全球导航卫星系统原理:GPS.格洛纳斯和伽利略系统

"? 优选本真正意义上介绍GNSS的书籍 ? 优选抢先发售集中剖析了GPS、GLONASS和Galileo三大系统的所有卫星导航信号 ? 对BPSK-R和BOC类调制信号的功率谱密度和自相关函数的计算与分析无与伦比 ? 以很大篇幅探讨了接收机器件群波延时及其信道间差异这一GNSS新问题及其处理方法 ? 系统、透彻地阐述了实用性极强的多种GNSS联合定位算法 ? 语言平实，表达清晰，内容丰富，信息量巨大，又思想深刻 "

本书是优选本真正意义上介绍GNSS的书籍，描述了以GPS、格洛纳斯和伽利略这三大系统为主要对象的GNSS的概况，详尽探讨了BPSK-R、BOC、MBOC/TMBOC/CBOC、AltBOC等多种信号调制技术和Interplex、CASM两种复用调制方式，全面剖析了三大系统的卫星信号体制和导航电文，具体给出了三大系统的卫星在它们各自相应时空坐标系中的位置和速度的计算步骤，清晰地解释了伪距、载波相位和多普勒频率等GNSS测量值的定义及其各种测量误差源，深刻、透彻地讨论了单一GNSS、联合GNSS和差分GNSS的定位算法，介绍了多个可用来定量评估不同卫星调制信号在码跟踪精度、互操作性、抗干扰、抗多径等方面性能的参量和方法，归纳总结了现代化GNSS在星座和信号设计方面上所具有的一些优良特性和发展趋势。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GNSS很新技术与成果。

谢钢，浙江绍兴人。1995年本科毕业于清华大学电机工程系，随后加入苹果电脑公司，任软件工程师。自1998起留学美国，并先后于1999年和2004年分别获得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，研究方向为局域差分GPS。博士毕业后，一直在摩托罗拉、SiRF和CSR等多家高科技公司任资深不错工程师，专门从事对GPS/GNSS接收机的研究与开发工作。

目 录 章 绪论 1 1.1 GNSS 1 1.1.1 GNSS的定义 1 1.1.2 GNSS的系统构成 4 1.1.3 GNSS定位原理 6 1.1.4 GNSS接收机设计 8 1.1.5 GNSS性能指标 12 1.2 GPS 15 1.2.1 GPS概况 15 1.2.2 GPS空间星座部分 17 1.2.3 GPS地面监控部分 22 1.2.4 GPS服务与限制 23 1.3 GLONASS 25 1.3.1 GLONASS概况 25 1.3.2 GLONASS空间星座部分 28 1.3.3 GLONASS地面监控部分 32 1.3.4 GLONASS服务 33 1.4 Galileo系统 35 1.4.1 Galileo系统概况和系统构成 35 1.4.2 Galileo系统服务 38 1.5 其他GNSS概况 40 1.5.1 我国的北斗卫星导航系统 40 1.5.2 日本准天顶卫星系统 42 1.5.3 印度区域卫星导航系统 43 参考文献 43 第2章 BPSK-R和BOC调制 49 2.1 数字通信系统基础 49 2.1.1 扩频调制 49 2.1.2 载波调制 53 2.2 BPSK-R调制 55 2.2.1 BPSK-R调制信号的功率谱密度 56 2.2.2 BPSK-R调制信号的自相关函数 59 2.3 BOC调制 60 2.3.1 BOC调制信号模型 60 2.3.2 BOC调制副载波的频谱 64 2.3.3 BOC调制信号的功率谱密度 66 2.3.4 BOC调制信号的自相关函数计算 74 2.3.5 BOC调制信号的自相关函数特征 83 2.3.6 BOC调制的优缺点 85 参考文献 87 第3章 MBOC、AltBOC和复用调制 90 3.1 MBOC调制 90 3.1.1 MBOC调制信号的定义 90 3.1.2 TMBOC调制 93 3.1.3 CBOC调制 97 3.2 AltBOC调制 100 3.2.1 单边带副载波 100 3.2.2 非恒包络AltBOC调制 102 3.2.3 恒包络AltBOC调制 105 3.3 复用调制 109 3.3.1 Interplex调制 110 3.3.2 CASM 113 参考文献 116 第4章 GPS信号 119 4.1 概况 120 4.2 L1 C/A信号 125 4.2.1 C/A码 126 4.2.2 NAV电文 128 4.3 L1/L2 P(Y)信号 129 4.4 L2C信号 131 4.4.1 L2 CM/CL码 131 4.4.2 L2C的数据调制 132 4.5 L1/L2 M信号 135 4.6 L5C信号 137 4.6.1 L5 I5/Q5码 137 4.6.2 L5C的数据调制 139 4.7 L1C信号 141 4.7.1 L1C伪码 141 4.7.2 L1C覆盖码 143 4.7.3 L1C的数据调制 144 4.8 CNAV电文 146 4.8.1 CNAV电文的结构 146 4.8.2 第0类信息条 147 4.8.3 0～11类信息条 147 4.8.4 2类信息条 149 4.8.5 3～14类信息条 150 4.8.6 5类信息条 150 4.8.7 第30～37类信息条 150 4.8.8 信息条播发顺序 152 4.8.9 CRC-24Q校验 153 4.8.10 L2C与L5C上CNAV电文之间的差异 154 4.9 CNAV-2电文 155 4.9.1 CNAV-2电文的结构 156 4.9.2 BCH编码 157 4.9.3 LDPC编码 158 4.9.4 块交织编码 159 4.9.5 CNAV-2电文的内容 161 参考文献 164 第5章 GLONASS信号 167 5.1 概况 167 5.2 伪码 172 5.2.1 C/A码 172 5.2.2 P码 173 5.2.3 时间志 174 5.3 数据调制 175 5.4 导航电文 177 5.4.1 导航电文结构 177 5.4.2 导航电文内容 178 5.4.3 导航电文即时数据 181 5.4.4 导航电文非即时数据 183 5.4.5 数据校验算法 185 5.4.6 解译电文的实例分析 186 参考文献 189 第6章 Galileo信号 191 6.1 概况 191 6.2 E1信号 194 6.3 E6信号 199 6.4 E5信号 201 6.5 阶梯码 207 6.5.1 阶梯码的构筑 207 6.5.2 主码 210 6.5.3 副码 212 6.6 F/NAV和I/NAV电文 213 6.6.1 F/NAV和I/NAV电文的共同结构特点 214 6.6.2 F/NAV电文的结构和内容 215 6.6.3 I/NAV电文的结构和内容 218 6.6.4 F/NAV和I/NAV电文的共同参数内容 225 参考文献 227 第7章 GNSS时空坐标系和卫星轨道计算 230 7.1 时间坐标系 230 7.1.1 协调世界时和原子时 231 7.1.2 GPS时间 232 7.1.3 GLONASS时间 235 7.1.4 Galileo系统时间 237 7.2 空间坐标系 238 7.2.1 惯性坐标系 239 7.2.2 地心地固直角坐标系 239 7.2.3 大地坐标系 242 7.2.4 站心坐标系 244 7.2.5 GPS、Galileo和GLONASS的空间坐标系 246 7.2.6 WGS-84与PZ-90之间的坐标变换 248 7.3 GPS/Galileo卫星轨道计算 251 7.4 GLONASS卫星轨道计算 255 7.4.1 卫星运动方程 255 7.4.2 龙格-库塔法 257 7.5 卫星位置的地球自转校正 260 参考文献 264

"自2009年《GPS原理与接收机设计》一书出版以来，我已经陆续收到了许多读者的来信，他们对该书的内容和质量做了高度的赞赏，并认为从中受益匪浅。承蒙各位读者的厚爱，该书在所有有关GPS的畅销书籍中正脱颖而出。看到我四年心血之结晶为大家所爱，我深感欣慰，更深受鼓励，谢谢你们！ 然而，在赞赏之余，也有不少读者提出，希望在《GPS原理与接收机设计》的改进版中还能阅读到关于GPS现代化信号、BOC调制和接收机对BOC调制信号处理算法等这些体现着当代全球导航卫星系统（GNSS）新气象、新技术方面内容的介绍，而您现在正在翻阅的《全球导航卫星系统原理——GPS、格洛纳斯和伽利略系统》能满足这些读者的一部分要求。如今的GNSS不再只是美国的GPS或者现代化GPS唱独角戏，尽管仍是重头戏，而是一个还主要包括俄罗斯重建后的现代化GLONASS、欧洲含苞欲放的Galileo和我国正昂首阔步向前进的北斗卫星导航系统等在内的一个系统之系统。根据我所掌握的情况，这本书将是全球本真正全面、透彻地介绍GNSS的书籍。 章将描述GNSS特别是其中的GPS、GLONASS和Galileo三大系统的概况，让读者对GNSS的系统构成、发展状况和工作原理等有一个总体的认识。为了帮助读者判断是否有足够的GPS基础知识来理解本书内容，作者的一个建议是试读1.1节，如果对这一节特别是其中关于GNSS接收机设计的1.1.4节的内容不甚了解，对诸如伪码、相关器、码跟踪环、载波跟踪环、数据解调、位同步、帧同步等这些术语基本上不知所云，那么读者应当首先阅读《GPS原理与接收机设计》等这一类相关书籍，或者至少能在需要时可随手参阅这些书籍。 第2章将详尽地探讨BOC调制技术，重点是计算BOC调制信号的功率谱密度和自相关函数，分析这两个函数波形的特点，定性地指出由此所带来的BOC调制信号的优越性能。一方面为了让BOC调制技术与传统GPS/GLONASS信号所采用的调制技术做比较，另一方面为了准备一些关于数字通信系统信号调制的基础知识，我们在第2章将从对较为熟悉的BPSK调制的介绍开始。第3章将接着探讨其他形式的BOC调制，包括MBOC调制的TMBOC和CBOC两种实现方式以及恒包络AltBOC调制。此外，第3章的最后还将介绍能将多个信号调制到同一个载波上的Interplex和CASM两种复用调制方式。第2章和第3章内容的理论性较强，读者需要有一定的数学基础才能理解其中大量的公式推导，而参阅附录C至附录E也可起到一定的帮助作用。 第4章至第6章将依次密集地介绍GPS、GLONASS和Galileo三大系统的所有各个卫星导航信号，包括GPS的L1 C/A、L1/L2 P(Y)、L2C、L1/L2 M、L5C和L1C信号及其NAV、CNAV和CNAV-2电文，GLONASS的C/A和P码信号及其导航电文，以及Galileo的E1-B/C、E6-B/C和E5a/b信号及其F/NAV和I/NAV电文。不管读者现在对这些术语是否熟悉，可到时一定会十分清晰地理解它们的含义。作者在此想指出这三章内容与作为它们重要参考文献的各个信号界面控制文件（ICD）之间的关系：一方面，几百页完整地介绍若干卫星信号的结构和导航电文的官方ICD无可取代，它们对一切有着最后的解释权；另一方面，这三章不但简要地描述了这些信号几乎所有的重要内容和特点，而且还加注了ICD所没有的、对它们的诠释和理解。 第7章至第9章将介绍GNSS的测量与定位，这部分知识对GNSS接收机的研发有着非常高的实际应用价值。第7章将计算GNSS卫星在相应GNSS时空坐标系中的位置，第8章将分析体现着从接收机至各颗可见卫星距离信息的GNSS测量值及其误差源，于是第9章就可以接着讨论适用于不同情况的单一GNSS、联合GNSS和差分GNSS等多种定位算法及其定位精度。为了让这三章的内容具有连贯性和完整性，我们必定不得不重复《GPS原理与接收机设计》中一些相关章节的部分内容。 0章将首先总结一下联合GNSS的优势与挑战，然后介绍一些用来定量评估GNSS信号性能的方法，比如通过均方根带宽、等效矩形带宽、谱分离系数、码跟踪谱灵敏度系数、等效载噪比、信干噪比、S曲线和多径误差包络等参量，来衡量BPSK和BOC等调制信号的码跟踪精度、互操作性、抗干扰和抗多径等多方面性能，最后归纳现代化GNSS所具有的一些优良特性和发展趋势。希望这一章能为我国北斗卫星导航系统今后的建设发展提供他国成功经验和先进设计理念，希望北斗系统继续朝国际先进性、兼容性与互操作性、开放性和独立性的正确方向前进。 通过对大量公开发表的GNSS书籍、期刊论文、会议论文、学位论文、专利等文献资料和无数公开的国际互联网网页的研读，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，以指出相应原文或者相关知识点的参考来源，只是变动性较强的互联网网址不便在此列出。 本书语言平实，表达清晰，内容丰富，信息量巨大，又思想深刻。它不但非常适合作为本科生高年级和研究生的教材或教学参考书，而且是所有与GNSS/北斗卫星导航系统开发、GNSS/北斗接收机研发和GNSS/北斗应用等方面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。对于书中提及但未能予以充分展开讨论的许多想法、技术，它们可作为硕士生、博士生的研究课题之用。希望这本书的出版能给我国北斗卫星导航系统的开发与应用事业添砖加瓦，贡献自己的一份力量。 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言传身教是我能利用最近四年的空余时间写完这本书的动力源泉。在一字一句写书期间，我也得到了女儿谢海纳、儿子谢天佑和妻子对我的理解与支持。感谢美国加州州立大学的刘教授、绍兴县人力资源和社会保障局的沈龙先生、浙江大学城市学院的谢泽烽先生、绍兴市中学分校的鲍国栋先生等对文献资料的搜索、获取和对全书文字的通读、校正。电子工业出版社的谭海平先生对该书的进展与出版一直予以了最大的关心、帮助和支持，他对书中的内容安排也提出了一些宝贵意见，在此深表感谢。我在写书期间还得到了许多同事、亲友和《GPS原理与接收机设计》读者的支持，在此向他们表示诚挚的谢意！ 由于作者水平有限，又时间仓促，因而书中必定会出现一些不妥和错误，敬请读者不吝指正，电子邮件可发送至gang.xie.1999@stanfordalumni.org与我直接联系。由于读者来信较多，若不能一一回复，敬请原谅。 作者"