北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运营的卫星导航系统，已经被广泛应用于交通、测绘、航空、航天、航海、农业、水利、救援等领域，在中国的国民经济和国防安全中发挥着重要作用。本书根据卫星导航系统的基本原理和北斗卫星导航系统的最新技术文献，以及导航接收机的特点，在北斗卫星导航原理的基础上，重点介绍北斗导航电文的组成、北斗接收机的技术指标和软件接收机的信号处理方法。本书共8章，主要内容包括：绪论、空间坐标系统与时间系统、卫星的运动与星历、北斗导航卫星信号、北斗系统定位原理、北斗卫星导航接收机、BDS信号的捕获与跟踪、GPS系统和其他卫星导航系统等。本书是北斗卫星导航系统的专著，也可作为高等院校电子信息类专业本科生和研究生的相关课程教材，还可供相关领域的科技工作者学习参考。

前言 卫星导航系统能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务，是拓展人类活动、促进社会发展的重要空间基础设施，为人类带来了巨大的社会和经济效益。 1994年，中国启动了北斗卫星导航试验系统的工程建设。在2000年，我国建成了北斗卫星导航试验系统，标志着中国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗卫星导航系统是中国自主研发的定位系统，为本国及相邻国家提供定位﹑导航和授时服务。该系统的建立使我们摆脱了对GPS及其他定位系统的依赖，维护了国家的安全，体现了国家实力。它的快速发展不仅可以促进国家的经济建设，也提高了中国在世界的地位。 2015年3月31日，新一代北斗导航卫星在西昌卫星发射中心发射升空，卫星顺利进入预定轨道。这颗卫星的发射成功标志着我国北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。根据中国“十三五”计划，到2020年，北斗卫星导航系统的卫星数量将由20颗扩大到35颗。将建成由5颗地球同步静止轨道（GEO）卫星、3 颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和27颗中圆地球轨道（MEO）卫星组网而成的全球北斗卫星导航系统，实现全球区域覆盖，并且国内精度达到2.5m，这也将使北斗产业化应用空间打开，并得到迅速发展。 2018年11月19日北斗三号系统第18和19颗中圆地球轨道组网卫星的成功发射，标志着我国北斗三号基本系统星座部署圆满完成。将向“一带一路”国家和地区提供基本导航服务，迈出从区域走向全球的关键一步。 目前，国内外出版了相当多的卫星导航定位系统的书籍，但大多以GPS系统为主要内容，北斗卫星导航系统的著作却不多。为了普及斗卫星导航系统的技术和知识，促进北斗系统的应用和推广，出版一本以北斗卫星导航系统为主要内容的书籍很有必要。本书是作者在多年卫星导航技术高等教育教学与科研工作的基础上，根据北斗卫星导航系统的相关技术文件，将卫星导航理论与北斗系统相融合撰写而成的，可以作为通信、雷达、导航、测控等专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，以及导航或相关专业领域科技工作者的参考书籍。 本书共8章，主要内容包括：绪论、空间坐标系统与时间系统、卫星的运动与星历、北斗导航卫星信号、北斗系统定位原理、北斗卫星导航接收机、BDS信号的捕获与跟踪、GPS系统和其他卫星导航系统等。 本书在皮亦鸣教授的主持下撰写而成。第1章由皮亦鸣撰写，第2～7章由范录宏撰写，第8章由李晋撰写。全书由李晋统稿、文字校对，由范录宏整体修改、定稿。 本书的出版得到了电子科技大学的支持，在编写的过程中得到了电子科技大学信息与通信工程学院曹宗杰教授、闵锐副教授的指导和帮助，在此表示诚挚的谢意。同时，感谢电子工业出版社王羽佳编辑为本书的出版做出的大力支持。 本书涉及内容广泛，北斗系统还在不断完善和发展中，加之作者水平有限，书中难免有错误和疏漏，敬请读者批评指正。 作 者 2020年1月于成都

目 录 第1章 绪论 1 1.1 导航的基本概念 1 1.2 导航的分类 1 1.3 导航系统的技术指标 3 1.4 无线电导航定位 5 1.4.1 电磁波 5 1.4.2 电磁波测量原理 7 1.4.3 无线电导航定位方法 12 1.5 北斗卫星导航系统 15 1.5.1 北斗系统的建设和发展 15 1.5.2 北斗系统的组成 16 1.5.3 北斗系统公开服务区 17 1.5.4 北斗系统公开服务性能指标 18 1.5.5 北斗系统应用与产业化 18 第2章 空间坐标系统与时间系统 21 2.1 地球的运动 21 2.1.1 地球自转 22 2.1.2 地球公转 23 2.1.3 地球自转角速度和线速度 24 2.1.4 地球公转特性 24 2.1.5 地球自转的意义 25 2.1.6 地球公转的意义 26 2.2 坐标系统 27 2.2.1 天球坐标系 28 2.2.2 地球坐标系 32 2.2.3 国家大地坐标系统 37 2.2.4 北斗坐标系统 40 2.3 时间系统 40 2.3.1 时间的基本概念 40 2.3.2 世界时系统 41 2.3.3 原子时系统 42 第3章 卫星的运动与星历 45 3.1 开普勒三定律 45 3.1.1 开普勒第一定律 46 3.1.2 开普勒第二定律 47 3.1.3 开普勒第三定律 47 3.2 卫星运动的轨道参数 48 3.3 二体问题 49 3.3.1 卫星的无摄运动和受摄运动 49 3.3.2 二体问题概述 51 3.3.3 真近点角fs的计算 59 3.4 卫星的位置和速度计算 61 3.4.1 卫星位置的计算 61 3.4.2 卫星运行速度的计算 62 3.5 北斗卫星星历 64 3.5.1 北斗卫星的广播星历 65 3.5.2 由广播星历计算BDS卫星坐标 66 3.5.3 BDS卫星的精密星历 68 第4章 北斗导航卫星信号 70 4.1 北斗卫星的测距码 70 4.1.1 随机码与伪随机码 70 4.1.2 BDS测距码 72 4.2 载波信号 73 4.2.1 信号结构 73 4.2.2 信号特性 74 4.3 导航电文 75 4.3.1 D1导航电文 75 4.3.2 D2导航电文 77 4.3.3 导航电文数据码纠错编码 78 4.3.4 D1导航电文的内容 79 4.3.5 D2导航电文的内容 81 4.4 卫星的信号强度与覆盖 83 4.4.1 北斗卫星的信号强度 83 4.4.2 BDS卫星对地面的覆盖 84 第5章 北斗系统定位原理 87 5.1 基本概念 87 5.1.1 静态定位和动态定位 88 5.1.2 绝对定位和相对定位 88 5.1.3 差分定位 89 5.2 伪距法测量 90 5.2.1 伪距的概念 90 5.2.2 伪距测量 90 5.3 伪距观测方程及定位计算 92 5.3.1 伪距观测方程的建立 92 5.3.2 定位计算 92 5.4 载波相位观测方程 96 5.4.1 载波相位测量原理 97 5.4.2 载波相位观测方程 98 5.4.3 载波相位观测的主要问题 98 5.5 观测卫星的精度 99 5.5.1 北斗系统测量误差 99 5.5.2 精度因子 101 5.5.3 卫星的几何分布 103 5.6 BDS相对定位 103 5.6.1 静态相对定位 104 5.6.2 动态相对定位 106 5.7 差分BDS 106 5.7.1 差分BDS的原理 107 5.7.2 差分BDS的分类 107 5.7.3 位置差分 108 5.7.4 伪距差分 108 5.7.5 载波相位差分 109 第6章 北斗卫星导航接收机 111 6.1 卫星导航接收机的组成与功能 111 6.2 北斗接收机的分类 113 6.2.1 按接收机的工作原理分类 113 6.2.2 按服务模式分类 113 6.2.3 按接收机的用途分类 114 6.2.4 按接收机的载波频率分类 114 6.2.5 按接收机的通道数分类 115 6.3 北斗接收机的主要技术指标 115 6.4 北斗接收机天线 116 6.4.1 微带天线的特点 117 6.4.2 微带天线的基本结构 118 6.4.3 微带天线的圆极化 119 6.5 北斗接收机的前端 120 6.5.1 BDS接收机射频前端系统结构 120 6.5.2 信噪比 124 6.5.3 信噪系数 125 6.6 BDS接收机的信号解调 126 6.6.1 模拟正交解调 126 6.6.2 数字正交解调 127 6.7 BDS接收机设计规范 130 6.7.1 导航型终端 130 6.7.2 测量型终端 131 6.7.3 定时型终端 132 6.7.4 位置报告/短报文型终端 134 第7章 BDS信号的捕获与跟踪 137 7.1 BDS软件接收机 137 7.2 BDS信号的捕获 139 7.2.1 BDS信号捕获原理 139 7.2.2 捕获关键参数分析 141 7.3 捕获方法 144 7.3.1 串行搜索捕获算法 144 7.3.2 FFT频域捕获算法 145 7.3.3 基于循环相关的快速捕获算法 147 7.3.4 捕获算法性能对比 149 7.4 BDS信号的跟踪 150 7.5 载波跟踪环 155 7.6 码跟踪环 157 7.7 GPS接收机中的跟踪环 160 第8章 GPS系统和其他卫星导航系统 163 8.1 GPS系统 163 8.1.1 GPS的组成 163 8.1.2 GPS的信号 164 8.1.3 GPS导航电文 166 8.1.4 GPS卫星信号的调制 168 8.1.5 GPS的时间和坐标系统 169 8.1.6 GPS的定位精度 169 8.1.7 广域差分增强系统 170 8.2 GLONASS系统 170 8.2.1 GLONASS系统的组成 170 8.2.2 GLONASS的信号 171 8.2.3 GLONASS的导航电文 171 8.2.4 GLONASS的时间和坐标系统 172 8.2.5 GLONASS的标准精度 172 8.2.6 GLONASS的应用范围 173 8.3 Galileo系统 173 8.3.1 Galileo系统的组成 173 8.3.2 Galileo系统的信号 174 8.3.3 Galileo系统的服务 175