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*新技术和成果。

作者简介

谢钢 清华大学电工程系学士，波士顿大学电子与计算机工程硕士，斯坦福大学电气工程博士。摩托罗拉等多家高科技公司资深高级工程师，主要从事GPS接收机的研究与开发工作。

目录

目 录
第1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 第一数据块 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
第10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
第11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
第12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
第13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

前言/序言

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、深入；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卫星的位置视为已知的，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，有了卫星的位置和接收机至卫星的距离，我们就可以实现定位，于是第5章将分析定位算法及其定位精度，它是这一部分内容的核心；最后，第6章将介绍卡尔曼滤波定位算法，它有着非常高的实际应用价值，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章至第13章将剖析接收机的内部组成及其运行，这四章中每一章的篇幅都很大。对于希望理解接收机内部究竟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、帧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入研究的读者而言，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。对于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、博士生的研究课题之用。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。在一字一句写书期间，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，敬请读者不吝指正。读者可通过电子邮箱gang.xie.1999@stanfordalumni.org与我直接联系。

作 者

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希望能熟读并且吃透里面的知识

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