1.10　本书的结构

本书的结构如下。首先，介绍使用GNSS计算PVT的基本原理，详述构成GNSS的卫星导航系统。描述时将给出系统架构、大地测量和时间参考、服务和广播导航信号等详细信息。

接着，重点讨论如何设计GNSS接收机。根据具体的接收机应用，逐步描述GNSS接收机的设计过程和相关的取舍。同时描述创建GNSS接收机的每个阶段，提供接收机信号采集和跟踪的细节，以及距离和速度的测量过程。

分析干扰、多径和电离层闪烁情况下信号的采集与跟踪情况，检查GNSS误差源，评估GNSS性能（准确性、可用性、完整性和连续性），讨论GNSS差分技术，介绍包括汽车应用和网络辅助GNSS的传感器辅助技术。最后，讨论GNSS应用的信息及其市场预测。下面给出每章的重点。

第2章介绍计算PVT的基本原理。本章从TOA测距的概念入手，研究从卫星导航系统获取三维用户位置和速度及UTC的原理。本章的内容包括GNSS参考坐标系、地球模型、卫星轨道和星座设计。概述GNSS信号，包括常用的信号组件。本章还将介绍用于卫星无线电导航、多路复用技术和一般信号特征（包括自相关函数和功率谱）的调制技术的背景知识。

第3章详细介绍GPS，包括空间段、控制（即全球地面控制/监测网络）段和用户（设备）段。描述星座的细节，包括Block IIF和GPS III在内的卫星类型和相应的属性。读者会发现，随着不同卫星系列的发展，所传输的民用和军用导航信号的数量也在逐渐增加。相当有趣的是控制段（CS）和卫星之间的交互作用。本章全面介绍导航数据信息的测量处理和构建。导航数据信息为用户提供卫星的星历、卫星时钟校正等接收机能够用来计算PVT的信息，并介绍用户接收设备的概况，以及与民用和军用用户相关的设备选择标准。本章还将介绍GPS的传统和现代化卫星信号及其产生，包括频率分配、调制格式、导航数据、接收功率等级及测距码的生成。

第4章讨论俄罗斯的GLONASS。首先简要介绍该系统及相关的历史，然后详细描述星座和相关的轨道平面特征，接着介绍地面控制/监控网络和当前及计划中的卫星设计。还将讨论GLONASS的坐标系、地球模型、时间基准和卫星信号的特性。本章还从准确性和可用性角度介绍系统的性能和差分服务（第12章中将详细介绍差分服务）。

第5章介绍伽利略系统。首先简要介绍伽利略系统，然后详细介绍系统服务，接着详细介绍系统架构，包括星座细节、卫星设计和运载火箭。还将介绍下行链路的卫星信号结构、对互操作性因素的考虑。除提供导航服务外，伽利略系统还将为国际搜索和救援（SAR）架构做出贡献。5.7节中将详细介绍SAR/伽利略服务。

第6章讨论北斗系统。首先概述称为北斗卫星导航系统（BDS）的北斗工程，给出北斗工程的历史及其三个演化阶段。北斗工程始于一个提供RDSS服务的区域系统，目前北斗系统正在向全球覆盖发展。然后详细介绍星座、卫星设计及地面控制部分，同时介绍互操作性的因素（如大地坐标参考系、时间基准系统）。本章还将充分探讨北斗服务和卫星信号的特点。区域RDSS服务提供导航和短消息服务。

第7章介绍区域卫星导航系统。人们越来越认识到，完全依赖一个或多个全球核心星座提供的PVT服务无法满足特定区域的独特需求。如果没有与核心星座提供商的紧密合作，那么这些独特的需求就无法满足。区域服务可以提供的需求包括：覆盖区域内的服务质量保证（用户的定位和授时服务）和用户独特的短消息服务需求。本章将讨论印度的NavIC，它提供面向印度大陆的区域服务；还将讨论日本的QZSS，它为西太平洋地区提供区域服务。这些星座改善了全球核心星座在山区的覆盖，山谷和城市峡谷对核心星座卫星的遮挡带来的影响，可通过确保高仰角卫星的可用性得到改善。7.1节介绍快速发展的QZSS。QZSS始于2002年政府和工业界的一个联合项目。第一颗卫星于2010年发射，2012年做出了继续项目建设以使系统具备初始运营能力的决定。7.1.2节描述QZSS的空间段。虽然在本书成稿时，QZSS卫星星座仅包括1颗倾斜地球同步轨道卫星，但是IOC星座的剩余卫星将在2023年完成发射。QZSS将在L1、L2和L5导航频段发送时间信号（与美国的GPS相似）。7.1.3节主要讨论QZSS控制段（CS）。为确保满足PVT的要求，CS由卫星跟踪功能（雷达和激光测距）、信号监测站和星座时间管理组成。7.1.4节讨论大地测量和授时服务。值得注意的是，QZSS计划与GPS时间紧密同步（授时偏移很小）。7.1.5节描述QZSS对军用和民用用户的服务，包括对高精度用户的增强服务及对危机处理和安全的短消息服务。由于日本是崎岖不平和多山的地方，这些服务被认为对应急处理是十分关键的。最后，7.1.6节讨论6个QZSS信号的具体特点。7.2节介绍NavIC。7.2.2节讨论系统的空间段。在2006年印度最初决定开发和部署NavIC后，第一颗卫星于2013年发射。在本书成稿时，NavIC的空间段已包含在同步轨道和倾斜地球同步轨道上运行的7颗卫星。目前的卫星使用L5和S波段传输定位信号，以提供民用和军用PVT服务。7.2.3节讨论NavIC CS。CS的功能是保证高精度的位置和授时信息，并提供特殊的短消息服务，以满足军民的独特需求。7.2.4节重点讨论大地测量和时间系统，7.2.5节介绍导航服务。7.2.6节描述NavIC的信号及其特点。7.2.7节描述用于军用和民用用户的设备。

第8章全面介绍GNSS接收机，以便为设计接收机奠定基础。本章中将详细介绍GNSS接收机所需的每个功能，包括搜索、捕获和跟踪SV信号，然后从GNSS SV提取码和载波相位测量值及导航电文数据。该主题非常广泛，以致严谨性常被第一原则取代。本章将传达一个很少在其他地方提出的重要目标：如何设计GNSS接收机。作为整体理解这些广泛的设计概念后，读者就会具有理解或创新的基础。众多参考文献将向读者提供额外的细节。

第9章讨论4类GNSS射频（RF）信号异常，它们可能会恶化GNSS接收机的性能。第一类信号异常是干扰（9.2节的重点），它可能是无意的或有意的干扰（通常称为人为干扰）。9.3节讨论第二类信号异常，即电离层闪烁，它是由地球大气层的电离层中有时出现的不规则现象造成的信号衰减现象。9.4节讨论第三类信号异常，即堵塞。当GNSS RF信号的视线路径被厚重的树叶、地形或人造建筑物过度衰减时，就会出现信号阻塞。9.5节讨论第四类信号异常，即多径。总体而言，每颗GNSS卫星和用户接收机之间都存在反射面，这会使得期望的（视线）信号到达后，接收机接收到RF回波。

第10章介绍GNSS测量误差。本章中将详细解释伪距测量误差的各个来源及它们对总体误差预算的贡献，并讨论空间和时间相关特性。这一讨论将为读者更好地理解DGNSS奠定基础。所有DGNSS系统都利用这些相关性来提高系统的整体性能（第12章中将详细讨论DGNSS）。本章最后将给出单/双频GNSS用户的代表性误差预算。

第11章讨论独立的GNSS性能。本章首先给出使用一个或多个GNSS星座计算PVT的算法。然后定义各种几何因素，以便计算GNSS导航解的各个元素（如水平、垂直）。11.2.5节讨论其他状态变量的使用方法，包括使用多个GNSS星座测量值时，解决系统时偏移的方法。当接收机跟踪两个或两个以上卫星星座中的卫星时，这特别重要；混合测量值形成PVT解时，需要认真考虑系统时的差异（如GPS、GLONASS、伽利略系统时、北斗系统时）。11.3～11.5节分别讨论可用性、完整性和连续性等重要性能指标。这些指标将在多星座GNSS中讨论。需要指出的是，对完整性的综合讨论包括对先进接收机自主完整性监测（ARAIM）的描述。

与独立的GNSS相比，许多应用要求更高的精度、完整性、可用性和连续性。这样的应用需要增强系统。增强系统分为几类，可单独使用或组合使用：DGNSS、精密单点定位（PPP），以及使用外部传感器。第12章介绍DGNSS和PPP。第13章将讨论各种外部传感器/系统及其与GNSS的集成。

DGNSS和PPP提高GNSS定位或授时性能的方法，是使用来自一个或多个已知位置的参考站的测量值，每个参考站至少配备一台GNSS接收机。参考站为最终用户提供提高PNT性能（精度、完整性、可用性和连续性）的有用信息。

本章中还将讨论DGNSS的基本概念，详细介绍一些已投入使用和计划中的DGNSS系统。12.2节和12.3节分别介绍底层算法和基于代码或载波的DGNSS系统的性能。12.4节讨论PPP系统。12.5节中介绍一些重要的DGNSS信息标准。12.6节详细介绍一些已经运行和计划中的DGNSS与PPP系统。

第13章着重介绍在GNSS接收机天线受到阴影遮挡期间或干扰时，在GNSS接收机更新周期之间提供连续导航的必要性。这是将GNSS与各种外部传感器整合起来的动力。13.2节中将详细讨论GNSS/惯性导航的整合动因，描述卡尔曼滤波器，包括一个典型的卡尔曼滤波器实现示例。还将介绍和讨论各类GNSS/惯性导航的整合。13.3节讨论陆地车辆与传感器的集成，描述传感器、传感器与卡尔曼滤波器的集成，以及一个实际多传感器系统的现场测试过程中的测试数据。13.4节讨论使用网络辅助增强GNSS性能的方法，包括网络辅助技术、性能和新兴标准。13.5节介绍如何利用混合定位系统（包括GNSS、低成本惯性传感器及移动设备上可用的各种RF信号）将定位系统扩展到室内和其他GNSS信号被封锁的区域。

第14章介绍GNSS的市场和应用。本章首先回顾众多的市场预测，说明一家公司针对某一特定细分市场的定位过程。讨论民用和军用市场之间的差异。探讨政府的政策对GNSS市场的影响。介绍众多的民用、政府和军事应用。