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GNSS完好性监测及辅助性能增强技术
- 出版社:中贸欣泰图书专营店
- 出版时间:2016-05
- 热度:11522
- 上架时间:2024-06-30 09:38:03
- 价格:0.0
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内容介绍
本书系统、深入地阐述了GNSS完好性监测的各项相关内容，包括其产生根源、评估指标、实现方法、辅助性能增强技术，提出GNSS完好性监测三级理论体系，构建其综合评估系统架构，研究在其他异质和同质导航信息辅助下其性能增强方法。本书研究内容丰富、图文并茂、结构严谨、论述清楚、材料充实。
目录
前言
第1章绪论1
1.1卫星导航系统现状及发展趋势2
1.1.1GNSS的源起和格局3
1.1.2GNSS优势及应用6
1.1.3GNSS不足及发展趋势6
1.2GNSS完好性监测及其研究现状10
1.2.1GNSS完好性概念10
1.2.2国外研究现状11
1.2.3国内研究现状15
1.2.4国内外研究的弱点和盲点16
1.3本书的写作背景及主要内容18
1.3.1本书研究目的和意义18
1.3.2本书的内容和结构18
第2章GNSS故障及完好性监测22
2.1GNSS量测与PVTA解算23
2.1.1三类GNSS量测23
2.1.2GNSS观测方程24
2.1.3PVTA解算25
2.1.4几何精度因子29
2.2GNSS故障分析30
2.2.1GNSS导航链30
2.2.2GNSS故障31
2.3GNSS完好性性能及统计意义39
2.3.1GNSS导航服务性能39
2.3.2GNSS完好性统计意义41
2.3.3GNSS完好性监测44
2.4GNSS完好性需求45
2.4.1航空应用45
2.4.2其他民用行业应用47
2.5三级GNSS完好性监测体系48
2.5.1全球系统级星座完好性监测49
2.5.2区域增强级信息完好性监测49
2.5.3终端应用级用户完好性监测50
2.5.4GNSS完好性监测综合评估系统架构51
2.6GNSS完好性监测指标52
2.6.1完好性监测输入指标53
2.6.2用户完好性监测指标54
2.6.3完好性监测输出指标57
第3章全球系统级星座完好性监测58
3.1质量控制理论59
3.2全球系统级星座完好性监测评测指标61
3.2.1完好性*小可用性62
3.2.2*小检测效果黑洞比62
3.3基于质量控制的GNSS星座完好性综合评估方法63
3.3.1星座完好评估方法63
3.3.2星座完好评测区分64
3.3.3输入条件的阈值68
3.4单星座完好性评估68
3.4.1评估参数设置68
3.4.2单星座全球范围完好性评估69
3.4.3单星座亚太区域完好性评估71
3.4.4单星座连续时间完好性评估73
3.4.5单星座完好性评估总结77
3.5混合星座完好性评估77
3.5.1不同场景下各种混合星座完好性评测77
3.5.2亚太区域各种混合星座完好性评测83
3.6城市峡谷条件下混合星座完好性评估86
3.6.1评估参数设置86
3.6.2亚太区域各种掩蔽角下混合星座完好性87
3.6.3四个城市各种掩蔽角下混合星座连续时间完好性89
3.6.4城市峡谷条件下混合星座完好性总结91
第4章区域增强级信息完好性监测93
4.1信号分析理论93
4.1.1信息、信号和数据94
4.1.2信号完好性96
4.1.3数据完好性105
4.2区域增强级信息完好性监测评测方案107
4.2.1GNSS高增益抛物面伺服跟踪天线系统作用107
4.2.2区域增强级信息完好性监测方案108
4.3GPTA-SQMS设计与实现110
4.3.1国际GNSS监测抛物面天线简介110
4.3.2GPTA-SQMS系统介绍111
4.3.3GNSS卫星抛物面伺服跟踪天线系统设计115
4.3.4GNSS卫星抛物面伺服跟踪天线系统安装与测试121
4.4真实GNSS信号监测分析123
4.4.1GPS信号频谱监测分析124
4.4.2GLONASS信号频谱监测分析125
4.4.3BDS信号频谱监测分析125
4.4.4Galileo信号频谱监测分析126
4.4.5QZSS信号频谱监测分析127
第5章终端应用级用户完好性监测128
5.1终端应用级用户完好性监测展开位置及途径129
5.1.1射频环境完好性监测130
5.1.2基带处理完好性监测132
5.1.3量测解算完好性监测135
5.1.4小结136
5.2终端应用级用户完好性监测分类137
5.2.1接收机自主完好性监测137
5.2.2用户辅助完好性监测138
5.3一致性检测理论139
5.3.1一致性及一致性检测139
5.3.2解的*大距离法140
5.3.3残差矢量法141
5.3.4随机抽样一致性检测145
5.4随机抽样一致完好性监测147
5.4.1RANSAC-RAIM方法147
5.4.2RANSAC-RAIM参数选择150
5.4.3RANSAC-RAIM算法运算量评估151
5.5快速随机抽样一致完好性监测151
5.5.1FRANSAC-RAIM方法152
5.5.2子集预检验筛选152
5.5.3FRANSAC-RAIM算法运算量比较158
5.6随机抽样一致完好性监测仿真验证161
5.6.1航空场景及仿真条件161
5.6.2差错仿真164
5.6.3结果比较166
5.6.4RANSAC完好性监测方法总结172
第6章惯导辅助GNSS完好性监测173
6.1信息融合技术174
6.1.1信息融合技术的概念及发展174
6.1.2信息融合原理175
6.1.3信息融合的方法176
6.2惯性导航系统178
6.2.1惯导系统的组成178
6.2.2惯导系统优缺点181
6.2.3惯导系统误差182
6.3GNSS/INS组合导航系统184
6.3.1松组合184
6.3.2紧组合185
6.3.3超紧组合186
6.4惯导辅助GNSS完好性监测186
6.4.1IAIM研究现状186
6.4.2IAIM三层结构188
6.4.3数据层增量比较法完好性监测188
6.4.4特征层连贯法完好性监测189
6.4.5决策层快照法完好性监测190
6.4.6惯导辅助GNSS完好性监测方案设计191
第7章差分辅助GNSS完好性监测194
7.1GNSS姿态测量的完好性研究195
7.1.1GNSS姿态测量性能介绍195
7.1.2GNSS姿态测量中的完好性问题196
7.2姿态精度因子197
7.2.1几何精度因子197
7.2.2姿态精度因子197
7.2.3基于ADOP的姿态测量基线确定与选星算法200
7.3GNSSAD完好性监测的姿态角告警限值204
7.4差分辅助GNSS完好性监测算法204
7.4.1四类单差205
7.4.2差分辅助GNSS完好性监测208
参考文献213
缩略语226
附录A卫星导航系统概况234
A.1全球卫星导航系统234
A.1.1全球定位系统234
A.1.2格洛纳斯系统235
A.1.3北斗卫星导航系统236
A.1.4伽利略卫星导航系统237
A.1.5法国朵丽丝定轨和定位系统238
A.2区域卫星导航系统239
A.2.1日本的区域卫星导航系统239
A.2.2印度的区域卫星导航系统240
A.3卫星导航增强系统241
A.3.1GNSS星基增强系统241
A.3.2GNSS地基增强系统244
附录B随机抽样一致性248
B.1RANSAC优缺点248
B.2RANSAC基本假设249
B.3RANSAC算法249
B.4RANSAC参数选择249
后记251
第1章绪论
《文子·自然》称“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”，时间和空间是这个世界的本质属性，因此量测时空成为人类活动从古至今重要的主题。本书所说的导航（navigation）是指在陆海空天（land, marine, aeronautic and space navigation，LMAS）四种场景中通过几何学、天文学、无线电信号等手段测定位置、航向和距离，监测和控制（引导）运载工具航行（从某点到达另一点）的过程[1]。科学技术发展拉近了时空，但人们对时空的检测却更加精细了，正像人们对时间需求已经从古人日升月落的粗糙时辰观测进步到在2010年2月美国国家标准局研制37亿年误差不超过1秒的铝离子光钟[2]，导航紧随着人类由近到远的运动史和由粗略到精确的位置需求，经历了从作标记、观天象、用司南的初级导航逐步发展到惯性仪表、无线导航、卫星导航等高级导航过程。
当前，作为实时三维位置、速度、时间和姿态（position, velocity, time and attitude，PVTA）十参数传感器的全球卫星导航系统①（global navigation satellite system，GNSS），已经使普通接收机在全球全天候地获得米级的定位精度、每秒分米级的测速精度、几十纳秒级的授时精度和分度级的测姿精度。导航设备也终将会像手表一样随时地佩戴在人们手腕上，成为人类对外界感知的重要工具。GNSS②应用也不断拓展，军事、民用、工业、商业和科学应用急剧增长，GNSS正日益深入地影响着人类社会方方面面，直接或间接地改变着人们生产生活方式和思维活动习惯。如今卫星导航的应用仅受限于人类的想象力[3]，GNSS业已成为国家信息体系的重要基础建设设施，是直接关系到经济发展和国家安全以及国防现代化的关键性技术支撑系统，也是展示现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。
GNSS也不是尽善尽美的。2013年1月24日我国北斗卫星导航系统①（BeiDou navigation satellite system，BDS）就曾经出现4分钟电文播发时间异常，导致依赖BDS授时的国家电网多点报错，因而GNSS完好性监测的必要性日益凸显。GNSS完好性是指用户对GNSS提供的信息的信任程度。GNSS导航精度可以通过很多增强系统和差分系统进一步提高到接近技术极限的程度，但GNSS存在固有的脆弱性、差错存在的普遍性、不确定性及信号易受遮蔽等不足，使很多用户对GNSS所提供服务的信任程度大大降低，GNSS完好性问题也延伸至除航空、搜救等生命安全领域，以及电力、电信等国家基础设施领域之外的公路、货运、铁路等陆上交通及海事、测绘及授时等民用定位、导航和授时（positioning, navigation and timing，PNT）应用，它们也期待着更高的完好性性能。如果没有完好性的服务性能作保障，GNSS只能充当辅助导航角色，也就是说GNSS作为主用导航设备必须跨越完好性这道门槛。GNSS完好性也正在成为一个国内外新的热门研究领域，越来越多的人开始关注并致力于GNSS完好性研究。
本章首先在1.1节介绍GNSS卫星导航系统及其星基和地基增强系统现状，简单分析GNSS高精度、全球性、全天候的强大导航优势及在陆海空天领域的PVTA十参数确定中广泛应用。但由于微弱L波段超高频分米波无线电信号的固有特点，本章也简要指出GNSS导航存在的脆弱性（易受干扰/阻塞和欺骗（interference/jamming and spoofing, IJS））、视距传播（易受遮蔽）和差错多样性等不足，今后GNSS必将沿着解决暗区和盲区、多源辅助的组合或差分融合及完好性方向发展，以提升GNSS完好性等导航服务性能；然后在1.2节由GNSS的三大漏洞引出GNSS完好性的概念及定义，随后介绍本书研究的“GNSS完好性监测及辅助性能增强技术”主题的国内外研究现状，并归纳总结GNSS完好性监测技术途径，提出GNSS完好性监测研究中的弱点和盲点；1.3节说明本书选题来源于所在SJTUGNC实验室承担的“十二五”国家高技术研究发展计划（863计划）课题“GNSS脆弱性分析及信号传输环境研究”，介绍研究的目的和意义，并简要介绍本书研究的主要内容以及所取得的研究成果。为增加本书的可读性，对全书内容的组织及结构编排进行梳理并绘制了全书逻辑脉络图。
1.1卫星导航系统现状及发展趋势
卫星导航系统是利用人造地球卫星进行导航的系统。整个系统由多个导航卫星、地面站和卫星导航定位设备组成。卫星导航系统是一种天基无线电导航定位和时间传递系统[4]。
1.1.1GNSS的源起和格局
1. GNSS创新思想
GNSS融合了*新的现代科技创新，是迄今为止应用*为广泛，影响*为深远的人类空间科技成果。GNSS的创新思维源于1957年10月4日苏联成功发射**颗人造地球卫星“斯普特尼克一号”（SputnikⅠ）后的第2年（1958年），观测SputnikⅠ的美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室研究人员提出： 根据已知轨道的卫星和接收机之间的多普勒频移（Doppler shift，DS）反推接收机在地球上位置的光辉论断。基于此原理，世界上**个卫星导航系统美国海军卫星导航系统（navi navigation satellite system，NNSS），也称为子午仪卫星导航系统（transit satellite navigation system）的**颗用于导航的卫星于1960年4月13号成功发射。
2. GNSS格局
此后，GNSS巨大的军事和商业价值促使世界各国都不惜耗费巨资建造各种用于导航的卫星系统，现今地球上空分布着一百多颗专门用于导航的人造地球卫星。卫星导航系统分为全球卫星导航系统、区域卫星导航系统和各种卫星导航增强系统三大类，其中卫星导航增强系统又可分为星基增强系统（satellite based augmentation system，SBAS）和地基增强系统（ground based augmentation system，GBAS）两类。有关GNSS的详情参阅附录A （卫星导航系统概况）。
表1.1卫星导航系统技术参数及状态一览表（截至2013年5月）
表1.1列出了各个GNSS系统的有关技术参数和系统状态[5]：截至2013年5月，全世界各种卫星导航系统在地球上空实际已经在轨运行85颗导航卫星。按照官方公布相关的标称星座合计卫星数量将达到138颗。
图1.1（a）是所有的卫星导航系统标称集总星座138颗卫星在某时刻的仿真平面图。图1.1（b）是在某时刻的仿真三维图。
图1.1所有GNSS系统标称集总星座图
3. GNSS卫星可见性
卫星在轨运动时地面静止用户的可见卫星数（number of visible satellites，NVS）和卫星视线角度也在变化。卫星可见性是所有GNSS导航系统的基本性能，是GNSS给用户提供服务的基础，因而NVS是卫星导航系统的基本问题。图1.2（a）显示了所有的卫星导航系统标称集总星座138颗卫星在某时刻5°掩蔽角时，以0.5°经纬度分辨率绘制的全球NVS情况。全球平均值为47颗，*大值达到68颗，*小值也有31颗。由图1.2可知欧亚非地区NVS明显高于美洲地区，特别是亚洲地区，这是因为BDS在亚太区域卫星覆盖较强，加之日本和印度的区域及增强系统作用所至。为更好地体现全球NVS的分布，图1.2（b）是在NVS基础上先在经度上取平均值后绘制的全球NVS经度均值分布图，紫色线为根据NVS均值分布情况拟合的标准正态分布曲线（见彩图1.2）。图中可见： 有80个样点NVS为紫色线42颗，68个样点NVS为52颗。
图1.2 所有GNSS系统标称集总星座NVS
以北京静止观测点（39.91°N，116.39°E，海拔31.2m）在5°掩蔽角时NVS为例，图1.3（a）（b）绘制了北京对所有GNSS标称集总星座138颗卫星在24小时内（1440个时间采样点，采样间隔为1分钟）NVS，平均NVS为54颗（虚线所示），*大值、*小值分别为66颗和41颗，均远超过全球NVS相应指标。
图1.3所有GNSS系统标称集总星座北京NVS
尽管有如此众多的GNSS卫星在轨道运行，可以接收到的导航信号也很多，但实际卫星导航应用要综合利用空中的导航卫星资源还有诸多问题需要解决，如卫星导航完好性问题。随着卫星数量的增多，故障卫星出现的次数也增多，即接收机需要甄别接收到的导航信号究竟质量如何，接收到一个有差错的导航信号反而给定位、测速和授时带来更大的误差。在有很多导航信号的情况下，完好性显得更加重要。增强系统从某种意义上来说就是为解决卫星导航的完好性问题。纵观四大GNSS系统，都有自己的增强系统。
1.1.2GNSS优势及应用
1. GNSS六大优势
GNSS以其覆盖的广泛性（全球四重以上覆盖）、信息的全面性（PVTA十参数）、应用的通用性（陆海空天、军民政科）、服务的全天候（昼夜晨昏、风霜雨雪）、性能的卓越性（PNT高性能）、成本低廉（信号免费公开，机体嵌入集成）六大优点得到各界青睐。
2. GNSS四大应用
目前，卫星导航系统已广泛应用于全球的各个行业，几乎影响到现代社会的所有方面，全世界的用户开发出数百种用途，而且新用途层出不穷，只怕想不到，不怕做不到[6]。主要应用包括陆海空天四大应用场景的PVTA导航应用领域。
a. 陆地应用： 主要包括车辆导航、铁路公路运控、精准农业、环境资源探测、公共安全与应急反应、精准授时、大气物理观测、地球物理资源勘探、测绘与工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等。
b. 海洋应用： 包括远洋船*佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。GNSS在航海中能够得到迅速、准确的定位、路线、速度等信息，通过合理的航线安排来节约导航时间及燃料；给船员提供精确的导航信息；改进港口集装箱管理的效率和经济效益；提高浮标安置、清理以及挖泥等操作的精确性及效率；使用自动身份识别系统（automatic identification system，AIS）提高船只的安全性。
c. 航空应用： 包括飞机导航、航空遥感姿态控制等。GNSS可以在全球范围内为飞行员提供起飞、飞行和降落，到机场的地面导航的所有飞行阶段精确的三维位置信息；减少昂贵的地面导航设施、系统和服务，为航空公司和飞行员提供灵活和节省燃料的航线；缩减航空*小间隔距离且更有效的航空交通管理，使航空能力得到提高，因而航班延误，特别是在恶劣天气条件下的延误可以减少。
d. 空间应用： 包括从载人飞船的导航系统到对通信卫星群的管理、跟踪和控制，到从空间监视地球，还包括导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
1.1.3GNSS不足及发展趋势
1. GNSS三大不足
辩证地看世间没有十全十美的事物，GNSS同样如此。GNSS存在固有的脆弱性、差错存在的普遍性、不确定性及信号易受遮蔽等不足（漏洞）限制了GNSS导航服务性能的发挥，在有些场合GNSS并不能提供稳定正常的导航服务。GNSS漏洞也是导致GNSS完好性问题的直接原因，随着GNSS应用的深入和推广，GNSS完好性监测相关领域的研究也成为研究热点问题之一。
商品参数
| GNSS完好性监测及辅助性能增强技术 | ||
 |
曾用价 | 89.00 |
| 出版社 | 科学出版社 | |
| 版次 | 1 | |
| 出版时间 | 2016年05月 | |
| 开本 | 16 | |
| 作者 | 战兴群，苏先礼 | |
| 装帧 | 平装 | |
| 页数 | 264 | |
| 字数 | 336 | |
| ISBN编码 | 9787030483072 | |
内容介绍
本书系统、深入地阐述了GNSS完好性监测的各项相关内容，包括其产生根源、评估指标、实现方法、辅助性能增强技术，提出GNSS完好性监测三级理论体系，构建其综合评估系统架构，研究在其他异质和同质导航信息辅助下其性能增强方法。本书研究内容丰富、图文并茂、结构严谨、论述清楚、材料充实。
目录
目录
前言
第1章绪论1
1.1卫星导航系统现状及发展趋势2
1.1.1GNSS的源起和格局3
1.1.2GNSS优势及应用6
1.1.3GNSS不足及发展趋势6
1.2GNSS完好性监测及其研究现状10
1.2.1GNSS完好性概念10
1.2.2国外研究现状11
1.2.3国内研究现状15
1.2.4国内外研究的弱点和盲点16
1.3本书的写作背景及主要内容18
1.3.1本书研究目的和意义18
1.3.2本书的内容和结构18
第2章GNSS故障及完好性监测22
2.1GNSS量测与PVTA解算23
2.1.1三类GNSS量测23
2.1.2GNSS观测方程24
2.1.3PVTA解算25
2.1.4几何精度因子29
2.2GNSS故障分析30
2.2.1GNSS导航链30
2.2.2GNSS故障31
2.3GNSS完好性性能及统计意义39
2.3.1GNSS导航服务性能39
2.3.2GNSS完好性统计意义41
2.3.3GNSS完好性监测44
2.4GNSS完好性需求45
2.4.1航空应用45
2.4.2其他民用行业应用47
2.5三级GNSS完好性监测体系48
2.5.1全球系统级星座完好性监测49
2.5.2区域增强级信息完好性监测49
2.5.3终端应用级用户完好性监测50
2.5.4GNSS完好性监测综合评估系统架构51
2.6GNSS完好性监测指标52
2.6.1完好性监测输入指标53
2.6.2用户完好性监测指标54
2.6.3完好性监测输出指标57
第3章全球系统级星座完好性监测58
3.1质量控制理论59
3.2全球系统级星座完好性监测评测指标61
3.2.1完好性*小可用性62
3.2.2*小检测效果黑洞比62
3.3基于质量控制的GNSS星座完好性综合评估方法63
3.3.1星座完好评估方法63
3.3.2星座完好评测区分64
3.3.3输入条件的阈值68
3.4单星座完好性评估68
3.4.1评估参数设置68
3.4.2单星座全球范围完好性评估69
3.4.3单星座亚太区域完好性评估71
3.4.4单星座连续时间完好性评估73
3.4.5单星座完好性评估总结77
3.5混合星座完好性评估77
3.5.1不同场景下各种混合星座完好性评测77
3.5.2亚太区域各种混合星座完好性评测83
3.6城市峡谷条件下混合星座完好性评估86
3.6.1评估参数设置86
3.6.2亚太区域各种掩蔽角下混合星座完好性87
3.6.3四个城市各种掩蔽角下混合星座连续时间完好性89
3.6.4城市峡谷条件下混合星座完好性总结91
第4章区域增强级信息完好性监测93
4.1信号分析理论93
4.1.1信息、信号和数据94
4.1.2信号完好性96
4.1.3数据完好性105
4.2区域增强级信息完好性监测评测方案107
4.2.1GNSS高增益抛物面伺服跟踪天线系统作用107
4.2.2区域增强级信息完好性监测方案108
4.3GPTA-SQMS设计与实现110
4.3.1国际GNSS监测抛物面天线简介110
4.3.2GPTA-SQMS系统介绍111
4.3.3GNSS卫星抛物面伺服跟踪天线系统设计115
4.3.4GNSS卫星抛物面伺服跟踪天线系统安装与测试121
4.4真实GNSS信号监测分析123
4.4.1GPS信号频谱监测分析124
4.4.2GLONASS信号频谱监测分析125
4.4.3BDS信号频谱监测分析125
4.4.4Galileo信号频谱监测分析126
4.4.5QZSS信号频谱监测分析127
第5章终端应用级用户完好性监测128
5.1终端应用级用户完好性监测展开位置及途径129
5.1.1射频环境完好性监测130
5.1.2基带处理完好性监测132
5.1.3量测解算完好性监测135
5.1.4小结136
5.2终端应用级用户完好性监测分类137
5.2.1接收机自主完好性监测137
5.2.2用户辅助完好性监测138
5.3一致性检测理论139
5.3.1一致性及一致性检测139
5.3.2解的*大距离法140
5.3.3残差矢量法141
5.3.4随机抽样一致性检测145
5.4随机抽样一致完好性监测147
5.4.1RANSAC-RAIM方法147
5.4.2RANSAC-RAIM参数选择150
5.4.3RANSAC-RAIM算法运算量评估151
5.5快速随机抽样一致完好性监测151
5.5.1FRANSAC-RAIM方法152
5.5.2子集预检验筛选152
5.5.3FRANSAC-RAIM算法运算量比较158
5.6随机抽样一致完好性监测仿真验证161
5.6.1航空场景及仿真条件161
5.6.2差错仿真164
5.6.3结果比较166
5.6.4RANSAC完好性监测方法总结172
第6章惯导辅助GNSS完好性监测173
6.1信息融合技术174
6.1.1信息融合技术的概念及发展174
6.1.2信息融合原理175
6.1.3信息融合的方法176
6.2惯性导航系统178
6.2.1惯导系统的组成178
6.2.2惯导系统优缺点181
6.2.3惯导系统误差182
6.3GNSS/INS组合导航系统184
6.3.1松组合184
6.3.2紧组合185
6.3.3超紧组合186
6.4惯导辅助GNSS完好性监测186
6.4.1IAIM研究现状186
6.4.2IAIM三层结构188
6.4.3数据层增量比较法完好性监测188
6.4.4特征层连贯法完好性监测189
6.4.5决策层快照法完好性监测190
6.4.6惯导辅助GNSS完好性监测方案设计191
第7章差分辅助GNSS完好性监测194
7.1GNSS姿态测量的完好性研究195
7.1.1GNSS姿态测量性能介绍195
7.1.2GNSS姿态测量中的完好性问题196
7.2姿态精度因子197
7.2.1几何精度因子197
7.2.2姿态精度因子197
7.2.3基于ADOP的姿态测量基线确定与选星算法200
7.3GNSSAD完好性监测的姿态角告警限值204
7.4差分辅助GNSS完好性监测算法204
7.4.1四类单差205
7.4.2差分辅助GNSS完好性监测208
参考文献213
缩略语226
附录A卫星导航系统概况234
A.1全球卫星导航系统234
A.1.1全球定位系统234
A.1.2格洛纳斯系统235
A.1.3北斗卫星导航系统236
A.1.4伽利略卫星导航系统237
A.1.5法国朵丽丝定轨和定位系统238
A.2区域卫星导航系统239
A.2.1日本的区域卫星导航系统239
A.2.2印度的区域卫星导航系统240
A.3卫星导航增强系统241
A.3.1GNSS星基增强系统241
A.3.2GNSS地基增强系统244
附录B随机抽样一致性248
B.1RANSAC优缺点248
B.2RANSAC基本假设249
B.3RANSAC算法249
B.4RANSAC参数选择249
后记251
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第1章绪论
《文子·自然》称“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”，时间和空间是这个世界的本质属性，因此量测时空成为人类活动从古至今重要的主题。本书所说的导航（navigation）是指在陆海空天（land, marine, aeronautic and space navigation，LMAS）四种场景中通过几何学、天文学、无线电信号等手段测定位置、航向和距离，监测和控制（引导）运载工具航行（从某点到达另一点）的过程[1]。科学技术发展拉近了时空，但人们对时空的检测却更加精细了，正像人们对时间需求已经从古人日升月落的粗糙时辰观测进步到在2010年2月美国国家标准局研制37亿年误差不超过1秒的铝离子光钟[2]，导航紧随着人类由近到远的运动史和由粗略到精确的位置需求，经历了从作标记、观天象、用司南的初级导航逐步发展到惯性仪表、无线导航、卫星导航等高级导航过程。
当前，作为实时三维位置、速度、时间和姿态（position, velocity, time and attitude，PVTA）十参数传感器的全球卫星导航系统①（global navigation satellite system，GNSS），已经使普通接收机在全球全天候地获得米级的定位精度、每秒分米级的测速精度、几十纳秒级的授时精度和分度级的测姿精度。导航设备也终将会像手表一样随时地佩戴在人们手腕上，成为人类对外界感知的重要工具。GNSS②应用也不断拓展，军事、民用、工业、商业和科学应用急剧增长，GNSS正日益深入地影响着人类社会方方面面，直接或间接地改变着人们生产生活方式和思维活动习惯。如今卫星导航的应用仅受限于人类的想象力[3]，GNSS业已成为国家信息体系的重要基础建设设施，是直接关系到经济发展和国家安全以及国防现代化的关键性技术支撑系统，也是展示现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。
GNSS也不是尽善尽美的。2013年1月24日我国北斗卫星导航系统①（BeiDou navigation satellite system，BDS）就曾经出现4分钟电文播发时间异常，导致依赖BDS授时的国家电网多点报错，因而GNSS完好性监测的必要性日益凸显。GNSS完好性是指用户对GNSS提供的信息的信任程度。GNSS导航精度可以通过很多增强系统和差分系统进一步提高到接近技术极限的程度，但GNSS存在固有的脆弱性、差错存在的普遍性、不确定性及信号易受遮蔽等不足，使很多用户对GNSS所提供服务的信任程度大大降低，GNSS完好性问题也延伸至除航空、搜救等生命安全领域，以及电力、电信等国家基础设施领域之外的公路、货运、铁路等陆上交通及海事、测绘及授时等民用定位、导航和授时（positioning, navigation and timing，PNT）应用，它们也期待着更高的完好性性能。如果没有完好性的服务性能作保障，GNSS只能充当辅助导航角色，也就是说GNSS作为主用导航设备必须跨越完好性这道门槛。GNSS完好性也正在成为一个国内外新的热门研究领域，越来越多的人开始关注并致力于GNSS完好性研究。
本章首先在1.1节介绍GNSS卫星导航系统及其星基和地基增强系统现状，简单分析GNSS高精度、全球性、全天候的强大导航优势及在陆海空天领域的PVTA十参数确定中广泛应用。但由于微弱L波段超高频分米波无线电信号的固有特点，本章也简要指出GNSS导航存在的脆弱性（易受干扰/阻塞和欺骗（interference/jamming and spoofing, IJS））、视距传播（易受遮蔽）和差错多样性等不足，今后GNSS必将沿着解决暗区和盲区、多源辅助的组合或差分融合及完好性方向发展，以提升GNSS完好性等导航服务性能；然后在1.2节由GNSS的三大漏洞引出GNSS完好性的概念及定义，随后介绍本书研究的“GNSS完好性监测及辅助性能增强技术”主题的国内外研究现状，并归纳总结GNSS完好性监测技术途径，提出GNSS完好性监测研究中的弱点和盲点；1.3节说明本书选题来源于所在SJTUGNC实验室承担的“十二五”国家高技术研究发展计划（863计划）课题“GNSS脆弱性分析及信号传输环境研究”，介绍研究的目的和意义，并简要介绍本书研究的主要内容以及所取得的研究成果。为增加本书的可读性，对全书内容的组织及结构编排进行梳理并绘制了全书逻辑脉络图。
1.1卫星导航系统现状及发展趋势
卫星导航系统是利用人造地球卫星进行导航的系统。整个系统由多个导航卫星、地面站和卫星导航定位设备组成。卫星导航系统是一种天基无线电导航定位和时间传递系统[4]。
1.1.1GNSS的源起和格局
1. GNSS创新思想
GNSS融合了*新的现代科技创新，是迄今为止应用*为广泛，影响*为深远的人类空间科技成果。GNSS的创新思维源于1957年10月4日苏联成功发射**颗人造地球卫星“斯普特尼克一号”（SputnikⅠ）后的第2年（1958年），观测SputnikⅠ的美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室研究人员提出： 根据已知轨道的卫星和接收机之间的多普勒频移（Doppler shift，DS）反推接收机在地球上位置的光辉论断。基于此原理，世界上**个卫星导航系统美国海军卫星导航系统（navi navigation satellite system，NNSS），也称为子午仪卫星导航系统（transit satellite navigation system）的**颗用于导航的卫星于1960年4月13号成功发射。
2. GNSS格局
此后，GNSS巨大的军事和商业价值促使世界各国都不惜耗费巨资建造各种用于导航的卫星系统，现今地球上空分布着一百多颗专门用于导航的人造地球卫星。卫星导航系统分为全球卫星导航系统、区域卫星导航系统和各种卫星导航增强系统三大类，其中卫星导航增强系统又可分为星基增强系统（satellite based augmentation system，SBAS）和地基增强系统（ground based augmentation system，GBAS）两类。有关GNSS的详情参阅附录A （卫星导航系统概况）。
表1.1卫星导航系统技术参数及状态一览表（截至2013年5月）
表1.1列出了各个GNSS系统的有关技术参数和系统状态[5]：截至2013年5月，全世界各种卫星导航系统在地球上空实际已经在轨运行85颗导航卫星。按照官方公布相关的标称星座合计卫星数量将达到138颗。
图1.1（a）是所有的卫星导航系统标称集总星座138颗卫星在某时刻的仿真平面图。图1.1（b）是在某时刻的仿真三维图。
图1.1所有GNSS系统标称集总星座图
3. GNSS卫星可见性
卫星在轨运动时地面静止用户的可见卫星数（number of visible satellites，NVS）和卫星视线角度也在变化。卫星可见性是所有GNSS导航系统的基本性能，是GNSS给用户提供服务的基础，因而NVS是卫星导航系统的基本问题。图1.2（a）显示了所有的卫星导航系统标称集总星座138颗卫星在某时刻5°掩蔽角时，以0.5°经纬度分辨率绘制的全球NVS情况。全球平均值为47颗，*大值达到68颗，*小值也有31颗。由图1.2可知欧亚非地区NVS明显高于美洲地区，特别是亚洲地区，这是因为BDS在亚太区域卫星覆盖较强，加之日本和印度的区域及增强系统作用所至。为更好地体现全球NVS的分布，图1.2（b）是在NVS基础上先在经度上取平均值后绘制的全球NVS经度均值分布图，紫色线为根据NVS均值分布情况拟合的标准正态分布曲线（见彩图1.2）。图中可见： 有80个样点NVS为紫色线42颗，68个样点NVS为52颗。
图1.2 所有GNSS系统标称集总星座NVS
以北京静止观测点（39.91°N，116.39°E，海拔31.2m）在5°掩蔽角时NVS为例，图1.3（a）（b）绘制了北京对所有GNSS标称集总星座138颗卫星在24小时内（1440个时间采样点，采样间隔为1分钟）NVS，平均NVS为54颗（虚线所示），*大值、*小值分别为66颗和41颗，均远超过全球NVS相应指标。
图1.3所有GNSS系统标称集总星座北京NVS
尽管有如此众多的GNSS卫星在轨道运行，可以接收到的导航信号也很多，但实际卫星导航应用要综合利用空中的导航卫星资源还有诸多问题需要解决，如卫星导航完好性问题。随着卫星数量的增多，故障卫星出现的次数也增多，即接收机需要甄别接收到的导航信号究竟质量如何，接收到一个有差错的导航信号反而给定位、测速和授时带来更大的误差。在有很多导航信号的情况下，完好性显得更加重要。增强系统从某种意义上来说就是为解决卫星导航的完好性问题。纵观四大GNSS系统，都有自己的增强系统。
1.1.2GNSS优势及应用
1. GNSS六大优势
GNSS以其覆盖的广泛性（全球四重以上覆盖）、信息的全面性（PVTA十参数）、应用的通用性（陆海空天、军民政科）、服务的全天候（昼夜晨昏、风霜雨雪）、性能的卓越性（PNT高性能）、成本低廉（信号免费公开，机体嵌入集成）六大优点得到各界青睐。
2. GNSS四大应用
目前，卫星导航系统已广泛应用于全球的各个行业，几乎影响到现代社会的所有方面，全世界的用户开发出数百种用途，而且新用途层出不穷，只怕想不到，不怕做不到[6]。主要应用包括陆海空天四大应用场景的PVTA导航应用领域。
a. 陆地应用： 主要包括车辆导航、铁路公路运控、精准农业、环境资源探测、公共安全与应急反应、精准授时、大气物理观测、地球物理资源勘探、测绘与工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等。
b. 海洋应用： 包括远洋船*佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。GNSS在航海中能够得到迅速、准确的定位、路线、速度等信息，通过合理的航线安排来节约导航时间及燃料；给船员提供精确的导航信息；改进港口集装箱管理的效率和经济效益；提高浮标安置、清理以及挖泥等操作的精确性及效率；使用自动身份识别系统（automatic identification system，AIS）提高船只的安全性。
c. 航空应用： 包括飞机导航、航空遥感姿态控制等。GNSS可以在全球范围内为飞行员提供起飞、飞行和降落，到机场的地面导航的所有飞行阶段精确的三维位置信息；减少昂贵的地面导航设施、系统和服务，为航空公司和飞行员提供灵活和节省燃料的航线；缩减航空*小间隔距离且更有效的航空交通管理，使航空能力得到提高，因而航班延误，特别是在恶劣天气条件下的延误可以减少。
d. 空间应用： 包括从载人飞船的导航系统到对通信卫星群的管理、跟踪和控制，到从空间监视地球，还包括导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
1.1.3GNSS不足及发展趋势
1. GNSS三大不足
辩证地看世间没有十全十美的事物，GNSS同样如此。GNSS存在固有的脆弱性、差错存在的普遍性、不确定性及信号易受遮蔽等不足（漏洞）限制了GNSS导航服务性能的发挥，在有些场合GNSS并不能提供稳定正常的导航服务。GNSS漏洞也是导致GNSS完好性问题的直接原因，随着GNSS应用的深入和推广，GNSS完好性监测相关领域的研究也成为研究热点问题之一。