GPS全球定位接收機(jī)

前言

　　GPS系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，關(guān)于GPS內(nèi)容的書已有很多，有的側(cè)重于GPS系統(tǒng)的描述和工作原理的介紹，有的側(cè)重于GPS系統(tǒng)的應(yīng)用。魯郁博士寫的這本書與眾不同：作者從GPS接收機(jī)開(kāi)發(fā)與研制者的需求出發(fā)，以GPS接收機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，系統(tǒng)而深入地闡明了必要的基礎(chǔ)理論和相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，并把自己多年積累起來(lái)的理論成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)融入其中。所以這本書以內(nèi)容的完整性、很強(qiáng)的工程實(shí)踐性、理論與實(shí)際相結(jié)合的密切性為主要特點(diǎn)?！　?nèi)容的完整性在于，從理論上看是完整的，包括相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)、GPS系統(tǒng)工作原理、GPS信號(hào)格式及其構(gòu)成原理、GPS信號(hào)的捕獲跟蹤原理、數(shù)據(jù)解調(diào)和觀測(cè)量的提取、　　定位和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算等；另外，在工程實(shí)現(xiàn)上也是完整的，在硬件方面包括射頻、中頻、基帶的統(tǒng)一平臺(tái)，在軟件方面包括各編程模塊的源程序、應(yīng)用軟件和真實(shí)的GPs信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)等。很強(qiáng)的工程實(shí)踐性在于，如果按照書中給出的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案和軟件源程序即可構(gòu)成可以工作的GPS信號(hào)接收機(jī)，且可以用本書配套網(wǎng)站上提供的真實(shí)GPS信號(hào)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行性能測(cè)試。理論與實(shí)際相結(jié)合的密切性在于，書中的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)理論為GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)起到了鋪墊和指導(dǎo)作用，在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)也可以運(yùn)行本書所附的應(yīng)用程序去加深對(duì)理論的理解。反過(guò)來(lái)，如果你在工程實(shí)踐中遇到不明白的理論問(wèn)題，可從本書的理論部分得到解答?！　”緯鴮?duì)GPS接收機(jī)的研發(fā)者來(lái)說(shuō)，是一本必要的參考書。對(duì)于在GPS接收機(jī)研發(fā)上有經(jīng)驗(yàn)的人，或從事其他類型信號(hào)接收機(jī)研發(fā)的科研人員，從本書中可以得到一些啟發(fā)，用以改進(jìn)自己的工作。對(duì)還沒(méi)有什么經(jīng)驗(yàn)的剛走進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)人員，本書會(huì)起到引路和指導(dǎo)作用，當(dāng)你遇到問(wèn)題不知所措時(shí)，從本書中可以找到解決問(wèn)題的辦法。對(duì)于還沒(méi)有走出校門的相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，可把本書作為工程實(shí)踐入門讀物，甚至可利用或模仿本書提供的模塊結(jié)構(gòu)、相應(yīng)軟件和信號(hào)源，自己去嘗試完成GPS接收機(jī)或類似的工程實(shí)現(xiàn)這樣一道技術(shù)含量很高的大習(xí)題，用以彌補(bǔ)自己在工程實(shí)踐方面的不足。

內(nèi)容概要

　　本書從電子技術(shù)和通信系統(tǒng)的角度講解GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)原理，其內(nèi)容集中在用戶終端，即接收機(jī)的設(shè)計(jì)原理和軟件實(shí)現(xiàn)上。全書分為兩大部分，第一部分為理論篇，第二部分為實(shí)現(xiàn)篇。理論篇首先對(duì)導(dǎo)航的基本目的進(jìn)行了闡述，并由一個(gè)淺顯的二維導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行了推導(dǎo)，隨后闡述了GPS信號(hào)格式，對(duì)GPS信號(hào)的基帶處理（捕獲和跟蹤）、偽距和多普勒觀測(cè)量的性質(zhì)和提取，以及定位和導(dǎo)航解算算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，同時(shí)對(duì)于直接影響接收機(jī)性能的射頻前端部分做了理論分析；實(shí)現(xiàn)篇主要對(duì)本書實(shí)現(xiàn)的軟件GPS接收機(jī)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和源代碼進(jìn)行了講解，同時(shí)作為總結(jié)，將信號(hào)處理的結(jié)果和有意義的中間變量以圖示的方式給出，可以使讀者有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提升學(xué)習(xí)興趣。　　本書適合從事衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)研發(fā)的技術(shù)人員和衛(wèi)星通信接收機(jī)研究的研究人員，尤其是從事北斗系統(tǒng)研發(fā)的專業(yè)人員、CDMA通信系統(tǒng)研發(fā)人員，以及通信電子類專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生閱讀，既可作為教學(xué)培訓(xùn)的教材，也可作為相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員的參考資料。

書籍目錄

理論篇　第1章　定位、坐標(biāo)系和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)　  1.1　問(wèn)題的提出  　  1.1.1　基本的目的和基本的定位系統(tǒng)    　1.1.2　時(shí)鐘問(wèn)題    　1.1.3　一個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)    　1.1.4　改進(jìn)后系統(tǒng)的總結(jié)　  1.2　常用坐標(biāo)系  　  1.2.1　地心慣性坐標(biāo)系　    1.2.2　測(cè)地坐標(biāo)系    　1.2.3　ECEF坐標(biāo)系  　  1.2.4　ENU坐標(biāo)系  　  1.2.5　本體坐標(biāo)系　  1.3　時(shí)間系統(tǒng)    　1.3.1　太陽(yáng)時(shí)和恒星時(shí)　    1.3.2　力學(xué)時(shí)  　  1.3.3　原子時(shí)和協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC    　1.3.4　GPS時(shí)　第2章　GPS衛(wèi)星和導(dǎo)航信號(hào)    2.1  GPS衛(wèi)星星座分布    2.2  GPS信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)    2.3  GPS信號(hào)中的偽隨機(jī)碼    2.4  GPS信號(hào)中的導(dǎo)航電文    2.5  不同衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)問(wèn)關(guān)系　第3章  GPS信號(hào)的捕獲    3.1　信號(hào)捕獲的基本概念    3.2　基于硬件相關(guān)器的信號(hào)捕獲    3.3　基于FFT算法的信號(hào)捕獲    3.4　基于相位補(bǔ)償和同步數(shù)據(jù)塊累加的快速捕獲　第4章　GPS信號(hào)的跟蹤  　4.1　基本鎖相環(huán)    　4.1.1　一階環(huán)    　4.1.2　二階環(huán)  　  4.2　基本鎖相環(huán)噪聲分析  　4.3　載波跟蹤環(huán)　  4.4　偽碼跟蹤環(huán)  　4.5　GPS接收機(jī)中的跟蹤環(huán)　第5章　數(shù)據(jù)解調(diào)和觀測(cè)量的提取  　5.1　導(dǎo)航電文的解調(diào)　  5.2　衛(wèi)星參數(shù)解算  　  5.2.1　衛(wèi)星軌道的理論分析    　5.2.2　利用星歷數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星位置和速度　  5.3　偽距觀測(cè)量的提取  　5.4　多普勒觀測(cè)量的提取　第6章　定位和導(dǎo)航解算    6.1  Least Square方法  　  6.1.1  Least Square基本原理    　6.1.2　加權(quán)的Least Square方法　    6.1.3　位置解算  　  6.1.4　速度解算    　6.1.5　幾何精度岡子　    6.1.6　衛(wèi)星的仰角和輻角  　6.2　卡爾曼濾波方法    　6.2.1　遞歸最小二乘法（RLS）　    6.2.2　基本的卡爾曼濾波器  　  6.2.3　從連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)到離散時(shí)間系統(tǒng)      　6.2.4　擴(kuò)展卡爾曼濾波器　    6.2.5　GPS接收機(jī)常用的幾種KF模型　　……　第7章　射頻前端實(shí)現(xiàn)篇　第8章　GPS中頻數(shù)據(jù)采集的硬件實(shí)現(xiàn)　第9章　GPS軟件接收機(jī)的C++實(shí)現(xiàn)　第10章　程序運(yùn)行界面和數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析附錄A　基本的矩陣和向量運(yùn)算附錄B　直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)附錄C　級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)附錄D　和橢圓相關(guān)的推導(dǎo)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第4章　GPS信號(hào)的跟蹤　　GPS接收機(jī)在完成了信號(hào)的捕獲以后，就對(duì)信號(hào)的載波頻率和偽碼相位有了粗略的估計(jì)。這里使用了“粗略”這個(gè)詞來(lái)描述信號(hào)捕獲的結(jié)果，是相對(duì)于跟蹤環(huán)路的結(jié)果來(lái)說(shuō)的。一般說(shuō)來(lái)，根據(jù)信號(hào)捕獲的結(jié)果，對(duì)載波頻率的估計(jì)精度在幾百Hz左右，而偽碼相位的估計(jì)精度在±0.5個(gè)碼片范圍之內(nèi)。這個(gè)精度不足以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)，因?yàn)榻庹{(diào)數(shù)據(jù)一般必須在進(jìn)入穩(wěn)定的跟蹤狀態(tài)以后才可以進(jìn)行。同時(shí)隨著衛(wèi)星和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，天線接收到的信號(hào)的載波頻率和偽碼相位還在時(shí)刻發(fā)生改變，而且更為棘手的是，接收機(jī)本地的時(shí)鐘的鐘漂和隨機(jī)抖動(dòng)也會(huì)影響對(duì)已捕獲信號(hào)的鎖定。所以如果沒(méi)有對(duì)載波NcO和偽碼NCO的持續(xù)不斷地動(dòng)態(tài)調(diào)整，捕獲的信號(hào)會(huì)很快就失鎖，而信號(hào)跟蹤從其本質(zhì)來(lái)說(shuō)就是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤而采取的一種對(duì)環(huán)路參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整策略。　　信號(hào)跟蹤的目的有兩個(gè)，一個(gè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)中的載波分量的跟蹤；另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)偽碼分量的跟蹤。所以在GPS接收機(jī)內(nèi)部必須有兩個(gè)跟蹤環(huán)，這兩個(gè)跟蹤環(huán)必須緊密耦合在一起，缺一不可。對(duì)如此緊密耦合的兩個(gè)環(huán)路同時(shí)進(jìn)行分析實(shí)在是一件困難的事情，所以本章采取的策略是將兩個(gè)環(huán)路分開(kāi)來(lái)分別分析，這樣在分析一個(gè)環(huán)路時(shí)，假設(shè)另一個(gè)已經(jīng)處于穩(wěn)定的鎖定狀態(tài)。這樣的處理方式是為了理論分析的方便，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)接收機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，必定是兩個(gè)環(huán)路都處于穩(wěn)定地鎖定狀態(tài)，所以這樣的處理方式和接收機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)并不相悖。　　在開(kāi)始對(duì)GPS接收機(jī)內(nèi)部的跟蹤環(huán)路進(jìn)行分析以前，我們必須對(duì)基本鎖相環(huán)的工作原理有深刻的理解。這是我們進(jìn)行后續(xù)理論分析的基礎(chǔ)，所以首先讓我們先看看基本鎖相環(huán)路。

圖書封面

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