GPS理论、算法与应用（第3版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

[德] 许国昌，许艳著 译

图书标签:

• GPS
• 定位
• 导航
• 理论
• 算法
• 应用
• 测绘
• 地理信息系统
• 无线通信
• 嵌入式系统

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030546111

版次：01

商品编码：12310812

包装：平装

丛书名： 地球观测与导航技术丛书

开本：16开

出版时间：2018-01-01

页数：348

字数：515000

正文语种：中文

内容简介

　　本书介绍全球定位系统（GPS/Glonass/Galileo/Compass）的理论、算法与应用。主要内容来自于在波茨坦GFZ开发的KSGsoft软件程序的源代码说明书。在新的多功能GPS/Galileo软件的开发过程中对理论和算法进行了扩展和验证。除了第一版中介绍的GPS数据处理的统一方法、对角化算法、自适应卡尔曼滤波、模糊度的一般搜索准则和变分方程的代数解，第二版中介绍的GPS算法的等价性理论、独立参数化方法、另一种太阳光压模型，第三版中补充了GNSS系统的现代化、理论和算法的新发展，以及广泛应用的各项研究。本书从概述开始，介绍坐标和时间系统及卫星轨道的基础知识，以及GPS观测量，并进行诸如观测误差源、观测方程及其参数化、平差和滤波、模糊度求解、软件开发和数据处理，以及扰动轨道确定的专题研究。

目录

目录
《地球观测与导航技术丛书》编写说明
第3版中文版前言
第3版前言
第2版前言
第1版前言
缩写词和常量
第1章 概述 1
1.1 GPS核心 2
1.2 GLONASS简述 5
1.3 Galileo的基本情况 6
1.4 BeiDou介绍 8
1.5 组合的全球导航卫星系统 9
第2章 坐标系统和时间系统 10
2.1 地心地固坐标系 10
2.2 坐标系转换 13
2.3 地方坐标系 14
2.4 地心惯性坐标系 15
2.5 IAU 2000框架 18
2.6 地心黄道惯性坐标系 21
2.7 时间系统 22
第3章 卫星轨道 25
3.1 开普勒运动 25
3.2 卫星的受摄运动 33
3.3 GPS广播星历 34
3.4 IGS精密星历 35
3.5 GLONASS星历 36
3.6 Galileo星历 36
3.7 BDS星历 37
第4章 GPS观测量 38
4.1 伪距 38
4.2 载波相位 39
4.3 多普勒观测量 41
第5章 GPS观测误差源 43
5.1 电离层效应 43
5.2 对流层效应 56
5.3 相对论效应 66
5.4 地球潮汐和海水负荷潮汐误差修正 69
5.5 钟差 77
5.6 多路径效应 80
5.7 AS和SA效应 85
5.8 天线相位中心的偏差和变化 85
5.9 硬件延迟偏差 89
第6章 GPS观测方程和等价特性 90
6.1 GPS观测通用数学模型 90
6.2 观测模型线性化 91
6.3 观测函数的偏导数 92
6.4 线性变换和协方差传播 95
6.5 数据组合 96
6.6 数据差分 103
6.7 非组合算法和组合算法的等价性 108
6.8 非差算法和差分算法的等价性 117
第7章 平差和滤波方法 126
7.1 引言 126
7.2 最小二乘平差 126
7.3 序贯最小二乘平差 128
7.4 条件最小二乘平差 129
7.5 分块最小二乘平差 132
7.6 周氏理论——等价消去观测方程系统 135
7.7 卡尔曼滤波 138
7.8 最小二乘平差的先验约束 147
7.9 总结 150
第8章 周跳探测与整周模糊度解算 152
8.1 周跳的探测 152
8.2 周跳修复方法 153
8.3 整周模糊度搜索的一般准则 153
8.4 基于一般准则的模糊度搜索方法 163
8.5 模糊度函数 164
8.6 PPP模糊度固定 167
第9章 GPS数据处理的参数化和算法 169
9.1 GPS观测模型的参数化 169
9.2 GPS数据处理算法的等价性 177
9.3 非等价算法 181
9.4 GPS差分算法中变换参考的研究 181
9.5 GPS数据处理的标准算法 184
9.6 观测几何精度 194
9.7 实时定位系统简介 195
第10章 GPS理论和算法应用 198
10.1 软件开发 198
10.2 常用GPS软件介绍 203
10.3 精密动态定位和飞行状态监测的方法 205
第11章 受摄轨道及确定 216
11.1 卫星运动的受摄方程 216
11.2 卫星运动摄动力 221
11.3 C20摄动轨道的分析解 240
11.4 轨道修正 245
11.5 GPS精密定轨原理 248
11.6 数值积分和插值算法 251
11.7 轨道相关的偏导数 259
第12章 讨论 267
12.1 先验信息和独立参数化 267
12.2 GPS数据处理算法的等价性 268
12.3 其他讨论 269
附录A 国际天文协会（IAU）1980章动理论 270
附录B 方程对角化的数字示例 273
参考文献 278
关键词中英文对照 315

跨越时空的信号：现代导航与定位系统的基石 本书聚焦于信息论、信号处理和控制理论的前沿交汇点，深入剖析了支撑全球定位、精准授时乃至未来自主系统的核心技术。它并非一本关于特定商业导航系统的手册，而是旨在构建读者对导航与定位这一复杂工程领域底层原理的深刻理解。 --- 第一部分：理论基石与信息传递的艺术 本书伊始，我们首先建立起对“测量”与“估计”的数学框架认识。导航的本质，是通过接收、处理不确定信号来推断出自身在参考系中的精确位置、速度和时间（PVT）。 1. 随机过程与最优滤波理论 现代定位面临的核心挑战是噪声与不确定性。我们详细探讨了随机过程的数学描述，包括维纳过程、马尔可夫过程在信号模型中的应用。在此基础上，本书系统阐述了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）的理论推导与实际应用。我们不仅仅停留在标准的线性卡尔曼滤波（KF），而是深入探究了在高动态、非线性环境下如何应对挑战： 扩展卡尔曼滤波（EKF）： 如何利用雅可比矩阵对非线性系统进行局部线性化，以保证实时估计的稳定性。 无迹卡尔曼滤波（UKF）： 采用Sigma点采样方法，避免了高阶导数的计算，在保持较高精度的同时，提升了对强非线性系统的鲁棒性。 粒子滤波（Particle Filtering）： 针对非高斯噪声和高度非线性问题，我们利用蒙特卡洛方法，通过权值更新和重采样来逼近后验概率分布，这是理解复杂环境自主导航的关键工具。 2. 信号传播与信道建模 定位精度直接受限于信号的质量。本部分关注信号在真实世界传播中的衰减、畸变和多径效应。 大气与电离层延迟： 详细分析了电离层（特别是弗氏传播）和对流层对信号传输时间造成的影响，并介绍了基于经验模型（如Klobuchar模型）和实时修正技术来削弱这些误差源的理论方法。 多径效应的数字化处理： 多径是城市峡谷环境中的主要误差来源。我们研究了如何利用信号的代码相位（Code Phase）和载波相位（Carrier Phase）的特性，设计先进的接收机算法来识别和抑制由建筑反射带来的虚假信号。 --- 第二部分：测距原理与数据融合架构 导航系统并非单一传感器孤立工作，而是多源数据的有机融合。本部分聚焦于核心的测距机制和异构数据整合的数学框架。 3. 伪距与载波相位测量深度解析 本书对信号测距原理进行了细致的数学建模： 伪距（Pseudorange）： 基于相关性匹配的粗略测量，其误差主要来源于时钟偏差和传播延迟。我们分析了卫星钟差、接收机钟差对伪距测量的具体贡献和消除路径。 载波相位测量（Carrier Phase Measurement）： 这是实现厘米级定位的基础。重点讨论了周跳（Integer Ambiguity Resolution）的数学难题，介绍了如LAMBDA（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment）等技术族如何通过搜索空间内的整数解来解算模糊度，从而获得极高精度的相对定位能力。 4. 传感器互补与惯性导航系统（INS） 当卫星信号不可用（如隧道、水下或密集遮挡区），惯性导航系统成为核心的替代方案。 惯性测量单元（IMU）的误差分析： 详细剖析了陀螺仪和加速度计的内在误差，包括常值漂移（Bias Instability）、随机游走（Random Walk）和角速度随机游走，并探讨了这些误差随时间积分如何导致导航误差的指数级增长。 松耦合与紧耦合滤波架构： 这是现代导航系统的核心设计哲学。我们对比了松耦合（Loose Coupling）（即INS单独滤波，再将结果与GPS观测值进行融合）与紧耦合（Tight Coupling）（直接将原始的卫星观测值、载波相位、多普勒频移等与INS的状态向量一同进行卡尔曼滤波优化）的优缺点，论证了紧耦合在信号受限环境下，利用INS提供状态先验信息以提高定位鲁棒性的机制。 --- 第三部分：系统实现与高级应用挑战 本部分转向系统级的工程实践和面向未来的技术趋势，关注如何将理论转化为可靠、实时的解决方案。 5. 相对定位与差分技术 绝对定位的精度受限于星地链路的不确定性。为了突破这一限制，相对定位技术应运而生。 差分定位（DGPS）原理： 阐述了如何通过一个已知精确位置的基准站，对卫星信号误差进行实时估计和改正。我们深入分析了改正信息传输的延迟对最终定位精度的影响，并讨论了区域增强系统（RAIM/SBAS）的基本原理。 实时动态载波相位差分（RTK）： 这是实现实时厘米级定位的关键。本书详细构建了RTK所需的双差（Double-Differencing）数学模型，解释了如何通过消除卫星钟差和电离层误差，从而快速、可靠地锁定整数模糊度。 6. 时间同步与网络化定位 精确时间是所有基于测距导航系统的核心要素。 原子钟与高精度时钟技术： 概述了铯原子钟和铷原子钟的基本工作原理，以及它们在地面站和卫星上的作用，理解它们如何将系统时间同步到国际原子时（TAI）。 网络化协同定位（Networked Localization）： 在物联网（IoT）和大规模传感器网络中，不再依赖单一的中心源。我们探讨了多用户、多基站环境下，如何通过共享观测数据和状态估计，实现分布式、高韧性的定位解算，这涉及到分布式优化和一致性算法的应用。 --- 结语：构建下一代测距与感知系统 本书旨在为工程师和研究人员提供一个坚实的理论框架，以便他们能够设计、分析和实现下一代高精度、高鲁棒性的定位、导航与授时（PNT）系统。我们着重于“为什么”和“如何”在不确定性中提取确定信息，为应对未来自动驾驶、高精度测绘以及空间探索等领域对PNT需求的飞跃做好知识储备。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的让我大开眼界，GPS这个我日常生活中再熟悉不过的技术，背后竟然蕴含着如此深奥的理论和精妙的算法！从这本书的开篇，作者就以一种非常引人入胜的方式，将我们带入了GPS的迷人世界。我本来以为GPS就是一个简单的定位系统，但深入阅读后才发现，它涉及到天文学、相对论（是的，爱因斯坦的理论也派上用场了！）、信号处理、误差分析等等多方面的知识。书中对卫星轨道力学、星历的计算、时间系统的统一、信号的调制解调过程都进行了详尽的阐述，而且解释得非常透彻，即使是我这样的非专业人士，也能逐渐领会其中的精髓。我尤其喜欢书中关于“几何精度因子”（GDOP）的讲解，它清晰地说明了为什么不同数量和分布的卫星会影响定位的精度，这对我理解实际应用中的一些“飘移”现象非常有帮助。书中的图表和公式虽然不少，但都编排得非常合理，能够有效地辅助理解，而且作者在讲解过程中，时不时会穿插一些实际案例，让理论变得更加鲜活，不再是枯燥的公式堆砌。读完这部分，我对GPS的产生原理有了全新的认识，感觉自己像是掌握了开启这个神秘系统的“钥匙”。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，这本书在算法的讲解上做得非常出色。GPS的定位过程，说到底就是一系列复杂的数学计算和算法的集合。书中详细介绍了从伪距测量到三维定位的整个流程，包括了最小二乘法、卡尔曼滤波等在GPS数据处理中的应用。卡尔曼滤波部分尤其精彩，作者通过一步步的推导和实际场景的模拟，让我们清晰地看到了如何利用历史测量数据来预测和修正当前的定位误差，这对于提高GPS的动态定位精度至关重要。此外，书中还探讨了差分GPS（DGPS）和实时动态GPS（RTK）等增强技术，这些技术在提高定位精度方面起到了关键作用，也是很多专业领域不可或缺的技术。我对书中关于多路径效应的讨论印象深刻，这在城市峡谷等复杂环境下是GPS精度的大敌，而书中提供的抑制和消除多路径效应的算法，为实际工程应用提供了宝贵的参考。阅读这部分内容，我深深体会到了理论与实践的紧密结合，算法的精妙设计直接决定了GPS系统的性能上限。

评分☆☆☆☆☆

作为一本教材，这本书的编排结构非常清晰，逻辑性很强。从基础理论到核心算法，再到实际应用，层层递进，循序渐进。即使是对GPS领域不太熟悉的读者，也能在作者的引导下逐步掌握相关知识。每个章节的开头都会简要介绍本章的学习目标，结尾则会进行总结，并给出一些思考题，这对于巩固学习内容非常有帮助。我特别欣赏书中在讲解复杂概念时，会使用类比和形象的比喻，例如在解释时钟同步问题时，就用到了生活中“大家校对时间”的例子，非常生动有趣，能够帮助读者快速理解抽象的理论。而且，书中引用了大量的参考文献，对于想要深入研究某个特定问题或者追溯技术起源的读者来说，这无疑是一笔宝贵的财富。整本书的语言风格严谨而不失生动，专业术语的运用恰到好处，既保证了学术的严谨性，又不至于让读者感到晦涩难懂。

评分☆☆☆☆☆

本书的“应用”部分更是让我惊叹于GPS的广泛影响力。除了我们最熟悉的导航，GPS在测绘、地质勘探、交通管理、航空航海、甚至军事领域都有着举足轻重的地位。书中列举了许多具体的应用案例，比如如何利用GPS进行高精度地形测绘，如何通过GPS监控地壳板块的运动来预测地震，如何实现全国范围内的车辆调度和监控，以及在航空管制中GPS如何保障飞行安全。读到这些，我才真正意识到GPS已经渗透到我们社会运行的方方面面，成为了现代社会不可或缺的基础设施。书中对不同行业应用场景下的GPS技术特点和需求也做了深入分析，这让我看到，虽然GPS的基本原理是相同的，但根据不同的应用需求，需要采用不同的技术方案和处理方法。这种宏观的视角，让我对GPS的价值有了更深刻的理解，也激发了我对未来GPS技术可能发展的思考。

评分☆☆☆☆☆

我之前也接触过一些关于GPS的书籍，但《GPS理论、算法与应用（第3版）》给我留下的印象最为深刻。它不仅仅是一本讲解GPS技术原理的书，更像是一本关于“定位科学”的百科全书。作者在内容上力求全面和深入，对于一些关键的技术细节，例如卫星信号的抗干扰技术、电离层和对流层延迟的修正方法、以及用户设备的接收机设计等方面，都进行了细致的阐述。书中对全球导航卫星系统（GNSS）的整体发展历程和未来趋势也进行了展望，这让我看到了GPS技术并非一成不变，而是在不断地演进和进步。例如，书中提到了对北斗、伽利略等其他GNSS系统的比较和融合，这预示着未来多系统联合应用的趋势。这本书的更新版本，必然包含了最新的技术进展和研究成果，这对于希望跟上技术前沿的从业者和研究者来说，是极其宝贵的。总而言之，这是一本值得反复阅读和深入研究的经典著作。