国防电子信息技术丛书GPS原理与接收机设计Principles of GPS and Receiver Design谢钢著電子工業出版社Publishing House of Electronics Industry北京·BEIJING
内容简介本书系统、透彻地阐述了GPS及其接收机设计的各项相关内容，包括GPS信号结构、时空坐标系、测量值、定位原理、卡尔曼滤波、接收机的射频前端、信号捕获和信号跟踪。此外，本书还介绍了差分精密定位、GPS与慢性导航的组合和地图匹配三方面GPS应用技术，并对多路径、电磁干扰、互相关干扰、高灵敏度GPS、辅助GPS等关键课题做了论述，本书理论分析清晰，实用性强，并且内容力求反映近些年来出现的GPS最新技术和成果，本书可以作为本科生高年级和研究生的教材或教材参考书，也是所有与GPS等卫星导航系统及其接收机设计有关的工程技术人员和科技工作者都应当配备的一本不可多得的优秀参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。:图书在版编目（CIP）数据GPS原理与接收机设计/谢钢著.北京：电子工业出版社，2009.7（国防电子信息技术丛书）ISBN978-7-121-09077-6I.GI.谢III.全球定位系统（GPS）一接收机一设计IV.P228.4中国版本图书馆CIP数据核字（2009）第100271号贵任编辑：谭海平特约编辑：王崧印刷：北京京师印务有限公司装订：出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路173信箱邮编100036开本：787×10921/16印张：27.25字数：785千字印次：2009年7月第1次印刷印数：4000册定价：59.00元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至zlts@phei.com.cn，盗版侵权举报请发邮件至dbqq@phei.com.cn。服务热线：（010）88258888
前言科技的进步已经深刻地改变了我们的日常生活方式，而美国的全球定位系统（GPS）就是其中的一项。自20世纪70年代开始研制以来，GPS已经在世界各国的各行各业中得到了广泛的应用，它正带领着人类进入定位、导航的新纪元。在全球卫星定位技术方兴未艾之际，关于GPS及其接收机设计的文献也大量涌现。这些年来，国内外出版了几本相当优秀的关于GPS的书籍，受到了广大GPS专业爱好者的喜爱。与这些书籍不同，本书一方面加大了GPS接收机设计这部分内容的篇幅，使对其的讨论更加系统、深人：另一方面，本书还介绍了最近出现的一些GPS接收机新技术、新成果，使该书知识能及时、真实地反映当前状况。全书共13章，大致分成GPS基础知识、定位算法、GPS应用以及信号的捕获与跟踪四部分而全书也是按照这一顺序展开叙述的。大多数读者对GPS的认识是从了解GPS的定位原理及其算法开始的，然后其中一些读者有机会去进一步探索接收机的内部构造和信号的捕获与跟踪原理。因此，这种先介绍定位算法再介绍信号跟踪的叙述顺序比较适合大多数读者的GPS学习过程，并且也可以认为是一种由简到难的顺序，尽管GPS接收机事实上是先跟踪卫星信号再完成定位计算这一倒过来的顺序。第1章和第2章将介绍GPS的一些基础知识。通过对这两章内容的学习，读者会接触到大量的GPS术语，能从宏观上了解GPS整个系统的运行机理，并认识GPS定位原理，掌握GPS信号结构。GPS定位原理是如此简单，以至于它可在一小段文字内解释清楚，然而为了实现定位和提高定位性能，我们还需要阅读接下来的11章内容。第3章至第6章将介绍GPS定位算法。首先，在GPS定位原理中，GPS卫星的位置视为七知的，于是第3章将解决如何计算卫星在某一时刻的位置坐标这一问题；然后，由于实现GPS定位还需要测量GPS接收机至各颗可见卫星的距离，因而第4章将讨论GPS测量值及其误差源：接着，有了脑卫星的位置和接收机至卫量的距离，我们就可以实现定位，于是5章将分析定位法及其定位精度，它是这一部分内容的核心：最后，第6章将介绍卡尔受滤波定位算法，它有着非带高的实际应用价值，并且本书在随后的多个章节都会提到这种滤波技术。第7章至第9章将介绍用来提高GPS定位性能的三方面技术与应用。其中，第7章将介绍差分GPS和高精度GPS，第8章将介绍GPS与惯性导航系统的组合，第9章将介绍GPS定位结果的地图匹配。尽管这三章内容非常具有现实意义，但是对于只关心接收机内部设计的读者而言略过这三章而直接跳到第10章并不会产生前后内容不连贯的感觉。最后，第10章室第13章将部析接收机的内部组成及其运行，这三章中每章的篇幅都很大。对于希望理解接收机内部究竞是如何运作的读者而言，这一部分是一定要花精力去阅读的。其中，第10章将介绍接收机组成概况和其中的射频前端模块，第11章将详细分析载波跟踪环路，第12章将探讨码跟踪环路和描述接收机在信号跟踪过程中所需完成的位同步、顿同步等一系列
信号处理任务，第13章将讨论接收机对信号的搜索与捕获。在此基础上，这一部分还对多路径、连续波干扰、互相关干扰、高灵敏度GPS和辅助GPS（AGPS）等多个关键课题进行论述。通过对大量公开发表的GPS书籍、期刊论文、会议论文、学位论文和专利等文献资料的研读，作者才把这些知识汇集起来而写成这一专著。因此，本书每一章的最后均列出了一堆参考文献，用以表明原文或相关知识点的参考来源，以示作者的敬意和感谢。此外，作者还参考了无数公开的国际互联网网页，然而考虑到网址的变动性较强，它们很少被一一列出。对某一课题做进一步深人研究的读者而言，希望这些参考文献能给读者一个高而良好的起点。本书语言平实、简练，内容丰富又重点突出。它不但非常适合作为本科生高年级和研究生的教材或教材参考书，而且是所有与GPS/GNSS及其接收机有关的工程技术人员和科技工作者都应当配备的参考用书。对手书中提及但未能予以充分展开讨论的许多方法、技术，它们可作为硕士生、博土生的研究课题之用。正当我在写这一序言之时，喜闻中国成功地发射了第二颗北斗导航卫星，希望这本书的出版能给我国的卫星导航事业添砖加瓦。感谢父亲谢逸仙、母亲傅珠珍对我的养育和教导，他们对我勤奋进取的要求和言传身教是我能利用空余时间写完这本书的动力源泉。在一学一包写书期间，我也得到了妻子和孩子对我的理解和支持。感谢电子工业出版社的谭海平先生对该书出版所提供的很大帮助和方便，他对书中的内容安排也提出了一些宝贵意见。绍兴文理学院的沈龙先生对全书文字进行了通读与校正，在此深表感谢。我在写书期间还得到了许多同事、亲朋的支持，在此均对他们表示诚挚的谢意！由于作者水平有限，书中必定会出现一些不妥和错误，敬请读者不各指正。读者可通过电于邮箱gang.xie.1999@stanfordalumni.org与我直接联系。作者2009年5月·4：
目录第1章导引1.1GPS的起源1.2GPS的组成概况1.2.1空间星座部分1.2.2地面监控部分1.2.3用户设备部分1.3GPS提供的服务和限制各国卫星导航系统的概况1.481.5GPS的性能指标11.6GPS的应用13参考文献13第2章GPS信号及其导航电文162.1载波162.21伪码172.2.1二进制数随机序列172.2.2m序列182.2.3金码…222.2.4CIA码242.2.5P码.*272.3数据码·282.4GPS信号结构282.5导航电文322.5.1导航电文的格式-332.5.2遥测字，332.5.3交接字342.5.4第一数据块352.5.5第二数据块-362.5.6第三数据块-372.6GPS现代化计划-38参考文献**40第3章GPS卫星轨道的理论和计算423.1空间坐标系423.1.1惯性坐标系423.12地球坐标系43
3.1.3WGS-84坐标系463.1.4直角坐标系间的旋转变换473.1.5站心坐标系·483.2时间系统503.2.1世界时和原子时·503.2.2GPS时间·513.2.3晶体振荡器·-523.2.4GPS与相对论543.3GPS卫星轨道的理论·553.3.1卫星的无摄运行轨道553.3.2开普勒轨道参数-573.3.3卫星星历和历书参数593.4卫星空间位置的计算-613.5卫星运行速度的计算633.6卫星轨道的插值计算65参考文献67第4章GPS测量及其误差694.1伪距测量值-694.1.1伪距的概念-694.1.2伪距与测距码相位：714.2载波相位测量值724.2.1载波相位的概念724.2.2多普勒频移与积分多普勒74伪距与载波相位的对比4.2.3%774.3测量误差784.3.1卫星时钟误差784.3.2卫星星历误差794.3.3电离层延时…804.3.4对流层延时854.3.5多路径87接收机噪声4.3.6·894.4差分GPS的原理.90伪距与载波相位的组合4.5924.5.1载波相位平滑伪距-924.5.2周整模糊度估算94参考文献·94第5章GPS定位原理与精度分析965.1牛顿选代及其线性化方法965.2最小二乘法98.6:
5.3伪距定位1005.3.1伪距定位原理1015.3.2伪距定位算法…1035.3.3二维定位及其辅助方程1065.4定位精度分析·1085.4.1定位误差的方差分析1085.4.2精度因子1105.4.3卫星几何分布.…1135.4.4伪卫星1165.5#接收机自主正直性监测-1165.5.1正直性监测的概念1175.5.2伪距残余检测法1185.5.3最小平方残余法…·1195.5.4最大解分离法·1205.6多普勒定速1205.7定时、授时与校频·122参考文献123第6章卡尔曼滤波及其应用1276.1滤波的意义1276.2αβ滤波1286.3卡尔曼滤波1296.3.1滤波模型1306.3.2滤波算法1311346.3.3举例与讨论6.3.4滤波数值计算1381416.3.5非线性滤波6.4系统模型的建立1436.4.1连续时间系统的建模1436.4.2离散时间系统的建模1466.5GPS定位的卡尔曼滤波算法1476.5.1接收机时钟模型1481496.5.2用户运动模型6.5.3卡尔曼滤波定位算法：-1516.6其他滤波技术-152参考文献153第7章差分定位和精密定位*-1567.1差分定位1567.1.1差分的种类-1567.1.2差分校正量158.7
-1617.1.3局域差分系统1637.1.4广域差分系统7.2精密定位系统*166-1667.2.1单差7.2.2双差.…*1697.2.3三差171"1727.2.4相对定位的根本问题7.3多频测量值的组合1747.3.1线性组合1747.3.2窄巷、宽巷和超宽巷组合-177周整模糊度的求解技术1797.47.4.1交换天线位置1807.4.2几何多样性-1817.4.3利用伪距的取整估算法-1811837.4.4LAMBDA算法7.4.5逐级模糊度确定法--186参考文献-188第8章GPS与航位推测系统的组合·1928.1惯性导航系统-1921928.1.1惯性传感器的种类8.1.2惯性导航的分类-1948.1.3惯性导航的基本原理·1948.1.4惯性传感测量误差-1958.2航位推测系统·1968.2.1航位推测的基本原理1968.2.2ABS车轮转速传感器.197.8.3组合的意义·2018.4组合的工具，-2028.4.1互补型滤波器-2028.4.2分散卡尔曼滤波-2038.5组合的方式-2048.5.1松性组合-2048.5.2紧性组合-2058.5.3深性组合*-206参考文献-207第9章地图匹配"2109.1地图匹配的意义2109.2电子地图2119.2.1UTM投影系统-2118:
9.2.2数字高程模型2129.2.3道路网数据库-2139.3地图匹配算法综述-2149.4几何匹配算法-2179.4.1点-点匹配法-2189.4.2点-线匹配法2189.4.3线-线匹配法2199.4.4改良型几何匹配算法-2209.5概率匹配算法2239.6紧性组合匹配算法-2259.7综合匹配算法·-2269.7.1加权法…-2279.7.2D-S理论，-2279.7.3模糊推理-2309.8匹配路段上的位置点匹配231参考文献-233第10章GPS接收机及其射频前端24-23610.1GPS接收机的概况-23710.2接收天线-24110.2.1自由空间传播公式-24110.2.2信噪比和载噪比-24410.2.3串联器件的噪声指数-24610.2.4右旋圆极化24810.2.5天线的种类-25010.3射频前端处理-25210.3.1射频信号调整25210.3.2下变频混频..25410.3.3中频信号滤波放大-25910.3.4模数转换--260参考文献-263第11章载波环26611.1信号跟踪原理-26611.2相位锁定环路-26811.2.1基本工作原理26911.2.2环路阶数-27111.2.3稳态响应-27511.2.4环路参数-27811.2.5IVQ解调28111.2.6相干积分286·9
29111.2.7鉴相方法的种类-29211.2.8测量误差与跟踪门限-29511.3频率锁定环路-29511.3.1基本工作原理11.3.2鉴频方法的种类*-298-30011.3.3测量误差与跟踪门限11.4锁相环与锁频环的对比与组合.301参考文献302第12章码环和基带数字信号处理.304码环12.1.30412.1.1延迟锁定环路-30412.1.2相关器与自相关函数-30712.1.3非相干积分-310*31412.1.4鉴相方法的种类12.1.5测量误差与跟踪门限31712.2信号的跟踪32012.2.1载波环与码环的组合32012.2.2锁定检测32312.3基带数字信号处理-32412.3.1位同步·32412.3.2顿同步.32812.3.3奇偶检验和电文译码-33012.3.4测量值的生成…33212.4多路径效应及其抑制33312.4.1多路径效应.33412.4.2多路径抑制33712.5干扰341参考文献-344第13章信号的捕获34913.1信号捕获的概况-34913.1.1三维搜索-34935213.1.2启动方式-35413.1.3搜索范围估算13.1.4信号检测358*36213.1.5载噪比的测定-36413.1.6捕获与跟踪之间的转换-36613.2信号搜索捕获算法线性搜索36613.2.113.2.2并行频率搜索37010·