GPS 原理與接收機設計 (修訂版)

謝鋼
浙江紹興人。1995年本科畢業於清華大學電機工程系，先後於1999年和2004年分別獲得美國波士頓大學電子與計算機工程碩士學位和斯坦福大學電子工程博士學位。在攻讀斯坦福大學博士學位期間，任斯坦福大學航空航天系GPS實驗室研究助理。博士畢業後，一直在美國的摩托羅拉、SiRF和CSR等多家高科技公司任資深高級工程師，專門從事GPS/GNSS接收機的研究與開發工作。

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 地面監控部分 5
1.2.3 用戶設備部分 6
1.3 GPS提供的服務和限制 8
1.4 各國衛星導航系統概況 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 15
2.1 載波 15
2.2 偽碼 16
2.2.1 二進制數隨機序列 16
2.2.2 m序列 17
2.2.3 金碼 21
2.2.4 C/A碼 23
2.2.5 P碼 26
2.3 數據碼 27
2.4 GPS信號結構 27
2.5 導航電文 31
2.5.1 導航電文的格式 32
2.5.2 遙測字 32
2.5.3 交接字 33
2.5.4 第一數據塊 34
2.5.5 第二數據塊 35
2.5.6 第三數據塊 36
2.6 GPS現代化計劃 37
參考文獻 38

第3章GPS衛星軌道的理論和計算 40
3.1 空間坐標系 40
3.1.1 慣性坐標系 40
3.1.2 地球坐標系 41
3.1.3 WGS-84坐標系 44
3.1.4 直角坐標系間的旋轉變換 45
3.1.5 站心坐標系 46
3.2 時間系統 48
3.2.1 世界時和原子時 48
3.2.2 GPS時間 49
3.2.3 晶體振盪器 50
3.2.4 GPS與相對論 52
3.3 GPS衛星軌道的理論 52
3.3.1 衛星的無攝運行軌道 53
3.3.2 開普勒軌道參數 54
3.3.3 衛星星曆和曆書參數 57
3.4 衛星空間位置的計算 58
3.5 衛星運行速度的計算 61
3.6 衛星軌道的插值計算 62
參考文獻 64

第4章GPS測量及其誤差 66
4.1 偽距測量值 66
4.1.1 偽距的概念 66
4.1.2 偽距與測距碼相位 68
4.2 載波相位測量值 69
4.2.1 載波相位的概念 69
4.2.2 多普勒頻移與積分多普勒 71
4.2.3 偽距與載波相位的對比 73
4.3 測量誤差 74
4.3.1 衛星時鐘誤差 75
4.3.2 衛星星曆誤差 76
4.3.3 電離層延時 77
4.3.4 對流層延時 82
4.3.5 多路徑 84
4.3.6 接收機噪聲 86
4.4 差分GPS的原理 86
4.5 偽距與載波相位的組合 88
4.5.1 載波相位平滑偽距 88
4.5.2 整週模糊度估算 90
參考文獻 90

第5章GPS定位原理與精度分析 92
5.1 牛頓迭代及其線性化方法 92
5.2 最小二乘法 94
5.3 偽距定位 96
5.3.1 偽距定位原理 97
5.3.2 偽距定位算法 99
5.3.3 二維定位及其輔助方程 102
5.4 定位精度分析 104
5.4.1 定位誤差的方差分析 104
5.4.2 精度因子 105
5.4.3 衛星幾何分佈 109
5.4.4 偽衛星 111
5.5 接收機自主正直性監測 112
5.5.1 正直性監測的概念 112
5.5.2 偽距殘餘檢測法 113
5.5.3 最小平方殘餘法 114
5.5.4 最大解分離法 115
5.6 多普勒定速 115
5.7 定時、授時與校頻 117
參考文獻 118

第6章卡爾曼濾波及其應用 122
6.1 濾波的意義 122
6.2 ?-? 濾波 123
6.3 卡爾曼濾波 124
6.3.1 濾波模型 125
6.3.2 濾波算法 126
6.3.3 舉例與討論 129
6.3.4 濾波數值計算 133
6.3.5 非線性濾波 136
6.4 系統模型的建立 138
6.4.1 連續時間系統的建模 138
6.4.2 離散時間系統的建模 141
6.5 GPS定位的卡爾曼濾波算法 142
6.5.1 接收機時鐘模型 143
6.5.2 用戶運動模型 144
6.5.3 卡爾曼濾波定位算法 145
6.6 其他濾波技術 146
參考文獻 147

第7章差分定位和精密定位 150
7.1 差分定位 150
7.1.1 差分的種類 150
7.1.2 差分校正量 152
7.1.3 局域差分系統 155
7.1.4 廣域差分系統 156
7.2 精密定位系統 159
7.2.1 單差 160
7.2.2 雙差 163
7.2.3 三差 165
7.2.4 相對定位的根本問題 166
7.3 多頻測量值的組合 167
7.3.1 線性組合 168
7.3.2 窄巷、寬巷和超寬巷組合 170
7.4 整週模糊度的求解技術 172
7.4.1 交換天線位置 173
7.4.2 幾何多樣性 174
7.4.3 利用偽距的取整估算法 175
7.4.4 LAMBDA算法 176
7.4.5 逐級模糊度確定法 179
參考文獻 181

第8章GPS與航位推測系統的組合 185
8.1 慣性導航系統 185
8.1.1 慣性傳感器的種類 185
8.1.2 慣性導航的分類 187
8.1.3 慣性導航的基本原理 187
8.1.4 慣性傳感測量誤差 188
8.2 航位推測系統 189
8.2.1 航位推測的基本原理 189
8.2.2 ABS車輪轉速傳感器 190
8.3 組合的意義 193
8.4 組合的工具 195
8.4.1 互補型濾波器 195
8.4.2 分散卡爾曼濾波 196
8.5 組合的方式 196
8.5.1 松性組合 197
8.5.2 緊性組合 198
8.5.3 深性組合 199
參考文獻 200

第9章地圖匹配 202
9.1 地圖匹配的意義 202
9.2 電子地圖 203
9.2.1 UTM投影系統 203
9.2.2 數字高程模型 204
9.2.3 道路網數據庫 205
9.3 地圖匹配算法綜述 206
9.4 幾何匹配算法 209
9.4.1 點-點匹配法 209
9.4.2 點-線匹配法 210
9.4.3 線-線匹配法 211
9.4.4 改良型幾何匹配算法 212
9.5 概率匹配算法 215
9.6 緊性組合匹配算法 216
9.7 綜合匹配算法 218
9.7.1 加權法 218
9.7.2 DS理論 219
9.7.3 模糊推理 221
9.8 匹配路段上的位置點匹配 222
參考文獻 224

第10章GPS接收機及其射頻前端 227
10.1 GPS接收機概況 228
10.2 接收天線 232
10.2.1 自由空間傳播公式 232
10.2.2 信噪比和載噪比 235
10.2.3 串聯器件的噪聲指數 236
10.2.4 右旋圓極化 239
10.2.5 天線的種類 240
10.3 射頻前端處理 242
10.3.1 射頻信號調整 243
10.3.2 下變頻混頻 244
10.3.3 中頻信號濾波放大 249
10.3.4 模數轉換 250
參考文獻 253

第11章載波環 256
11.1 信號跟踪原理 256
11.2 相位鎖定環路 258
11.2.1 基本工作原理 259
11.2.2 環路階數 261
11.2.3 穩態響應 265
11.2.4 環路參數 267
11.2.5 I/Q解調 270
11.2.6 相干積分 275
11.2.7 鑑相方法的種類 280
11.2.8 測量誤差與跟踪門限 282
11.3 頻率鎖定環路 284
11.3.1 基本工作原理 284
11.3.2 鑑頻方法的種類 287
11.3.3 測量誤差與跟踪門限 289
11.4 鎖相環與鎖頻環的對比與組合 290
參考文獻 291

第12章碼環和基帶數字信號處理 293
12.1 碼環 293
12.1.1 延遲鎖定環路 293
12.1.2 相關器與自相關函數 296
12.1.3 非相干積分 299
12.1.4 鑑相方法的種類 302
12.1.5 測量誤差與跟踪門限 305
12.2 信號的跟踪 308
12.2.1 載波環與碼環的組合 308
12.2.2 鎖定檢測 311
12.3 基帶數字信號處理 312
12.3.1 位同步 312
12.3.2 幀同步 316
12.3.3 奇偶檢驗和電文譯碼 318
12.3.4 測量值的生成 320
12.4 多路徑效應及其抑制 321
12.4.1 多路徑效應 322
12.4.2 多路徑抑制 325
12.5 干擾 329
參考文獻 331

第13章信號捕獲 336
13.1 信號捕獲的概況 336
13.1.1 三維搜索 336
13.1.2 啟動方式 339
13.1.3 搜索範圍估算 341
13.1.4 信號檢測 344
13.1.5 載噪比的測定 348
13.1.6 捕獲與跟踪之間的轉換 351
13.2 信號搜索捕獲算法 352
13.2.1 線性搜索 353
13.2.2 並行頻率搜索 357
13.2.3 並行碼相位搜索 358
13.2.4 其他信號捕獲算法 360
13.2.5 衛星搜索次序 361
13.3 高靈敏度GPS 362
13.3.1 加長積分時間 363
13.3.2 大塊相關器設計 366
13.3.3 輔助GPS（AGPS） 367
13.4 互相關干擾及其抑制 370
13.4.1 互相關干擾 370
13.4.2 互相關干擾抑制 371
13.5 接收機設計的發展趨勢 372
參考文獻 375

附錄A 縮寫詞中英對照 380
附錄B 單位制及其換算 386
附錄C 隨機變量和隨機過程 387
附錄D 拉普拉斯變換 393
附錄EZ變換 396
附錄F 傅里葉變換和採樣定理 399
附錄G 離散傅里葉變換 403
附錄H GPS數據格式 405