理论篇.

第1章 定位、坐标系和时间标准

1.1 问题的提出

1.1.1 基本的目的和基本的定位系统

1.1.2 时钟问题

1.1.3 一个改进的系统

1.1.4 改进后系统的总结

1.2 常用坐标系

1.2.1 地心惯性坐标系

1.2.2 测地坐标系

1.2.3 ecef坐标系

1.2.4 enu坐标系

1.2.5 本体坐标系

1.3 时间系统

1.3.1 太阳时和恒星时

1.3.2 力学时

1.3.3 原子时和协调世界时utc

1.3.4 gps时

第2章 gps卫星和导航信号

2.1 gps卫星星座分布

.2.2 gps信号的基本结构

2.3 gps信号中的伪随机码

2.4 gps信号中的导航电文

2.5 不同卫星信号的时间关系

第3章 gps信号的捕获

3.1 信号捕获的基本概念

3.2 基于硬件相关器的信号捕获

3.3 基于fft算法的信号捕获

3.4 基于相位补偿和同步数据块累加的快速捕获

第4章 gps信号的跟踪

4.1 基本锁相环

4.1.1 一阶环

4.1.2 二阶环

4.2 基本锁相环噪声分析

4.3 载波跟踪环

4.4 伪码跟踪环

4.5 gps接收机中的跟踪环

第5章 数据解调和观测量的提取

5.1 导航电文的解调

5.2 卫星参数解算

5.2.1 卫星轨道的理论分析

5.2.2 利用星历数据计算卫星位置和速度

5.3 伪距观测量的提取

5.4 多普勒观测量的提取

第6章 定位和导航解算

6.1 least square方法

6.1.1 least square基本原理

6.1.2 加权的least square方法

6.1.3 位置解算..

6.1.4 速度解算

6.1.5 几何精度因子

6.1.6 卫星的仰角和辐角

6.2 卡尔曼滤波方法

6.2.1 递归最小二乘法(rls)

6.2.2 基本的卡尔曼滤波器

6.2.3 从连续时间系统到离散时间系统

6.2.4 扩展卡尔曼滤波器

6.2.5 gps接收机常用的几种kf模型

6.2.6 具体实现中的问题

6.3 最小二乘法和卡尔曼滤波的比较

第7章射频前端

7.1 卫星信号的发射与接收

7.2 带通采样原理

7.3 中频采样方案

7.4 射频采样方案

7.5 射频载噪比和基带信噪比的关系

7.6 射频前端频率方案实例分析

实现篇

第8章 gps中频数据采集的硬件实现

8.1 常用的几种射频前端芯片

8.1.1 zarlink公司的gp2010/gp2015

8.1.2 sige公司的se4110

8.1.3 maxim公司的max2769

8.2 pc接口的软硬件设计

第9章 gps软件接收机的c++实现

9.1 面向对象的编程思想

9.2 核心信号处理模块

9.2.1 多通道相关器

9.2.2 控制器

9.2.3 信号捕获模块

9.3 应用软件接口

9.3.1 信号源

9.3.2 应用软件和核心处理模块接口

第10章 程序运行界面和数据处理结果分析

10.1 程序运行界面

10.1.1 控制台应用程序

10.1.2 图形界面应用程序

10.2 数据处理结果分析'

附录a 基本的矩阵和向量运算

a.1 逆矩阵及其性质

a.2 矩阵的特征值和特征向量

a.3 二次型和有定矩阵

a.4 几种重要的矩阵分解

a.5 矩阵分析初步

附录b 直角坐标系的转换和旋转

附录c 级联系统的噪声系数

附录d 和椭圆相关的推导

参考文献...

作者: 鲁郁

丛书名: 卫星定位与导航系列丛书

出版社:电子工业出版社

ISBN:9787121088483

上架时间:2009-7-10

出版日期:2009 年6月

开本:16开

页码:272

版次:1-1

所属分类: 通信 > 无线电、电子学的应用

本书从电子技术和通信系统的角度讲解GPS接收机的设计开发原理，其内容集中在用户终端，即接收机的设计原理和软件实现上。全书分为两大部分，第一部分为理论篇，第二部分为实现篇。理论篇首先对导航的基本目的进行了阐述，并由一个浅显的二维导航系统对导航信号的特点进行了推导，随后阐述了GPS信号格式，对GPS信号的基带处理(捕获和跟踪)、伪距和多普勒观测量的性质和提取，以及定位和导航解算算法进行了详细的理论分析，同时对于直接影响接收机性能的射频前端部分做了理论分析;实现篇主要对本书实现的软件GPS接收机的系统实现和源代码进行了讲解，同时作为总结，将信号处理的结果和有意义的中间变量以图示的方式给出，可以使读者有一个感性的认识，同时提升学习兴趣。

GPS(Global Positioning System)即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

现实生活中，GPS定位主要用于对移动的人、宠物、车及设备进行远程实时定位监控的一门技术。GPS定位是结合了GPS技术、无线通信技术(GSM/GPRS/CDMA)、图像处理技术及GIS技术的定位技术，主要可实现如下功能:

1.跟踪定位

监控中心能全天侯24小时监控所有被控车辆的实时位置、行驶方向、行驶速度，以便最及时的掌握车辆的状况。

2.轨迹回放

监控中心能随时回放近60天内的自定义时段车辆历史行程、轨迹记录。(根据情况，可选配轨迹DVD刻录服务)

3.报警(报告)

3.1，超速报警:车辆行驶速度超出监控中心预设的速度时，及时上报监控中心

3.2，区域报警(电子围栏):监控中心设定区域范围，车辆超出或驶入预设的区域会向监控调度中心给出相应的报警

3.3，停车报告:调度中心可对车辆的历史停车记录以文字形式生成报表，其中描述车辆的停车地点、时间和开车时间等信息，并可对其进行打印。

3.4，应急报警: 一旦遇有紧急险情(如遭劫等)，请马上按动应急报警按钮，向监管中心报警，监管中心即刻会知道您处于紧急状态以及您所在的位置。经核实后，进入警情处置程序，助您脱险。(注:一旦应急报警按钮启动，此设备会立即关闭通话功能，但短信功能正常)

3.5，欠压报警，当汽车电瓶电压过低时，车载主机会自动向监控中心报警，由监控中心值班员提醒用户及时给车辆充电。

3.6，剪线报警，车辆主电瓶被破坏后或不能供电时，内置备用电池可维持产品继续工作，并向监控中心发送剪线报警。

4.地图制作功能

根据查看需要，客户可以添加修改自定义地图线路，以更好服务企业运行

5.里程统计

系统利用GPS车载终端的行驶记录功能和GIS地理系统原理对车辆进行行驶里程统计，并可生成报表且可打印。

6.车辆信息管理

方便易用的管理平台，提供了车辆、驾驶人员、车辆图片等信息的设定，以方便调度人员的工作。

7.短信通知功能

将被控车辆的各种报警或状态信息在必要时发送到管理者手机上，以便随时随地掌握车辆重要状态信息。

8.车辆远程控制

监控中心可随时对车辆进行远程断油断电，锁车功能。

9.车载电话

车载电话可以象普通手机一样拔打电话，调度中心可对此电话进行远程权限设置，即呼入限制、呼出限制、只能呼叫指定的若干电话号码。

10.油耗检测

实时监控车辆的油耗变化，并生成历史时段油量变化报表或油量曲线图，进而直观反映出油量的正常消耗与非正常消耗及加油数量不足等现象，达到油耗高水平管理，杜绝不良事件的发生。(需搭配油量传感器)

11.车辆调度

调度人员确定调度车辆或者在地图上画定调度范围，GPS系统自动向车辆或者画定范围内的所有车辆发出调度命令，被调度车辆及时回应调度中心，以确定调度命令的执行情况。GPS系统还可对每辆车成功调度次数进行月统计。

车载终端可以进行自我诊断，一旦发生故障，就会向中心发出故障通知，方便工作人员维修，确保设备正常工作。

GPS计划始于1973年 ，已于1994年进入完全运行状态。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:

空间部分(太空部分)

GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。

控制部分

GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Falcon)空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作;另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascension)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态;注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛(Ascension)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)，注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

用户部分(地面接收)

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

GPS的信号

GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有:

C/A码

C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码(PRN码)，其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

P码

P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。

Y码

见P码。

导航信息

导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

SPS和PPS是GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPSStandard Positioning Service)，另一种是精密定位服务(PPSPrecision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPSPrecision Positioning System)提供。

SPS主要面向全世界的民用用户。

PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。

在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量:

L1载波相位观测值

L2载波相位观测值(半波或全波)

调制在L1上的C/A码伪距

调制在L1上的P码伪距

调制在L2上的P码伪距

L1上的多普勒频移

L2上的多普勒频移

实际上，在进行GPS定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值(Wide-Lane)、窄巷观测值(Narrow-Lane)、消除电离层延迟的观测值(Ion-Free)来进行数据处理。

GPS的误差

我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类:

人为

美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度( 技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动( 技术)等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

卫星星历误差

在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。

卫星钟差

卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。

卫星信号发射天线相位中心偏差

卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式: 上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下:

x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，

可由卫星导航电文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

车用导航系统主要由导航主机和导航显示终端两部分构成。内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息，由此测定汽车当前所处的位置。导航主机通过GPS卫星信号确定的位置坐标与电子地图数据相匹配，便可确定汽车在电子地图中的准确位置。

在此基础上，将会实现行车导航、路线推荐、信息查询、播放AV/TV等多种功能。驾驶者只须通过观看显示器上的画面、收听语音提示，操纵手中的遥控器即可实现上述功能，从而轻松自如地驾车。

本书适合从事卫星导航接收机研发的技术人员和卫星通信接收机研究的研究人员，尤其是从事北斗系统研发的专业人员、CDMA通信系统研发人员，以及通信电子类专业的高年级本科生和研究生阅读，既可作为教学培训的教材，也可作为相关专业工程技术人员的参考资料。