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*新技术和成果。

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

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