GPS原理與接收機設計（修訂版）

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(jiān)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(wèi)星導航系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊 34
2.5.5 第二數(shù)據(jù)塊 35
2.5.6 第三數(shù)據(jù)塊 36
2.6 GPS現(xiàn)代化計劃 37
參考文獻 38
第3章 GPS衛(wèi)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(tǒng) 48
3.2.1 世界時和原子時 48
3.2.2 GPS時間 49
3.2.3 晶體振蕩器 50
3.2.4 GPS與相對論 52
3.3 GPS衛(wèi)星軌道的理論 52
3.3.1 衛(wèi)星的無攝運行軌道 53
3.3.2 開普勒軌道參數(shù) 54
3.3.3 衛(wèi)星星歷和歷書參數(shù) 57
3.4 衛(wèi)星空間位置的計算 58
3.5 衛(wèi)星運行速度的計算 61
3.6 衛(wèi)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(wèi)星時鐘誤差 75
4.3.2 衛(wèi)星星歷誤差 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 整周模糊度估算 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(wèi)星幾何分布 109
5.4.4 偽衛(wèi)星 111
5.5 接收機自主正直性監(jiān)測 112
5.5.1 正直性監(jiān)測的概念 112
5.5.2 偽距殘余檢測法 113
5.5.3 最小平方殘余法 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(shù)值計算 133
6.3.5 非線性濾波 136
6.4 系統(tǒng)模型的建立 138
6.4.1 連續(xù)時間系統(tǒng)的建模 138
6.4.2 離散時間系統(tǒng)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(tǒng) 155
7.1.4 廣域差分系統(tǒng) 156
7.2 精密定位系統(tǒng) 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 整周模糊度的求解技術 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(tǒng)的組合 185
8.1 慣性導航系統(tǒng) 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(tǒng) 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(tǒng) 203
9.2.2 數(shù)字高程模型 204
9.2.3 道路網數(shù)據(jù)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 D-S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(lián)器件的噪聲指數(shù) 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(shù)轉換 250
參考文獻 253
第11章 載波環(huán) 256
11.1 信號跟蹤原理 256
11.2 相位鎖定環(huán)路 258
11.2.1 基本工作原理 259
11.2.2 環(huán)路階數(shù) 261
11.2.3 穩(wěn)態(tài)響應 265
11.2.4 環(huán)路參數(shù) 267
11.2.5 I/Q解調 270
11.2.6 相干積分 275
11.2.7 鑒相方法的種類 280
11.2.8 測量誤差與跟蹤門限 282
11.3 頻率鎖定環(huán)路 284
11.3.1 基本工作原理 284
11.3.2 鑒頻方法的種類 287
11.3.3 測量誤差與跟蹤門限 289
11.4 鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)的對比與組合 290
參考文獻 291
第12章 碼環(huán)和基帶數(shù)字信號處理 293
12.1 碼環(huán) 293
12.1.1 延遲鎖定環(huán)路 293
12.1.2 相關器與自相關函數(shù) 296
12.1.3 非相干積分 299
12.1.4 鑒相方法的種類 302
12.1.5 測量誤差與跟蹤門限 305
12.2 信號的跟蹤 308
12.2.1 載波環(huán)與碼環(huán)的組合 308
12.2.2 鎖定檢測 311
12.3 基帶數(shù)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 搜索范圍估算 341
13.1.4 信號檢測 344
13.1.5 載噪比的測定 348
13.1.6 捕獲與跟蹤之間的轉換 351
13.2 信號搜索捕獲算法 352
13.2.1 線性搜索 353
13.2.2 并行頻率搜索 357
13.2.3 并行碼相位搜索 358
13.2.4 其他信號捕獲算法 360
13.2.5 衛(wèi)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(fā)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E Z變換 396
附錄F 傅里葉變換和采樣定理 399
附錄G 離散傅里葉變換 403
附錄H GPS數(shù)據(jù)格式 405