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北斗GPS 双模软件接收机原理与实现技术

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GPS

北斗

北斗

本书专从电子工程和通信技术的角度详细讲解GPS和北斗双系统接收机的原理,在对GPS和北斗系统的历史演进进行介绍的同时,详细讲解了GPS和北斗接收机内部从信号跟踪与捕获,到卫星位置速度计算、观测量模型分析和定位导航解算的几乎所有信号处理理论,同时也融进了作者在该领域多年的研发经验和心得。全书在对理论知识进行详细阐述的同时,紧密结合理论知识点实现了一台GPS和北斗双系统软件接收机,给出了该软件接收机源代码,该源代码实现了本书讲解的所有理论知识点,读者可以在阅读本书理论部分的同时运行相应程序,自行对运行结果进行理解和分析,同时也可以根据自身需求对源代码进行修改,更快更好地理解GPS和北斗双系统接收机设计的理论,为进一步地深化学习打下坚实的基础。

目  录

第1章  定位、坐标系和时间标准  1

1.1  问题的提出  2

1.1.1  基本目的和基本定位系统  2

1.1.2  时钟问题  5

1.1.3  一个改进的系统  6

1.1.4  改进后系统的总结  10

1.2  常用坐标系  11

1.2.1  地心惯性坐标系  11

1.2.2  测地坐标系  12

1.2.3  ECEF坐标系  15

1.2.4  ENU或NED坐标系  19

1.2.5  运动本体坐标系  21

1.3  时间系统  23

1.3.1  太阳时和恒星时  23

1.3.2  力学时  24

1.3.3  原子时和协调世界时(UTC)  25

1.3.4  GPS时(GPST)  26

1.3.5  北斗时(BDT)  28

参考文献  29

第2章  GPS和北斗卫星导航系统简介  31

2.1  GPS系统的历史由来  32

2.2  GPS系统的构成  39

2.3  GPS的现代化计划  47

2.4 北斗导航系统概述  53

参考文献  60

第3章  GPS和北斗的信号格式与导航电文  63

3.1  GPS信号  64

3.1.1  GPS信号的产生机制  64

3.1.2  C/A码发生器  70

3.1.3  C/A码自相关和互相关特性  76

3.2  北斗信号  82

3.2.1  北斗信号结构  82

3.2.2  北斗伪随机码发生器  86

3.2.3  北斗伪随机码的自相关和互相关特性  90

3.3  导航电文  93

3.3.1  GPS导航电文  93

3.3.2  北斗导航电文  101

3.4  不同卫星信号的时间关系  111

参考文献  114

第4章  信号捕获和跟踪  117

4.1  信号捕获  119

4.1.1  信号捕获的基本概念  119

4.1.2  基于时域相关器的信号捕获  125

4.1.3  基于匹配滤波器的信号捕获  132

4.1.4  基于FFT的信号捕获  134

4.1.5  短时相关匹配滤波器和FFT结合的信号捕获  139

4.1.6  基于数据分块和频率补偿的信号捕获  145

4.1.7  信号捕获的门限设定  153

4.1.8  相干积分和非相干积分  157

4.2  信号跟踪  163

4.2.1  基本的锁相环  164

4.2.2  线性锁相环的热噪声性能分析  173

4.2.3  载波跟踪环  175

4.2.4  伪码跟踪环  186

4.2.5  跟踪环实现和调试中的问题  197

4.2.6  比特同步  214

4.2.7  子帧同步  219

参考文献  222

第5章  双模观测量提取和误差分析  227

5.1  伪距观测量  228

5.2  载波相位观测量  233

5.3  多普勒频率和积分多普勒观测量  236

5.4  观测量误差特性分析  240

5.4.1  卫星时钟误差  241

5.4.2  星历误差  242

5.4.3  电离层延迟  244

5.4.4  对流层延迟  247

5.4.5  多径效应  249

5.4.6  接收机误差  253

5.5  差分GNSS技术  253

参考文献  267

第6章  卫星位置和速度的计算  271

6.1  卫星轨道理论  272

6.2  GPS卫星和北斗MEO/IGSO卫星  279

6.3  北斗GEO卫星  284

6.4  卫星位置和速度的插值计算  287

6.5  精密星历和星历扩展  289

参考文献  294

第7章  位置、速度和时间解算  297

7.1  最小二乘法解算  298

7.1.1  基本原理  298

7.1.2  加权的最小二乘法  301

7.1.3  利用伪距观测量计算位置和钟偏  304

7.1.4  利用多普勒观测量计算速度和钟漂  311

7.1.5  卫星的仰角和方位角  313

7.1.6  几何精度因子  316

7.1.7  接收机自主完好性监测(RAIM)  322

7.2  卡尔曼滤波解算  328

7.2.1  递归最小二乘法  328

7.2.2  基本的卡尔曼滤波器  333

7.2.3  从连续时间系统到离散时间系统  336

7.2.4  扩展卡尔曼滤波器  339

7.2.5  接收机中常用的几种KF模型  342

7.2.6  卡尔曼滤波具体实现中的技术处理  351

7.3  最小二乘法和卡尔曼滤波总结  356

参考文献  360

第8章  射频前端  363

8.1  卫星信号的发射与接收  364

8.2  级联系统的噪声系数  367

8.3  带通采样原理  369

8.4  中频采样方案和射频采样方案  373

8.4.1  中频采样方案  373

8.4.2  射频采样方案  376

8.5  自动增益控制(AGC)和量化位宽  380

8.6  射频载噪比和基带信噪比的关系  384

8.7  射频前端频率方案实例分析  386

参考文献  388

第9章  北斗和GPS双模软件接收机的实现  391

9.1  双模软件接收机的信号源  392

9.2  双模接收机的软件模块和程序运行界面  395

9.3  双模接收机数据处理结果  400

附录A  基本矩阵和向量运算  409

A.1  逆矩阵及其性质  410

A.2  矩阵的特征值和特征向量  411

A.3  二次型和有定矩阵  412

A.4  几种重要的矩阵分解  414

A.5  矩阵分析初步  418

附录B  直角坐标系的转换和旋转  421

附录C  NBP和WBP的均值和方差  429

附录D  和卫星椭圆轨道相关的推导  433

附录E  电离层延迟的Klobuchar模型  437

北斗系统与应用出版工程
“十二五”½家重点图书出版规划项目
½家出版基金项目
北斗/GPS 双模½件
接收机原理与实现技术
Publishing House of Electronics Industry
北京·BEIJING
内 容 简 介
本书从电子工程和通信技术的角度详细讲解
GPS
和北斗双系统接收机的原理,
在对
GPS
和北
斗系统的历史演进进行介绍的同时,详细讲解了
GPS
和北斗接收机内部从信号跟踪与捕获,到卫
星½½速度计算、观测量模型分析和定½导航解算的几乎所有信号处理理论,同时也融进了½者
在该领域多年的研发经验和心得。全书在对理论知识进行详细阐述的同时,紧密结合理论知识点
实现了一台
GPS
和北斗双系统½件接收机,给出了该½件接收机源代码,该源代码实现了本书讲
解的所有理论知识点,读者可以在阅读本书理论部分的同时运行相应程序,理解和分析运行结果,
同时也可以根据自身需求修改源代码,更快更½地理解
GPS
和北斗双系统接收机设计的理论,为
进一步地深化学习打下坚实的基础。
本书内容翔实,理论和实践并重,适合电子、航空航天、测绘测控、自动控制、地理、交通、
农林、遥感、规划等领域从事卫星导航定½专业的工程技术人员和科研院所人员,以及通信电子
类专业的高年级本科生和研究生阅读,既可½为参考资料,也可½为教辅参考书。
未经许可,不得以任½方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。
版权所有,侵权必究。
图书在版编目(CIP)数据
北斗/GPS 双模½件接收机原理与实现技术/鲁郁著. —北京:电子工业出版社,2016.4
北斗系统与应用出版工程
ISBN 978-7-121-28525-7
Ⅰ. ①北… Ⅱ. ①鲁… Ⅲ. ①全球定½系统-接收机 Ⅳ. ①P228.4
中½版本图书馆
CIP
数据核字(2016)第
069447
策划编辑:宋
责任编辑:宋
刷:
订:
出版发行:电子工业出版社
北京市海淀区万寿路
173
信箱
本:720×1000
1/16
次:2016 年
4
月第
1
次:2016 年
4
月第
1
次印刷
数:3
000
定价:98.00 元
邮编
100036
印张:28.25 字数:586 千字
凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题,请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行
部联系,联系及邮购电话:
(010)88254888,88258888。
质量投诉请发邮件至
zlts@phei.com.cn,盗版侵权举报请发邮件至 dbqq@phei.com.cn。
本书咨询联系方式:mariams@phei.com.cn。
北斗系统与应用出版工程
指导委员会
主 任
孙家栋:中½科学院院士,两弹一星功勋奖章获得者
副主任
张履谦:中½工程院院士
刘经南:中½工程院院士
沈荣骏:中½工程院院士
杨元喜:中½科学院院士
杨小牛:中½工程院院士
谭述森:中½工程院院士,北斗卫星导航系统副总设计师
杨长风:北斗卫星导航系统总设计师
李祖洪:北斗卫星导航系统副总设计师
夏½洪:原中½航天科工集团公司总经理,党组书记,科技委主任
张荣久:中½卫星导航定½协会会长
委 员(以下按姓氏汉语拼音排列)
敖 然 陈少洋 刁石京 高晓滨 李忠宝 刘九如 柳其许 苗前军
冉承其 宋起柱 于春全 赵 坚
编审委员会
主 任
曹 冲
副主任(以下按姓氏汉语拼音排列)
郭树人 景贵飞 李冬航 陆明泉 ½ 闯
王 莉 魏永刚 夏 青 肖雄兵 杨强文
周建华
委 员(以下按姓氏汉语拼音排列)
鲍志雄 蔡 毅 陈涤非 陈洪卿 陈向东
华 军 金永新 李 变 李成钢 鲁 郁
王李军 吴才聪 吴海涛 武建锋 夏建中
俞½杰 苑严伟 郑瑞锋
秘书组成员(以下按姓氏汉语拼音排列)
来春½ 宋 梅
策划编辑
宋 梅
王传臣
郁文贤
王飞雪
张代平
王俊峰
赵½松
高玉平
½高峰
夏林元
韩云霞
蒲小兵
熊 立
½在民
½浒立
姚 铮
“北斗系统与应用出版工程”丛书,½½为½家出版工程推进,是件很½
的事情,我表示热烈的祝贺,欣然½序予以鼓励支持。北斗系统不仅是项充满
活力的新兴技术,而且是½家重要的时空信息基础设½,同时由于它与其他技
术和产业的多重关联性和融合性,故成为现代智½信息产业群½的重大技术支
持系统和具有巨大带动力的时代产业发展引擎,与½家安全、½民经济和社会
民生密切相关,与两个“中½梦”密切相关,½够服务全中½和全世界。北斗
系统的建设和运营,给½家和社会的兴邦强½、行业和企业的建功立业、团队
和个人的著书立说与创新创业创造精神的大发挥、大发展,提供了百年难遇的
良½机会。
“北斗系统与应用出版工程”丛书,也承½½着同样的½½,它所包
括的内容包括系统、技术和应用三个方面,这种选择非常符合实际需要,很全
面,且顾及了眼前和长远,而且应用方面所占的分量相½大。我建议在应用的
服务领域要多下点功夫,这是北斗系统和时空信息服务½系的关键。在½今的
条件下,推进这个出版工程,具有明显的现实意义和长远价值。为此,我在这
里要强调三点:一是一定要把½内外
GNSS
领域的成功经验和教训,进行系统
总结,½为良½的参考;二是应该将我们在系统建设中的实践,上升为理论与
模式,进一步推进我们的工½与事业;三是在上面两点的基础上,我们要有所
前进,有所创造,在理论、实践、产业和½系化发展推进上有所突破,逐步走
向世界的前列,真正把这一出版工程,做成北斗系统伟大工程的一个不可分割
的组成部分,反过来对于系统工程发挥指导促进½用,发挥其
GNSS
里程碑效
应和效½。
2015
12
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