轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航原理

前言

　　時(shí)間和空間的探索和研究是當(dāng)代最重大的科學(xué)前沿和戰(zhàn)略應(yīng)用之一。眾所周知，愛因斯坦研究了時(shí)間和空間，取得了重大突破，并提出了相對(duì)論。近年來(lái)，時(shí)間和空間的應(yīng)用幾乎涉及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的時(shí)頻基準(zhǔn)已成為重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)，其中一個(gè)最典型的戰(zhàn)略應(yīng)用就是以GPS為代表的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的戰(zhàn)略發(fā)展和應(yīng)用?！　≡诤硲?zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)，尤其是在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPs）充分顯示了作為軍事力量倍增器的巨大作用。GPS已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可或缺的，集導(dǎo)航、定位和授時(shí)等功能于一體的，能夠覆蓋所有作戰(zhàn)領(lǐng)域的一個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)。它向各類武器和各軍兵種實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確連續(xù)的位置、速度和時(shí)間等信息。20世紀(jì)90年代初，GPS這項(xiàng)戰(zhàn)略性技術(shù)開始投入民用，如今粗碼已對(duì)全世界開放，甚至外國(guó)軍隊(duì)都可以使用。但是，它的控制“鑰匙”始終掌握在五角大樓手里。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)期間，歐洲使用該系統(tǒng)曾受到限制，定位精度也有所下降。為此，歐洲意識(shí)到應(yīng)建自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。正如法國(guó)前總統(tǒng)希拉克所言，沒(méi)有Galileo計(jì)劃，歐洲“將不可避免地成為（美國(guó)的）附庸，首先是科學(xué)和技術(shù)，其次是工業(yè)和經(jīng)濟(jì)”，所以歐盟頂著阻力也要上自己的導(dǎo)航系統(tǒng)。同時(shí)，印度軍方也擔(dān)心加入Galileo計(jì)劃以后，印度主要軍事部署和敏感設(shè)施將徹底暴露在衛(wèi)星的監(jiān)視之下。如果這種系統(tǒng)的定位精度真能準(zhǔn)確到1米的話，那么所有運(yùn)行車輛和移動(dòng)電話用戶都將被“準(zhǔn)確定位”，印度擔(dān)心國(guó)家的安全將受到威脅?！　〕塑娛聭?yīng)用外，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正迅速滲透、應(yīng)用和服務(wù)于其他領(lǐng)域，不僅從根本上解決了海上、空中和陸地交通工具的導(dǎo)航和定位問(wèn)題，還成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、資源勘查等相關(guān)科學(xué)和通信、測(cè)繪、海洋、宇航、交通等多個(gè)領(lǐng)域，顯示出巨大的應(yīng)用潛力?！　⊥瑫r(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航正在改變?nèi)藗兊纳罘绞?，特別是汽車導(dǎo)航儀和手機(jī)定位終端的廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航已走人千家萬(wàn)戶，它將像移動(dòng)電話、傳真機(jī)、計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)一樣影響人們的生活，我們的日常生活將離不開它。

內(nèi)容概要

　　本書在繼承和吸收GPS類直播式衛(wèi)星導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)和特色的基礎(chǔ)上，深入分析和總結(jié)了由我國(guó)科學(xué)家自主發(fā)明和實(shí)踐的基于同步通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括定位、測(cè)速、測(cè)姿和授時(shí)的原理等，并對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中存在的誤差問(wèn)題作了較深入的分析，對(duì)系統(tǒng)的工程實(shí)用化問(wèn)題進(jìn)行了探討和論證?！　”緯晒氖潞完P(guān)心衛(wèi)星導(dǎo)航的大學(xué)生、研究生、科技工作者在開展導(dǎo)航系統(tǒng)學(xué)習(xí)、研究、開發(fā)和應(yīng)用時(shí)參閱。

書籍目錄

序前言第1章 衛(wèi)星導(dǎo)航概論　1.1 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀　1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)　1.3 發(fā)展我國(guó)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)　參考文獻(xiàn)第2章 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理　2.1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)計(jì)理念　2.2 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成　2.3 高空位置測(cè)量基準(zhǔn)和衛(wèi)星精密測(cè)定軌原理　　2.3.1 高空衛(wèi)星位置測(cè)量基準(zhǔn)　　2.3.2 衛(wèi)星精密測(cè)軌定軌原理　　2.3.3 衛(wèi)星測(cè)軌方法　　2.3.4 衛(wèi)星軌道的預(yù)報(bào)　2.4 偽隨機(jī)碼測(cè)距原理和偽距概念　　2.4.1 偽隨機(jī)碼測(cè)距原理　　2.4.2 偽距概念　　2.4.3 信號(hào)體制　2.5 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航的定位原理　　2.5.1 坐標(biāo)系　　2.5.2 偽距空間交會(huì)定位原理　　2.5.3 載波相位測(cè)量定位原理　　2.5.4 多普勒定位工作原理　2.6 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)學(xué)模型　　2.6.1 虛擬原子鐘概念及模型　　2.6.2 虛擬星座概念及模型　　2.6.3 導(dǎo)航測(cè)軌一體化及復(fù)合模型　　2.6.4 地球橢球面約束模型　　2.6.5 相對(duì)偽距差概念及雙曲面交會(huì)模型　　2.6.6 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第3章 定位測(cè)量方程解的探討　3.1 定位測(cè)量方程球面交會(huì)解的求解方法　　3.1.1 線性化迭代求解法　　3.1.2 最小二乘法　　3.1.3 二分均衡迭代解法　　3.1.4 高階消元解法　3.2 高程約束的衛(wèi)星定位測(cè)量方程的求解　　3.2.1 橢球約束方程全微分處理解法　　3.2.2 高程約束微分處理解法　　3.2.3 地球橢球方程在方程組外作為約束條件的解法　　3.2.4 地球高程作為約束條件時(shí)的二分均衡迭代解法　　3.2.5 小結(jié)　3.3 定位測(cè)量方程的雙曲面交會(huì)解的求解方法　3.4 解性能探討　　3.4.1 方程組性態(tài)分析　　3.4.2 系數(shù)矩陣的奇異特性　　3.4.3 右端項(xiàng)準(zhǔn)確化　　3.4.4 解的迭代格式　　3.4.5 誤差量未知數(shù)化　　3.4.6 約束解　　3.4.7 多導(dǎo)航信息融合解　　3.4.8 冗余解　　3.4.9 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第4章 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航的測(cè)速原理　4.1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)速設(shè)計(jì)理念　4.2 多普勒測(cè)速原理　4.3 頻率偏移分解　　4.3.1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航下行載頻生成原理　　4.3.2 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航下行載波頻漂分析　4.4 頻率改正的多普勒測(cè)速原理　　4.4.1 上行頻率實(shí)時(shí)調(diào)整方法　　4.4.2 廣播用戶頻率修正模型　4.5 差頻多普勒測(cè)速原理　　4.5.1 雙頻測(cè)速方式　　4.5.2 雙頻測(cè)速對(duì)系統(tǒng)中相關(guān)頻率源的要求　　4.5.3 雙頻頻差測(cè)試　4.6 卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)定位及測(cè)速　參考文獻(xiàn)第5章 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)姿原理　5.1 姿態(tài)確定的數(shù)學(xué)背景　　5.1.1 方向余弦　　5.1.2 四元數(shù)　　5.1.3 歐拉角　5.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換確定姿態(tài)原理　5.3 矢量最小二乘法確定姿態(tài)原理　5.4 利用轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航確定姿態(tài)的狀態(tài)估計(jì)法　　5.4.1 雙差干涉觀測(cè)　　5.4.2 運(yùn)動(dòng)模型和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)　5.5 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)姿精度的分析　參考文獻(xiàn)第6章 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)原理　6.1 時(shí)間概念　6.2 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星授時(shí)基礎(chǔ)　　6.2.1 CAPST　　6.2.2 時(shí)間傳遞　6.3 CAPS定時(shí)　　6.3.1 用戶相對(duì)于CAPS時(shí)間的鐘差　　6.3.2 CAPS定時(shí)原理　　6.3.3 CAPS定時(shí)誤差分析　　6.3.4 CAPS定時(shí)方法　6.4 CAPS校頻　　6.4.1 時(shí)差法校頻　　6.4.2 數(shù)字綜合法校頻　6.5 其他高精度時(shí)間傳遞方法　　6.5.1 衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)技術(shù)　　6.5.2 載波相位法　參考文獻(xiàn)第7章 系統(tǒng)誤差分析　7.1 誤差定義　7.2 誤差方程討論　　7.2.1 經(jīng)典衛(wèi)星定位的誤差方程　　7.2.2 經(jīng)典衛(wèi)星導(dǎo)航的幾何精度因子　　7.2.3 測(cè)速精度分析　7.3 誤差源分析　　7.3.1 衛(wèi)星的主要誤差　　7.3.2 信號(hào)傳播中的主要誤差　　7.3.3 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差　7.4 誤差改正模型　　7.4.1 誤差逼近修正模型　　7.4.2 求差法　　7.4.3 標(biāo)校解　　7.4.4 差分解　　7.4.5 測(cè)量反饋修正法　　7.4.6 冗余法和數(shù)據(jù)平滑　參考文獻(xiàn)第8章 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航工程化論證　8.1 功率保證　　8.1.1 傳輸方程　　8.1.2 傳輸損耗和噪聲　　8.1.3 衛(wèi)星鏈路分析　8.2 星座布局優(yōu)化　　8.2.1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)星座仿真　　8.2.2 亞洲局域系統(tǒng)星座仿真　　8.2.3 中國(guó)局域系統(tǒng)星座仿真　8.3 抗干擾問(wèn)題和生存能力　　8.3.1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾特性　　8.3.2 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾門限　　8.3.3 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾的影響　　8.3.4 抗干擾問(wèn)題　8.4 通信導(dǎo)航一體化　　8.4.1 概述　　8.4.2 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)　參考文獻(xiàn)第9章 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航展望　9.1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)　9.2 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航原理精度極高　9.3 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航的其他優(yōu)勢(shì)　9.4 市場(chǎng)呼喚轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)　參考文獻(xiàn)附錄　附錄A 坐標(biāo)系說(shuō)明　附錄B 坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換　附錄C 四元數(shù)與歐拉角之間的關(guān)系　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章　轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理　　在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用走向廣泛化和商業(yè)化的今天，如何減少投資、縮短研制周期、避免研制中的技術(shù)瓶頸變得尤為重要。那么我們能否改進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航的傳統(tǒng)模式，另辟蹊徑發(fā)展出新的衛(wèi)星導(dǎo)航模式呢？　　為此，我們抓住衛(wèi)星導(dǎo)航中制約研制和發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，即空間導(dǎo)航衛(wèi)星與星載原子鐘的研制。因?yàn)閱为?dú)研制導(dǎo)航衛(wèi)星投資大、研制周期長(zhǎng)，是否可以不發(fā)射專用的導(dǎo)航衛(wèi)星，而利用現(xiàn)有位于赤道上空的同步通信衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航呢？是否可以回避在衛(wèi)星上裝置原子鐘，而直接利用地面原子鐘作為時(shí)頻基準(zhǔn)呢？　　經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，同步通信衛(wèi)星技術(shù)已日臻完善，目前商用同步通信衛(wèi)星資源豐富（見圖2.1）、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、租用靈活方便、費(fèi)用少。若能利用同步通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航測(cè)距碼和導(dǎo)航電文的廣播，就可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的組成，這樣做不僅十分靈活、簡(jiǎn)捷方便，還可變換使用的衛(wèi)星和頻率，以適應(yīng)各種需要，提高系統(tǒng)的隱蔽性和抗干擾能力。由于系統(tǒng)有連續(xù)上行的通信鏈路，可以方便地輸入誤差修正信息，使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度的導(dǎo)航定位。為了提高系統(tǒng)性能，還應(yīng)改善衛(wèi)星星座分布的幾何因子，系統(tǒng)中需要發(fā)射少量?jī)A斜軌道衛(wèi)星，這些傾斜軌道衛(wèi)星有效載荷少、體積小、重量輕，可一箭多星發(fā)射，資金投入小（與GPS相比）。專利[39]中提出了利用退役星作為小傾角同步衛(wèi)星的想法，仿真與實(shí)踐證明十分有效，也可以采用在其他應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)射時(shí)搭載導(dǎo)航轉(zhuǎn)發(fā)器的做法?！　　?/pre>








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