內容簡介

本書係統、透徹地闡述瞭GPS及其接收機設計的各項相關內容，包括GPS信號結構、時空坐標係、測量值、定位原理、卡爾曼濾波、接收機的射頻前端、信號捕獲和信號跟蹤。此外，本書還介紹瞭差分精密定位、GPS與慣性導航的組閤和地圖匹配三方麵GPS應用技術，並對多路徑、電磁乾擾、互相關乾擾、高靈敏度GPS、輔助GPS等關鍵課題做瞭論述。本書理論分析清晰，實用性強，並且內容力求反映近些年來齣現的GPS*新技術和成果。

作者簡介

謝鋼 清華大學電工程係學士，波士頓大學電子與計算機工程碩士，斯坦福大學電氣工程博士。摩托羅拉等多傢高科技公司資深高級工程師，主要從事GPS接收機的研究與開發工作。

目錄

目 錄
第1章 導引 1
1．1 GPS的起源 1
1．2 GPS的組成概況 2
1．2．1 空間星座部分 3
1．2．2 地麵監控部分 5
1．2．3 用戶設備部分 6
1．3 GPS提供的服務和限製 8
1．4 各國衛星導航係統的概況 9
1．5 GPS的性能指標 11
1．6 GPS的應用 13
參考文獻 13
第2章 GPS信號及其導航電文 16
2．1 載波 16
2．2 僞碼 17
2．2．1 二進製數隨機序列 17
2．2．2 m序列 18
2．2．3 金碼 22
2．2．4 C/A碼 24
2．2．5 P碼 27
2．3 數據碼 28
2．4 GPS信號結構 28
2．5 導航電文 32
2．5．1 導航電文的格式 33
2．5．2 遙測字 33
2．5．3 交接字 34
2．5．4 第一數據塊 35
2．5．5 第二數據塊 36
2．5．6 第三數據塊 37
2．6 GPS現代化計劃 38
參考文獻 40
第3章 GPS衛星軌道的理論和計算 42
3．1 空間坐標係 42
3．1．1 慣性坐標係 42
3．1．2 地球坐標係 43
3．1．3 WGS-84坐標係 46
3．1．4 直角坐標係間的鏇轉變換 47
3．1．5 站心坐標係 48
3．2 時間係統 50
3．2．1 世界時和原子時 50
3．2．2 GPS時間 51
3．2．3 晶體振蕩器 52
3．2．4 GPS與相對論 54
3．3 GPS衛星軌道的理論 55
3．3．1 衛星的無攝運行軌道 55
3．3．2 開普勒軌道參數 57
3．3．3 衛星星曆和曆書參數 59
3．4 衛星空間位置的計算 61
3．5 衛星運行速度的計算 63
3．6 衛星軌道的插值計算 65
參考文獻 67
第4章 GPS測量及其誤差 69
4．1 僞距測量值 69
4．1．1 僞距的概念 69
4．1．2 僞距與測距碼相位 71
4．2 載波相位測量值 72
4．2．1 載波相位的概念 72
4．2．2 多普勒頻移與積分多普勒 74
4．2．3 僞距與載波相位的對比 77
4．3 測量誤差 78
4．3．1 衛星時鍾誤差 78
4．3．2 衛星星曆誤差 79
4．3．3 電離層延時 80
4．3．4 對流層延時 85
4．3．5 多路徑 87
4．3．6 接收機噪聲 89
4．4 差分GPS的原理 90
4．5 僞距與載波相位的組閤 92
4．5．1 載波相位平滑僞距 92
4．5．2 整周模糊度估算 94
參考文獻 94
第5章 GPS定位原理與精度分析 96
5．1 牛頓迭代及其綫性化方法 96
5．2 最小二乘法 98
5．3 僞距定位 100
5．3．1 僞距定位原理 101
5．3．2 僞距定位算法 103
5．3．3 二維定位及其輔助方程 106
5．4 定位精度分析 108
5．4．1 定位誤差的方差分析 108
5．4．2 精度因子 110
5．4．3 衛星幾何分布 113
5．4．4 僞衛星 116
5．5 接收機自主正直性監測 116
5．5．1 正直性監測的概念 117
5．5．2 僞距殘餘檢測法 118
5．5．3 最小平方殘餘法 119
5．5．4 最大解分離法 120
5．6 多普勒定速 120
5．7 定時、授時與校頻 122
參考文獻 123
第6章 卡爾曼濾波及其應用 127
6．1 濾波的意義 127
6．2 ?-? 濾波 128
6．3 卡爾曼濾波 129
6．3．1 濾波模型 130
6．3．2 濾波算法 131
6．3．3 舉例與討論 134
6．3．4 濾波數值計算 138
6．3．5 非綫性濾波 141
6．4 係統模型的建立 143
6．4．1 連續時間係統的建模 143
6．4．2 離散時間係統的建模 146
6．5 GPS定位的卡爾曼濾波算法 147
6．5．1 接收機時鍾模型 148
6．5．2 用戶運動模型 149
6．5．3 卡爾曼濾波定位算法 151
6．6 其他濾波技術 152
參考文獻 153
第7章 差分定位和精密定位 156
7．1 差分定位 156
7．1．1 差分的種類 156
7．1．2 差分校正量 158
7．1．3 局域差分係統 161
7．1．4 廣域差分係統 163
7．2 精密定位係統 166
7．2．1 單差 166
7．2．2 雙差 169
7．2．3 三差 171
7．2．4 相對定位的根本問題 172
7．3 多頻測量值的組閤 174
7．3．1 綫性組閤 174
7．3．2 窄巷、寬巷和超寬巷組閤 177
7．4 整周模糊度的求解技術 179
7．4．1 交換天綫位置 180
7．4．2 幾何多樣性 181
7．4．3 利用僞距的取整估算法 181
7．4．4 LAMBDA算法 183
7．4．5 逐級模糊度確定法 186
參考文獻 188
第8章 GPS與航位推測係統的組閤 192
8．1 慣性導航係統 192
8．1．1 慣性傳感器的種類 192
8．1．2 慣性導航的分類 194
8．1．3 慣性導航的基本原理 194
8．1．4 慣性傳感測量誤差 195
8．2 航位推測係統 196
8．2．1 航位推測的基本原理 196
8．2．2 ABS車輪轉速傳感器 197
8．3 組閤的意義 201
8．4 組閤的工具 202
8．4．1 互補型濾波器 202
8．4．2 分散卡爾曼濾波 203
8．5 組閤的方式 204
8．5．1 鬆性組閤 204
8．5．2 緊性組閤 205
8．5．3 深性組閤 206
參考文獻 207
第9章 地圖匹配 210
9．1 地圖匹配的意義 210
9．2 電子地圖 211
9．2．1 UTM投影係統 211
9．2．2 數字高程模型 212
9．2．3 道路網數據庫 213
9．3 地圖匹配算法綜述 214
9．4 幾何匹配算法 217
9．4．1 點-點匹配法 218
9．4．2 點-綫匹配法 218
9．4．3 綫-綫匹配法 219
9．4．4 改良型幾何匹配算法 220
9．5 概率匹配算法 223
9．6 緊性組閤匹配算法 225
9．7 綜閤匹配算法 226
9．7．1 加權法 227
9．7．2 D-S理論 227
9．7．3 模糊推理 230
9．8 匹配路段上的位置點匹配 231
參考文獻 233
第10章 GPS接收機及其射頻前端 236
10．1 GPS接收機的概況 237
10．2 接收天綫 241
10．2．1 自由空間傳播公式 241
10．2．2 信噪比和載噪比 244
10．2．3 串聯器件的噪聲指數 246
10．2．4 右鏇圓極化 248
10．2．5 天綫的種類 250
10．3 射頻前端處理 252
10．3．1 射頻信號調整 252
10．3．2 下變頻混頻 254
10．3．3 中頻信號濾波放大 259
10．3．4 模數轉換 260
參考文獻 263
第11章 載波環 266
11．1 信號跟蹤原理 266
11．2 相位鎖定環路 268
11．2．1 基本工作原理 269
11．2．2 環路階數 271
11．2．3 穩態響應 275
11．2．4 環路參數 278
11．2．5 I/Q解調 281
11．2．6 相乾積分 286
11．2．7 鑒相方法的種類 291
11．2．8 測量誤差與跟蹤門限 292
11．3 頻率鎖定環路 295
11．3．1 基本工作原理 295
11．3．2 鑒頻方法的種類 298
11．3．3 測量誤差與跟蹤門限 300
11．4 鎖相環與鎖頻環的對比與組閤 301
參考文獻 302
第12章 碼環和基帶數字信號處理 304
12．1 碼環 304
12．1．1 延遲鎖定環路 304
12．1．2 相關器與自相關函數 307
12．1．3 非相乾積分 310
12．1．4 鑒相方法的種類 314
12．1．5 測量誤差與跟蹤門限 317
12．2 信號的跟蹤 320
12．2．1 載波環與碼環的組閤 320
12．2．2 鎖定檢測 323
12．3 基帶數字信號處理 324
12．3．1 位同步 324
12．3．2 幀同步 328
12．3．3 奇偶檢驗和電文譯碼 330
12．3．4 測量值的生成 332
12．4 多路徑效應及其抑製 333
12．4．1 多路徑效應 334
12．4．2 多路徑抑製 337
12．5 乾擾 341
參考文獻 344
第13章 信號的捕獲 349
13．1 信號捕獲的概況 349
13．1．1 三維搜索 349
13．1．2 啓動方式 352
13．1．3 搜索範圍估算 354
13．1．4 信號檢測 358
13．1．5 載噪比的測定 362
13．1．6 捕獲與跟蹤之間的轉換 364
13．2 信號搜索捕獲算法 366
13．2．1 綫性搜索 366
13．2．2 並行頻率搜索 370
13．2．3 並行碼相位搜索 372
13．2．4 其他信號捕獲算法 374
13．2．5 衛星搜索次序 375
13．3 高靈敏度GPS 376
13．3．1 加長積分時間 377
13．3．2 大塊相關器設計 380
13．3．3 輔助GPS（AGPS） 381
13．4 互相關乾擾及其抑製 384
13．4．1 互相關乾擾 384
13．4．2 互相關乾擾抑製 385
13．5 接收機設計的發展趨勢 387
參考文獻 389
附錄A 縮寫詞中英對照 394
附錄B 單位製及其換算 400
附錄C 隨機變量和隨機過程 401
附錄D 拉普拉斯變換 407
附錄E Z變換 410
附錄F 傅裏葉變換和采樣定理 413
附錄G 離散傅裏葉變換 417
附錄H GPS數據格式 420

前言/序言

前 言

科技的進步已經深刻地改變瞭我們的日常生活方式，而美國的全球定位係統（GPS）就是其中的一項。自20世紀70年代開始研製以來，GPS已經在世界各國的各行各業中得到瞭廣泛的應用，它正帶領著人類進入定位、導航的新紀元。

在全球衛星定位技術方興未艾之際，關於GPS及其接收機設計的文獻也大量湧現。這些年來，國內外齣版瞭幾本相當優秀的關於GPS的書籍，受到瞭廣大GPS專業愛好者的喜愛。與這些書籍不同，本書一方麵加大瞭GPS接收機設計這部分內容的篇幅，使對其的討論更加係統、深入；另一方麵，本書還介紹瞭最近齣現的一些GPS接收機新技術、新成果，使該書知識能及時、真實地反映當前狀況。

全書共13章，大緻分成GPS基礎知識、定位算法、GPS應用以及信號的捕獲與跟蹤四部分，而全書也是按照這一順序展開敘述的。大多數讀者對GPS的認識是從瞭解GPS的定位原理及其算法開始的，然後其中一些讀者有機會去進一步探索接收機的內部構造和信號的捕獲與跟蹤原理。因此，這種先介紹定位算法再介紹信號跟蹤的敘述順序比較適閤大多數讀者的GPS學習過程，並且也可以認為是一種由簡到難的順序，盡管GPS接收機事實上是先跟蹤衛星信號再完成定位計算這一倒過來的順序。

第1章和第2章將介紹GPS的一些基礎知識。通過對這兩章內容的學習，讀者會接觸到大量的GPS術語，能從宏觀上瞭解GPS整個係統的運行機理，並認識GPS定位原理，掌握GPS信號結構。GPS定位原理是如此簡單，以至於它可在一小段文字內解釋清楚，然而為瞭實現定位和提高定位性能，我們還需要閱讀接下來的11章內容。

第3章至第6章將介紹GPS定位算法。首先，在GPS定位原理中，GPS衛星的位置視為已知的，於是第3章將解決如何計算衛星在某一時刻的位置坐標這一問題；然後，由於實現GPS定位還需要測量GPS接收機至各顆可見衛星的距離，因而第4章將討論GPS測量值及其誤差源；接著，有瞭衛星的位置和接收機至衛星的距離，我們就可以實現定位，於是第5章將分析定位算法及其定位精度，它是這一部分內容的核心；最後，第6章將介紹卡爾曼濾波定位算法，它有著非常高的實際應用價值，並且本書在隨後的多個章節都會提到這種濾波技術。

第7章至第9章將介紹用來提高GPS定位性能的三方麵技術與應用。其中，第7章將介紹差分GPS和高精度GPS，第8章將介紹GPS與慣性導航係統的組閤，第9章將介紹GPS定位結果的地圖匹配。盡管這三章內容非常具有現實意義，但是對於隻關心接收機內部設計的讀者而言，略過這三章而直接跳到第10章並不會産生前後內容不連貫的感覺。

最後，第10章至第13章將剖析接收機的內部組成及其運行，這四章中每一章的篇幅都很大。對於希望理解接收機內部究竟是如何運作的讀者而言，這一部分是一定要花精力去閱讀的。其中，第 10 章將介紹接收機組成概況和其中的射頻前端模塊，第 11 章將詳細分析載波跟蹤環路， 第 12 章將探討碼跟蹤環路和描述接收機在信號跟蹤過程中所需完成的位同步、幀同步等一係列信號處理任務，第13章將討論接收機對信號的搜索與捕獲。在此基礎上，這一部分還對多路徑、連續波乾擾、互相關乾擾、高靈敏度GPS和輔助GPS（AGPS）等多個關鍵課題進行論述。

通過對大量公開發錶的GPS書籍、期刊論文、會議論文、學位論文和專利等文獻資料的研讀，作者纔把這些知識匯集起來而寫成這一專著。因此，本書每一章的最後均列齣瞭一堆參考文獻，用以錶明原文或相關知識點的參考來源，以示作者的敬意和感謝。此外，作者還參考瞭無數公開的國際互聯網網頁，然而考慮到網址的變動性較強，它們很少被一一列齣。對某一課題做進一步深入研究的讀者而言，希望這些參考文獻能給讀者一個高而良好的起點。

本書語言平實、簡練，內容豐富又重點突齣。它不但非常適閤作為本科生高年級和研究生的教材或教材參考書，而且是所有與GPS/GNSS及其接收機有關的工程技術人員和科技工作者都應當配備的參考用書。對於書中提及但未能予以充分展開討論的許多方法、技術，它們可作為碩士生、博士生的研究課題之用。正當我在寫這一序言之時，喜聞中國成功地發射瞭第二顆北鬥導航衛星，希望這本書的齣版能給我國的衛星導航事業添磚加瓦。

感謝父親謝逸仙、母親傅珠珍對我的養育和教導，他們對我勤奮進取的要求和言傳身教是我能利用空餘時間寫完這本書的動力源泉。在一字一句寫書期間，我也得到瞭妻子和孩子對我的理解和支持。感謝電子工業齣版社的譚海平先生對該書齣版所提供的很大幫助和方便，他對書中的內容安排也提齣瞭一些寶貴意見。紹興文理學院的瀋龍先生對全書文字進行瞭通讀與校正，在此深錶感謝。我在寫書期間還得到瞭許多同事、親朋的支持，在此均對他們錶示誠摯的謝意！

由於作者水平有限，書中必定會齣現一些不妥和錯誤，敬請讀者不吝指正。讀者可通過電子郵箱gang.xie.1999@stanfordalumni.org與我直接聯係。

作 者

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