GPS原理与接收机设计

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与惯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近期新技术和成果。

谢钢，浙江绍兴人。1995年本科毕业于清华大学电机工程系，并先后于1999年和2004年分别获得美国波士顿大学电子与计算机工程硕士学位和斯坦福大学电子工程博士学位。在攻读斯坦福大学博士学位期间，任斯坦福大学航空航天系GPS实验室研究助理。博士毕业后，一直在美国的摩托罗拉、SIRF和CSR等多家高科技公司任资历不错工程师，专门从事GPS／GNSS接收机的研究与开发工作。2014年回国创业，作为上海市“千人计划”专家，目前任上海北伽导航科技有限公司总裁兼首席技术官，知名品牌低功耗、低成本、小尺寸、高性能的北斗／GPS多模导航芯片产品的研发。
作为一名有着近20年研究、开发经验的北斗／GNSS专家，作者至今已经发表了1O篇美国／靠前专利和近20篇靠前性论文，并分别于2009年和2015年出版了《GPS原理与接收机设计》和《优选导航卫星系统原理――GPS、格洛纳斯和伽利略系统》，这两本专著深受与北斗系统开发、北斗／GPS接收机设计和北斗／GPs应用等方面有关的广大工程技术人员、科技工作者的喜爱与赞赏。

目 录 章 导引 1 1.1 GPS的起源 1 1.2 GPS的组成概况 2 1.2.1 空间星座部分 3 1.2.2 地面监控部分 5 1.2.3 用户设备部分 6 1.3 GPS提供的服务和限制 8 1.4 各国卫星导航系统的概况 9 1.5 GPS的性能指标 11 1.6 GPS的应用 13 参考文献 13 第2章 GPS信号及其导航电文 16 2.1 载波 16 2.2 伪码 17 2.2.1 二进制数随机序列 17 2.2.2 m序列 18 2.2.3 金码 22 2.2.4 C/A码 24 2.2.5 P码 27 2.3 数据码 28 2.4 GPS信号结构 28 2.5 导航电文 32 2.5.1 导航电文的格式 33 2.5.2 遥测字 33 2.5.3 交接字 34 2.5.4 数据块 35 2.5.5 第二数据块 36 2.5.6 第三数据块 37 2.6 GPS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 42 3.1 空间坐标系 42 3.1.1 惯性坐标系 42 3.1.2 地球坐标系 43 3.1.3 WGS-84坐标系 46 3.1.4 直角坐标系间的旋转变换 47 3.1.5 站心坐标系 48 3.2 时间系统 50 3.2.1 世界时和原子时 50 3.2.2 GPS时间 51 3.2.3 晶体振荡器 52 3.2.4 GPS与相对论 54 3.3 GPS卫星轨道的理论 55 3.3.1 卫星的无摄运行轨道 55 3.3.2 开普勒轨道参数 57 3.3.3 卫星星历和历书参数 59 3.4 卫星空间位置的计算 61 3.5 卫星运行速度的计算 63 3.6 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 69 4.1 伪距测量值 69 4.1.1 伪距的概念 69 4.1.2 伪距与测距码相位 71 4.2 载波相位测量值 72 4.2.1 载波相位的概念 72 4.2.2 多普勒频移与积分多普勒 74 4.2.3 伪距与载波相位的对比 77 4.3 测量误差 78 4.3.1 卫星时钟误差 78 4.3.2 卫星星历误差 79 4.3.3 电离层延时 80 4.3.4 对流层延时 85 4.3.5 多路径 87 4.3.6 接收机噪声 89 4.4 差分GPS的原理 90 4.5 伪距与载波相位的组合 92 4.5.1 载波相位平滑伪距 92 4.5.2 整周模糊度估算 94 参考文献 94 第5章 GPS定位原理与精度分析 96 5.1 牛顿迭代及其线性化方法 96 5.2 最小二乘法 98 5.3 伪距定位 100 5.3.1 伪距定位原理 101 5.3.2 伪距定位算法 103 5.3.3 二维定位及其辅助方程 106 5.4 定位精度分析 108 5.4.1 定位误差的方差分析 108 5.4.2 精度因子 110 5.4.3 卫星几何分布 113 5.4.4 伪卫星 116 5.5 接收机自主正直性监测 116 5.5.1 正直性监测的概念 117 5.5.2 伪距残余检测法 118 5.5.3 最小平方残余法 119 5.5.4 最大解分离法 120 5.6 多普勒定速 120 5.7 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 127 6.1 滤波的意义 127 6.2 ?-? 滤波 128 6.3 卡尔曼滤波 129 6.3.1 滤波模型 130 6.3.2 滤波算法 131 6.3.3 举例与讨论 134 6.3.4 滤波数值计算 138 6.3.5 非线性滤波 141 6.4 系统模型的建立 143 6.4.1 连续时间系统的建模 143 6.4.2 离散时间系统的建模 146 6.5 GPS定位的卡尔曼滤波算法 147 6.5.1 接收机时钟模型 148 6.5.2 用户运动模型 149 6.5.3 卡尔曼滤波定位算法 151 6.6 其他滤波技术 152 参考文献 153 第7章 差分定位和精密定位 156 7.1 差分定位 156 7.1.1 差分的种类 156 7.1.2 差分校正量 158 7.1.3 局域差分系统 161 7.1.4 广域差分系统 163 7.2 精密定位系统 166 7.2.1 单差 166 7.2.2 双差 169 7.2.3 三差 171 7.2.4 相对定位的根本问题 172 7.3 多频测量值的组合 174 7.3.1 线性组合 174 7.3.2 窄巷、宽巷和超宽巷组合 177 7.4 整周模糊度的求解技术 179 7.4.1 交换天线位置 180 7.4.2 几何多样性 181 7.4.3 利用伪距的取整估算法 181 7.4.4 LAMBDA算法 183 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 192 8.1 惯性导航系统 192 8.1.1 惯性传感器的种类 192 8.1.2 惯性导航的分类 194 8.1.3 惯性导航的基本原理 194 8.1.4 惯性传感测量误差 195 8.2 航位推测系统 196 8.2.1 航位推测的基本原理 196 8.2.2 ABS车轮转速传感器 197 8.3 组合的意义 201 8.4 组合的工具 202 8.4.1 互补型滤波器 202 8.4.2 分散卡尔曼滤波 203 8.5 组合的方式 204 8.5.1 松性组合 204 8.5.2 紧性组合 205 8.5.3 深性组合 206 参考文献 207 第9章 地图匹配 210 9.1 地图匹配的意义 210 9.2 电子地图 211 9.2.1 UTM投影系统 211 9.2.2 数字高程模型 212 9.2.3 道路网数据库 213 9.3 地图匹配算法综述 214 9.4 几何匹配算法 217 9.4.1 点-点匹配法 218 9.4.2 点-线匹配法 218 9.4.3 线-线匹配法 219 9.4.4 改良型几何匹配算法 220 9.5 概率匹配算法 223 9.6 紧性组合匹配算法 225 9.7 综合匹配算法 226 9.7.1 加权法 227 9.7.2 D-S理论 227 9.7.3 模糊推理 230 9.8 匹配路段上的位置点匹配 231 参考文献 233 0章 GPS接收机及其射频前端 236 10.1 GPS接收机的概况 237 10.2 接收天线 241 10.2.1 自由空间传播公式 241 10.2.2 信噪比和载噪比 244 10.2.3 串联器件的噪声指数 246 10.2.4 右旋圆极化 248 10.2.5 天线的种类 250 10.3 射频前端处理 252 10.3.1 射频信号调整 252 10.3.2 下变频混频 254 10.3.3 中频信号滤波放大 259 10.3.4 模数转换 260 参考文献 263 1章 载波环 266 11.1 信号跟踪原理 266 11.2 相位锁定环路 268 11.2.1 基本工作原理 269 11.2.2 环路阶数 271 11.2.3 稳态响应 275 11.2.4 环路参数 278 11.2.5 I/Q解调 281 11.2.6 相干积分 286 11.2.7 鉴相方法的种类 291 11.2.8 测量误差与跟踪门限 292 11.3 频率锁定环路 295 11.3.1 基本工作原理 295 11.3.2 鉴频方法的种类 298 11.3.3 测量误差与跟踪门限 300 11.4 锁相环与锁频环的对比与组合 301 参考文献 302 2章 码环和基带数字信号处理 304 12.1 码环 304 12.1.1 延迟锁定环路 304 12.1.2 相关器与自相关函数 307 12.1.3 非相干积分 310 12.1.4 鉴相方法的种类 314 12.1.5 测量误差与跟踪门限 317 12.2 信号的跟踪 320 12.2.1 载波环与码环的组合 320 12.2.2 锁定检测 323 12.3 基带数字信号处理 324 12.3.1 位同步 324 12.3.2 帧同步 328 12.3.3 奇偶检验和电文译码 330 12.3.4 测量值的生成 332 12.4 多路径效应及其抑制 333 12.4.1 多路径效应 334 12.4.2 多路径抑制 337 12.5 干扰 341 参考文献 344 3章 信号的捕获 349 13.1 信号捕获的概况 349 13.1.1 三维搜索 349 13.1.2 启动方式 352 13.1.3 搜索范围估算 354 13.1.4 信号检测 358 13.1.5 载噪比的测定 362 13.1.6 捕获与跟踪之间的转换 364 13.2 信号搜索捕获算法 366 13.2.1 线性搜索 366 13.2.2 并行频率搜索 370 13.2.3 并行码相位搜索 372 13.2.4 其他信号捕获算法 374 13.2.5 卫星搜索次序 375 13.3 高灵敏度GPS 376 13.3.1 加长积分时间 377 13.3.2 大块相关器设计 380 13.3.3 辅助GPS（AGPS） 381 13.4 互相关干扰及其抑制 384 13.4.1 互相关干扰 384 13.4.2 互相关干扰抑制 385 13.5 接收机设计的发展趋势 387 参考文献 389 附录A 缩写词中英对照 394 附录B 单位制及其换算 400 附录C 随机变量和随机过程 401 附录D 拉普拉斯变换 407 附录E Z变换 410 附录F 傅里叶变换和采样定理 413 附录G 离散傅里叶变换 417 附录H GPS数据格式 420