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本书系统地介绍了GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统在内的四大全球导航卫星系统及其增强系统和区域卫星导航系统，在此基础上进一步研究系统的设计和测试，实际上是在一个新的系统组成基础上开展性能功能指标的设计规划，并且提出测试要求和方法，这是个开拓创新的过程。本书的最后部分展望了在GNSS后时代的定位、导航、授时新技术，尤其是室内外无缝导航和多系统多手段融合定位技术。

目    录
第1章　概述	1
1.1  GNSS引言	2
1.1.1  GNSS的概况	2
1.1.2  国际卫星导航产业发展现状与前景	4
1.1.3  GNSS系统及其产业发展经验与借鉴	5
1.2  GNSS的定义	8
1.3  GNSS系统组成	9
1.4  GNSS应用	9
1.5  GNSS全球市场	13
1.6  GNSS的需求分析	15
1.6.1  使命需求	15
1.6.2  市场需求	15
1.6.3  产业与用户需求	17
1.6.4  中国时空信息产业的发展需求	18
1.7  GNSS全球系统、区域系统及其多模增强格局	19
1.7.1  全球系统	19
1.7.2  区域系统	19
1.7.3  多模增强系统和差分系统	20
1.8  卫星导航的重要性和战略定位	22
1.8.1  卫星导航发展带来的启迪	22
1.8.2  卫星导航系统提供时间与空间两大参量	24
1.8.3  不可或缺的国家信息基础设施	24
1.8.4  服务国计民生的高技术	24
1.8.5  智能信息产业的核心与关键	24
1.8.6  大国和平崛起的重要标志	25
1.9  多系统融合成为发展大趋势	25
1.9.1  GNSS多系统的兼容互操作	25
1.9.2  卫星导航与通信系统的融合	26
1.9.3  与惯性技术和其他系统的组合融合	27
1.10  北斗产业和GNSS的现状与前景	28
1.10.1  2015年北斗产业实现了质和量的齐头并进	28
1.10.2  2016年是迈向真正GNSS时代的新起点	29
1.10.3  室内外融合定位是未来产业发展的重头戏	30
1.10.4  当前快速健康持续发展北斗产业的几点建议	31
第2章　导航定位发展演变史	37
2.1  导航从史前到近代	38
2.1.1  石器时代的导航概念	38
2.1.2  天体导航（或者称为星球导航）时代	39
2.1.3  时间和经度的测量	45
2.2  无线电导航时代	54
2.2.1  无线电的发明	54
2.2.2  无线电导航概念	55
2.2.3  无线电导航系统的由来和发展	59
2.3  地面无线电导航系统演变与发展	60
2.3.1  无线电信标	60
2.3.2  台卡系统	60
2.3.3  伏尔/测距器	61
2.3.4  塔康/VOR	61
2.3.5  罗兰A	61
2.3.6  罗兰C	61
2.3.7  奥米加	62
2.3.8  仪表着陆系统	63
2.3.9  微波着陆系统	64
2.4  卫星导航系统的发展历程	64
2.4.1  第一颗人造地球卫星上天	65
2.4.2  第一代导航卫星系统——“子午仪”与“蝉”	66
2.4.3  第二代导航卫星系统（全球系统、区域系统及其增强）	72
第3章　北斗卫星导航系统（BDS）	77
3.1  概述	78
3.1.1  系统概述	78
3.1.2  政策原则	81
3.2  发展过程	82
3.3  北斗卫星导航试验系统	86
3.3.1  空间部分	86
3.3.2  地面控制段	87
3.3.3  用户系统（设备）	87
3.3.4  系统功能与主要技术指标	88
3.3.5  定位原理与工作过程	89
3.3.6  “北斗一号”用户系统	90
3.3.7  “北斗一号”集团应用系统	91
3.4  北斗区域系统	94
3.4.1  北斗区域系统功能与指标	94
3.4.2  北斗区域系统组成	96
3.5  在建中的北斗全球系统进展	98
3.5.1  北斗（新一代）全球导航卫星	98
3.5.2  北斗全球系统信号设计进展	101
3.6  北斗系统工作原理和关键技术	103
3.6.1  定位原理	103
3.6.2  卫星导航三角测量学	104
3.6.3  关键技术	105
3.7  北斗系统的应用服务	113
3.7.1  应用推广	113
3.7.2  行业与安全应用	115
3.7.3  大众应用	116
3.7.4  科学应用	116
3.8  产业发展现状	117
3.8.1  北斗产业概况	117
3.8.2  五大突破和连升三级	117
3.8.3  标准化配置是产业发展的重大关键举措	118
3.9  国际合作交流	119
3.9.1  合作的基本原则	119
3.9.2  积极推进多边合作	119
3.9.3  大力促进双边合作	121
3.9.4  支持支撑国际交流	121
3.10  结论	121
第4章　GNSS基本构成与关键技术	123
4.1  概述	124
4.2  GNSS的基本构成	125
4.2.1  GNSS的整体概念	125
4.2.2  GNSS系统应用服务的创新思维	125
4.2.3  GNSS系统的组成	126
4.3  GNSS的重大关键技术	126
4.3.1  空间工作平台技术	126
4.3.2  空间原子钟技术	126
4.3.3  轨道确定、维护、保持技术	127
4.3.4  信号体制的理论与方法	127
4.3.5  电波传播环境模化技术	128
4.3.6  大规模集成电路应用技术	128
4.4  长寿命卫星和星座与星系布设	128
4.5  定轨与测控技术	132
4.6  空间原子钟技术	135
4.7  信号编码调制体制理论与方法	141
4.8  环境段及其增强技术	147
4.8.1  环境段概念	147
4.8.2  卫星导航的脆弱性难题和历来的应对措施	147
4.8.3  大气（电离层与对流层）效应和多径效应	148
4.8.4  导航系统的电磁环境和信号干扰来源及其对策	150
4.9  大规模集成电路与系统融合集成技术	150
第5章　GNSS之全球系统	159
5.1  概述	160
5.1.1  GNSS系统之系统的概念	160
5.1.2  GNSS体系格局基本形成	160
5.1.3  若干热点问题与最新动向	161
5.1.4  四大发展趋势不可逆转，大众化产业化特点日益明晰	162
5.1.5  GNSS发展过程中几个有深远影响的经验启迪	163
5.2  GNSS概念在更新，面临重大转折需要根本性的突破	164
5.2.1  GNSS需要有与时俱进的革命性诠释	164
5.2.2  GNSS遭遇脆弱性的阻击	164
5.2.3  GNSS需要整体上的创新，环境段是重点	164
5.2.4  泛在导航的需求势不可挡，急需根本性突破	165
5.3  GPS	165
5.3.1  概述	165
5.3.2  部署发展	166
5.3.3  GPS工作原理要点	167
5.3.4  系统组成	168
5.3.5  频率与信号	174
5.3.6  服务功能与性能	175
5.4  GPS系统现代化	176
5.4.1  概述	176
5.4.2  GPS现代化进程时间表	178
5.4.3  空间段现代化	180
5.4.4  运控段现代化	184
5.4.5  频率与信号现代化	187
5.5  GLONASS	190
5.5.1  概述	190
5.5.2  部署发展	192
5.5.3  系统组成	194
5.5.4  GLONASS提供的服务	199
5.6  GLONASS系统现代化	201
5.6.1  概述	201
5.6.2  GLONASS现代化的主要目标	202
5.6.3  GLONASS采用的现代化发展策略	205
5.7  Galileo	206
5.7.1  概述	206
5.7.2  部署发展	207
5.7.3  系统组成	208
5.7.4  频率与信号	211
5.7.5  服务功能与性能	216
5.7.6  伽利略系统的现状与发展计划	218
第6章　GNSS之区域系统和多模增强系统	219
6.1  概述	220
6.2  日本的QZSS	220
6.2.1  QZSS概述	220
6.2.2  QZSS发展过程	222
6.2.3  时空参考系统	223
6.2.4  QZSS提供的服务	223
6.2.5  QZSS体系框架结构	224
6.2.6  QZSS的频率和信号	227
6.3  印度的IRNSS	229
6.3.1  IRNSS概述	229
6.3.2  IRNSS发展过程	230
6.3.3  IRNSS提供的服务	230
6.3.4  IRNSS体系框架	231
6.3.5  IRNSS的频率和信号	234
6.4  星基增强系统	234
6.4.1  星基增强系统概论	234
6.4.2  美国的广域增强系统（WAAS）	235
6.4.3  欧洲的导航重叠系统（EGNOS）	241
6.4.4  俄罗斯的差分改正监测系统（SDCM）	248
6.4.5  日本的多功能运输卫星（MTSAT）星基增强系统（MSAS）	249
6.4.6  印度的辅助GPS的静地星基增强导航系统（GAGAN）	251
6.5  地基增强系统	255
6.5.1  地基增强系统概论	255
6.5.2  局域增强系统（LAAS）	255
6.5.3  国家差分GPS（NDGPS）	257
6.5.4  国家连续运行参考站网络（CORS网）	257
6.5.5  沿海的无线电信标（DGPS）网络系统	257
6.5.6  D-GNSSd的海上精密定位测量	257
6.5.7  全球差分GPS（GDGPS）	258
6.6  其他多模增强系统	261
第7章　GNSS接收机与用户终端	263
7.1  概述	264
7.1.1  用户段地位举足轻重	264
7.1.2  接收机的分类	264
7.1.3  接收机的主要组成和性能指标	267
7.1.4  软件接收机	269
7.1.5  接收机融合技术的发展	269
7.2  卫星导航接收机技术	272
7.2.1  概述	272
7.2.2  GNSS接收机技术发展的几个特点	273
7.2.3  GNSS接收机技术进步	277
7.2.4  GNSS接收机值得注意的发展动向	278
7.2.5  GNSS 芯片供应商竞争力最新排名揭晓	280
7.2.6  卫星导航芯片融合之路和世界级竞争	281
7.2.7  无人机（UAV）——GNSS应用值得关注的领域	283
7.3  GNSS终端	284
7.3.1  高精度定位终端	284
7.3.2  标准型导航终端	284
7.3.3  专业类授时终端	285
7.3.4  组合终端	285
7.3.5  车辆信息终端	286
7.3.6  智能手机终端	287
7.3.7  可穿戴终端	287
7.4  GNSS接收机与终端的发展趋势	287
7.4.1  卫星导航市场的全球竞争已经拉开帷幕	287
7.4.2  室内外融合定位是3～5年内产业发展重头戏	288
第8章　GNSS应用与服务	291
8.1  概述	292
8.1.1  技术层面	292
8.1.2  产业范畴	292
8.1.3  延伸应用	293
8.1.4  相关的宏观领域	293
8.2  GNSS的交通运输和物流管理应用	293
8.2.1  航空应用	293
8.2.2  航海与内陆水运应用	297
8.2.3  公路应用	300
8.2.4  铁路应用	304
8.3  时间同步与传递应用	306
8.3.1  高精度时间的提供是GNSS一大应用	306
8.3.2  电力传输应用	307
8.3.3  时间传递	307
8.3.4  时间在通信领域的应用	308
8.4  大众应用	309
8.4.1  车辆信息系统	309
8.4.2  人员跟踪和消费娱乐应用	313
8.5  高精度测量与定位应用	318
8.5.1  大地测量与测绘应用	318
8.5.2  海洋测绘应用	321
8.6  精准农业应用	322
8.6.1  GNSS为精准农业提供技术支撑	322
8.6.2  精准农业更多的是精准信息服务	323
8.6.3  GNSS应用进入农业生产的各个领域	324
8.7  环境监测与保护应用	324
8.7.1  环境监测的关键在数据收集	324
8.7.2  通过研究结果进行环境保护变化预测	325
8.7.3  GNSS给环境保护带来好处良多	325
8.8  空间与大气等科学研究应用	326
8.8.1  空间应用	326
8.8.2  气象学应用	330
8.9  GNSS的军事应用	330
8.9.1  军事应用概述	330
8.9.2  抗干扰是军用GNSS首要考虑要素	333
8.9.3  军用GNSS接收机的发展阶段	339
8.10  GNSS的服务	339
8.10.1  基于GNSS的服务	339
8.10.2  车辆信息服务（车联网）	340
8.10.3  位置服务（LBS）	343
8.10.4  应急救援服务	349
8.10.5  休闲娱乐服务	350
第9章　GNSS产业与市场	353
9.1  概述	354
9.2  GNSS产业	355
9.2.1  卫星导航产业体系	355
9.2.2  卫星导航的产业链	356
9.2.3  卫星导航产业的企业分类	356
9.3  GNSS市场	357
9.3.1  复杂的市场	357
9.3.2  市场的特征	357
9.3.3  市场范畴、细分和价值链	358
9.3.4  GNSS市场的独特之处	358
9.4  全球GNSS市场的发展动向与趋势	360
9.4.1  GNSS系统与产业面临的重大转折	360
9.4.2  GNSS产业全球市场规模与产值	361
9.4.3  全球GNSS产业的区域特性	362
9.4.4  全球GNSS产业的行业分布	362
9.4.5  全球GNSS产业技术的发展趋势	363
9.4.6  GNSS规模最大的两个应用市场	364
9.5  我国北斗市场的现状和发展前景	370
9.5.1  北斗产业面临的机遇和挑战	370
9.5.2  市场的需求和经济规模分析	374
9.5.3  北斗产业的新常态和新兴产业的风向标	380
第10章　GNSS系统演变升级和新时空服务体系发展	383
10.1  概述	384
10.1.1  工业文明向信息文明发展的时代转折特点	384
10.1.2  信息时代社会经济发展的牛鼻子	385
10.1.3  泛在服务来源于市场驱动和科技牵引的双重作用	385
10.1.4  中国时空服务是信息时代的大框架	386
10.2  GNSS可能的演变途径	387
10.2.1  PNT是GNSS未来发展的一个选项	387
10.2.2  新时空服务为北斗开创一片新天地	396
10.2.3  新时空服务体系才是真正的未来系统	396
10.3  中国时空服务体系的基本概念	398
10.3.1  概述	398
10.3.2  中国新时空服务的理论与前期基础	400
10.3.3  中国新时空服务体系的定义	400
10.4  新时空服务体系是我国导航产业发展的远大蓝图	400
10.4.1  时间和空间是人类社会发展的两个基本参照系	400
10.4.2  卫星导航已真正成为时间空间信息全球化一体化提供的基础	401
10.4.3  泛在导航需要多系统集成融合	401
10.4.4  新时空服务体系保障泛在导航从现在走向未来	401
10.5  中国新时空服务体系架构	402
10.5.1  中国新时空体系的整体愿景	402
10.5.2  新时空体系的总体战略	403
10.5.3  新时空服务体系三大组成板块	406
10.6  新时空服务体系的技术经济可行性分析	410
10.7  结论	410
参考文献	411

总　　序
“北斗系统与应用出版工程”丛书，能作为国家出版工程推进，是件很好的事情，我表示热烈的祝贺，欣然作序予以鼓励支持。北斗系统不仅是项充满活力的新兴技术，而且是国家重要的时空信息基础设施，同时由于它与其他技术和产业的多重关联性和融合性，故成为现代智能信息产业群体的重大技术支持系统和具有巨大带动力的时代产业发展引擎，与国家安全、国民经济和社会民生密切相关，与两个“中国梦”密切相关，能够服务全中国和全世界。北斗系统的建设和运营，给国家和社会的兴邦强国、行业和企业的建功立业、团队和个人的著书立说与创新创业创造精神的大发挥、大发展，提供了百年难遇的良好机会。“北斗系统与应用出版工程”丛书，也承载着同样的使命，它所包括的内容包括系统、技术和应用三个方面，这种选择非常符合实际需要，很全面，且顾及了眼前和长远，而且应用方面所占的分量相当大。我建议在应用的服务领域要多下点功夫，这是北斗系统和时空信息服务体系的关键。在当今的条件下，推进这个出版工程，具有明显的现实意义和长远价值。为此，我在这里要强调三点：一是一定要把国内外GNSS领域的成功经验和教训，进行系统总结，作为良好的参考；二是应该将我们在系统建设中的实践，上升为理论与模式，进一步推进我们的工作与事业；三是在上面两点的基础上，我们要有所前进，有所创造，在理论、实践、产业和体系化发展推进上有所突破，逐步走向世界的前列，真正把这一出版工程，做成北斗系统伟大工程的一个不可分割的组成部分，反过来对于系统工程发挥指导促进作用，发挥其GNSS里程碑效应和效能。


 
2015年12月 
前    言
观斗转星移，看岁月更迭，移智云大物，定时空乾坤。《北斗与GNSS系统概论》，阐述的是一个系统的系统，需要从时空服务体系化的角度去认识，去剖析，去归纳，去提高。为此，不仅要看到局部，更加需要着眼全局；不仅要看到北斗系统本身，更加需要透视GNSS整体；不仅要看到定位、导航、授时的表象，更加需要揭示其时空服务工具的本质；不仅要看到它们的过去、现在的状态，更加需要明晰其未来的发展与前景。这是件非常有意义的事情，也有很大的难度。在这一领域中，具体写导航定位授时的某个系统、某项技术、某种领域的书，已经为数不少。我们所设想的是简明扼要地较为全面地从总体上进行强化论述，似乎十分有必要，特别是从GNSS整体上做些文章，从其前瞻性的互补后备替代系统体系的角度去开拓，更加有点创意的味道，本书希望在这些点上进行探索与实践。
全书分为十章，它们分别是：概述、导航定位发展演变史、北斗卫星导航系统（BDS）、GNSS基本构成与关键技术、GNSS之全球系统、GNSS之区域系统和多模增强系统、GNSS接收机与用户终端、GNSS应用与服务、GNSS产业与市场、GNSS系统演变升级和新时空服务体系发展。
本书由曹冲著，参加编写的还有景贵飞、苗前军、肖雄兵、李冬航、邵剑晖。在成书过程中，得到了过静珺、王淑芳、施浒立、赵毅和刘建军等好友，以及电子工业出版社宋梅、来春丽等的悉心帮助和鼎力支持，无私地施予援手，在此一并表示由衷的感谢。同时，也感谢我的夫人和子女家人们，伴我一路同行，共享在爬格子过程带来的没完没了的艰难困扰和无穷无尽的欢乐愉悦。由于时空服务技术与智能信息产业迅速发展，以及成书过程匆忙和见识所限，本书的错误与不足在所难免，敬请大家批评指正，但愿能抛砖引玉。

曹冲     
2016年2月于北京

卫星导航－全球定位系统－介绍

曹冲，原中国电波传播研究所研究员，现任中国卫星导航定位协会首席专家，《全球定位系统》杂志编委会主任委员。在利用卫星研究电离层信标探测技术和理论研究方面均有重要成果。两度赴南极，填补了我国现代极光研究和极区电离层实验研究上的空白。在包括北斗导航系统在内的GNSS应用技术及其产业化应用推广领域有重大建树。许多年来积极参与中国卫星导航定位协会的有关活动，并做出了自己的贡献。先后十次获包括国家自然科学奖和科技进步奖在内的国家和省部级以上奖项。发表论文和译作两百余篇，并有《极光的故事》、《卫星导航常用知识问答》、《“北斗”伴咱走天下》、《中国新时空服务体系概论》等多部著作出版，其中“神奇的极光”一文被人民教育出版社收入全日制普通高级中学教科书和中等专业学校教科书作为课文。

本书是作者经过多年思考，并进行了大量调研后的研究成果，其需求背景非常明确；由于涉及面较宽，其作者由不同方面的专家构成。

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