内容简介

　　《GNSS数学仿真原理及系统实现》共分12章，第1章阐述了卫星导航系统的基本概念与GNSS数学仿真需求；第2章介绍了卫星导航系统常用的坐标系统和时间系统，推导了各坐标系统之间的转换关系和各时间系统之间的转换关系；第3章介绍了四大导航系统卫星星座的特点，分析了不同卫星无摄运动和受摄运动下的轨道模型，并给出了卫星轨道仿真实例；第4章描述了历书数据、广播星历以及后处理星历的特点，介绍了四大导航系统的导航电文格式与内容；第5章介绍了通用的对流层延迟模型和电离层延迟模型，并给出相应的仿真实例；第6章针对简单运动、车辆运动、舰船运动、飞机运动以及导弹运动建立了相应的载体运动模型，并以飞机运动为例给出了相应的仿真实例；第7章建立了伪距观测模型和载波相位观测模型，并分析了各观测量的主要误差来源；第8章介绍了卫星导航系统定位原理，分析了观测方程的线性化模型，并对常用的定位算法进行了研究和仿真分析；第9章介绍了三维可视化的基本原理，对卫星导航系统的相关信息进行了三维可视化仿真与分析；第10章介绍了GNSS数学仿真系统的总体架构和各子系统研发的技术路线，就系统运行的软件和硬件环境进行了介绍，最后介绍了系统的工作流程和具体的仿真流程；第11章从各子系统的用例设计和界面设计出发介绍了GNSS数学仿真系统的设计与实现；第12章从场景设计出发，首先介绍了GNSS数学仿真系统中场景的概念及场景的方案设计，然后结合场景设计介绍了几个典型的仿真实例。

作者简介

许承东，1965年10月生，浙江省临安市，研究生学历，博士学位，北京理工大学宇航学院教授，主要从事飞行器设计、卫星导航系统仿真等领域的研究。

目录

第1章　绪论
1.1引言
1.1.1卫星导航概述
1.1.2系统仿真技术
1.2GNSS概述
1.2.1美国GPS
1.2.2俄罗斯GLONASS
1.2.3欧盟Galileo系统
1.2.4中国BDS
1.2.5GNSS的兼容互操作
1.3GNSS数学仿真系统
1.3.1功能分析
1.3.2性能分析
1.3.3运行环境与数据格式
1.3.4人机交互界面

第2章　坐标系统和时间系统
2.1坐标系统
2.1.1地球参考模型简介
2.1.2地心惯性坐标系
2.1.3地心地固坐标系
2.1.4大地坐标系
2.1.5当地地理坐标系
2.1.6载体坐标系
2.2坐标系统之间的转换
2.2.1同一参考椭球下坐标系统的转换
2.2.2不同参考椭球间笛卡尔坐标系统的转换
2.3时间系统
2.3.1天文时
2.3.2原子时
2.3.3协调世界时
2.3.4导航卫星系统时
2.4时间系统之间的转换
2.4.1导航系统时与UTC之间的转换
2.4.2不同导航卫星系统时之间的转换

第3章　卫星轨道建模与仿真
3.1GNSS星座特点分析
3.1.1GPS卫星星座特点分析
3.1.2GLONASS卫星星座特点分析
3.1.3Galileo系统卫星星座特点分析
3.1.4BDS卫星星座特点分析
3.2卫星轨道基础理论
3.2.1开普勒三大定律
3.2.2开普勒轨道根数
3.2.3开普勒轨道建模
3.2.4受摄运动
3.3基于星历参数的卫星轨道仿真
3.3.1基于16参数的GPS、Galileo系统和BDS卫星轨道计算
3.3.2基于18参数的GPS卫星轨道计算
3.3.3GLONASS卫星轨道计算
3.4仿真实例
3.4.1GPS、Galileo和BDS卫星轨道仿真实例
3.4.2GLONASS卫星轨道仿真实例

第4章　卫星星历描述与导航电文
4.1历书数据
4.2广播星历
4.3后处理星历
4.4导航电文编码
4.4.1GPS导航电文
4.4.2GLONASS导航电文
4.4.3Galileo系统导航电文
4.4.4BDS导航电文
4.5导航电文数据生成
4.5.1广播星历数据拟合
4.5.2卫星星钟参数拟合
4.5.3电离层Klobuchar模型参数拟合

第5章　空间环境仿真
5.1电离层效应
5.1.1电离层简介
5.1.2电离层延迟
5.1.3映射函数
5.1.4电离层延迟模型
5.2对流层效应
5.2.1对流层简介
5.2.2对流层延迟
5.2.3映射函数
5.2.4对流层延迟模型

第6章　载体运动建模与仿真
6.1载体运动建模
6.1.1简单运动载体模型
6.1.2车辆运动载体建模
6.1.3舰船运动载体建模
6.1.4飞机运动载体建模
6.1.5导弹运动载体建模
6.2仿真实例

第7章　观测数据仿真
7.1观测量误差来源分析
7.1.1与卫星有关的误差
7.1.2与信号传播有关的误差
7.1.3与接收机有关的误差
7.2伪距观测量仿真
7.3多普勒频移和载波相位观测量仿真

第8章　载体定位算法分析与仿真
8.1卫星导航系统定位方法
8.1.1单点定位原理
8.1.2差分定位原理
8.1.3相对定位原理
8.2观测方程的线性化
8.2.1伪距单点定位的线性化模型
8.2.2载波相位单点定位的线性化模型
8.2.3相对定位的线性化模型
8.3卫星导航系统常用定位算法
8.3.1最小二乘定位算法
8.3.2卡尔曼滤波定位算法

第9章　全球导航卫星系统的三维可视化
9.1三维可视化技术基础
9.1.1三维可视化原理
9.1.2三维可视化算法
9.1.3三维可视化的实现流程
9.1.4三维可视化的应用
9.2GNSS三维可视化
9.2.1GNSS可视化仿真软件介绍
9.2.2星地一体三维可视化
9.2.3GNSS数据的可视化

第10章　GNSS数学仿真系统总体方案
10.1系统总体设计
10.1.1系统总体架构
10.1.2各子系统研发技术路线
10.2系统运行环境构建
10.2.1系统运行环境硬件架构
10.2.2系统运行环境软件架构
10.3系统工作流程

第11章　 GNSS数学仿真系统设计与实现
11.1仿真任务设计子系统设计与实现
11.1.1用例设计
11.1.2界面设计
11.2仿真任务运行子系统设计与实现
11.2.1用例设计
11.2.2界面设计
11.3数据管理子系统设计与实现
11.3.1用例设计
11.3.2界面设计
11.4仿真模型管理子系统设计与实现
11.4.1用例设计
11.4.2界面设计
11.5综合显示子系统设计与实现
11.5.1用例设计
11.5.2界面设计

第12章　GNSS数学仿真系统仿真实例
12.1GNSS仿真系统的卫星导航场景设计
12.1.1卫星导航应用场景
12.1.2卫星导航应用场景设计
12.1.3卫星导航应用场景设计实例
12.2定位算法性能仿真
12.2.1场景设计
12.2.2仿真流程
12.2.3仿真结果分析
12.3混合星座DOP值仿真
12.3.1场景设计
12.3.2仿真流程
12.3.3仿真结果分析
12.4卫星导航系统的星座覆盖性能仿真
12.4.1场景设计
12.4.2仿真流程
12.4.3仿真结果分析
参考文献

前言/序言

　　目前全球导航卫星系统（GNSS）在轨运行的有四大系统，分别是美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、欧盟的伽俐略系统（Galileo）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。Galileo系统的建设尚属于起步阶段，中国的北斗卫星导航系统也刚刚进入区域性部署向全球定位转换的关键阶段。GNSS信号模拟器的研制可以为系统建设和系统性能验证提供实验数据支撑。同时，GNSS信号模拟器作为卫星导航终端产品功能和性能测试的重要仪器，可以解决外场真实环境下测试费时、费力、费钱且无法提供定量受控的试验验证环境的问题。
　　GNSS信号模拟器是由数学仿真系统和射频信号生成系统组成的。数学仿真系统完成卫星导航信号的数学实时仿真，并将导航电文、观测数据等仿真结果实时发送给射频信号生成系统，最终生成用户终端天线接收到的卫星导航射频信号。GNSS数学仿真系统的设计涉及整个导航系统的基础理论和技术，包括四大导航系统之间坐标系统和时间系统的转换、卫星星座轨道仿真、空间环境仿真以及用户场景仿真等多项技术。因此，本书从介绍全球卫星导航系统的基础理论和技术出发，对GNSS数学仿真系统的具体设计与实现进行了描述，旨在让读者在全面掌握全球卫星导航系统数学仿真原理的基础上更好地了解GNSS数学仿真系统的构建流程。同时，本书结合自主研发的GNSS数学仿真系统给出了具体的仿真实例，读者可以结合仿真实例利用GNSS数学仿真系统进行相关感兴趣的GNSS数学仿真实验研究。
　　本书共分12章，第1章阐述了卫星导航系统的基本概念与GNSS数学仿真需求；第2章介绍了卫星导航系统常用的坐标系统和时间系统，推导了各坐标系统之间的转换关系和各时间系统之间的转换关系；第3章介绍了四大导航系统卫星星座的特点，分析了不同卫星无摄运动和受摄运动下的轨道模型，并给出了卫星轨道仿真实例；第4章描述了历书数据、广播星历以及后处理星历的特点，介绍了四大导航系统的导航电文格式与内容；第5章介绍了通用的对流层延迟模型和电离层延迟模型，并给出相应的仿真实例；第6章针对简单运动、车辆运动、舰船运动、飞机运动以及导弹运动建立了相应的载体运动模型，并以飞机运动为例给出了相应的仿真实例；第7章建立了伪距观测模型和载波相位观测模型，并分析了各观测量的主要误差来源；第8章介绍了卫星导航系统定位原理，分析了观测方程的线性化模型，并对常用的定位算法进行了研究和仿真分析；第9章介绍了三维可视化的基本原理，对卫星导航系统的相关信息进行了三维可视化仿真与分析；第10章介绍了GNSS数学仿真系统的总体架构和各子系统研发的技术路线，就系统运行的软件和硬件环境进行了介绍，最后介绍了系统的工作流程和具体的仿真流程；第11章从各子系统的用例设计和界面设计出发介绍了GNSS数学仿真系统的设计与实现；第12章从场景设计出发，首先介绍了GNSS数学仿真系统中场景的概念及场景的方案设计，然后结合场景设计介绍了几个典型的仿真实例。
　　本书的编著是众多科研人员辛勤劳动的结果，所涉及的研究成果来源于国家高技术研究发展计划(863计划)课题（No.2011AA120505）和国家自然科学基金课题（No��61173077）的相关研究成果。其中863课题是我国地球观测与导航技术领域“十二五”期间先期启动的主题项目——“GNSS多星座互用关键技术与仿真验证平台”的五个组成课题之一，主题项目由中国伽利略卫星导航有限公司李社军研究员作为首席科学家牵头设立，其余相关课题负责人有中国电子科技集团公司第54研究所王珏主任、上海交通大学战兴群教授以及中国航天科工信息技术研究院王千喜主任，他们的相关工作以及研究成果为本书的内容和最终成稿提供了相应的支撑，在此表示衷心的感谢。在项目立项以及实施过程中，“863”领域专家杨强文研究员、周建华研究员以及中国航天科工信息技术研究院孟波研究员、中国电子科技集团公司第22研究所曹冲研究员、清华大学过静珺教授、中科院天文台施浒立研究员、北京大学朱柏承教授、中科院光电所袁洪研究员对本课题的总体方案提出了很多建设性的意见和很好的实施建议，在此一并表示感谢。本书的出版同时得到了航天科技图书出版基金的资助。
　　许承东教授作为主编编制了本书的大纲，起草了书稿的章节编排及初稿，并全程指导了书稿的编写。李怀建老师参与了系统的总体方案设计和部分系统的开发,并对文稿内容提出了修改建议。张鹏飞博士为全书的统稿付出了辛勤的劳动。本书第1章宋丹和李剑参编，第2章范国超参编，第3章宋丹和蔡熙参编，第4章张鹏飞参编，第5章李剑和李冬梅参编，第6章李赫编写，第7章张鹏飞编写，第8章宋丹编写，第9章蔡熙编写，第10章张鹏飞编写，第11章宋丹编写，第12章张鹏飞、宋丹和李赫参编。感谢出现在本书参考文献中的各个专著和论文的作者，你们的工作给本书的编著提供了大量的素材，为本书的完成奠定了基础。
　　由于作者水平有限，书中难免出现不妥甚至错误之处，真诚希望广大读者批评指正。
　　许承东
　　2013年11月30日

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