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出版者:Artech House

作者:Elliott D. Kaplan

出品人:

页数:726

译者:

出版时间:2005-11-30

价格:USD 149.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781580538947

丛书系列:

图书标签:

• 学习
• GPS
• 卫星导航
• 定位技术
• 全球定位系统
• 地理信息系统
• 测绘学
• 无线通信
• 嵌入式系统
• 信号处理
• 导航技术

寰宇寻踪：导航、测绘与时空基准的深度探索 一部聚焦于全球导航、精确测绘、以及构建现代时空基准的综合性学术专著 书籍概述 本书并非传统意义上聚焦于某一特定卫星系统的技术手册，而是一部宏大叙事与精微分析并重的著作。它以“定位、导航与授时”（Positioning, Navigation, and Timing, PNT）为核心，系统梳理了人类文明史上从早期天文观测到现代原子钟驱动的全球导航网络演进的脉络。全书旨在为读者构建一个多维度、多层次的认知框架，理解地球表面的精确“我们在哪里”、如何到达“我们想去的地方”，以及如何维持全球同步的“我们现在是什么时间”。 本书的视野超越了单一的导航星座，着眼于构建一个包含多星座融合、误差模型修正、高精度定位算法和时间同步技术的复杂生态系统。它深入探讨了地基、空基、星基系统的互补与协同工作原理，并详细分析了这些技术如何成为支撑现代社会基础设施——从金融交易、电力调度到自动驾驶与精确农业——的无形骨架。 --- 第一部分：时空基准的构建与演化 (The Foundations of Spacetime Reference) 本部分深入探讨了现代导航与测量的基石——时间与空间基准的科学与工程实现。 第一章：时间的量度与标准的确立 本章追溯了时间计量学的发展史，从古代的日晷、天文钟到20世纪的石英晶体振荡器。核心内容聚焦于原子钟理论与实践。详细阐述了铯原子钟、铷原子钟的工作原理，以及未来氢原子钟和光频钟在提升时间精度上的潜力。特别关注了国际原子时（TAI）和世界协调时（UTC）的生成机制、校准流程以及它们在跨区域、跨大陆同步中的关键作用。讨论了时间传递技术，如光纤延迟线、微波链路以及基于卫星的远程时间同步方法，阐明了如何将地面实验室的超高精度时间标准“分发”到全球各个角落。 第二章：地球参考框架的几何学与动力学 精确的定位依赖于一个稳定且被全球共识的参考坐标系。本章详细介绍了大地测量学（Geodesy）的核心概念。内容包括大地水准面（Geoid）、参考椭球面（Reference Ellipsoid）的数学模型与参数选择。重点剖析了国际地球参考系（ITRF）的构建过程，解释了如何通过VLBI（甚长基线干涉测量）、卫星激光测距（SLR）和GPS/GNSS观测数据融合，实时监测地壳运动、极移和潮汐形变，确保坐标系的动态稳定性。对于大地水准面模型的精度分析，如EGM系列模型的构建方法及其对高程基准的影响，进行了详尽的论述。 --- 第二部分：导航系统中的信号传播与误差分析 (Signal Propagation and Error Modeling) 本部分将焦点从理论基准转向了实际的信号传输过程，分析了影响定位精度的主要干扰源。 第三章：电磁波在对流层与电离层中的行为 导航信号穿越大气层时必然会遭遇折射和延迟，这是影响定位精度的首要因素。本章详细解析了电离层（Ionosphere）对L波段信号的影响模型，包括单频和双频观测值如何被用于估计和削弱电离层延迟。对于对流层（Troposphere）的延迟建模，则侧重于气象参数（温度、气压、湿度）如何影响折射率。探讨了高级的映射函数（如VMF1、GMF）和实时的气象模型（如ERA5重分析数据）在削弱对流层误差中的应用。 第四章：多径效应与接收机系统误差 信号在复杂环境中反射，产生多径效应，严重降低了测距的精度。本章深入分析了多径误差的传播机制，包括城市峡谷、水面反射等典型场景下的表现。同时，对接收机硬件本身引入的误差进行了系统分类和量化，包括天线相位中心变化（PCV）、接收机内部时钟偏差（Clocks Bias）的估计与分离技术，以及软件接收机设计中如何通过先进的信号处理技术（如窄带跟踪环路、自适应波束形成）来提升对有效信号的捕获能力和抗干扰能力。 --- 第三部分：高精度定位技术的算法与实现 (Algorithms and Implementations of High-Precision Positioning) 本部分是全书的技术核心，详细阐述了超越标准定位服务所需的先进计算方法。 第五章：差分与相对定位原理的深入挖掘 本章系统阐述了如何利用地面参考站来消除或减弱大气误差、卫星钟差等公共误差源，实现相对定位的精度飞跃。详细对比了实时动态定位（RTK）、快速静态定位（FSS）和网络RTK（NRTK）的原理、优势与局限性。特别关注了相位观测值的模糊度固定（Integer Ambiguity Resolution）技术，包括LAMBDA方法、最小二乘搜索策略及其在提高定位可靠性和收敛速度上的关键作用。 第六章：载波相位技术与精密单点定位（PPP） 本章聚焦于全球导航卫星系统（GNSS）测量中最精密的观测值——载波相位观测。阐述了精密单点定位（PPP）如何通过精确的卫星轨道、精确的卫星钟差产品（如IGS精密产品）和精确的对流层/电离层延迟校正，实现厘米级甚至毫米级的独立定位能力。详细讨论了PPP技术面临的挑战，例如模糊度固定（PPP-Fix）、数据延迟、以及在全球范围内实现实时PPP（RT-PPP）所需的星间链路和数据分发基础设施。 第七章：惯性导航系统与多传感器融合 为解决卫星信号丢失或受干扰时的连续定位问题，本章探讨了惯性导航系统（INS）的基本原理。介绍了陀螺仪和加速度计的工作模式、误差来源（如漂移率、刻度因子误差），以及它们的集成模型（如卡尔曼滤波）。核心内容在于传感器融合算法，特别是扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）以及粒子滤波（PF）在融合视觉里程计（VIO）、磁力计和GNSS数据流，以实现最优、鲁棒性的PNT输出方面的应用。 --- 第四部分：导航系统的应用生态与未来展望 (Application Ecosystems and Future Horizons) 本部分将技术知识与实际应用场景相结合，展望了PNT技术的未来发展方向。 第八章：现代导航系统的运行机制与安全保障 本书审视了当前主要的卫星导航系统（如GPS、GLONASS、Galileo、北斗）的系统架构、信号体制和服务标准。强调了导航系统韧性（Resilience）的重要性。内容包括针对信号干扰（Jamming）和欺骗（Spoofing）的探测、缓解与防御技术，如接收机侧的信号质量监测、抗干扰天线技术，以及如何利用地基增强系统（GBAS）和增强信息服务（SBAS）来提供更高完整性和可用性的导航保证。 第九章：导航技术在关键行业中的赋能 本章分析了高精度PNT如何成为推动特定行业变革的核心动力。例如，在自动驾驶中，如何利用高精地图匹配和传感器融合实现安全决策；在精准农业中，如何利用厘米级定位优化播种和施肥效率；在地球空间科学中，如何利用VLBI和SLR监测气候变化导致的海岸线变化和冰盖融化。同时，也探讨了授时服务在证券交易所高频交易和5G/6G移动通信网络同步中的不可或缺性。 第十章：下一代导航技术：新信号、新技术与空间探索 本章展望了PNT领域的未来趋势。探讨了多频多星座系统的潜力，以及光学通信（激光链路）在卫星间和卫星到地面高带宽、低延迟数据传输中的角色。深入讨论了火星导航（Mars Navigation）等深空探测任务中，如何利用星间测距、轨道确定和时间同步技术，构建地外行星的自主导航框架。最后，探讨了量子技术（如量子惯性传感器、量子时钟）对未来导航精度和安全性的革命性影响。 --- 目标读者 本书适合于大地测量学、地理信息科学、电子工程、航空航天工程、以及物理学等相关专业的本科高年级学生、研究生，以及在PNT领域工作的研究人员、工程师和技术决策者。它要求读者具备扎实的微积分、线性代数和基础电磁学知识。

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