导航系统中的信号处理与工程实践
定价：￥69.80
作者： 尚俊娜
出版时间：2026-06
出版社：电子工业出版社
- 电子工业出版社
- 9787121521157
- 1-1
- 16开
- 2026-06
- 414
- 工学
- 电子信息类
- 电子信息与电气
- 本科 研究生及以上
内容简介
本教材适用于高等院校通信与信息系统高年级本科生、研究生，从内容上分为入门篇、基础篇、进阶篇三部分内容：入门篇主要介绍全球卫星导航系统的基本概况，其中包括北斗（1、2、3三个阶段）、GPS、GLONASS、GAlieo四大系统，重点放在前二者。基础篇介绍导航系统中的伪随机序列和信道编码的选择以及高精度GNSS-RTK相对定位的数学模型，分为四个章节，这是卫星导航系统中必不可少的信号体制设计的一环，全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能够提供导航、定位和授时等服务，是现代化生活中不可或缺的一部分。GNSS在进行高空通信时往往会受到衰落和噪声等诸多因素的干扰，因此需要采用高性能的信道编码技术来保证卫星通信时的可靠性。极化码是第一种被证明可以达到香农限的信道编码，且具有较低的编译码复杂度，极化码一经提出便引起了国内外学者的广泛关注。但是，极化码的应用化研究并不成熟，故在对极化码的原理及编译码算法进行研究以后，编者设计了两种改进的译码算法，并将极化码应用于GPS-L1C信号中，初步探索了极化码应用于GNSS的可能性。进阶篇强调导航系统尤其是高精度的导航系统的应用。近年来，全球卫星导航定位系统不断发展，随着广域、局域增强系统的不断完善，定位的精度也随之提高，可以达到厘米至毫米级，使其可以应用于精密测量领域，并且可以突破以往精准测量中测量空间的限制，把精准测量从局部空间扩大到较大空间的工作场景中。本篇介绍卫星导航定位中的RTK（real - time kinematic，实时动态）载波相位差分技术中的关键技术及实际应用，主要对RTK技术中整周模糊度的搜索、RTK应用于新型滑坡监测系统的设计与实现和RTK监测数据的处理三部分展开了详细的阐述。
目录
目 录
第1章 绪论 1
1.1 卫星导航系统概况 1
1.2 卫星导航的应用—RTK精密测量 4
1.3 卫星导航的应用—反射信号遥感 5
第2章 导航系统中的伪随机序列 7
2.1 概述 7
2.2 衡量扩频码性能的参数 7
2.2.1 相关性能 7
2.2.2 功率谱 8
2.2.3 平衡性 8
2.2.4 信号兼容性 9
2.3 Weil码和Gold码概述 9
2.3.1 m序列概述 9
2.3.2 Gold码概述 11
2.3.3 Weil码概述 13
2.4 Weil码在具体导航信号中的性能仿真 17
2.4.1 GPS系统中L1C采用的Weil码 17
2.4.2 1BDS系统中B1C采用的Weil码 23
2.5 Gold码在具体导航Gold的性能仿真 27
2.5.1 BDS系统中B1I采用的Gold码 27
2.5.2 GPS系统中L1C/A采用的Gold码 33
2.6 基于AHP的L1C扩频码性能评价模型 37
2.6.1 AHP模型的建立 37
2.6.2 模型求解 39
2.7 小结 44
2.7.1 测距性能 44
2.7.2 抗多径性能 44
2.7.3 码分多址性能 45
2.7.4 功率谱性能 46
2.7.5 平衡性性能 46
2.7.6 兼容性能 46
2.8 课后练习 47
第3章 GNSS观测值的类型和观测方程 48
3.1 伪距测量的观测方程 48
3.1.1 载波相位测量的观测方程 49
3.1.2 观测方程的线性化 50
3.2 高精度GNSS相对定位中的误差 51
3.2.1 与卫星有关的误差 51
3.2.2 与信号传播有关的误差 52
3.2.3 与接收机有关的误差 53
3.2.4 其他误差 54
3.3 RTK测短基线模型 55
3.3.1 RTK工作原理 55
3.3.2 RTK双差观测方程 55
3.3.3 相对定位中的短基线解算 56
3.4 小结 58
3.5 课后练习 58
第4章 整周模糊度的确定 59
4.1 整周模糊度的概念 59
4.2 常见的整周模糊度搜索方法 59
4.3 LAMBDA算法 60
4.3.1 LAMBDA算法的搜索过程 60
4.3.2 搜索空间的重定义 61
4.4 PSO与ACO混合算法 61
4.5 麻雀搜索算法与混合策略麻雀搜索算法 62
4.5.1 麻雀搜索算法 62
4.5.2 混合策略麻雀搜索算法 63
4.6 HSSSA的时间复杂度分析 67
4.7 仿真实验与结果分析 67
4.7.1 基准测试函数说明和算法参数设置 67
4.7.2 仿真结果分析 69
4.8 混合策略麻雀搜索算法搜索整周模糊度 71
4.8.1 搜索流程 71
4.8.2 实验结果与分析 71
4.9 小结 72
4.10 课后练习 72
第5章 GNSS-RTK技术的双层滑坡监测系统设计与实现 73
5.1 应用背景 73
5.2 总体结构设计 73
5.3 硬件设计与测试 74
5.4 软件设计与测试 75
5.4.1 导航数据输入与读取 75
5.4.2 基线解算 81
5.4.3 输出基线数据及后台监测 82
5.5 双层滑坡监测系统性能分析 84
5.6 小结 88
5.7 课后练习 88
第6章 GNSS-RTK形变监测实时数据处理方法研究 89
6.1 监测数据预处理及分析 89
6.1.1 拉依达准则 89
6.1.2 中位数绝对偏差法 89
6.1.3 四分位距法 89
6.1.4 改进四分位距法 90
6.1.5 仿真验证 91
6.1.6 粗差剔除—改进拉依达准则 91
6.1.7 降噪处理—小波去噪 93
6.1.8 预处理数据分析 96
6.2 监测数据的异常状态识别 96
6.2.1 监测数据异常模型的建立 96
6.2.2 休哈特均值控制图的建立 97
6.3 形变数据预处理和异常状态识别流程 97
6.4 实例分析 98
6.4.1 粗差剔除效果 99
6.4.2 降噪处理效果 99
6.4.3 构建休哈特均值控制图效果 100
6.4.4 不同形变情况的效果分析 101
6.4.5 改进四分位距法粗差剔除效果 103
6.4.6 卡尔曼滤波降噪效果 104
6.4.7 监测效果 105
6.5 GNSS形变监测时间序列的粗差数据处理方法 106
6.5.1 常规粗差探测法 106
6.5.2 GNSS形变监测时间序列的粗差数据处理方法 107
6.5.3 实验及分析 109
6.6 基于CEEMD的改进小波阈值去噪法及钢架结构监测应用 113
6.6.1 小波去噪理论及其应用 113
6.6.2 混合去噪方法 118
6.6.3 仿真与实例分析 120
6.7 小结 125
6.8 课后练习 125
第7章 基于GNSS-IR的地表目标参数测量研究 126
7.1 概述 126
7.2 GNSS-IR基本原理 126
7.2.1 反射信号的特性 126
7.2.2 多径效应与信噪比的关系 130
7.2.3 有效反射区域 133
7.3 GNSS-IR高度测量研究 135
7.3.1 GNSS-IR高度测量原理 136
7.3.2 反射信号分离方法 138
7.3.3 信噪比振荡频率估计方法 143
7.3.4 导航型接收机测高实验 150
7.4 GNSS-IR土壤湿度反演研究 159
7.4.1 GNSS-IR土壤湿度反演原理 159
7.4.2 基于广义延拓的GNSS-IR土壤湿度反演缺失数据处理方法 161
7.4.3 GNSS-IR土壤湿度反演实验 165
7.4.4 实验结果与分析 166
7.4.5 土壤湿度反演缺失数据处理实验 169
7.5 小结 174
7.6 课后练习 174
第8章 基于GPS的大气降雨预测方法研究 175
8.1 研究背景与现状 175
8.1.1 研究背景 175
8.1.2 研究现状 176
8.2 GPS反演大气可降雨量的基本原理 177
8.2.1 基于GPS的对流层延迟提取 178
8.2.2 基于GPS的大气可降雨量计算 180
8.2.3 基于RTKLIB的ZTD提取 181
8.3 GPS及气象数据介绍与下载 184
8.3.1 GPS数据介绍及基本下载流程 184
8.3.2 基于FAST的多源融合GPS数据下载 188
8.3.3 ERA5数据介绍及下载 191
8.3.4 RS数据介绍及下载 194
8.3.5 NCEP/NCAR数据介绍及下载 195
8.4 GPS反演大气可降雨量的可靠性分析 196
8.4.1 实例数据介绍 196
8.4.2 GPS对流层延迟可靠性分析 197
8.4.3 GPS对流层湿延迟可靠性分析 198
8.4.4 GPS反演大气可降雨量可靠性分析 199
8.5 基于GPS-PWV的大气降雨预测分析 200
8.5.1 降雨预测方法概述 200
8.5.2 降雨事件预测效果分析 204
8.5.3 降雨时间段预测效果分析 205
8.6 小结
第1章 绪论 1
1.1 卫星导航系统概况 1
1.2 卫星导航的应用—RTK精密测量 4
1.3 卫星导航的应用—反射信号遥感 5
第2章 导航系统中的伪随机序列 7
2.1 概述 7
2.2 衡量扩频码性能的参数 7
2.2.1 相关性能 7
2.2.2 功率谱 8
2.2.3 平衡性 8
2.2.4 信号兼容性 9
2.3 Weil码和Gold码概述 9
2.3.1 m序列概述 9
2.3.2 Gold码概述 11
2.3.3 Weil码概述 13
2.4 Weil码在具体导航信号中的性能仿真 17
2.4.1 GPS系统中L1C采用的Weil码 17
2.4.2 1BDS系统中B1C采用的Weil码 23
2.5 Gold码在具体导航Gold的性能仿真 27
2.5.1 BDS系统中B1I采用的Gold码 27
2.5.2 GPS系统中L1C/A采用的Gold码 33
2.6 基于AHP的L1C扩频码性能评价模型 37
2.6.1 AHP模型的建立 37
2.6.2 模型求解 39
2.7 小结 44
2.7.1 测距性能 44
2.7.2 抗多径性能 44
2.7.3 码分多址性能 45
2.7.4 功率谱性能 46
2.7.5 平衡性性能 46
2.7.6 兼容性能 46
2.8 课后练习 47
第3章 GNSS观测值的类型和观测方程 48
3.1 伪距测量的观测方程 48
3.1.1 载波相位测量的观测方程 49
3.1.2 观测方程的线性化 50
3.2 高精度GNSS相对定位中的误差 51
3.2.1 与卫星有关的误差 51
3.2.2 与信号传播有关的误差 52
3.2.3 与接收机有关的误差 53
3.2.4 其他误差 54
3.3 RTK测短基线模型 55
3.3.1 RTK工作原理 55
3.3.2 RTK双差观测方程 55
3.3.3 相对定位中的短基线解算 56
3.4 小结 58
3.5 课后练习 58
第4章 整周模糊度的确定 59
4.1 整周模糊度的概念 59
4.2 常见的整周模糊度搜索方法 59
4.3 LAMBDA算法 60
4.3.1 LAMBDA算法的搜索过程 60
4.3.2 搜索空间的重定义 61
4.4 PSO与ACO混合算法 61
4.5 麻雀搜索算法与混合策略麻雀搜索算法 62
4.5.1 麻雀搜索算法 62
4.5.2 混合策略麻雀搜索算法 63
4.6 HSSSA的时间复杂度分析 67
4.7 仿真实验与结果分析 67
4.7.1 基准测试函数说明和算法参数设置 67
4.7.2 仿真结果分析 69
4.8 混合策略麻雀搜索算法搜索整周模糊度 71
4.8.1 搜索流程 71
4.8.2 实验结果与分析 71
4.9 小结 72
4.10 课后练习 72
第5章 GNSS-RTK技术的双层滑坡监测系统设计与实现 73
5.1 应用背景 73
5.2 总体结构设计 73
5.3 硬件设计与测试 74
5.4 软件设计与测试 75
5.4.1 导航数据输入与读取 75
5.4.2 基线解算 81
5.4.3 输出基线数据及后台监测 82
5.5 双层滑坡监测系统性能分析 84
5.6 小结 88
5.7 课后练习 88
第6章 GNSS-RTK形变监测实时数据处理方法研究 89
6.1 监测数据预处理及分析 89
6.1.1 拉依达准则 89
6.1.2 中位数绝对偏差法 89
6.1.3 四分位距法 89
6.1.4 改进四分位距法 90
6.1.5 仿真验证 91
6.1.6 粗差剔除—改进拉依达准则 91
6.1.7 降噪处理—小波去噪 93
6.1.8 预处理数据分析 96
6.2 监测数据的异常状态识别 96
6.2.1 监测数据异常模型的建立 96
6.2.2 休哈特均值控制图的建立 97
6.3 形变数据预处理和异常状态识别流程 97
6.4 实例分析 98
6.4.1 粗差剔除效果 99
6.4.2 降噪处理效果 99
6.4.3 构建休哈特均值控制图效果 100
6.4.4 不同形变情况的效果分析 101
6.4.5 改进四分位距法粗差剔除效果 103
6.4.6 卡尔曼滤波降噪效果 104
6.4.7 监测效果 105
6.5 GNSS形变监测时间序列的粗差数据处理方法 106
6.5.1 常规粗差探测法 106
6.5.2 GNSS形变监测时间序列的粗差数据处理方法 107
6.5.3 实验及分析 109
6.6 基于CEEMD的改进小波阈值去噪法及钢架结构监测应用 113
6.6.1 小波去噪理论及其应用 113
6.6.2 混合去噪方法 118
6.6.3 仿真与实例分析 120
6.7 小结 125
6.8 课后练习 125
第7章 基于GNSS-IR的地表目标参数测量研究 126
7.1 概述 126
7.2 GNSS-IR基本原理 126
7.2.1 反射信号的特性 126
7.2.2 多径效应与信噪比的关系 130
7.2.3 有效反射区域 133
7.3 GNSS-IR高度测量研究 135
7.3.1 GNSS-IR高度测量原理 136
7.3.2 反射信号分离方法 138
7.3.3 信噪比振荡频率估计方法 143
7.3.4 导航型接收机测高实验 150
7.4 GNSS-IR土壤湿度反演研究 159
7.4.1 GNSS-IR土壤湿度反演原理 159
7.4.2 基于广义延拓的GNSS-IR土壤湿度反演缺失数据处理方法 161
7.4.3 GNSS-IR土壤湿度反演实验 165
7.4.4 实验结果与分析 166
7.4.5 土壤湿度反演缺失数据处理实验 169
7.5 小结 174
7.6 课后练习 174
第8章 基于GPS的大气降雨预测方法研究 175
8.1 研究背景与现状 175
8.1.1 研究背景 175
8.1.2 研究现状 176
8.2 GPS反演大气可降雨量的基本原理 177
8.2.1 基于GPS的对流层延迟提取 178
8.2.2 基于GPS的大气可降雨量计算 180
8.2.3 基于RTKLIB的ZTD提取 181
8.3 GPS及气象数据介绍与下载 184
8.3.1 GPS数据介绍及基本下载流程 184
8.3.2 基于FAST的多源融合GPS数据下载 188
8.3.3 ERA5数据介绍及下载 191
8.3.4 RS数据介绍及下载 194
8.3.5 NCEP/NCAR数据介绍及下载 195
8.4 GPS反演大气可降雨量的可靠性分析 196
8.4.1 实例数据介绍 196
8.4.2 GPS对流层延迟可靠性分析 197
8.4.3 GPS对流层湿延迟可靠性分析 198
8.4.4 GPS反演大气可降雨量可靠性分析 199
8.5 基于GPS-PWV的大气降雨预测分析 200
8.5.1 降雨预测方法概述 200
8.5.2 降雨事件预测效果分析 204
8.5.3 降雨时间段预测效果分析 205
8.6 小结
