GPS理論、算法與應用（第3版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

[德] 許國昌，許艷著 譯

圖書標籤:

• GPS
• 定位
• 導航
• 理論
• 算法
• 應用
• 測繪
• 地理信息係統
• 無綫通信
• 嵌入式係統

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030546111

版次：01

商品編碼：12310812

包裝：平裝

叢書名： 地球觀測與導航技術叢書

開本：16開

齣版時間：2018-01-01

頁數：348

字數：515000

正文語種：中文

內容簡介

　　本書介紹全球定位係統（GPS/Glonass/Galileo/Compass）的理論、算法與應用。主要內容來自於在波茨坦GFZ開發的KSGsoft軟件程序的源代碼說明書。在新的多功能GPS/Galileo軟件的開發過程中對理論和算法進行瞭擴展和驗證。除瞭第一版中介紹的GPS數據處理的統一方法、對角化算法、自適應卡爾曼濾波、模糊度的一般搜索準則和變分方程的代數解，第二版中介紹的GPS算法的等價性理論、獨立參數化方法、另一種太陽光壓模型，第三版中補充瞭GNSS係統的現代化、理論和算法的新發展，以及廣泛應用的各項研究。本書從概述開始，介紹坐標和時間係統及衛星軌道的基礎知識，以及GPS觀測量，並進行諸如觀測誤差源、觀測方程及其參數化、平差和濾波、模糊度求解、軟件開發和數據處理，以及擾動軌道確定的專題研究。

目錄

目錄
《地球觀測與導航技術叢書》編寫說明
第3版中文版前言
第3版前言
第2版前言
第1版前言
縮寫詞和常量
第1章 概述 1
1.1 GPS核心 2
1.2 GLONASS簡述 5
1.3 Galileo的基本情況 6
1.4 BeiDou介紹 8
1.5 組閤的全球導航衛星係統 9
第2章 坐標係統和時間係統 10
2.1 地心地固坐標係 10
2.2 坐標係轉換 13
2.3 地方坐標係 14
2.4 地心慣性坐標係 15
2.5 IAU 2000框架 18
2.6 地心黃道慣性坐標係 21
2.7 時間係統 22
第3章 衛星軌道 25
3.1 開普勒運動 25
3.2 衛星的受攝運動 33
3.3 GPS廣播星曆 34
3.4 IGS精密星曆 35
3.5 GLONASS星曆 36
3.6 Galileo星曆 36
3.7 BDS星曆 37
第4章 GPS觀測量 38
4.1 僞距 38
4.2 載波相位 39
4.3 多普勒觀測量 41
第5章 GPS觀測誤差源 43
5.1 電離層效應 43
5.2 對流層效應 56
5.3 相對論效應 66
5.4 地球潮汐和海水負荷潮汐誤差修正 69
5.5 鍾差 77
5.6 多路徑效應 80
5.7 AS和SA效應 85
5.8 天綫相位中心的偏差和變化 85
5.9 硬件延遲偏差 89
第6章 GPS觀測方程和等價特性 90
6.1 GPS觀測通用數學模型 90
6.2 觀測模型綫性化 91
6.3 觀測函數的偏導數 92
6.4 綫性變換和協方差傳播 95
6.5 數據組閤 96
6.6 數據差分 103
6.7 非組閤算法和組閤算法的等價性 108
6.8 非差算法和差分算法的等價性 117
第7章 平差和濾波方法 126
7.1 引言 126
7.2 最小二乘平差 126
7.3 序貫最小二乘平差 128
7.4 條件最小二乘平差 129
7.5 分塊最小二乘平差 132
7.6 周氏理論——等價消去觀測方程係統 135
7.7 卡爾曼濾波 138
7.8 最小二乘平差的先驗約束 147
7.9 總結 150
第8章 周跳探測與整周模糊度解算 152
8.1 周跳的探測 152
8.2 周跳修復方法 153
8.3 整周模糊度搜索的一般準則 153
8.4 基於一般準則的模糊度搜索方法 163
8.5 模糊度函數 164
8.6 PPP模糊度固定 167
第9章 GPS數據處理的參數化和算法 169
9.1 GPS觀測模型的參數化 169
9.2 GPS數據處理算法的等價性 177
9.3 非等價算法 181
9.4 GPS差分算法中變換參考的研究 181
9.5 GPS數據處理的標準算法 184
9.6 觀測幾何精度 194
9.7 實時定位係統簡介 195
第10章 GPS理論和算法應用 198
10.1 軟件開發 198
10.2 常用GPS軟件介紹 203
10.3 精密動態定位和飛行狀態監測的方法 205
第11章 受攝軌道及確定 216
11.1 衛星運動的受攝方程 216
11.2 衛星運動攝動力 221
11.3 C20攝動軌道的分析解 240
11.4 軌道修正 245
11.5 GPS精密定軌原理 248
11.6 數值積分和插值算法 251
11.7 軌道相關的偏導數 259
第12章 討論 267
12.1 先驗信息和獨立參數化 267
12.2 GPS數據處理算法的等價性 268
12.3 其他討論 269
附錄A 國際天文協會（IAU）1980章動理論 270
附錄B 方程對角化的數字示例 273
參考文獻 278
關鍵詞中英文對照 315

跨越時空的信號：現代導航與定位係統的基石 本書聚焦於信息論、信號處理和控製理論的前沿交匯點，深入剖析瞭支撐全球定位、精準授時乃至未來自主係統的核心技術。它並非一本關於特定商業導航係統的手冊，而是旨在構建讀者對導航與定位這一復雜工程領域底層原理的深刻理解。 --- 第一部分：理論基石與信息傳遞的藝術 本書伊始，我們首先建立起對“測量”與“估計”的數學框架認識。導航的本質，是通過接收、處理不確定信號來推斷齣自身在參考係中的精確位置、速度和時間（PVT）。 1. 隨機過程與最優濾波理論 現代定位麵臨的核心挑戰是噪聲與不確定性。我們詳細探討瞭隨機過程的數學描述，包括維納過程、馬爾可夫過程在信號模型中的應用。在此基礎上，本書係統闡述瞭卡爾曼濾波（Kalman Filtering）的理論推導與實際應用。我們不僅僅停留在標準的綫性卡爾曼濾波（KF），而是深入探究瞭在高動態、非綫性環境下如何應對挑戰： 擴展卡爾曼濾波（EKF）： 如何利用雅可比矩陣對非綫性係統進行局部綫性化，以保證實時估計的穩定性。 無跡卡爾曼濾波（UKF）： 采用Sigma點采樣方法，避免瞭高階導數的計算，在保持較高精度的同時，提升瞭對強非綫性係統的魯棒性。 粒子濾波（Particle Filtering）： 針對非高斯噪聲和高度非綫性問題，我們利用濛特卡洛方法，通過權值更新和重采樣來逼近後驗概率分布，這是理解復雜環境自主導航的關鍵工具。 2. 信號傳播與信道建模 定位精度直接受限於信號的質量。本部分關注信號在真實世界傳播中的衰減、畸變和多徑效應。 大氣與電離層延遲： 詳細分析瞭電離層（特彆是弗氏傳播）和對流層對信號傳輸時間造成的影響，並介紹瞭基於經驗模型（如Klobuchar模型）和實時修正技術來削弱這些誤差源的理論方法。 多徑效應的數字化處理： 多徑是城市峽榖環境中的主要誤差來源。我們研究瞭如何利用信號的代碼相位（Code Phase）和載波相位（Carrier Phase）的特性，設計先進的接收機算法來識彆和抑製由建築反射帶來的虛假信號。 --- 第二部分：測距原理與數據融閤架構 導航係統並非單一傳感器孤立工作，而是多源數據的有機融閤。本部分聚焦於核心的測距機製和異構數據整閤的數學框架。 3. 僞距與載波相位測量深度解析 本書對信號測距原理進行瞭細緻的數學建模： 僞距（Pseudorange）： 基於相關性匹配的粗略測量，其誤差主要來源於時鍾偏差和傳播延遲。我們分析瞭衛星鍾差、接收機鍾差對僞距測量的具體貢獻和消除路徑。 載波相位測量（Carrier Phase Measurement）： 這是實現厘米級定位的基礎。重點討論瞭周跳（Integer Ambiguity Resolution）的數學難題，介紹瞭如LAMBDA（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment）等技術族如何通過搜索空間內的整數解來解算模糊度，從而獲得極高精度的相對定位能力。 4. 傳感器互補與慣性導航係統（INS） 當衛星信號不可用（如隧道、水下或密集遮擋區），慣性導航係統成為核心的替代方案。 慣性測量單元（IMU）的誤差分析： 詳細剖析瞭陀螺儀和加速度計的內在誤差，包括常值漂移（Bias Instability）、隨機遊走（Random Walk）和角速度隨機遊走，並探討瞭這些誤差隨時間積分如何導緻導航誤差的指數級增長。 鬆耦閤與緊耦閤濾波架構： 這是現代導航係統的核心設計哲學。我們對比瞭鬆耦閤（Loose Coupling）（即INS單獨濾波，再將結果與GPS觀測值進行融閤）與緊耦閤（Tight Coupling）（直接將原始的衛星觀測值、載波相位、多普勒頻移等與INS的狀態嚮量一同進行卡爾曼濾波優化）的優缺點，論證瞭緊耦閤在信號受限環境下，利用INS提供狀態先驗信息以提高定位魯棒性的機製。 --- 第三部分：係統實現與高級應用挑戰 本部分轉嚮係統級的工程實踐和麵嚮未來的技術趨勢，關注如何將理論轉化為可靠、實時的解決方案。 5. 相對定位與差分技術 絕對定位的精度受限於星地鏈路的不確定性。為瞭突破這一限製，相對定位技術應運而生。 差分定位（DGPS）原理： 闡述瞭如何通過一個已知精確位置的基準站，對衛星信號誤差進行實時估計和改正。我們深入分析瞭改正信息傳輸的延遲對最終定位精度的影響，並討論瞭區域增強係統（RAIM/SBAS）的基本原理。 實時動態載波相位差分（RTK）： 這是實現實時厘米級定位的關鍵。本書詳細構建瞭RTK所需的雙差（Double-Differencing）數學模型，解釋瞭如何通過消除衛星鍾差和電離層誤差，從而快速、可靠地鎖定整數模糊度。 6. 時間同步與網絡化定位 精確時間是所有基於測距導航係統的核心要素。 原子鍾與高精度時鍾技術： 概述瞭銫原子鍾和銣原子鍾的基本工作原理，以及它們在地麵站和衛星上的作用，理解它們如何將係統時間同步到國際原子時（TAI）。 網絡化協同定位（Networked Localization）： 在物聯網（IoT）和大規模傳感器網絡中，不再依賴單一的中心源。我們探討瞭多用戶、多基站環境下，如何通過共享觀測數據和狀態估計，實現分布式、高韌性的定位解算，這涉及到分布式優化和一緻性算法的應用。 --- 結語：構建下一代測距與感知係統 本書旨在為工程師和研究人員提供一個堅實的理論框架，以便他們能夠設計、分析和實現下一代高精度、高魯棒性的定位、導航與授時（PNT）係統。我們著重於“為什麼”和“如何”在不確定性中提取確定信息，為應對未來自動駕駛、高精度測繪以及空間探索等領域對PNT需求的飛躍做好知識儲備。

評分☆☆☆☆☆

作為一本教材，這本書的編排結構非常清晰，邏輯性很強。從基礎理論到核心算法，再到實際應用，層層遞進，循序漸進。即使是對GPS領域不太熟悉的讀者，也能在作者的引導下逐步掌握相關知識。每個章節的開頭都會簡要介紹本章的學習目標，結尾則會進行總結，並給齣一些思考題，這對於鞏固學習內容非常有幫助。我特彆欣賞書中在講解復雜概念時，會使用類比和形象的比喻，例如在解釋時鍾同步問題時，就用到瞭生活中“大傢校對時間”的例子，非常生動有趣，能夠幫助讀者快速理解抽象的理論。而且，書中引用瞭大量的參考文獻，對於想要深入研究某個特定問題或者追溯技術起源的讀者來說，這無疑是一筆寶貴的財富。整本書的語言風格嚴謹而不失生動，專業術語的運用恰到好處，既保證瞭學術的嚴謹性，又不至於讓讀者感到晦澀難懂。

評分☆☆☆☆☆

我之前也接觸過一些關於GPS的書籍，但《GPS理論、算法與應用（第3版）》給我留下的印象最為深刻。它不僅僅是一本講解GPS技術原理的書，更像是一本關於“定位科學”的百科全書。作者在內容上力求全麵和深入，對於一些關鍵的技術細節，例如衛星信號的抗乾擾技術、電離層和對流層延遲的修正方法、以及用戶設備的接收機設計等方麵，都進行瞭細緻的闡述。書中對全球導航衛星係統（GNSS）的整體發展曆程和未來趨勢也進行瞭展望，這讓我看到瞭GPS技術並非一成不變，而是在不斷地演進和進步。例如，書中提到瞭對北鬥、伽利略等其他GNSS係統的比較和融閤，這預示著未來多係統聯閤應用的趨勢。這本書的更新版本，必然包含瞭最新的技術進展和研究成果，這對於希望跟上技術前沿的從業者和研究者來說，是極其寶貴的。總而言之，這是一本值得反復閱讀和深入研究的經典著作。

評分☆☆☆☆☆

這本書真的讓我大開眼界，GPS這個我日常生活中再熟悉不過的技術，背後竟然蘊含著如此深奧的理論和精妙的算法！從這本書的開篇，作者就以一種非常引人入勝的方式，將我們帶入瞭GPS的迷人世界。我本來以為GPS就是一個簡單的定位係統，但深入閱讀後纔發現，它涉及到天文學、相對論（是的，愛因斯坦的理論也派上用場瞭！）、信號處理、誤差分析等等多方麵的知識。書中對衛星軌道力學、星曆的計算、時間係統的統一、信號的調製解調過程都進行瞭詳盡的闡述，而且解釋得非常透徹，即使是我這樣的非專業人士，也能逐漸領會其中的精髓。我尤其喜歡書中關於“幾何精度因子”（GDOP）的講解，它清晰地說明瞭為什麼不同數量和分布的衛星會影響定位的精度，這對我理解實際應用中的一些“飄移”現象非常有幫助。書中的圖錶和公式雖然不少，但都編排得非常閤理，能夠有效地輔助理解，而且作者在講解過程中，時不時會穿插一些實際案例，讓理論變得更加鮮活，不再是枯燥的公式堆砌。讀完這部分，我對GPS的産生原理有瞭全新的認識，感覺自己像是掌握瞭開啓這個神秘係統的“鑰匙”。

評分☆☆☆☆☆

本書的“應用”部分更是讓我驚嘆於GPS的廣泛影響力。除瞭我們最熟悉的導航，GPS在測繪、地質勘探、交通管理、航空航海、甚至軍事領域都有著舉足輕重的地位。書中列舉瞭許多具體的應用案例，比如如何利用GPS進行高精度地形測繪，如何通過GPS監控地殼闆塊的運動來預測地震，如何實現全國範圍內的車輛調度和監控，以及在航空管製中GPS如何保障飛行安全。讀到這些，我纔真正意識到GPS已經滲透到我們社會運行的方方麵麵，成為瞭現代社會不可或缺的基礎設施。書中對不同行業應用場景下的GPS技術特點和需求也做瞭深入分析，這讓我看到，雖然GPS的基本原理是相同的，但根據不同的應用需求，需要采用不同的技術方案和處理方法。這種宏觀的視角，讓我對GPS的價值有瞭更深刻的理解，也激發瞭我對未來GPS技術可能發展的思考。

評分☆☆☆☆☆

不得不說，這本書在算法的講解上做得非常齣色。GPS的定位過程，說到底就是一係列復雜的數學計算和算法的集閤。書中詳細介紹瞭從僞距測量到三維定位的整個流程，包括瞭最小二乘法、卡爾曼濾波等在GPS數據處理中的應用。卡爾曼濾波部分尤其精彩，作者通過一步步的推導和實際場景的模擬，讓我們清晰地看到瞭如何利用曆史測量數據來預測和修正當前的定位誤差，這對於提高GPS的動態定位精度至關重要。此外，書中還探討瞭差分GPS（DGPS）和實時動態GPS（RTK）等增強技術，這些技術在提高定位精度方麵起到瞭關鍵作用，也是很多專業領域不可或缺的技術。我對書中關於多路徑效應的討論印象深刻，這在城市峽榖等復雜環境下是GPS精度的大敵，而書中提供的抑製和消除多路徑效應的算法，為實際工程應用提供瞭寶貴的參考。閱讀這部分內容，我深深體會到瞭理論與實踐的緊密結閤，算法的精妙設計直接決定瞭GPS係統的性能上限。