好書推薦:衛星導航專業書籍

2021-02-15 上海北鬥導航創新研究院

看了很多公號文章,幾乎沒有衛星導航領域的專業書籍推薦文章,應朋友之邀,本人根據武漢大學測繪學院導航工程的專業用書,總結出下列導航專業書籍,供大家參考,如有掛一漏萬之處,還請大家不吝指正。

《GPS測量與數據處理》:武漢大學出版社2005年03月出版圖書。本書全面介紹了GPS定位技術定位原理、測量作業、數據處理等內容。主編為李徵航和黃勁松,在武漢大學測繪學院導航工程系本科作為三門課程進行專業教學,可以說是一本衛星導航從入門到深入的教材。書中包括衛星導航介紹性內容、衛星導航中常用算法如精密單點定位PPP和實時動態載波相位差分技術RTK等深入分析內容。當時有一門課要求從實現矩陣運算起,包括解碼諾瓦泰接收機二進位數據、手寫標準單點定位SPP代程序,參考的也是這本書。如書名所示,該書講解的是偏數據處理層面的內容。

《最優估計與假設檢驗理論及其在GNSS中的應用》:科學出版社2015年11月出版圖書,由吳雲主編,並作為武漢大學導航工程系本科最優估計這門課的教材。書中主要涉及如何:最優估計中常用的最小二乘估計法、遞推最小二乘估計法、極大似然估計法、極大驗後估計法、最小方差估計法、貝葉斯估計法等方法;動態系統的數據模型和動態系統的可控性與可測性分析;線性卡爾曼濾波、逐次線性卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波、有色噪聲和自適應卡爾曼濾波、平方根濾波、UDU分解濾波和信息濾波方法;線性離散系統的最優預測與平滑;假設檢驗與GNSS ARAIM算法。書中涵蓋了導航工程中要用到的數學原理,要求學生能閉卷手推各種常用的估計方法公式以及開卷應用卡爾曼濾波。本人用書上的符號推導過涉及到的一些公式,感覺太多符號比較冗雜,其意義不能根據記法一眼看出來。 

在讀《最優估計與假設檢驗理論及其在GNSS中的應用》的同時,我對比閱讀了楊元喜院士的《自適應動態導航定位》。該書由測繪出版社於2006年出第一版,2017年改版。這本書最早應該追溯到1993年楊元喜院士在八一出版社出版的《抗差估計理論及其應用》。對比《最優估計與假設檢驗理論及其在GNSS中的應用》,《自適應動態導航定位》有非常多關於抗差的內容,故更適合有一定估計理論知識的人看,但書中也有一章專門介紹卡爾曼濾波這樣的基礎知識。對比吳雲老師的書,楊院士書中的公式推導更加易懂。所以建議初學者先看吳雲老師的書,遇到問題可以到楊院士的書裡找同樣的推導,看完吳雲老師的書後再系統地讀一遍《自適應動態導航定位》。

武漢大學測繪學院的測繪工程專業還開設了測量平差這門課,使用的教材為《誤差理論與測量平差基礎》。這本書主要還是講解最小二乘方法,講的很深入,但是不涉及到卡爾曼濾波等內容。對於現在像視覺SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)中的先進優化方法也沒有涉及,所以《誤差理論與測量平差基礎》這本書適合工程領域的人閱讀,書中包含了很多工程中涉及到的平差網模型,包括導航領域也要用的GPS測量平差網,能幫助工程人員熟練解決實際工程中會碰到的問題。

關於組合導航系列書籍,推薦Paul D.Groves的《GNSS與慣性及多傳感器組合導航系統原理》。這本書是從《Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems》翻譯過來的,書中附帶配套的仿真代碼,包括仿真GNSS衛星、IMU數據生成、進行GNSS定位、IMU推算松組合緊組合等內容。

 

《GNSS與慣性及多傳感器組合導航系統原理》從坐標系運動學開始,講到卡爾曼濾波理論,之後分別重點講慣導和GNSS導航,最後用三章內用(14-16章)講組合。這本書中的組合都是以IMU的誤差方程作為組合導航系統的狀態方程,然後衍生出松組合和緊組合的方式。與之類似的一本書是西北工業大學秦永元教授的《慣性導航》,書中不涉及衛星導航的內容,只講慣性導航以及加速度計和陀螺儀的器件講解,對慣導內部器件有興趣的讀者可以參考秦教授這本書。

謝鋼編著的《GPS原理與接收機設計》是一本非常好的包括GPS信號、算法、應用以及GPS接收機內部具體實現的一本書。在讀這本書時,我已經學習了《GPS測量與數據處理》,一些內容是重複的,於是我只關注了第2章的GPS信號及導航電文和第10到13章的GPS內部組成及其運行。第10章講的是射頻前端,第11章講載波環,第12章講碼環,第13章為接收機搜索與捕獲,對於想做GNSS深組合的研究人員,這方面的知識非常有幫助。《GPS原理與接收機設計》這本書也包括了《GPS測量與數據處理》的內容,但後者更加注重數據處理,而前者涵蓋的領域更為廣泛。

GNSS系統是一個衛星系統,所以從業人員需要了解衛星軌道,這方面的參考書籍為國防科技大學出版社出版的《近地太空飛行器軌道基礎》,由郗曉寧,王威等編著。這本書主要包括衛星軌道的分類、時間系統與坐標系統、二體問題下的衛星軌道理論與初軌計算方法、衛星的攝動軌道、衛星的軌道機動和人造衛星的軌道設計等內容。通過閱讀這本書,可以基本掌握人造衛星運行軌道的基礎理論知識,對於GNSS衛星軌道的一些解算也會理解的更為深刻。

希望對衛星導航中涉及的時間問題進一步了解的讀者,可以參考以下書籍:

➣《衛星導航系統時間基礎》,吳海濤等編著,科學出版社;

➣《原子鐘基本原理與時頻測量技術》,2009-02-01,翟造成等編,上海科學技術文獻出版社;

➣《時頻測控技術》,周渭,偶曉娟,周暉, 2006, 西安電子科技大學出版社;

➣Packard, H., GPS and precision timing applications,David W. Allan, The Science of Timekeeping Application, Notes 1289

其中《衛星導航系統時間基礎》這本書共分10章,分別介紹了衛星導航系統與時間頻率的關係、時間頻率基礎知識、衛星導航系統中的時間頻率體系、衛星導航中的時間同步技術、系統時間的產生和保持、衛星和星座時間、導航信號的時間頻率特性、衛星導航系統的授時及其應用、時間頻率測量與校準、GNSS時間兼容與互操作等內容。全書內容基本覆蓋了衛星導航系統各組成部分中的所有時間頻率問題,既介紹了基本知識,也儘可能地採用了衛星導航領域最新的時間頻率研究成果。

導航工程是一門集電子信息、計算機科學技術及測繪於一體的學科,上文只從測繪方面推薦了一部分專業書籍,不包含前面兩個學科的一些基礎書籍。另外,文章觀點是我通過多年研究對一些書籍內容的個人理解和看法,如有未盡之處,希望大家批評指。

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