首页 > 图书频道 > 卫星导航 > 后GPS和GPS后时代的卫星导航系统 - 施浒立 编著

后GPS和GPS后时代的卫星导航系统 - 施浒立 编著

2015-05-18   来源:互联网   点击:
后GPS和GPS后时代的卫星导航系统 定价:¥78 00 作者:施浒立、景贵飞、崔君霞 出版社:科学出版社 出版时间:2012-5-1 ISBN:9787030339317 内容简介 基于GPS类卫星导航系统的发

后GPS和GPS后时代的卫星导航系统

后GPS和GPS后时代的卫星导航系统
定        价:¥78.00
作        者:施浒立、景贵飞、崔君霞
出  版  社:科学出版社
出版时间:2012-5-1
ISBN:9787030339317

内容简介

基于GPS类卫星导航系统的发展和新导航技术的出现,后GPS和GPS后时代的卫星导航系统率先提出和探讨了后GPS和GPS后时代的卫星导航系统向何处去的发问。内容涉及卫星导航和卫星通信的融合技术;空间卫星导航通信与地面移动通信、局域传感网的合作和增强技术;多频多星多模卫星通信导航系统的兼用和互用技术;室内和室外的无缝导航技术,以及入向通信定位和双向通信定位新导航体制等。
后GPS和GPS后时代的卫星导航系统可供从事和关注导航和通信的本科生、研究生、科技工作者在开展导航和通信技术学习、研究、开发和应用时参阅。

本书目录


前言
第一篇 引论
第1章 卫星导航技术发展历程的回眸与思考
1.1 卫星导航的兴起
1.2 Geostar系统的昙花一现
1.3 GPS的兴旺发达
参考文献
第2章 卫星导航系统的发展向何处去
2.1 多模卫星导航系统的兼用和互用
2.2 转发式卫星导航系统原理性验证成功
2.3 导航通信天地系统间的联姻
2.3.1 LBS服务系统
2.3.2 卫星导航与地面移动通信网的合作与互补
2.4 双向卫星通信导航系统的萌动
2.4.1 研发低信息速率卫星短信通信技术
2.4.2 创新双向卫星通信导航融合系统
参考文献
第二篇 通信导航融合系统
第3章 通信导航融合的系统设计理念和功能
3.1 通信导航融合的系统设计理念
3.2 天地系统合作的系统设计理念
3.3 采用双向链路的系统设计理念
3.4 新系统功能
参考文献
第4章 通信导航融合信号体制设计
4.1 世界上典型卫星导航系统信号体制概述
4.1.1 GPS的信号体制介绍
4.1.2 GLONASS的信号体制介绍
4.1.3 GALILEO的信号体制介绍
4.2 网络结构和多址方式
4.2.1 网络结构
4.2.2 多址方式
4.2.3 信道分配方式
4.3 超宽带伪码扩频测距体制
4.3.1 香农信道公式
4.3.2 最佳相关接收
4.3.3 扩频系统的分类
4.3.4 干扰容限
4.3.5 关于扩频码速率的考虑
4.3.6 伪随机码序列的选取
4.3.7 扩频系统的特点
4.3.8 以短精码为例分析相关函数
4.4 低信息速率传输
4.4.1 信息传输速率的选择
4.4.2 应用例
4.5 信道编码
4.5.1 传输信道中常见的错误分析
4.5.2 差错控制方式
4.5.3 信道编码方式
4.6 通信导航复合电文
4.7 通信导航融合信号结构
4.7.1 导航和通信融合的信号结构设计理念
4.7.2 导航和通信融合的信号结构设计
4.8 调制方式
参考文献
第三篇 天地合作的多频通信导航融合系统
第5章 地面网络定位情况
5.1 地面移动通信和广播网络的定位技术
5.2 地面局域无线通信和传感网络的定位技术
5.3 地面网络的定位原理
5.3.1 传播模型
5.3.2 室内外网络定位基本原理
5.4 局域无线网络定位的典型应用例
5.4.1 基于Wi-Fi的室内定位系统
5.4.2 ZigBee室内定位技术
5.4.3 其他室内定位技术
5.5 地面移动通信网络辅助GPS技术(A-GPS)
5.5.1 地面移动通信网络辅助GPS的设计理念
5.5.2 地面移动通信网络辅助GPS的长处
参考文献
第6章 天地合作的导航通信系统
6.1 由卫星授时辅助地面移动通信网基站的时间同步
6.1.1 地面移动通信网基站的时间同步
6.1.2 由导航卫星授时实现地面移动通信网基站的时间同步
6.1.3 利用通信卫星授时实现基站的时间同步
6.2 由地面基站监测特征量的差分改正系统
6.2.1 用地面基站实现伪距和位置差分改正
6.2.2 用地面基站实现气压和其他参量差分改正
6.3 由卫星辅助地面移动网的组合定位系统
6.3.1 用卫星信号增强地面移动网的定位方法
6.3.2 基准分布的改善
6.4 天地系统合作导航通信系统
6.4.1 电子地图的室外室内标注
6.4.2 室外导航通信系统和定位算法
6.4.3 室内通信定位系统和定位算法
参考文献
第四篇 双向卫星通信导航融合系统
第7章 双向卫星通信导航融合系统结构
7.1 双向卫星传输网的网络结构
7.2 双向卫星通信导航融合系统的组成
7.2.1 空间段(卫星)
7.2.2 地面站
7.2.3 终端网
7.3 双向卫星通信导航融合传输链路
7.3.1 入局卫星通信导航融合链路组成
7.3.2 出局卫星通信导航融合传输链路组成
7.4 双向卫星通信导航融合系统的组成型式例
参考文献
第8章 双向卫星通信导航融合传输链路
8.1 入局卫星通信导航融合传输链路
8.1.1 入局卫星通信导航融合链路传输能力
8.1.2 通信导航中心站天线口径选择
8.1.3 入局卫星通信导航融合链路信号扩频带宽的选择
8.1.4 卫星参数对入局通信导航融合链路的影响分析
8.1.5 入局卫星通信导航融合链路预算
8.1.6 入局卫星通信导航融合链路的特点
8.2 出局卫星通信导航融合传输链路
8.2.1 通信导航融合用户终端接收能力
8.2.2 出局卫星通信导航融合下行链路分析
8.2.3 出局卫星通信导航融合上行链路分析
8.2.4 出局卫星链路融合信号扩频带宽的选择
8.2.5 出局卫星通信导航融合传输链路预算
8.2.6 出局卫星通信导航融合链路的特点
8.3 双向卫星通信导航融合传输链路特性分析
参考文献
第9章 双向卫星通信导航融合系统测量传输模型
9.1 伪距测量方法及模型
9.1.1 伪距测量方法及模型
9.1.2 采用测载波相位和相位差测伪距的方法及模型
9.1.3 辅以载波相位测量的组合测伪距的方法及模型
9.2 定位测量方法及模型
9.2.1 出站定位测量原理
9.2.2 入站定位测量原理
9.3 卫星轨道测量方法及模型
9.3.1 转发式卫星测轨原理概述
9.3.2 虚拟测轨网
9.4 测速方法及模型
9.4.1 转发式双向卫星通信导航融合下行载频生成原理
9.4.2 双频频差测速方案和差频多普勒测速原理
9.5 授时方法及模型
9.5.1 转发式卫星导航授时概述
9.5.2 转发式卫星时间传输测量方法
9.5.3 讨论
9.6 姿态变化监测算法的原理和模型
9.7 比对测量方法及模型
9.7.1 双向时间比对测量方法求时钟差
9.7.2 入向基线端点变化相对比对测量方法
9.7.3 用户单点震动相对比对测量方法
9.7.4 实时差分应用比对测量方法
9.7.5 多点误差闭合比对测量方法
9.7.6 多频比对测量方法
9.7.7 实现发指令、遥控、遥测
参考文献
第五篇 讨论和展望
第10章 系统性能分析
10.1 时延误差分析
10.2 测距精度(分辨率)分析
10.2.1 伪距观测和伪距变化相对测量精度分析
10.2.2 载波相位测量精度分析
10.3 测点定位精度分析
10.4 测速精度分析
10.5 测姿精度分析
10.6 用户量的初步估算
10.7 满足邻星协调中有关规定的分析
10.7.1 国际电联对于上行站载波的限制
10.7.2 国际电联对到达地面的功率频谱密度的限制
参考文献
第11章 新系统的特色和应用展望
11.1 新系统的特色
11.1.1 双向卫星通信导航融合系统的特点和长处
11.1.2 普适定位的要求和特点
11.2 通信和导航融合系统的应用展望
11.2.1 高精度测量领域
11.2.2 应急救援领域
11.2.3 设备实时监测领域
11.2.4 智能交通领域
参考文献

在线试读部分章节

第一篇引论
第1 章卫星导航技术发展历程的回眸与思考
1.1 卫星导航的兴起
人类早期的导航是目视导航,靠人眼观测有规律运动的目标来确定自身的位置及运行方向,是直接利用纯自然现象――星座和太阳方位的变化来进行的,如用北斗星指引航向;利用日起日落安排生产劳作和生活起居.在其后时期,人们开始利用专用的人造系统来满足定位导航的需要,如利用灯塔的光作为标志导航.但早期的定位导航由于靠目视观测,易受天气影响,不能全天候和全天时导航.
第二次世界大战前后,开始出现利用无线电波的导航系统,这时,无线电载波上已调制有信息,从而使导航的质量发生了根本性的变化.利用无线电技术实现导航定位是具有历史意义的发展,如广泛使用的Loran-C.[6,7]等无线电导航系统,已能实现全天候导航.
1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造卫星以后,苏联和美国的科学家产生了把无线电导航信源从地面导航塔搬到卫星上去的想法[2,21].这样便解决了建设无线电导航塔高度受限,造成导航覆盖范围较小的问题.由于卫星覆盖范围大,所以维持一定的卫星数量,并采用广播式通信方式,把测距码和导航电文广播至地面,便可以实现覆盖全球的导航定位;还可以把两维平面定位推进到可以实现三维定位,从而使无线电导航的功能与精度发生了根本性的变革.
最早期的卫星导航系统中采用了多普勒(Doppler)原理,即测量卫星信标的多普勒频移,对时间积分用以测定观测点的位置,但这类系统测量精度较差,不能全时连续定位.1960年4月美国发射了世界上第一颗导航卫星“子午仪(TRAN-SIT)”1B,1964年7月组成了美国海军导航卫星系统NNSS(NavyNavigationSatel-liteSystem)[2,3],为核潜艇和各类海面船舰提供全天候的导航定位服务.1967年开始民用,较广泛地应用于海上商船导航.系统的主要参数见表1.1.
1967年11月27日,苏联发射入轨了第一颗导航卫星“宇宙?192”.1979年前苏联建成第一代蝉(Tsikada)卫星导航系统[4,21].系统由四颗导航卫星组成,卫星位于高度约为1000km的圆轨道上,轨道面倾角83.,运行周期为106min,卫星轨道面沿赤道面均匀分布,导航卫星在整个寿命期内不间断地发射频率为150MHz和400MHz的无线电导航信号.它允许用户平均每1.5~2h与导航卫星中的一颗进行一次无线电联系,并在5~6min长的导航联络中确定自身位置的坐标.那时卫星定位均方根误差已能达到250~300m.在后来的“蝉”系统卫星上还装备了用于发现发生灾难目标的测量接收机.用户设备上装备有专用的无线电示位标,可以发射
121.5~243MHz和406MHz频率的灾难信号,这些信号被系统的卫星接收后传输到专门的地面站,在那里计算出发生灾难目标(船、飞机等)的准确位置.装备了灾难发现设备的卫星组成了“卡司帕司”(COSPAS)系统,后来它和美国?法国?加拿大的系统“萨尔萨特”(SARSAT)共同形成了统一的发现灾难和救助的服务系统,近年来,已挽救了数千条生命[5].
上述两类初期的卫星导航系统的不足之处主要有两点:一点是信号只能间断可用,因为系统只有5~7颗低高度轨道运动卫星,对地球上的一点来说,会经常出现没有卫星信号覆盖的时间段,这对于长期性的测量、船舶导航以及大地测量等还可以用,但对于像飞机、火箭等高速运行载体的导航,则是致命的缺陷,甚至完全不能使用;另一点是由于系统对用户的速度敏感不足,仅能二维定位,因此不适合航空等多种领域的应用,但作为卫星导航系统的先驱,它功不可没.
从对早期卫星导航系统的回眸中,可以看到无论在定位、授时或完成搜救功能时,卫星导航系统都已成功地利用了通信传输中的有特色的技术和方法,如相移键控调制技术等.因此说卫星导航一开始就与通信结了缘,也正是卫星通信技术的进步一直促进着卫星导航定位系统的发展,所以说,导航与通信的姻缘关系源远流长.
1.2 Geostar 系统的昙花一现
随着卫星技术的发展,20世纪60年代出现了利用同步卫星的卫星通信技术.那时,科学家就想到了利用同步通信卫星来实现导航,改变类子午仪卫星导航系统只能在运动卫星过境时段内才能实现定位这一状况.为此美国研发和建设了Geostar卫星定位系统,欧洲建成了Locstar卫星定位系统,我国也研制了“北斗一号”卫星定位系统[1,6,7].遗憾的是,这类系统采用了应答式通信方式,由导航中心站发布信
1.3 GPS 的兴旺发达5
息,用户应答后,中心站计算定位,再通信传输告知用户其位置的做法,这种卫星导航方式存在定位传输过程繁杂、解算时间长、定位精度较低、难于测速、用户量受限、易于暴露用户自身目标等缺陷,建成以后,因用户少,Geostar和Locstar两个系统均先后关闭.
这些系统的结局使人遗憾,应该说Geostar卫星定位系统开创了利用高轨同步卫星作为导航星座,实现卫星导航定位的先河,理应具有覆盖范围广、技术成熟、数据传输能力强、能保留通信传输能力等长处,但由于那时是美苏两大国冷战阶段,选择了主动导航体制,断送了很有应用价值的导航设计理念和导航通信方案的实施和推广应用.唯有我国采用了这一传输体制,实现了定位通信应用,特别是短信传输功能,在汶川大地震时发挥了作用,同时也在渔业安全生产、水文测量数据回传、地质灾害传感器数据回传以及位置时间服务中发挥了作用[1]. 而更重要的是为我国培养和造就一大批导航技术人才发挥了作用.
1.3 GPS 的兴旺发达
在Geostar系统设计中,由于利用主动应答式卫星通信方式造成了一些缺陷,为此那时美国和前苏联科学家把导航系统设计的重点放到变主动定位为被动定位上.在1973年,集中当时多个卫星导航系统的长处,Parkinson等成功地提出了全球定位系统(GPS)的理念.方案中抛弃了应答式卫星通信方式,而采用了广播式单向通信方式.为了使位置基准与测距的时间基准重合,它把作为导航时频基准的原子钟放置到导航卫星上,导航电文与测距码直接在星上产生,向地面广播.这类系统设计造就了可容许无限用户使用的、终端被动接收的导航系统.在实施中虽然技术难度大、研制周期长,但美国经过二十几年的努力,最终获得了极大的成功.同期,苏联在20世纪70年代后期也投入巨资自主研制卫星导航系统(GLONASS),其原理与GPS类似,由24颗卫星组成导航星座,从1982年开始发射卫星,目前星座即将补充完整.21世纪以来,欧盟、日本、印度等国家和地区也开始仿效,想建立类GPS的卫星导航系统[7.13,17.20].欧洲一些国家于2002年决定联合研制商用的GALILEO全球卫星定位系统,星座由27颗卫星组成,2008年起已经开始发射试验卫星,系统采用了一些优于GPS的新技术.中国自主研发的北斗导航定位卫星系统也在迅速起飞,一切顺利的话,到2020年,北斗系统将建成一个由30多颗卫星组成的全球导航定位系统[1,15].上述几个卫星导航定位系统都是类GPS的卫星导航定位系统,可统称为一类直播式卫星导航定位系统.同时GPS本身也在不断地发展,进行了多次的提升和增强.现在GPS已广泛应用于众多领域,并走进亿万家庭的日常生活之中.
不断地移植合适的通信技术是卫星导航技术成功发展的动力.1972年,美国空
军在621B计划上,海军在NOVA卫星上均试验和演示了以伪随机码(PRN)为基础的新型卫星测距信号相关技术,用它测定卫星至用户间的距离,甚至在信号功率谱密度低于周围环境噪声1%以下时还能把信号检测出来,适当选择一些正交的伪随机噪声(PRN)编码序列,所有的卫星在相同的标定频率上广播,从而可以为广大区域提供性能优良的测距信号.伪码相关测距使测距精度明显提高,将卫星导航定位精度推到了新水平.同时由于采用了通信中的扩频技术,使卫星导航信号抗干扰性能改善,具有了一定的抗阻塞和抗故意干扰能力,也十分有利于信号和信息的传输.传输的信息包括卫星轨道参数、原子钟信息等,从而可以充分运用高精度的时间和位置信息,实现伪距的高精度测量,还可以传输各类误差修正数据,对导航解实施误差修正.伪码扩频测距技术的成功应用代替了多普勒定位技术是构成GPS应运而生的三个重要技术基础条件之一[2,14,15].这些技术均来自通信领域,是成熟的通信技术,但解决了卫星导航中的关键技术问题.
GPS圆满地解决了单一载体的导航定位问题,但遗忘了利用卫星通信功能.后来在实际应用中,因没有考虑在系统内解决回传通信问题而在很多场合产生困惑:如当车辆在野外行驶时,用户中心无法知道其下属的车辆运行情况;在战场上,上级指挥机关无法知道战场态势;导弹发射以后,无法评估打击效果等.所以,人们开始考虑使用移动通信(GSM、CDMA等)或卫星通信(INMARSAT、Aces等)来传输位置和时间信息,使信息活起来[19,20].另外,为了抵制美国政府对GPS信号采用SA(选择可用性)政策,人们发明了差分技术,差分技术就是通过布设在基准点上的差分接收终端,求出接收终端定位值与基准点准确位置的偏差,从而推算得到卫星轨道和星上原子钟的误差等,把这些误差广播告知用户,就可以使用户实现米级的高精度定位[12,13].后来,发布差分信息广播发展到发布可用性、连续性、完好性等信息,从而进一步提高了卫星导航的实用性和可靠性.但这些修正信息都需要有通信信道广播,为此,需要增加或采用通信卫星或地面移动通信进行传输广播[16,18,20].
总之,是应用实践的扩大,使科学工作者真正明白了导航与通信结合的重要性.同时,也开创了从利用通信手段导航发展到进一步用通信手段解决导航定位信息的回传、交流、传递,使导航定位及时间信息的作用和价值发生了很大的变化.
如何改进与发展GPS类的卫星定位系统,研制出新型的更适应本国需要的定位系统[12,13], 已是许多国家的学者和政府十分关注的问题.
参考文献
[1]谭述森.卫星导航定位工程.北京:国防工业出版社,2007.

[2]ParkinsonBW,SpilkerJ,EngeP.Globalpositioningsystem:theoryandapplications.


参考文献
WashingtonDC:AIAA,1996.
[3]施浒立.美国GPS的发展之路.科学时报,2004年9月30日.

[4]施浒立.俄罗斯全球导航系统何去何从.科学时报,2004年10月14日.

[5]马进华.全球卫星搜救系统Cospas/Sarsat.电信科学,1999,11:39?40.

[6]施浒立,景贵飞.导航与通信的姻缘关系.卫星与网络,2007,11:40?42.

[7]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京:科学出版社,2003.

[8]边少锋,李文魁.卫星导航系统概论.北京:电子工业出版社,2005:147?176;190?192.

[9]袁建平,罗建军,岳晓奎,方群.卫星导航原理与应用.北京:中国宇航出版社,2003:305?366.

[10]ElliottDK.GPS原理与应用.邱致和,王万义译.北京:电子工业出版社,2002.

[11]周忠漠,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用.北京:测绘出版社,2002.

[12]施浒立,景贵飞,王安国.开发出我国自主的区域和全球卫星定位系统//中国科学院科学与技术预见系列报告之一.技术预见报告.北京:科学出版社,2008:427?435.

[13]阎跃鹏,孙希延,纪元法.多模和增强型卫星导航接收机得到广泛应用//中国科学院科学与技术预见系列报告之二.技术预见报告.北京:科学出版社,2008:412?417.

[14]党亚明,秘金钟,成英燕.全球导航卫星系统原理与应用.北京:测绘出版社,2007年.

[15]游新兆,黄立人,任金卫,程鹏飞,过静?.全球卫星导航系统的进展.大地测量与地球动力学,2003(3):116?119.

[16]陈如明.中、低轨道卫星通信:第三讲窄带中、低轨道卫星通信系统.电信科学,1997,13(9):40?45.

[17]Xu Guochang. GPS theory, algorithms and applications. Springer, 2003.

[18]CuiJunxia,ShiHuli.Emergencycommunicationssystemsandequipmentdesignbasedontranspondingsatellitenavigationcommunicationssystem.AsiaInternationalSym-posiumonMechatronics,2008:106?109.

[19]施浒立.卫星导航技术的新进展//2007年高技术发展报告(中国科学院).北京:科学出版社,2007:119?125.

[20]施浒立,景贵飞.卫星导航技术新进展//2011新技术发展报告(中国科学院).北京:科学出版社,2011:87?91.

[21]B.HXaρncoB,A.I.TleρoB,V.A.boDⅡIN.全球卫星无线电导航系统ΓΛOHACC.莫斯科,1999.

第2 章卫星导航系统的发展向何处去
通过上节对导航技术发展历程的简单回眸与思考,我们进一步认识到GPS是非常成功的卫星导航系统,是导航发展历程中的重要里程碑.它以高定位精度、能完成导航、定位和授时等多项功能、覆盖范围广、不受天气影响、长年累月可不间断地全天侯连续工作等长处,已广泛应用于多种领域和行业,甚至深入亿万人们的生活之中,受到世人青睐[40].然而,在GPS大量应用以后,科研人员也渐渐发现它存在的不足,主要有以下几点:
(1)系统投入太大,特别是系统至少要有24颗导航卫星(不包括备用星和替换星),耗资巨大.建成后,系统又无法收费,从而使维持、运转和发展这套系统很不容易,只能靠政府投入.

(2)系统只能实现出向被动定位,实现用户个体导航,而用户中心是无法知道用户定位情况的,用户之间互不知晓,也就是说无法实现中心导航,或系统导航.

(3)作为导航系统它非常脆弱,因导航信号功率谱密度很低,信号十分微弱,极易遭受干扰,难以克服干扰,也难以实现室内定位.

(4)系统分军用民用两种测距码,军用码不对外开放,民用码(C/A码)精度较低,故无法适用和满足航空等需要高精度定位导航等民用的应用场合.


这些不足限制了GPS类卫星导航定位系统的应用,也限制了它的价值和影响力.当我们体会到GPS的价值和作用,又觉察到它的不足时,就会思考一个问题:卫星导航技术的下一步发展趋势是什么呢?也就是说,后GPS时代或GPS后时代的卫星导航系统向何处去?
为此,我们先通过对近年来一些探索性工作的分析来看卫星导航的发展趋势.
世界上现有的卫星导航定位系统中, GPS[23]、GLONASS[44]、Galileo[25]、BD-2[8,43]、CAPS(Chineseareapositioningsystem)[1,2,3,15]都是卫星出局定位系统, 用
户端被动实现导航定位.而BD-1则是一种非自主式的主动式定位方式[42].从本质上说所有上述的卫星导航定位系统都是单向卫星测距定位系统.但BD-1系统保留了卫星通信中的短信传输功能,CAPS系统里不但有短信息传输功能,而且还开发了语音传输功能[18,38],这样它们与GPS和GLONASS系统就有所不同.GPS类卫星定位系统只解决了用户终端的孤立定位问题,而定位导航授时等信息在系统内难于交流、沟通和传输.随着GPS的广泛应用,出现了通过其他通信系统进行位置信息传输的应用[6,29,42].而BD-1和CAPS则不同,它们在系统内保留了通信传输链

上一篇:Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用 - 付梦印 编著
下一篇:全球导航定位技术及其应用 - 田建波 编著