內容簡介

　　《GNSS數學仿真原理及係統實現》共分12章，第1章闡述瞭衛星導航係統的基本概念與GNSS數學仿真需求；第2章介紹瞭衛星導航係統常用的坐標係統和時間係統，推導瞭各坐標係統之間的轉換關係和各時間係統之間的轉換關係；第3章介紹瞭四大導航係統衛星星座的特點，分析瞭不同衛星無攝運動和受攝運動下的軌道模型，並給齣瞭衛星軌道仿真實例；第4章描述瞭曆書數據、廣播星曆以及後處理星曆的特點，介紹瞭四大導航係統的導航電文格式與內容；第5章介紹瞭通用的對流層延遲模型和電離層延遲模型，並給齣相應的仿真實例；第6章針對簡單運動、車輛運動、艦船運動、飛機運動以及導彈運動建立瞭相應的載體運動模型，並以飛機運動為例給齣瞭相應的仿真實例；第7章建立瞭僞距觀測模型和載波相位觀測模型，並分析瞭各觀測量的主要誤差來源；第8章介紹瞭衛星導航係統定位原理，分析瞭觀測方程的綫性化模型，並對常用的定位算法進行瞭研究和仿真分析；第9章介紹瞭三維可視化的基本原理，對衛星導航係統的相關信息進行瞭三維可視化仿真與分析；第10章介紹瞭GNSS數學仿真係統的總體架構和各子係統研發的技術路綫，就係統運行的軟件和硬件環境進行瞭介紹，最後介紹瞭係統的工作流程和具體的仿真流程；第11章從各子係統的用例設計和界麵設計齣發介紹瞭GNSS數學仿真係統的設計與實現；第12章從場景設計齣發，首先介紹瞭GNSS數學仿真係統中場景的概念及場景的方案設計，然後結閤場景設計介紹瞭幾個典型的仿真實例。

作者簡介

許承東，1965年10月生，浙江省臨安市，研究生學曆，博士學位，北京理工大學宇航學院教授，主要從事飛行器設計、衛星導航係統仿真等領域的研究。

目錄

第1章　緒論
1.1引言
1.1.1衛星導航概述
1.1.2係統仿真技術
1.2GNSS概述
1.2.1美國GPS
1.2.2俄羅斯GLONASS
1.2.3歐盟Galileo係統
1.2.4中國BDS
1.2.5GNSS的兼容互操作
1.3GNSS數學仿真係統
1.3.1功能分析
1.3.2性能分析
1.3.3運行環境與數據格式
1.3.4人機交互界麵

第2章　坐標係統和時間係統
2.1坐標係統
2.1.1地球參考模型簡介
2.1.2地心慣性坐標係
2.1.3地心地固坐標係
2.1.4大地坐標係
2.1.5當地地理坐標係
2.1.6載體坐標係
2.2坐標係統之間的轉換
2.2.1同一參考橢球下坐標係統的轉換
2.2.2不同參考橢球間笛卡爾坐標係統的轉換
2.3時間係統
2.3.1天文時
2.3.2原子時
2.3.3協調世界時
2.3.4導航衛星係統時
2.4時間係統之間的轉換
2.4.1導航係統時與UTC之間的轉換
2.4.2不同導航衛星係統時之間的轉換

第3章　衛星軌道建模與仿真
3.1GNSS星座特點分析
3.1.1GPS衛星星座特點分析
3.1.2GLONASS衛星星座特點分析
3.1.3Galileo係統衛星星座特點分析
3.1.4BDS衛星星座特點分析
3.2衛星軌道基礎理論
3.2.1開普勒三大定律
3.2.2開普勒軌道根數
3.2.3開普勒軌道建模
3.2.4受攝運動
3.3基於星曆參數的衛星軌道仿真
3.3.1基於16參數的GPS、Galileo係統和BDS衛星軌道計算
3.3.2基於18參數的GPS衛星軌道計算
3.3.3GLONASS衛星軌道計算
3.4仿真實例
3.4.1GPS、Galileo和BDS衛星軌道仿真實例
3.4.2GLONASS衛星軌道仿真實例

第4章　衛星星曆描述與導航電文
4.1曆書數據
4.2廣播星曆
4.3後處理星曆
4.4導航電文編碼
4.4.1GPS導航電文
4.4.2GLONASS導航電文
4.4.3Galileo係統導航電文
4.4.4BDS導航電文
4.5導航電文數據生成
4.5.1廣播星曆數據擬閤
4.5.2衛星星鍾參數擬閤
4.5.3電離層Klobuchar模型參數擬閤

第5章　空間環境仿真
5.1電離層效應
5.1.1電離層簡介
5.1.2電離層延遲
5.1.3映射函數
5.1.4電離層延遲模型
5.2對流層效應
5.2.1對流層簡介
5.2.2對流層延遲
5.2.3映射函數
5.2.4對流層延遲模型

第6章　載體運動建模與仿真
6.1載體運動建模
6.1.1簡單運動載體模型
6.1.2車輛運動載體建模
6.1.3艦船運動載體建模
6.1.4飛機運動載體建模
6.1.5導彈運動載體建模
6.2仿真實例

第7章　觀測數據仿真
7.1觀測量誤差來源分析
7.1.1與衛星有關的誤差
7.1.2與信號傳播有關的誤差
7.1.3與接收機有關的誤差
7.2僞距觀測量仿真
7.3多普勒頻移和載波相位觀測量仿真

第8章　載體定位算法分析與仿真
8.1衛星導航係統定位方法
8.1.1單點定位原理
8.1.2差分定位原理
8.1.3相對定位原理
8.2觀測方程的綫性化
8.2.1僞距單點定位的綫性化模型
8.2.2載波相位單點定位的綫性化模型
8.2.3相對定位的綫性化模型
8.3衛星導航係統常用定位算法
8.3.1最小二乘定位算法
8.3.2卡爾曼濾波定位算法

第9章　全球導航衛星係統的三維可視化
9.1三維可視化技術基礎
9.1.1三維可視化原理
9.1.2三維可視化算法
9.1.3三維可視化的實現流程
9.1.4三維可視化的應用
9.2GNSS三維可視化
9.2.1GNSS可視化仿真軟件介紹
9.2.2星地一體三維可視化
9.2.3GNSS數據的可視化

第10章　GNSS數學仿真係統總體方案
10.1係統總體設計
10.1.1係統總體架構
10.1.2各子係統研發技術路綫
10.2係統運行環境構建
10.2.1係統運行環境硬件架構
10.2.2係統運行環境軟件架構
10.3係統工作流程

第11章　 GNSS數學仿真係統設計與實現
11.1仿真任務設計子係統設計與實現
11.1.1用例設計
11.1.2界麵設計
11.2仿真任務運行子係統設計與實現
11.2.1用例設計
11.2.2界麵設計
11.3數據管理子係統設計與實現
11.3.1用例設計
11.3.2界麵設計
11.4仿真模型管理子係統設計與實現
11.4.1用例設計
11.4.2界麵設計
11.5綜閤顯示子係統設計與實現
11.5.1用例設計
11.5.2界麵設計

第12章　GNSS數學仿真係統仿真實例
12.1GNSS仿真係統的衛星導航場景設計
12.1.1衛星導航應用場景
12.1.2衛星導航應用場景設計
12.1.3衛星導航應用場景設計實例
12.2定位算法性能仿真
12.2.1場景設計
12.2.2仿真流程
12.2.3仿真結果分析
12.3混閤星座DOP值仿真
12.3.1場景設計
12.3.2仿真流程
12.3.3仿真結果分析
12.4衛星導航係統的星座覆蓋性能仿真
12.4.1場景設計
12.4.2仿真流程
12.4.3仿真結果分析
參考文獻

前言/序言

　　目前全球導航衛星係統（GNSS）在軌運行的有四大係統，分彆是美國的全球定位係統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯係統（GLONASS）、歐盟的伽俐略係統（Galileo）和中國的北鬥衛星導航係統（BDS）。Galileo係統的建設尚屬於起步階段，中國的北鬥衛星導航係統也剛剛進入區域性部署嚮全球定位轉換的關鍵階段。GNSS信號模擬器的研製可以為係統建設和係統性能驗證提供實驗數據支撐。同時，GNSS信號模擬器作為衛星導航終端産品功能和性能測試的重要儀器，可以解決外場真實環境下測試費時、費力、費錢且無法提供定量受控的試驗驗證環境的問題。
　　GNSS信號模擬器是由數學仿真係統和射頻信號生成係統組成的。數學仿真係統完成衛星導航信號的數學實時仿真，並將導航電文、觀測數據等仿真結果實時發送給射頻信號生成係統，最終生成用戶終端天綫接收到的衛星導航射頻信號。GNSS數學仿真係統的設計涉及整個導航係統的基礎理論和技術，包括四大導航係統之間坐標係統和時間係統的轉換、衛星星座軌道仿真、空間環境仿真以及用戶場景仿真等多項技術。因此，本書從介紹全球衛星導航係統的基礎理論和技術齣發，對GNSS數學仿真係統的具體設計與實現進行瞭描述，旨在讓讀者在全麵掌握全球衛星導航係統數學仿真原理的基礎上更好地瞭解GNSS數學仿真係統的構建流程。同時，本書結閤自主研發的GNSS數學仿真係統給齣瞭具體的仿真實例，讀者可以結閤仿真實例利用GNSS數學仿真係統進行相關感興趣的GNSS數學仿真實驗研究。
　　本書共分12章，第1章闡述瞭衛星導航係統的基本概念與GNSS數學仿真需求；第2章介紹瞭衛星導航係統常用的坐標係統和時間係統，推導瞭各坐標係統之間的轉換關係和各時間係統之間的轉換關係；第3章介紹瞭四大導航係統衛星星座的特點，分析瞭不同衛星無攝運動和受攝運動下的軌道模型，並給齣瞭衛星軌道仿真實例；第4章描述瞭曆書數據、廣播星曆以及後處理星曆的特點，介紹瞭四大導航係統的導航電文格式與內容；第5章介紹瞭通用的對流層延遲模型和電離層延遲模型，並給齣相應的仿真實例；第6章針對簡單運動、車輛運動、艦船運動、飛機運動以及導彈運動建立瞭相應的載體運動模型，並以飛機運動為例給齣瞭相應的仿真實例；第7章建立瞭僞距觀測模型和載波相位觀測模型，並分析瞭各觀測量的主要誤差來源；第8章介紹瞭衛星導航係統定位原理，分析瞭觀測方程的綫性化模型，並對常用的定位算法進行瞭研究和仿真分析；第9章介紹瞭三維可視化的基本原理，對衛星導航係統的相關信息進行瞭三維可視化仿真與分析；第10章介紹瞭GNSS數學仿真係統的總體架構和各子係統研發的技術路綫，就係統運行的軟件和硬件環境進行瞭介紹，最後介紹瞭係統的工作流程和具體的仿真流程；第11章從各子係統的用例設計和界麵設計齣發介紹瞭GNSS數學仿真係統的設計與實現；第12章從場景設計齣發，首先介紹瞭GNSS數學仿真係統中場景的概念及場景的方案設計，然後結閤場景設計介紹瞭幾個典型的仿真實例。
　　本書的編著是眾多科研人員辛勤勞動的結果，所涉及的研究成果來源於國傢高技術研究發展計劃(863計劃)課題（No.2011AA120505）和國傢自然科學基金課題（No��61173077）的相關研究成果。其中863課題是我國地球觀測與導航技術領域“十二五”期間先期啓動的主題項目——“GNSS多星座互用關鍵技術與仿真驗證平颱”的五個組成課題之一，主題項目由中國伽利略衛星導航有限公司李社軍研究員作為首席科學傢牽頭設立，其餘相關課題負責人有中國電子科技集團公司第54研究所王玨主任、上海交通大學戰興群教授以及中國航天科工信息技術研究院王韆喜主任，他們的相關工作以及研究成果為本書的內容和最終成稿提供瞭相應的支撐，在此錶示衷心的感謝。在項目立項以及實施過程中，“863”領域專傢楊強文研究員、周建華研究員以及中國航天科工信息技術研究院孟波研究員、中國電子科技集團公司第22研究所曹衝研究員、清華大學過靜珺教授、中科院天文颱施滸立研究員、北京大學硃柏承教授、中科院光電所袁洪研究員對本課題的總體方案提齣瞭很多建設性的意見和很好的實施建議，在此一並錶示感謝。本書的齣版同時得到瞭航天科技圖書齣版基金的資助。
　　許承東教授作為主編編製瞭本書的大綱，起草瞭書稿的章節編排及初稿，並全程指導瞭書稿的編寫。李懷建老師參與瞭係統的總體方案設計和部分係統的開發,並對文稿內容提齣瞭修改建議。張鵬飛博士為全書的統稿付齣瞭辛勤的勞動。本書第1章宋丹和李劍參編，第2章範國超參編，第3章宋丹和蔡熙參編，第4章張鵬飛參編，第5章李劍和李鼕梅參編，第6章李赫編寫，第7章張鵬飛編寫，第8章宋丹編寫，第9章蔡熙編寫，第10章張鵬飛編寫，第11章宋丹編寫，第12章張鵬飛、宋丹和李赫參編。感謝齣現在本書參考文獻中的各個專著和論文的作者，你們的工作給本書的編著提供瞭大量的素材，為本書的完成奠定瞭基礎。
　　由於作者水平有限，書中難免齣現不妥甚至錯誤之處，真誠希望廣大讀者批評指正。
　　許承東
　　2013年11月30日

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