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本书系统、透彻地阐述了GPS及其接收机设计的各项相关内容，包括GPS信号结构、时空坐标系、测量值、定位原理、卡尔曼滤波、接收机的射频前端、信号捕获和信号跟踪。此外，本书还介绍了差分精密定位、GPS与惯性导航的组合和地图匹配三方面GPS应用技术，并对多路径、电磁干扰、互相关干扰、高灵敏度GPS、辅助GPS等关键课题做了论述。本书理论分析清晰，实用性强，并且内容力求反映近些年来出现的GPS近期新技术和成果。

目 录

章 导引1

1.1 GPS的起源1

1.2 GPS的组成概况2

1.2.1 空间星座部分3

1.2.2 地面监控部分5

1.2.3 用户设备部分6

1.3 GPS提供的服务和限制8

1.4 各国卫星导航系统的概况9

1.5 GPS的性能指标11

1.6 GPS的应用13

参考文献13

第2章 GPS信号及其导航电文16

2.1 载波16

2.2 伪码17

2.2.1 二进制数随机序列17

2.2.2 m序列18

2.2.3 金码22

2.2.4 C/A码24

2.2.5 P码27

2.3 数据码28

2.4 GPS信号结构28

2.5 导航电文32

2.5.1 导航电文的格式33

2.5.2 遥测字33

2.5.3 交接字34

2.5.4 数据块35

2.5.5 第二数据块36

2.5.6 第三数据块37

2.6 GPS现代化计划38

参考文献40

第3章 GPS卫星轨道的理论和计算42

3.1 空间坐标系42

3.1.1 惯性坐标系42

3.1.2 地球坐标系43

3.1.3 WGS-84坐标系46

3.1.4 直角坐标系间的旋转变换47

3.1.5 站心坐标系48

3.2 时间系统50

3.2.1 世界时和原子时50

3.2.2 GPS时间51

3.2.3 晶体振荡器52

3.2.4 GPS与相对论54

3.3 GPS卫星轨道的理论55

3.3.1 卫星的无摄运行轨道55

3.3.2 开普勒轨道参数57

3.3.3 卫星星历和历书参数59

3.4 卫星空间位置的计算61

3.5 卫星运行速度的计算63

3.6 卫星轨道的插值计算65

参考文献67

第4章 GPS测量及其误差69

4.1 伪距测量值69

4.1.1 伪距的概念69

4.1.2 伪距与测距码相位71

4.2 载波相位测量值72

4.2.1 载波相位的概念72

4.2.2 多普勒频移与积分多普勒74

4.2.3 伪距与载波相位的对比77

4.3 测量误差78

4.3.1 卫星时钟误差78

4.3.2 卫星星历误差79

4.3.3 电离层延时80

4.3.4 对流层延时85

4.3.5 多路径87

4.3.6 接收机噪声89

4.4 差分GPS的原理90

4.5 伪距与载波相位的组合92

4.5.1 载波相位平滑伪距92

4.5.2 整周模糊度估算94

参考文献94

第5章 GPS定位原理与精度分析96

5.1 牛顿迭代及其线性化方法96

5.2 最小二乘法98

5.3 伪距定位100

5.3.1 伪距定位原理101

5.3.2 伪距定位算法103

5.3.3 二维定位及其辅助方程106

5.4 定位精度分析108

5.4.1 定位误差的方差分析108

5.4.2 精度因子110

5.4.3 卫星几何分布113

5.4.4 伪卫星116

5.5 接收机自主正直性监测116

5.5.1 正直性监测的概念117

5.5.2 伪距残余检测法118

5.5.3 最小平方残余法119

5.5.4 最大解分离法120

5.6 多普勒定速120

5.7 定时、授时与校频122

参考文献123

第6章 卡尔曼滤波及其应用127

6.1 滤波的意义127

6.2 ?-? 滤波128

6.3 卡尔曼滤波129

6.3.1 滤波模型130

6.3.2 滤波算法131

6.3.3 举例与讨论134

6.3.4 滤波数值计算138

6.3.5 非线性滤波141

6.4 系统模型的建立143

6.4.1 连续时间系统的建模143

6.4.2 离散时间系统的建模146

6.5 GPS定位的卡尔曼滤波算法147

6.5.1 接收机时钟模型148

6.5.2 用户运动模型149

6.5.3 卡尔曼滤波定位算法151

6.6 其他滤波技术152

参考文献153

第7章 差分定位和精密定位156

7.1 差分定位156

7.1.1 差分的种类156

7.1.2 差分校正量158

7.1.3 局域差分系统161

7.1.4 广域差分系统163

7.2 精密定位系统166

7.2.1 单差166

7.2.2 双差169

7.2.3 三差171

7.2.4 相对定位的根本问题172

7.3 多频测量值的组合174

7.3.1 线性组合174

7.3.2 窄巷、宽巷和超宽巷组合177

7.4 整周模糊度的求解技术179

7.4.1 交换天线位置180

7.4.2 几何多样性181

7.4.3 利用伪距的取整估算法181

7.4.4 LAMBDA算法183

7.4.5 逐级模糊度确定法186

参考文献188

第8章 GPS与航位推测系统的组合192

8.1 惯性导航系统192

8.1.1 惯性传感器的种类192

8.1.2 惯性导航的分类194

8.1.3 惯性导航的基本原理194

8.1.4 惯性传感测量误差195

8.2 航位推测系统196

8.2.1 航位推测的基本原理196

8.2.2 ABS车轮转速传感器197

8.3 组合的意义201

8.4 组合的工具202

8.4.1 互补型滤波器202

8.4.2 分散卡尔曼滤波203

8.5 组合的方式204

8.5.1 松性组合204

8.5.2 紧性组合205

8.5.3 深性组合206

参考文献207

第9章 地图匹配210

9.1 地图匹配的意义210

9.2 电子地图211

9.2.1 UTM投影系统211

9.2.2 数字高程模型212

9.2.3 道路网数据库213

9.3 地图匹配算法综述214

9.4 几何匹配算法217

9.4.1 点-点匹配法218

9.4.2 点-线匹配法218

9.4.3 线-线匹配法219

9.4.4 改良型几何匹配算法220

9.5 概率匹配算法223

9.6 紧性组合匹配算法225

9.7 综合匹配算法226

9.7.1 加权法227

9.7.2 D-S理论227

9.7.3 模糊推理230

9.8 匹配路段上的位置点匹配231

参考文献233

0章 GPS接收机及其射频前端236

10.1 GPS接收机的概况237

10.2 接收天线241

10.2.1 自由空间传播公式241

10.2.2 信噪比和载噪比244

10.2.3 串联器件的噪声指数246

10.2.4 右旋圆极化248

10.2.5 天线的种类250

10.3 射频前端处理252

10.3.1 射频信号调整252

10.3.2 下变频混频254

10.3.3 中频信号滤波放大259

10.3.4 模数转换260

参考文献263

1章 载波环266

11.1 信号跟踪原理266

11.2 相位锁定环路268

11.2.1 基本工作原理269

11.2.2 环路阶数271

11.2.3 稳态响应275

11.2.4 环路参数278

11.2.5 I/Q解调281

11.2.6 相干积分286

11.2.7 鉴相方法的种类291

11.2.8 测量误差与跟踪门限292

11.3 频率锁定环路295

11.3.1 基本工作原理295

11.3.2 鉴频方法的种类298

11.3.3 测量误差与跟踪门限300

11.4 锁相环与锁频环的对比与组合301

参考文献302

2章 码环和基带数字信号处理304

12.1 码环304

12.1.1 延迟锁定环路304

12.1.2 相关器与自相关函数307

12.1.3 非相干积分310

12.1.4 鉴相方法的种类314

12.1.5 测量误差与跟踪门限317

12.2 信号的跟踪320

12.2.1 载波环与码环的组合320

12.2.2 锁定检测323

12.3 基带数字信号处理324

12.3.1 位同步324

12.3.2 帧同步328

12.3.3 奇偶检验和电文译码330

12.3.4 测量值的生成332

12.4 多路径效应及其抑制333

12.4.1 多路径效应334

12.4.2 多路径抑制337

12.5 干扰341

参考文献344

3章 信号的捕获349

13.1 信号捕获的概况349

13.1.1 三维搜索349

13.1.2 启动方式352

13.1.3 搜索范围估算354

13.1.4 信号检测358

13.1.5 载噪比的测定362

13.1.6 捕获与跟踪之间的转换364

13.2 信号搜索捕获算法366

13.2.1 线性搜索366

13.2.2 并行频率搜索370

13.2.3 并行码相位搜索372

13.2.4 其他信号捕获算法374

13.2.5 卫星搜索次序375

13.3 高灵敏度GPS376

13.3.1 加长积分时间377

13.3.2 大块相关器设计380

13.3.3 辅助GPS（AGPS）381

13.4 互相关干扰及其抑制384

13.4.1 互相关干扰384

13.4.2 互相关干扰抑制385

13.5 接收机设计的发展趋势387

参考文献389

附录A 缩写词中英对照394

附录B 单位制及其换算400

附录C 随机变量和随机过程401

附录D 拉普拉斯变换407

附录E Z变换410

附录F 傅里叶变换和采样定理413

附录G 离散傅里叶变换417

附录H GPS数据格式420

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