GPS全球定位接收機

前言

　　GPS系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，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接收機開發(fā)與研制者的需求出發(fā)，以GPS接收機的工程實現(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，并把自己多年積累起來的理論成果與實踐經(jīng)驗融入其中。所以這本書以內(nèi)容的完整性、很強的工程實踐性、理論與實際相結(jié)合的密切性為主要特點?！　?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、GPS系統(tǒng)工作原理、GPS信號格式及其構(gòu)成原理、GPS信號的捕獲跟蹤原理、數(shù)據(jù)解調(diào)和觀測量的提取、　　定位和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算等；另外，在工程實現(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，在軟件方面包括各編程模塊的源程序、應(yīng)用軟件和真實的GPs信號的采樣數(shù)據(jù)等。很強的工程實踐性在于，如果按照書中給出的硬件平臺設(shè)計方案和軟件源程序即可構(gòu)成可以工作的GPS信號接收機，且可以用本書配套網(wǎng)站上提供的真實GPS信號采樣數(shù)據(jù)進行性能測試。理論與實際相結(jié)合的密切性在于，書中的基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論為GPS接收機的設(shè)計起到了鋪墊和指導(dǎo)作用，在學(xué)習(xí)理論的同時也可以運行本書所附的應(yīng)用程序去加深對理論的理解。反過來，如果你在工程實踐中遇到不明白的理論問題，可從本書的理論部分得到解答。　　本書對GPS接收機的研發(fā)者來說，是一本必要的參考書。對于在GPS接收機研發(fā)上有經(jīng)驗的人，或從事其他類型信號接收機研發(fā)的科研人員，從本書中可以得到一些啟發(fā)，用以改進自己的工作。對還沒有什么經(jīng)驗的剛走進相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)人員，本書會起到引路和指導(dǎo)作用，當(dāng)你遇到問題不知所措時，從本書中可以找到解決問題的辦法。對于還沒有走出校門的相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生來說，可把本書作為工程實踐入門讀物，甚至可利用或模仿本書提供的模塊結(jié)構(gòu)、相應(yīng)軟件和信號源，自己去嘗試完成GPS接收機或類似的工程實現(xiàn)這樣一道技術(shù)含量很高的大習(xí)題，用以彌補自己在工程實踐方面的不足。

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接收機的設(shè)計開發(fā)原理，其內(nèi)容集中在用戶終端，即接收機的設(shè)計原理和軟件實現(xiàn)上。全書分為兩大部分，第一部分為理論篇，第二部分為實現(xiàn)篇。理論篇首先對導(dǎo)航的基本目的進行了闡述，并由一個淺顯的二維導(dǎo)航系統(tǒng)對導(dǎo)航信號的特點進行了推導(dǎo)，隨后闡述了GPS信號格式，對GPS信號的基帶處理（捕獲和跟蹤）、偽距和多普勒觀測量的性質(zhì)和提取，以及定位和導(dǎo)航解算算法進行了詳細的理論分析，同時對于直接影響接收機性能的射頻前端部分做了理論分析；實現(xiàn)篇主要對本書實現(xiàn)的軟件GPS接收機的系統(tǒng)實現(xiàn)和源代碼進行了講解，同時作為總結(jié)，將信號處理的結(jié)果和有意義的中間變量以圖示的方式給出，可以使讀者有一個感性的認(rèn)識，同時提升學(xué)習(xí)興趣?！　”緯m合從事衛(wèi)星導(dǎo)航接收機研發(fā)的技術(shù)人員和衛(wèi)星通信接收機研究的研究人員，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)系和時間標(biāo)準(zhǔn)　  1.1　問題的提出  　  1.1.1　基本的目的和基本的定位系統(tǒng)    　1.1.2　時鐘問題    　1.1.3　一個改進的系統(tǒng)    　1.1.4　改進后系統(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　時間系統(tǒng)    　1.3.1　太陽時和恒星時　    1.3.2　力學(xué)時  　  1.3.3　原子時和協(xié)調(diào)世界時UTC    　1.3.4　GPS時　第2章　GPS衛(wèi)星和導(dǎo)航信號    2.1  GPS衛(wèi)星星座分布    2.2  GPS信號的基本結(jié)構(gòu)    2.3  GPS信號中的偽隨機碼    2.4  GPS信號中的導(dǎo)航電文    2.5  不同衛(wèi)星信號的時問關(guān)系　第3章  GPS信號的捕獲    3.1　信號捕獲的基本概念    3.2　基于硬件相關(guān)器的信號捕獲    3.3　基于FFT算法的信號捕獲    3.4　基于相位補償和同步數(shù)據(jù)塊累加的快速捕獲　第4章　GPS信號的跟蹤  　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接收機中的跟蹤環(huán)　第5章　數(shù)據(jù)解調(diào)和觀測量的提取  　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)計算衛(wèi)星位置和速度　  5.3　偽距觀測量的提取  　5.4　多普勒觀測量的提取　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)時間系統(tǒng)到離散時間系統(tǒng)      　6.2.4　擴展卡爾曼濾波器　    6.2.5　GPS接收機常用的幾種KF模型　　……　第7章　射頻前端實現(xiàn)篇　第8章　GPS中頻數(shù)據(jù)采集的硬件實現(xiàn)　第9章　GPS軟件接收機的C++實現(xiàn)　第10章　程序運行界面和數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析附錄A　基本的矩陣和向量運算附錄B　直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)附錄C　級聯(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

章節(jié)摘錄

　　第4章　GPS信號的跟蹤　　GPS接收機在完成了信號的捕獲以后，就對信號的載波頻率和偽碼相位有了粗略的估計。這里使用了“粗略”這個詞來描述信號捕獲的結(jié)果，是相對于跟蹤環(huán)路的結(jié)果來說的。一般說來，根據(jù)信號捕獲的結(jié)果，對載波頻率的估計精度在幾百Hz左右，而偽碼相位的估計精度在±0.5個碼片范圍之內(nèi)。這個精度不足以實現(xiàn)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)，因為解調(diào)數(shù)據(jù)一般必須在進入穩(wěn)定的跟蹤狀態(tài)以后才可以進行。同時隨著衛(wèi)星和接收機的相對運動，天線接收到的信號的載波頻率和偽碼相位還在時刻發(fā)生改變，而且更為棘手的是，接收機本地的時鐘的鐘漂和隨機抖動也會影響對已捕獲信號的鎖定。所以如果沒有對載波NcO和偽碼NCO的持續(xù)不斷地動態(tài)調(diào)整，捕獲的信號會很快就失鎖，而信號跟蹤從其本質(zhì)來說就是為了實現(xiàn)對信號的穩(wěn)定跟蹤而采取的一種對環(huán)路參數(shù)的動態(tài)調(diào)整策略。　　信號跟蹤的目的有兩個，一個是實現(xiàn)對GPS信號中的載波分量的跟蹤；另一個是實現(xiàn)對偽碼分量的跟蹤。所以在GPS接收機內(nèi)部必須有兩個跟蹤環(huán)，這兩個跟蹤環(huán)必須緊密耦合在一起，缺一不可。對如此緊密耦合的兩個環(huán)路同時進行分析實在是一件困難的事情，所以本章采取的策略是將兩個環(huán)路分開來分別分析，這樣在分析一個環(huán)路時，假設(shè)另一個已經(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，同時在實際應(yīng)用中，當(dāng)接收機處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，必定是兩個環(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的實際工作狀態(tài)并不相悖?！　≡陂_始對GPS接收機內(nèi)部的跟蹤環(huán)路進行分析以前，我們必須對基本鎖相環(huán)的工作原理有深刻的理解。這是我們進行后續(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。

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