1.內容提要 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主建設、獨立運行的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，是國家重要空間基礎設施，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，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。本書首先介紹了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的原理，包括系統(tǒng)的組成、坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星運動與衛(wèi)星信號、北斗衛(wèi)星導航接收機、北斗導航定位的誤差源、北斗導航定位的基本原理；然后介紹了北斗導航系統(tǒng)在各行業(yè)的應用，包括在地球科學中的應用、位置服務中的應用等，并列舉了典型的應用案例。
全書結構清晰，內容深入淺出，可作為大學本科測繪、土木、交通、GIS、通信、農(nóng)林等專業(yè)的公共基礎課教材或者高職高專相關專業(yè)的教材,也可作為從事衛(wèi)星導航教學、科研和生產(chǎn)人員的參考書。 2.前言
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，是我國實施改革開放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，并開始提供全球服務，這標志著北斗系統(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，以及國家戰(zhàn)略實施和宏觀政策的有力支持，我國衛(wèi)星導航技術及相關產(chǎn)業(yè)正邁向嶄新的發(fā)展階段。
20世紀后期，我國結合國情制定了北斗衛(wèi)星導航系統(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、廣域差分和短報文通信服務，解決了我國自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的有無問題，使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(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日啟動區(qū)域性導航定位與授時正式服務，并在兼容北斗一號技術體制基礎上，增加無源定位體制，為亞太地區(qū)用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務。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)繼承北斗有源服務和無源服務兩種技術體制，能夠為全球用戶提供基本導航（定位、測速、授時）、全球短報文通信、國際搜救服務，中國及周邊地區(qū)用戶還可享有區(qū)域短報文通信、星際增強、精密單點定位等服務。計劃在2035年以前，將以北斗系統(tǒng)為核心，建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時（PNT）體系。
本書首先介紹了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的原理，包括系統(tǒng)的組成、坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星運動與衛(wèi)星信號、北斗衛(wèi)星導航接收機、北斗導航定位的誤差源、北斗導航定位的基本原理；其次介紹了北斗導航系統(tǒng)在各行業(yè)的應用，包括在地球科學中的應用、在位置服務中的應用等。
本書由魏浩翰、沈飛、桑文剛、樂洋、賈東振、陳健、王笑蕾、曹新運、徐敬青、王爾申等編著。其中，南京林業(yè)大學魏浩翰、南京林業(yè)大學陳健編寫第1章、第2章，山東建筑大學桑文剛、南京郵電大學樂洋、南京師范大學曹新運編寫第3章、第5章和附錄，陸軍工程大學石家莊校區(qū)徐敬青、沈陽航空航天大學王爾申編寫第4章，南京師范大學沈飛、河海大學賈東振、河海大學王笑蕾編寫第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章實例內容。全書由魏浩翰、沈飛負責統(tǒng)稿。
本書編寫過程中得到東南大學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實訓和實習素材（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外有關學者的著作和發(fā)表的文獻資料，在此向這些作者表示感謝！
由于編者的水平所限，特別是當前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)理論、技術仍在不斷發(fā)展和完善，相關行業(yè)應用仍在不斷拓展，要覆蓋整個北斗導航系統(tǒng)的研究和應用領域相當困難，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導航定位技術的發(fā)展歷程1
1.1.1人類早期的導航1
1.1.2近現(xiàn)代導航定位技術的發(fā)展2
1.1.3導航定位技術分類4
1.2北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)6
1.2.1北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展歷程6
1.2.2系統(tǒng)組成7
1.2.3時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)9
1.2.4信號特征和服務類型9
1.2.5特色與優(yōu)勢13
1.3其他全球衛(wèi)星導航系統(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)星導航系統(tǒng)與星基增強系統(tǒng)18
1.4.1區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)18
1.4.2星基增強系統(tǒng)18
1.5衛(wèi)星導航快速入門19
1.5.1衛(wèi)星導航基本原理19
1.5.2距離測量原理20
1.5.3信號傳播時間及其誤差21
參考文獻22
思考題22
第2章坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)23
2.1天球坐標系23
2.1.1天球的基本概念23
2.1.2瞬時天球坐標系24
2.1.3歲差與章動的影響25
2.1.4協(xié)議天球坐標系及其轉換26
2.2地球坐標系27
2.2.1瞬時地球坐標系27
2.2.2地極移動29
2.2.3協(xié)議地球坐標系與國際地球參考框架30
2.2.4協(xié)議地球坐標系與協(xié)議天球坐標系的轉換32
2.3常用的GNSS坐標系32
2.3.1WGS84坐標系33
2.3.2PZ90坐標系33
2.3.3Galileo坐標系33
2.3.4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)坐標系34
2.4時間系統(tǒng)35
2.4.1世界時系統(tǒng)35
2.4.2歷書時37
2.4.3原子時37
2.4.4協(xié)調世界時38
2.4.5北斗時間系統(tǒng)38
參考文獻39
思考題39
第3章北斗衛(wèi)星運動與衛(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按固定時間間隔直接給出對應歷元衛(wèi)星位置及其運動速度描述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導航電文50
3.4北斗衛(wèi)星位置計算53
3.4.1利用廣播星歷計算衛(wèi)星位置53
3.4.2利用精密星歷計算衛(wèi)星位置55
參考文獻56
思考題57
第4章北斗衛(wèi)星導航接收機58
4.1GNSS接收機基本原理58
4.1.1GNSS接收機組成58
4.1.2導航信號捕獲跟蹤流程61
4.1.3幾種常見的GNSS接收機實現(xiàn)方式65
4.1.4GNSS接收機發(fā)展趨勢65
4.2GNSS接收機的分類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按接收機通道方式分類68
4.3北斗衛(wèi)星導航接收機性能68
4.3.1北斗系統(tǒng)導航業(yè)務功能68
4.3.2北斗系統(tǒng)短報文業(yè)務功能70
4.3.3衛(wèi)星導航接收機主要指標71
4.3.4常規(guī)指標的測試方法72
4.4北斗導航接收機數(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80
思考題80
第5章北斗衛(wèi)星導航系統(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88
5.2.4信號在衛(wèi)星內的時延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103
5.4與接收機有關的誤差104
5.4.1接收機鐘差104
5.4.2接收機內部測量噪聲104
5.4.3接收機天線相位中心改正105
5.4.4地球潮汐改正106
參考文獻107
思考題108
第6章北斗衛(wèi)星導航定位基本原理與方法109
6.1衛(wèi)星導航定位原理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單點定位116
6.3.1偽距單點定位116
6.3.2精密單點定位技術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RTK127
參考文獻131
思考題131
第7章北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在地球科學中的應用132
7.1地球參考框架維持132
7.2國民基礎設施建設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)設計與實現(xiàn)149
參考文獻153
思考題155
第8章北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在位置服務中的應用156
8.1大眾領域的應用156
8.1.1智能手機的應用156
8.1.2共享單車應用157
8.1.3乘用車導航158
8.1.4對特殊人群的關愛159
8.2智慧城市中的應用160
8.2.1公交車智能調度160
8.2.2公務車管理161
8.2.3網(wǎng)約車監(jiān)管162
8.2.4公安應急通信指揮163
8.2.5城市網(wǎng)格化管理164
8.3交通領域的應用165
8.3.1重點運輸車輛過程監(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航空領域的應用167
8.3.5無人機監(jiān)管168
8.3.6駕考駕培169
8.3.7自動駕駛170
8.4減災救災領域的應用171
8.4.1民政防災減災救災171
8.4.2海上遇險搜救173
8.4.3消防救援管理174
8.5農(nóng)業(yè)漁業(yè)應用175
8.5.1農(nóng)機作業(yè)監(jiān)管175
8.5.2農(nóng)機自動駕駛176
8.5.3海洋漁業(yè)177
8.5.4海洋觀測178
8.6典型應用案例——農(nóng)機作業(yè)監(jiān)控179
8.6.1項目概況179
8.6.2系統(tǒng)組成179
8.6.3北斗農(nóng)機智能終端180
8.6.4精細化管理平臺181
參考文獻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北斗導航電文信息類別及播發(fā)特點190
附錄4北斗衛(wèi)星發(fā)射一覽表192
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