GPS原理与接收机设计（修订版）

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 15
2.1 载波 15
2.2 伪码 16
2.2.1 二进制数随机序列 16
2.2.2 m序列 17
2.2.3 金码 21
2.2.4 C/A码 23
2.2.5 P码 26
2.3 数据码 27
2.4 GPS信号结构 27
2.5 导航电文 31
2.5.1 导航电文的格式 32
2.5.2 遥测字 32
2.5.3 交接字 33
2.5.4 第一数据块 34
2.5.5 第二数据块 35
2.5.6 第三数据块 36
2.6 GPS现代化计划 37
参考文献 38
第3章 GPS卫星轨道的理论和计算 40
3.1 空间坐标系 40
3.1.1 惯性坐标系 40
3.1.2 地球坐标系 41
3.1.3 WGS-84坐标系 44
3.1.4 直角坐标系间的旋转变换 45
3.1.5 站心坐标系 46
3.2 时间系统 48
3.2.1 世界时和原子时 48
3.2.2 GPS时间 49
3.2.3 晶体振荡器 50
3.2.4 GPS与相对论 52
3.3 GPS卫星轨道的理论 52
3.3.1 卫星的无摄运行轨道 53
3.3.2 开普勒轨道参数 54
3.3.3 卫星星历和历书参数 57
3.4 卫星空间位置的计算 58
3.5 卫星运行速度的计算 61
3.6 卫星轨道的插值计算 62
参考文献 64
第4章 GPS测量及其误差 66
4.1 伪距测量值 66
4.1.1 伪距的概念 66
4.1.2 伪距与测距码相位 68
4.2 载波相位测量值 69
4.2.1 载波相位的概念 69
4.2.2 多普勒频移与积分多普勒 71
4.2.3 伪距与载波相位的对比 73
4.3 测量误差 74
4.3.1 卫星时钟误差 75
4.3.2 卫星星历误差 76
4.3.3 电离层延时 77
4.3.4 对流层延时 82
4.3.5 多路径 84
4.3.6 接收机噪声 86
4.4 差分GPS的原理 86
4.5 伪距与载波相位的组合 88
4.5.1 载波相位平滑伪距 88
4.5.2 整周模糊度估算 90
参考文献 90
第5章 GPS定位原理与精度分析 92
5.1 牛顿迭代及其线性化方法 92
5.2 最小二乘法 94
5.3 伪距定位 96
5.3.1 伪距定位原理 97
5.3.2 伪距定位算法 99
5.3.3 二维定位及其辅助方程 102
5.4 定位精度分析 104
5.4.1 定位误差的方差分析 104
5.4.2 精度因子 105
5.4.3 卫星几何分布 109
5.4.4 伪卫星 111
5.5 接收机自主正直性监测 112
5.5.1 正直性监测的概念 112
5.5.2 伪距残余检测法 113
5.5.3 最小平方残余法 114
5.5.4 最大解分离法 115
5.6 多普勒定速 115
5.7 定时、授时与校频 117
参考文献 118
第6章 卡尔曼滤波及其应用 122
6.1 滤波的意义 122
6.2 ?-? 滤波 123
6.3 卡尔曼滤波 124
6.3.1 滤波模型 125
6.3.2 滤波算法 126
6.3.3 举例与讨论 129
6.3.4 滤波数值计算 133
6.3.5 非线性滤波 136
6.4 系统模型的建立 138
6.4.1 连续时间系统的建模 138
6.4.2 离散时间系统的建模 141
6.5 GPS定位的卡尔曼滤波算法 142
6.5.1 接收机时钟模型 143
6.5.2 用户运动模型 144
6.5.3 卡尔曼滤波定位算法 145
6.6 其他滤波技术 146
参考文献 147
第7章 差分定位和精密定位 150
7.1 差分定位 150
7.1.1 差分的种类 150
7.1.2 差分校正量 152
7.1.3 局域差分系统 155
7.1.4 广域差分系统 156
7.2 精密定位系统 159
7.2.1 单差 160
7.2.2 双差 163
7.2.3 三差 165
7.2.4 相对定位的根本问题 166
7.3 多频测量值的组合 167
7.3.1 线性组合 168
7.3.2 窄巷、宽巷和超宽巷组合 170
7.4 整周模糊度的求解技术 172
7.4.1 交换天线位置 173
7.4.2 几何多样性 174
7.4.3 利用伪距的取整估算法 175
7.4.4 LAMBDA算法 176
7.4.5 逐级模糊度确定法 179
参考文献 181
第8章 GPS与航位推测系统的组合 185
8.1 惯性导航系统 185
8.1.1 惯性传感器的种类 185
8.1.2 惯性导航的分类 187
8.1.3 惯性导航的基本原理 187
8.1.4 惯性传感测量误差 188
8.2 航位推测系统 189
8.2.1 航位推测的基本原理 189
8.2.2 ABS车轮转速传感器 190
8.3 组合的意义 193
8.4 组合的工具 195
8.4.1 互补型滤波器 195
8.4.2 分散卡尔曼滤波 196
8.5 组合的方式 196
8.5.1 松性组合 197
8.5.2 紧性组合 198
8.5.3 深性组合 199
参考文献 200
第9章 地图匹配 202
9.1 地图匹配的意义 202
9.2 电子地图 203
9.2.1 UTM投影系统 203
9.2.2 数字高程模型 204
9.2.3 道路网数据库 205
9.3 地图匹配算法综述 206
9.4 几何匹配算法 209
9.4.1 点-点匹配法 209
9.4.2 点-线匹配法 210
9.4.3 线-线匹配法 211
9.4.4 改良型几何匹配算法 212
9.5 概率匹配算法 215
9.6 紧性组合匹配算法 216
9.7 综合匹配算法 218
9.7.1 加权法 218
9.7.2 D-S理论 219
9.7.3 模糊推理 221
9.8 匹配路段上的位置点匹配 222
参考文献 224
第10章 GPS接收机及其射频前端 227
10.1 GPS接收机概况 228
10.2 接收天线 232
10.2.1 自由空间传播公式 232
10.2.2 信噪比和载噪比 235
10.2.3 串联器件的噪声指数 236
10.2.4 右旋圆极化 239
10.2.5 天线的种类 240
10.3 射频前端处理 242
10.3.1 射频信号调整 243
10.3.2 下变频混频 244
10.3.3 中频信号滤波放大 249
10.3.4 模数转换 250
参考文献 253
第11章 载波环 256
11.1 信号跟踪原理 256
11.2 相位锁定环路 258
11.2.1 基本工作原理 259
11.2.2 环路阶数 261
11.2.3 稳态响应 265
11.2.4 环路参数 267
11.2.5 I/Q解调 270
11.2.6 相干积分 275
11.2.7 鉴相方法的种类 280
11.2.8 测量误差与跟踪门限 282
11.3 频率锁定环路 284
11.3.1 基本工作原理 284
11.3.2 鉴频方法的种类 287
11.3.3 测量误差与跟踪门限 289
11.4 锁相环与锁频环的对比与组合 290
参考文献 291
第12章 码环和基带数字信号处理 293
12.1 码环 293
12.1.1 延迟锁定环路 293
12.1.2 相关器与自相关函数 296
12.1.3 非相干积分 299
12.1.4 鉴相方法的种类 302
12.1.5 测量误差与跟踪门限 305
12.2 信号的跟踪 308
12.2.1 载波环与码环的组合 308
12.2.2 锁定检测 311
12.3 基带数字信号处理 312
12.3.1 位同步 312
12.3.2 帧同步 316
12.3.3 奇偶检验和电文译码 318
12.3.4 测量值的生成 320
12.4 多路径效应及其抑制 321
12.4.1 多路径效应 322
12.4.2 多路径抑制 325
12.5 干扰 329
参考文献 331
第13章 信号捕获 336
13.1 信号捕获的概况 336
13.1.1 三维搜索 336
13.1.2 启动方式 339
13.1.3 搜索范围估算 341
13.1.4 信号检测 344
13.1.5 载噪比的测定 348
13.1.6 捕获与跟踪之间的转换 351
13.2 信号搜索捕获算法 352
13.2.1 线性搜索 353
13.2.2 并行频率搜索 357
13.2.3 并行码相位搜索 358
13.2.4 其他信号捕获算法 360
13.2.5 卫星搜索次序 361
13.3 高灵敏度GPS 362
13.3.1 加长积分时间 363
13.3.2 大块相关器设计 366
13.3.3 辅助GPS（AGPS） 367
13.4 互相关干扰及其抑制 370
13.4.1 互相关干扰 370
13.4.2 互相关干扰抑制 371
13.5 接收机设计的发展趋势 372
参考文献 375
附录A 缩写词中英对照 380
附录B 单位制及其换算 386
附录C 随机变量和随机过程 387
附录D 拉普拉斯变换 393
附录E Z变换 396
附录F 傅里叶变换和采样定理 399
附录G 离散傅里叶变换 403
附录H GPS数据格式 405