.3.3船舶監(jiān)控166
8.3.4航空領(lǐng)域的應(yīng)用167
8.3.5無人機(jī)監(jiān)管168
8.3.6駕考駕培169
8.3.7自動(dòng)駕駛170
8.4減災(zāi)救災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用171
8.4.1民政防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)171
8.4.2海上遇險(xiǎn)搜救173
8.4.3消防救援管理174
8.5農(nóng)業(yè)漁業(yè)應(yīng)用175
8.5.1農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管175
8.5.2農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛176
8.5.3海洋漁業(yè)177
8.5.4海洋觀測178
8.6典型應(yīng)用案例——農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控179
8.6.1項(xiàng)目概況179
8.6.2系統(tǒng)組成179
8.6.3北斗農(nóng)機(jī)智能終端180
8.6.4精細(xì)化管理平臺(tái)181
參考文獻(xiàn)183
思考題183
附錄1北斗廣播星歷(部分)184
附錄2北斗精密星歷(部分)187
附錄3北斗導(dǎo)航電文信息類別及播發(fā)特點(diǎn)190
附錄4北斗衛(wèi)星發(fā)射一覽表192
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