内 容 提 要
本书旨在详细描述全球定位系统及相关的技术， 讲述 ＧＰＳ 如何工作以及如何应用， 包括
基本原理、 系统结构、 信号特点、 坐标系转换、 位置计算、 差分技术、 辅助 ＧＰＳ、 ＧＬＯＮＡＳＳ、
ＧＡＬＩＬＥＯ 与北斗等其他 ＧＮＳＳ 介绍、 数据格式与硬件结构， 并包含了 ＧＮＳＳ 领域的新技术， 以
及ＧＮＳＳ 应用等内容。 本书条理清楚、 内容丰富， 易于理解和掌握， 为ＧＰＳ 开发和ＧＰＳ 应用人
员提供所需的参考内容， 帮助读者快速和全面地理解 ＧＰＳ 相关技术。
本书可以作为卫星导航定位技术开发者、 导航技术应用者、 软件工程师、 硬件工程师、 高
等院校师生的工具书和参考书。
图书在版编目 （ Ｃ Ｉ Ｐ ） 数据
ＩＳＢＮ ９７８ － ７ － ８０２４３ － ７８９ － ０
ＧＰＳ 卫星导航基础／ （瑞士） 佐格 （Ｚｏｇｇ， Ｊ Ｍ ） 著
－－北京 ∶ 航空工业出版社， ２０１１ ８
中国版本图书馆 ＣＩＰ 数据核字 （２０１１） 第１３８６８０ 号
Ⅰ． ①Ｇ… Ⅱ． ①佐… Ⅲ． ①全球定位系统 Ⅳ．
①Ｐ２２８ ４
ＧＰＳ Ｗｅｉｘｉｎｇ Ｄɑｏｈɑｎｇ Ｊｉｃｈｕ
航空工业出版社出版发行
ＧＰＳ 卫星导航基础
中国电影出版社印刷厂印刷
２０１１ 年８ 月第１ 版
开本： ７８７ Ч １０９２ １ ／ １６
印数： １—２０００
发（北京市安定门外小关东里１４ 号 １０００２９）
行部电话： ０１０ － ６４８１５６１５ ０１０ － ６４９７８４８６
印张： １０ ７５
全国各地新华书店经售
２０１１ 年８ 月第１ 次印刷
字数： ２１１ 千字
定价： ３９ ００ 元
Стр.3
目 录
导论
第1 章 卫星导航快速入门
1． 1 测量信号传输时间的原理
……………………………………………………………………………… 1
………………………………………………… 3
1． 1． 1 卫星导航的基本原理
1． 1． 2 信号行程时间
1． 1． 3 测定位置
1． 1． 4 时间误差的影响和修正
第2 章 坐标系
2． 1 引言
2． 2 地球体
2． 3 椭球与基准面
2． 3． 1 椭球
……………………………………………… 3
……………………………………………… 4
……………………………………………………… 6
…………………………………………………………… 6
…………………………………………… 7
2． 3． 2 制定本地参考椭球与基准面
2． 3． 2． 1 本地参考椭球
2． 3． 2． 2 基准面、 地图参考系
2． 3． 3 国家参考系
………………………………………………………………… 9
……………………………………………………………………… 9
…………………………………………………………………… 9
…………………………………………………………… 10
………………………………………………………………… 10
……………………………………… 11
……………………………………………………… 11
……………………………………………… 11
………………………………………………………… 11
……………………………… 13
2． 3． 6． 1 将笛卡儿坐标转换为椭球坐标
2． 3． 6． 2 将椭球坐标转换为笛卡儿坐标
2． 4 平面地区坐标、 投影
………………………………………………………… 13
………………………………………………………… 14
………………………………………………………… 14
……………………………………… 14
……………………………………… 15
2． 4． 1 高斯 -克吕格投影 (横切墨卡托投影)
2． 4． 2 UTM 投影
…………………………………………………… 15
………………………… 15
目 录 1
2． 3． 4 国际参考椭球WGS - 84 …………………………………………… 12
2． 3． 5 从本地参考系变换至世界参考椭球
2． 3． 5． 1 大地基准面
2． 3． 5． 2 基准面转换
2． 3． 6 转换坐标系
…………………………………………………………… 16
Стр.8
2． 4． 3 瑞士投影系 (正形双重投影)
2． 4． 4 全球范围的坐标转换
…………………………………… 18
2． 4． 4． 1 示例: 将WGS - 84 坐标转换为 CH - 1903 坐标
2． 5 栅格地图地理对位
2． 5． 1 引言
2． 5． 2 变换基础
2． 5． 3 确定变换坐标
2． 5． 4 确定变换参数 a, b, c, d, e, f
2． 5． 5 示例 (将栅格地图变换为WGS - 84)
第3 章 卫星技术基础
3． 1 开普勒定律
……………………………………………… 18
…………………… 19
……………………………………………………… 19
………………………………………………………………… 19
…………………………………………………………… 20
……………………………………………………… 20
………………………………… 21
…………………………… 22
3． 1． 1 开普勒第一定律
3． 1． 2 开普勒第二定律
3． 1． 3 开普勒第三定律
3． 2 卫星轨道
3． 3 轨道高度
3． 4 无线电频率
3． 5 时间系统
……………………………………………………… 25
……………………………………………………………… 25
…………………………………………………… 25
…………………………………………………… 26
…………………………………………………… 26
3． 5． 1 国际原子时 (TAI)
3． 5． 2 协调世界时 (UTC)
3． 5． 3 GPS 时
3． 5． 4 卫星时
3． 5． 5 地方时
………………………………………………………………… 27
………………………………………………………………… 28
……………………………………………………………… 29
………………………………………………………………… 30
……………………………………………… 30
……………………………………………… 31
……………………………………………………………… 31
……………………………………………………………… 31
……………………………………………………………… 31
第4 章 GNSS 技术: GPS 示例
4． 1 引言
4． 2 全系统描述
4． 3 空间部分
4． 3． 1 卫星的分布和运动
4． 3． 2 GPS 卫星
4． 3． 2． 1 卫星结构
2
GPS 卫星导航基础
…………………………………………… 33
……………………………………………………………………… 33
……………………………………………………………… 34
………………………………………………………………… 34
………………………………………………… 34
…………………………………………………………… 36
………………………………………………………… 36
Стр.9
4． 3． 2． 2 通信链路预算分析
4． 3． 2． 3 卫星信号
4． 3． 3 生成卫星信号
4． 3． 3． 1 简化框图
4． 3． 3． 2 详细框图
4． 4 控制部分
4． 6 GPS 导航电文
4． 6． 1 引言
4． 4． 1 失效可能性与人为信号失真 (SA)
4． 5 用户部分
4． 6． 2 导航电文的结构
4． 6． 3 子帧包含的信息
………………………………………………… 37
………………………………………………………… 37
……………………………………………………… 39
………………………………………………………… 39
………………………………………………………… 40
………………………………………………………………… 41
……………………………… 41
4． 6． 4 遥测字 (TLM) 与转换字 (HOW)
4． 6． 5 25 页的细分
………………………………………………………………… 43
…………………………………………………………… 45
………………………………………………………………… 45
…………………………………………………… 46
…………………………………………………… 47
……………………………… 47
4． 6． 6 星历与年历数据比较
4． 7 GPS 现代化
………………………………………………………… 47
……………………………………………… 48
……………………………………………………………… 48
………………………………………………… 48
4． 7． 1． 3 MBOC 调制 (多路 BOC, MBOC (6, 1, 1 / 11))
4． 7． 2 GPS 现代化
第5 章 GLONASS、 GALILEO 和北斗系统
5． 1 引言
5． 2 GLONASS: 俄罗斯系统
5． 2． 1 GLONASS 的建成
…………………………………………………… 49
………………… 51
………………………………………………………… 52
………………………… 54
4． 7． 1 新调制方法, BOC 和 MBOC ……………………………………… 48
4． 7． 1． 1 BPSK (1) —调制
4． 7． 1． 2 BOC—调制简介
……………………………………………………………………… 54
………………………………………………… 54
…………………………………………………… 56
5． 3． 2 计划中的 GALILEO 服务
………………………………………………………………… 58
…………………………………………… 60
5． 3 GALILEO ………………………………………………………………… 58
5． 3． 1 概述
5． 3． 2． 1 开放服务, OS …………………………………………………… 60
5． 3． 2． 2 商业服务, CS …………………………………………………… 60
5． 3． 2． 3 人身安全服务, SoL ……………………………………………… 60
目 录 3
Стр.10
5． 3． 2． 4 公共管制服务, PRS ……………………………………………… 60
5． 3． 2． 5 搜索和救援, SAR ………………………………………………… 61
5． 3． 3 精度
5． 3． 4 GALILEO 技术
5． 3． 4． 1 信号频率
5． 3． 4． 2 时间计划
5． 3． 5 GNSS 最重要的三个特性
5． 4 中国的北斗1 代和北斗2 代系统
5． 4． 1 目前的系统: 北斗1 代
5． 4． 2 未来的系统: 北斗2 代
第6 章 计算位置
6． 1 引言
6． 2 计算位置
………………………………………………………………… 62
……………………………………………………… 62
………………………………………………………… 64
………………………………………………………… 65
…………………………………………… 67
……………………………………… 68
…………………………………………… 68
…………………………………………… 68
6． 2． 1 测量信号行程时间的原理 (伪距估算)
6． 2． 2 方程的线性化
6． 2． 3 解方程
6． 2． 4 小结
6． 3 确定行程时间的具体方法
6． 3． 1 时间系统
6． 3． 2 确定行程时间的具体方法
…………………………………………………………… 70
……………………………………………………………………… 70
………………………………………………………………… 70
………………………… 70
……………………………………………………… 72
……………………………………………………………… 73
………………………………………………………………… 74
……………………………………………… 75
6． 3． 2． 1 第1 步: 通过相关性确定信号到达时间
6． 3． 2． 2 第2 步: 对数据和/ 或导航电文进行重构
6． 3． 2． 3 第3 步: 确定发送时间
6． 3． 3 确定行程时间误差
6． 3． 4 影响行程时间的其他因素
6． 4 误差分析与精度因子
6． 4． 1 引言
…………………………………………………………… 75
………………………………………… 75
…………………………… 75
…………………………… 77
…………………………………………… 77
………………………………………………… 78
………………………………………… 78
…………………………………………………… 79
6． 4． 2 卫星几何形态对精度的影响, DOP 值
6． 4． 2． 1 引言
6． 4． 2． 2 图解 DOP 值成因
6． 4． 2． 3 DOP 值的实际含义
4
GPS 卫星导航基础
………………………………………………………………… 79
…………………………… 80
……………………………………………………………… 80
…………………………………………………… 81
………………………………………………… 82
Стр.11
6． 4． 2． 4 总误差
6． 4． 2． 5 计算 DOP 值
…………………………………………………………… 83
……………………………………………………… 85
第7 章 改进的 GPS: DGPS、 SBAS、 A -GPS 和 HSGPS
7． 1 引言
7． 2 GPS 误差源
7． 3 减小测量误差的可行性
… 87……
……………………………………………………………………… 87
……………………………………………………………… 87
………………………………………………… 89
7． 3． 1． 4 对测量伪距的修正
………………………………………………… 91
……………………………………………………… 91
………………………………………………………… 92
………………………………………………… 93
…………………… 94
7． 3． 5 根据播发范围对 DGPS 进行分类
7． 3． 6 修正信号发送标准
7． 3． 7 差分修正服务概览
7． 4 DGPS 实时修正服务
7． 4． 1 引言
……………………………………………………… 94
………………………………… 95
7． 3． 1 基于信号行程时间延迟测量的 DGPS …………………………… 90
7． 3． 1． 1 工作原理详细说明
7． 3． 1． 2 确定修正系数
7． 3． 1． 3 发送修正值
7． 3． 2 基于载波相位测量的 DGPS ……………………………………… 93
7． 3． 3 DGPS 后处理 (信号行程时间和相位测量)
7． 3． 4 发送修正数据
7． 4． 2 基于 RTCM SC - 104 的地面服务
7． 4． 3 基于 RTCM SC - 104 的卫星服务
………………………………………………… 95
………………………………………………… 96
……………………………………………………… 96
………………………………………………………………… 96
………………………………… 97
………………………………… 97
……………………… 99
7． 5． 1． 2 最重要的 SBAS 功能
7． 5． 2 现有系统和计划中的系统概览
7． 5． 3 计划中的 RNSS 概览
7． 5． 4 SBAS 系统描述
……………………………………………………………… 99
……………………………………………… 99
…………………………………… 100
7． 5． 5 使用 RTCM SC - 104 的卫星 DGPS 服务
7． 6 使用 DGPS 和 SBAS 可达到的精度
……………………………………………… 103
……………………………………………………… 103
………………………… 104
……………………………………… 105
目 录 5
7． 7 辅助 GPS (A - GPS, AGPS) ………………………………………… 105
7． 5 广域 DGPS (WADGPS) ………………………………………………… 99
7． 5． 1 星基增强系统, SBAS (WAAS, EGNOS)
7． 5． 1． 1 引言
Стр.12
7． 7． 1 引言
7． 7． 2 A - GPS 原理
7． 7． 3 基准网络
7． 7． 4 A - GPS 网络
7． 7． 5 采用在线辅助数据的 A - GPS 方式 (实时 A - GPS)
7． 7． 6 采用离线辅助数据的 A - GPS 方式 (预测轨道)
7． 7． 7 架构
7． 7． 8 控制平面架构
7． 7． 9 用户平面架构
7． 7． 10 架构优势
………………………………………………………………… 105
………………………………………………………… 106
…………………………………………………………… 108
………………………………………………………… 109
…………… 109
……………… 110
7． 7． 11 OMA 安全用户平面定位架构 (OMA - SUPL)
………………………………………………………………… 111
……………………………………………………… 111
……………………………………………………… 112
…………………………………………………………… 112
………………… 113
………………………………………………… 114
7． 8． 3 噪声系数因素
7． 8． 4 相关器和相关时间
7． 9 GNSS 转发器或转发天线
7． 10 室内用伪卫星
………………………………………………………………… 114
……………………………………………………… 114
………………………………………………… 115
………………………………………………… 116
第8 章 数据格式与硬件接口
8． 1 引言
8． 2 数据接口
…………………………………………………………… 116
……………………………………………… 117
7． 8 高灵敏度 GPS (HSGPS) ……………………………………………… 114
7． 8． 1 提高振荡器稳定性
7． 8． 2 天线
8． 2． 1 NMEA - 0183 数据接口
8． 2． 1． 1 NMEA 协议结构
8． 2． 1． 2 GGA 数据集
8． 2． 1． 3 GLL 数据集
8． 2． 1． 4 GSA 数据集
8． 2． 1． 5 GSV 数据集
8． 2． 1． 6 RMC 数据集
8． 2． 1． 7 VTG 数据集
8． 2． 1． 8 ZDA 数据集
8． 2． 1． 9 计算校验和
6
GPS 卫星导航基础
……………………………………………………………………… 117
………………………………………………………………… 117
…………………………………………… 117
…………………………………………………… 118
………………………………………………………… 120
………………………………………………………… 121
………………………………………………………… 122
………………………………………………………… 123
………………………………………………………… 124
………………………………………………………… 125
………………………………………………………… 126
………………………………………………………… 126
Стр.13
8． 2． 2 从 NMEA 转换为 KML ……………………………………………… 128
8． 2． 2． 1 Google Earth 和 KML 简介
8． 2． 2． 2 将 NMEA 转换为 KML 的方法
8． 2． 3 DGPS 修正数据 (RTCM SC - 104)
……………………………………………… 128
………………………………………… 128
……………………………… 131
8． 2． 3． 1 RTCM 电文头 (2． 3 版) …………………………………………… 132
8． 2． 3． 2 RTCM 电文类型1 (2． 3 版) ……………………………………… 133
8． 2． 3． 3 RTCM 电文类型2 ~ 9 (2． 3 版) …………………………………… 134
8． 2． 4 私有数据接口
8． 2． 4． 1 示例: 用于 u-blox GNSS 接收机的 UBX 协议
8． 3 硬件接口
8． 3． 1 天线
8． 3． 2 供电
8． 3． 3 时间脉冲: 1PPS 与时间系统
8． 3． 4． 2 确定电平及其逻辑分配
……………………………………………………… 136
………………………… 136
………………………………………………………………… 138
………………………………………………………………… 138
………………………………………………………………… 139
……………………………………… 139
……………………………………………………… 140
…………………………………………… 140
8． 3． 4 将 TTL 电平转换为 RS - 232 ……………………………………… 140
8． 3． 4． 1 串行通信基础
8． 3． 4． 3 将 TTL 电平转换为 RS - 232 ……………………………………… 141
第9 章 GNSS 接收机
9． 1 GNSS 手持接收机基础
9． 2 GNSS 接收机模块
9． 2． 1 GNSS 模块基本设计
第10 章 GNSS 应用
10． 1 引言
10． 2 各种应用介绍
……………………………………………………… 143
…………………………………………………… 143
………………………………………………………… 144
………………………………………………… 144
………………………………………………………… 146
10． 2． 1 基于位置的服务 (LBS)
10． 2． 2 商业和工业应用
10． 2． 3 通信技术
10． 2． 4 农业和林业
10． 2． 5 科学与研究
10． 2． 6 旅游和运动
……………………………………………………………………… 146
…………………………………………………………… 146
………………………………………… 147
…………………………………………………… 147
…………………………………………………………… 149
………………………………………………………… 149
………………………………………………………… 150
………………………………………………………… 151
目 录 7
Стр.14
10． 2． 7 军事
10． 2． 8 时间测定
………………………………………………………………… 151
…………………………………………………………… 151
A ……………………………………………………………………………… 153
附录
互联网上的资源
A． 1 概要报告和链接
A． 3 GPS 机构
C 版本历史
…………………………………………………………… 153
………………………………………………………… 153
A． 2 差分 GPS ………………………………………………………………… 153
………………………………………………………………… 154
………………………………………… 154
A． 4 GNSS 新闻组和 GNSS 技术刊物
B 资料来源
…………………………………………………………………… 155
…………………………………………………………………… 156
8
GPS 卫星导航基础
Стр.15