北斗/GPS双模软件接收机原理与实现技术

本书专从电子工程和通信技术的角度详细讲解GPS和北斗双系统接收机的原理，在对GPS和北斗系统的历史演进进行介绍的同时，详细讲解了GPS和北斗接收机内部从信号跟踪与捕获，到卫星位置速度计算、观测量模型分析和定位导航解算的几乎所有信号处理理论，同时也融进了作者在该领域多年的研发经验和心得。全书在对理论知识进行详细阐述的同时，紧密结合理论知识点实现了一台GPS和北斗双系统软件接收机，给出了该软件接收机源代码，该源代码实现了本书讲解的所有理论知识点，读者可以在阅读本书理论部分的同时运行相应程序，自行对运行结果进行理解和分析，同时也可以根据自身需求对源代码进行修改，更快更好地理解GPS和北斗双系统接收机设计的理论，为进一步地深化学习打下坚实的基础。

鲁郁，河南信阳人，1997年和2000年从北京大学电子学系获得学士和硕士学位，2006年从美国加州大学Riverside分校获得博士学位，在博士学习期间开始接触GPS技术，参与了GPS软件接收机开源项目，博士毕业后在美国硅谷创业公司从事GPS芯片的研发和设计。2009年归国后，先后在中国科学院微电子研究所和展讯通信有限公司任职。鲁郁博士从2001年开始一直坚持在卫星导航领域从事技术开发和算法研究工作，参与或主持了多款卫星导航芯片和系统的设计，在卫星导航技术领域有深厚的积累，近年来主要从事GPS/北斗卫星导航技术工程化和产业化方面的工作。

第1章  定位、坐标系和时间标准 1
1.1  问题的提出  2
1.1.1  基本目的和基本定位系统  2
1.1.2  时钟问题  5
1.1.3  一个改进的系统  6
1.1.4  改进后系统的总结  10
1.2  常用坐标系  11
1.2.1  地心惯性坐标系  11
1.2.2  测地坐标系  12
1.2.3  ECEF坐标系  15
1.2.4  ENU或NED坐标系  19
1.2.5  运动本体坐标系  21
1.3  时间系统  23
1.3.1  太阳时和恒星时  23
1.3.2  力学时  24
1.3.3  原子时和协调世界时（UTC）  25
1.3.4  GPS时（GPST）  26
1.3.5  北斗时（BDT）  28
参考文献  29
第2章  GPS和北斗卫星导航系统简介  31
2.1  GPS系统的历史由来  32
2.2  GPS系统的构成  39
2.3  GPS的现代化计划  47
2.4  北斗导航系统概述  53
参考文献  60
第3章  GPS和北斗的信号格式与导航电文  63
3.1  GPS信号  64
3.1.1  GPS信号的产生机制  64
3.1.2  C/A码发生器  70
3.1.3  C/A码自相关和互相关特性  76
3.2  北斗信号  82
3.2.1  北斗信号结构  82
3.2.2  北斗伪随机码发生器  86
3.2.3  北斗伪随机码的自相关和互相关特性  90
3.3  导航电文  93
3.3.1  GPS导航电文  93
3.3.2  北斗导航电文  101
3.4  不同卫星信号的时间关系  111
参考文献  114
第4章  信号捕获和跟踪  117
4.1  信号捕获  119
4.1.1  信号捕获的基本概念  119
4.1.2  基于时域相关器的信号捕获  125
4.1.3  基于匹配滤波器的信号捕获  132
4.1.4  基于FFT的信号捕获  134
4.1.5  短时相关匹配滤波器和FFT结合的信号捕获  139
4.1.6  基于数据分块和频率补偿的信号捕获  145
4.1.7  信号捕获的门限设定  153
4.1.8  相干积分和非相干积分  157
4.2  信号跟踪  163
4.2.1  基本的锁相环  164
4.2.2  线性锁相环的热噪声性能分析  173
4.2.3  载波跟踪环  175
4.2.4  伪码跟踪环  186
4.2.5  跟踪环实现和调试中的问题  197
4.2.6  比特同步  214
4.2.7  子帧同步  219
参考文献  222
第5章  双模观测量提取和误差分析  227
5.1  伪距观测量  228
5.2  载波相位观测量  233
5.3  多普勒频率和积分多普勒观测量  236
5.4  观测量误差特性分析  240
5.4.1  卫星时钟误差  241
5.4.2  星历误差  242
5.4.3  电离层延迟  244
5.4.4  对流层延迟  247
5.4.5  多径效应  249
5.4.6  接收机误差  253
5.5  差分GNSS技术  253
参考文献  267
第6章  卫星位置和速度的计算  271
6.1  卫星轨道理论  272
6.2  GPS卫星和北斗MEO/IGSO卫星  279
6.3  北斗GEO卫星  284
6.4  卫星位置和速度的插值计算  287
6.5  精密星历和星历扩展  289
参考文献  294
第7章  位置、速度和时间解算  297
7.1  最小二乘法解算  298
7.1.1  基本原理  298
7.1.2  加权的最小二乘法  301
7.1.3  利用伪距观测量计算位置和钟偏  304
7.1.4  利用多普勒观测量计算速度和钟漂  311
7.1.5  卫星的仰角和方位角  313
7.1.6  几何精度因子  316
7.1.7  接收机自主完好性监测（RAIM）  322
7.2  卡尔曼滤波解算  328
7.2.1  递归最小二乘法  328
7.2.2  基本的卡尔曼滤波器  333
7.2.3  从连续时间系统到离散时间系统  336
7.2.4  扩展卡尔曼滤波器  339
7.2.5  接收机中常用的几种KF模型  342
7.2.6  卡尔曼滤波具体实现中的技术处理  351
7.3  最小二乘法和卡尔曼滤波总结  356
参考文献  360
第8章  射频前端  363
8.1  卫星信号的发射与接收  364
8.2  级联系统的噪声系数  367
8.3  带通采样原理  369
8.4  中频采样方案和射频采样方案  373
8.4.1  中频采样方案  373
8.4.2  射频采样方案  376
8.5  自动增益控制（AGC）和量化位宽  380
8.6  射频载噪比和基带信噪比的关系  384
8.7  射频前端频率方案实例分析  386
参考文献  388
第9章  北斗和GPS双模软件接收机的实现  391
9.1  双模软件接收机的信号源  392
9.2  双模接收机的软件模块和程序运行界面  395
9.3  双模接收机数据处理结果  400
附录A  基本矩阵和向量运算  409
A.1  逆矩阵及其性质  410
A.2  矩阵的特征值和特征向量  411
A.3  二次型和有定矩阵  412
A.4  几种重要的矩阵分解  414
A.5  矩阵分析初步  418
附录B  直角坐标系的转换和旋转  421
附录C  NBP和WBP的均值和方差  429
附录D  和卫星椭圆轨道相关的推导  433
附录E  电离层延迟的Klobuchar模型  437