1.内容提要

    北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航定位系统，是国家重要空间基础设施，已成为中国改革开放40多年来取得的重要成就之一，2020年北斗三号系统即将全面完成建设，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。本书首先介绍了北斗卫星导航系统的原理，包括系统的组成、坐标系统与时间系统、北斗卫星运动与卫星信号、北斗卫星导航接收机、北斗导航定位的误差源、北斗导航定位的基本原理；然后介绍了北斗导航系统在各行业的应用，包括在地球科学中的应用、位置服务中的应用等，并列举了典型的应用案例。
    全书结构清晰，内容深入浅出，可作为大学本科测绘、土木、交通、GIS、通信、农林等专业的公共基础课教材或者高职高专相关专业的教材,也可作为从事卫星导航教学、科研和生产人员的参考书。

2.前言

    北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航定位系统，是我国实施改革开放40多年来取得的重要成就之一。2018年年底，北斗三号基本系统完成建设，并开始提供全球服务，这标志着北斗系统正式从区域走向全球。随着2020年北斗三号系统的全面建成、提供全球化服务，以及国家战略实施和宏观政策的有力支持，我国卫星导航技术及相关产业正迈向崭新的发展阶段。
    20世纪后期，我国结合国情制定了北斗卫星导航系统“三步走”战略。第一步， 2000年建成北斗一号系统，采用有源定位体制，利用地球同步卫星为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务，解决了我国自主卫星导航系统的有无问题，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，2007年到2012年，发射14颗北斗二号卫星，建成北斗二号系统。该系统于2012年12月27日启动区域性导航定位与授时正式服务，并在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。第三步，2020年，完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。北斗三号系统继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制，能够为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信、国际搜救服务，中国及周边地区用户还可享有区域短报文通信、星际增强、精密单点定位等服务。计划在2035年以前，将以北斗系统为核心，建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时（PNT）体系。
    本书首先介绍了北斗卫星导航系统的原理，包括系统的组成、坐标系统与时间系统、北斗卫星运动与卫星信号、北斗卫星导航接收机、北斗导航定位的误差源、北斗导航定位的基本原理；其次介绍了北斗导航系统在各行业的应用，包括在地球科学中的应用、在位置服务中的应用等。
    本书由魏浩翰、沈飞、桑文刚、乐洋、贾东振、陈健、王笑蕾、曹新运、徐敬青、王尔申等编著。其中，南京林业大学魏浩翰、南京林业大学陈健编写第1章、第2章，山东建筑大学桑文刚、南京邮电大学乐洋、南京师范大学曹新运编写第3章、第5章和附录，陆军工程大学石家庄校区徐敬青、沈阳航空航天大学王尔申编写第4章，南京师范大学沈飞、河海大学贾东振、河海大学王笑蕾编写第6章、第7章、第8章，长江岩土工程总公司（武汉）何广源参与编写了第8章实例内容。全书由魏浩翰、沈飞负责统稿。
    本书编写过程中得到东南大学出版社和江苏莱特北斗信息科技有限公司的大力支持。东南大学出版社的曹胜玫老师为本书的策划、编写和出版付出很多努力，江苏莱特北斗信息科技有限公司为本书提供相关实训和实习素材（网址: http://shiyan.ltbeidou.com/）。在本书即将出版之际，向他们表示衷心感谢。本书参阅和引用了国内外有关学者的著作和发表的文献资料，在此向这些作者表示感谢！
     由于编者的水平所限，特别是当前北斗卫星导航系统理论、技术仍在不断发展和完善，相关行业应用仍在不断拓展，要覆盖整个北斗导航系统的研究和应用领域相当困难，因此本教材仍有不尽如人意的地方，敬请读者朋友不吝赐教。

编著者
2020年5月

3.目录

第1章绪论1
1.1导航定位技术的发展历程1
1.1.1人类早期的导航1
1.1.2近现代导航定位技术的发展2
1.1.3导航定位技术分类4
1.2北斗卫星导航系统6
1.2.1北斗卫星导航系统发展历程6
1.2.2系统组成7
1.2.3时间系统和坐标系统9
1.2.4信号特征和服务类型9
1.2.5特色与优势13
1.3其他全球卫星导航系统13
1.3.1GPS系统13
1.3.2GLONASS系统15
1.3.3Galileo系统16
1.4区域卫星导航系统与星基增强系统18
1.4.1区域卫星导航系统18
1.4.2星基增强系统18
1.5卫星导航快速入门19
1.5.1卫星导航基本原理19
1.5.2距离测量原理20
1.5.3信号传播时间及其误差21
参考文献22
思考题22
第2章坐标系统与时间系统23
2.1天球坐标系23
2.1.1天球的基本概念23
2.1.2瞬时天球坐标系24
2.1.3岁差与章动的影响25
2.1.4协议天球坐标系及其转换26
2.2地球坐标系27
2.2.1瞬时地球坐标系27
2.2.2地极移动29
2.2.3协议地球坐标系与国际地球参考框架30
2.2.4协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换32
2.3常用的GNSS坐标系32
2.3.1WGS84坐标系33
2.3.2PZ90坐标系33
2.3.3Galileo坐标系33
2.3.4北斗卫星导航系统坐标系34
2.4时间系统35
2.4.1世界时系统35
2.4.2历书时37
2.4.3原子时37
2.4.4协调世界时38
2.4.5北斗时间系统38
参考文献39
思考题39
第3章北斗卫星运动与卫星信号40
3.1北斗卫星轨道40
3.1.1基于开普勒轨道参数及其变化率来描述40
3.1.2按固定时间间隔直接给出对应历元卫星位置及其运动速度描述42
3.2北斗卫星星历42
3.2.1卫星星历与历书42
3.2.2 广播星历与精密星历44
3.3北斗卫星信号47
3.3.1载波信号47
3.3.2测距码48
3.3.3导航电文50
3.4北斗卫星位置计算53
3.4.1利用广播星历计算卫星位置53
3.4.2利用精密星历计算卫星位置55
参考文献56
思考题57
第4章北斗卫星导航接收机58
4.1GNSS接收机基本原理58
4.1.1GNSS接收机组成58
4.1.2导航信号捕获跟踪流程61
4.1.3几种常见的GNSS接收机实现方式65
4.1.4GNSS接收机发展趋势65
4.2GNSS接收机的分类66
4.2.1按工作原理分类66
4.2.2按用途分类67
4.2.3按所用载波频率分类67
4.2.4按接收机通道方式分类68
4.3北斗卫星导航接收机性能68
4.3.1北斗系统导航业务功能68
4.3.2北斗系统短报文业务功能70
4.3.3卫星导航接收机主要指标71
4.3.4常规指标的测试方法72
4.4北斗导航接收机数据格式74
4.4.1NMEA数据接口74
4.4.2RTCM数据接口75
4.4.3RINEX数据接口77
4.4.4私有数据接口79
参考文献80
思考题80
第5章北斗卫星导航系统的误差源81
5.1概述81
5.1.1误差分类82
5.1.2消除或削弱误差影响的方法和措施84
5.2与卫星有关的误差86
5.2.1卫星星历误差86
5.2.2卫星钟差87
5.2.3相对论效应88
5.2.4信号在卫星内的时延89
5.2.5卫星天线相位中心改正90
5.3与信号传播有关的误差91
5.3.1电离层延迟误差91
5.3.2对流层延迟100
5.3.3多路径效应103
5.4与接收机有关的误差104
5.4.1接收机钟差104
5.4.2接收机内部测量噪声104
5.4.3接收机天线相位中心改正105
5.4.4地球潮汐改正106
参考文献107
思考题108
第6章北斗卫星导航定位基本原理与方法109
6.1卫星导航定位原理109
6.1.1定位原理109
6.1.2定位方法分类110
6.2北斗系统基本观测量111
6.2.1伪距观测值111
6.2.2载波相位观测值113
6.2.3多普勒频移测量值115
6.3单点定位116
6.3.1伪距单点定位116
6.3.2精密单点定位技术119
6.4差分定位121
6.4.1伪距差分定位121
6.4.2载波相位差分定位123
6.4.3网络RTK127
参考文献131
思考题131
第7章北斗卫星导航系统在地球科学中的应用132
7.1地球参考框架维持132
7.2国民基础设施建设134
7.2.1大坝监测134
7.2.2边坡监测135
7.2.3桥梁监测138
7.3气象监测139
7.3.1气象参数反演139
7.3.2气象数据传输141
7.3.3气象智能化141
7.4地表环境监测143
7.4.1海面潮位监测144
7.4.2海面风场监测145
7.4.3积雪监测146
7.4.4土壤湿度监测147
7.5典型应用案例——边坡变形监测148
7.5.1研究区概况148
7.5.2GNSS变形监测系统设计与实现149
参考文献153
思考题155
第8章北斗卫星导航系统在位置服务中的应用156
8.1大众领域的应用156
8.1.1智能手机的应用156
8.1.2共享单车应用157
8.1.3乘用车导航158
8.1.4对特殊人群的关爱159
8.2智慧城市中的应用160
8.2.1公交车智能调度160
8.2.2公务车管理161
8.2.3网约车监管162
8.2.4公安应急通信指挥163
8.2.5城市网格化管理164
8.3交通领域的应用165
8.3.1重点运输车辆过程监控165
8.3.2物流配送车辆监管165
8.3.3船舶监控166
8.3.4航空领域的应用167
8.3.5无人机监管168
8.3.6驾考驾培169
8.3.7自动驾驶170
8.4减灾救灾领域的应用171
8.4.1民政防灾减灾救灾171
8.4.2海上遇险搜救173
8.4.3消防救援管理174
8.5农业渔业应用175
8.5.1农机作业监管175
8.5.2农机自动驾驶176
8.5.3海洋渔业177
8.5.4海洋观测178
8.6典型应用案例——农机作业监控179
8.6.1项目概况179
8.6.2系统组成179
8.6.3北斗农机智能终端180
8.6.4精细化管理平台181
参考文献183
思考题183
附录1北斗广播星历(部分)184
附录2北斗精密星历(部分)187
附录3北斗导航电文信息类别及播发特点190
附录4北斗卫星发射一览表192