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，论述了多路径、电磁干扰、互相关干扰、高灵敏度GPS、辅助GPS等关键课题。本书理论分析清晰，实用性强，且内容力求反映近年来出现的GPS最新技术和成果。本书可以作为本科生高年级学生和研究生的教材或参考书，也是所有与GPS等卫星导航系统及其接收机设计有关的工程技术人员和科技工作者都应配备的一本不可多得的优秀参考书。

前 言 科技的进步深刻地改变了人们的日常生活方式，而美国的GPS就是其中的一项科技进步。自20世纪70年代开始研制以来，GPS已在世界各国的各行各业中得到了广泛应用，它正带领着人类进入定位、导航的新纪元。 在全球卫星定位技术方兴未艾之际，关于GPS及其接收机设计的文献大量涌现。这些年来，国内外出版了几本相当优秀的关于GPS的书籍，受到了广大GPS专业爱好者的喜爱。与这些书籍不同，本书一方面加大了关于GPS接收机设计内容的篇幅，使得对其的讨论更加系统、深入；另一方面介绍了最近出现的一些GPS接收机新技术、新成果，使本书的知识能及时、真实地反映当前状况。 全书共13章，大致分成GPS基础知识、定位算法、GPS应用以及信号的捕获与跟踪四部分，全书也是按照这一顺序展开叙述的。大多数读者对GPS的认识是从了解GPS的定位原理及其算法开始的，其中的一些读者然后有机会去进一步探索接收机的内部构造和信号的捕获与跟踪原理。因此，这种先介绍定位算法后介绍信号跟踪的叙述顺序（由简到难的顺序），是比较适合大多数读者学习GPS的，尽管GPS接收机事实上是先跟踪卫星信号后完成定位计算的。 第1章和第2章将介绍GPS的一些基础知识。通过对这两章内容的学习，读者会接触到大量GPS术语，能够从宏观上了解GPS整个系统的运行机理，认识GPS定位原理，掌握GPS信号结构。GPS定位原理如此简单，以至于它可用一小段文字解释清楚，然而为了实现定位和提高定位性能，我们还需要阅读接下来的11章内容。 第3章至第6章将介绍GPS定位算法。首先，在GPS定位原理中，GPS卫星的位置被视为已知的，于是第3章将解决如何计算卫星在某一时刻的位置坐标问题；然后，由于实现GPS定位还需要测量GPS接收机至各颗可见卫星的距离，因而第4章将讨论GPS测量及其误差；其次，有了卫星的位置和接收机至卫星的距离，我们就可以实现定位，于是第5章将分析定位原理与精度，它是这部分内容的核心；最后，第6章将介绍卡尔曼滤波定位算法，它有着非常高的实际应用价值，并且在本书随后的多个章节中都会提到这种滤波技术。 第7章至第9章将介绍用来提高GPS定位性能的三方面的技术与应用。第7章将介绍差分GPS和高精度GPS，第8章将介绍GPS与航位推测系统的组合，第9章将介绍GPS定位结果的地图匹配。尽管这三章的内容非常具有现实意义，但是对只关心接收机内部设计的读者而言，略过这三章而直接跳到第10章，不会有前后内容不连贯的感觉。 最后，第10章至第13章将剖析接收机的内部组成及其运行，在这四章中，每章的篇幅都很大。对于希望了解接收机内部究竟是如何运作的读者而言，这部分是一定要花精力去阅读的。第10章将介绍接收机组成概况和其中的射频前端模块，第 11 章将详细分析载波环，第12章将探讨码环，并且描述接收机在信号跟踪过程中所需完成的位同步、帧同步等一系列信号处理任务，第13章将讨论接收机对信号的搜索与捕获。在此基础上，这部分还对多路径、连续波干扰、互相关干扰、高灵敏度GPS和辅助GPS（AGPS）等多个关键课题进行论述。 通过研读大量公开发表的GPS书籍、期刊论文、会议论文、学位论文和专利等文献资料，作者将这些知识汇集起来写成了这一专著。因此，书中每章末尾均列出了大量参考文献，用以表明原文或相关知识点的参考来源，以示作者的敬意和感谢。此外，作者还参考了无数公开的国际互联网网页，但考虑到网址的变动性较强，它们很少被一一列出。希望这些参考文献能为对某一课题做深入研究的读者提供高而良好的起点。 本书语言平实、简练，内容丰富且重点突出。它不但适合作为本科生高年级学生和研究生的教材或参考书，而且是所有与GPS/GNSS及其接收机设计有关的工程技术人员和科技工作者都应配备的参考用书。书中提及但未能予以充分讨论的许多方法、技术，可作为硕士生、博士生的研究课题。当我撰写这一前言时，喜闻中国成功地发射了第二颗北斗导航卫星，希望本书的出版能给我国的卫星导航事业添砖加瓦。 感谢父亲谢逸仙、母亲傅珠珍对我的养育和教导，他们对我勤奋进取的要求和言传身教，是我能利用空余时间写完本书的动力源泉。在写书期间，我也得到了妻子和孩子对我的理解与支持。感谢电子工业出版社的谭海平先生对该书出版提供的帮助与方便，他对书中的内容安排也提出了一些宝贵意见。绍兴文理学院的沈龙先生对全书的文字进行了通读与校正，在此深表感谢。我在写书期间还得到了许多同事和亲朋的支持，在此对他们表示诚挚的谢意！ 由于作者水平有限，书中必定会出现一些不妥和错误，敬请读者不吝指正。读者可通过电子邮箱gang.xie.1999@stanfordalumni.org与我直接联系。 作 者 修订出版感谢 自2009年该书出版以来，我陆续收到了许多读者的来信，他们对本书的内容和质量做了高度赞赏，且认为从中受益匪浅。承蒙各位读者的厚爱，该书在所有有关GPS的畅销书籍中正脱颖而出。看到四年心血之结晶为大家所爱，我深感欣慰，更深受鼓励。 正如一名读者来信说，虽然书中的错误非常少，但是为了使它更完美，即使是在阅读过程中发现的一两处小错误都要来信告诉我。我真的很感动！感谢北京航空航天大学学生王晨和博士后刘青格、黑龙江省八五二农场农机中级工程师马成燕、浙江大学控制系研究生李子月、西安电子科技大学微电子学院硕士生李廷、中国空间技术研究院西安分院工程师边朗、中兴通讯工程师邵贵阳、南京解放军理工大学网络工程教研中心讲师刘鹏、西安交通大学微波与光通信研究所博士生李建星、江南大学学生刘冉旭、南京六九零二科技有限公司工程师陈雨、武汉大学测绘学院导航工程专业本科生彭益堂和易通星云（北京）科技发展有限公司卫星导航工程师任江南等诸多读者，你们指出的错误在这次修订出版中已经得到更正，谢谢你们！

第1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 15 2.1 载波 15 2.2 伪码 16 2.2.1 二进制数随机序列 16 2.2.2 m序列 17 2.2.3 金码 21 2.2.4 C/A码 23 2.2.5 P码 26 2.3 数据码 27 2.4 GPS信号结构 27 2.5 导航电文 31 2.5.1 导航电文的格式 32 2.5.2 遥测字 32 2.5.3 交接字 33 2.5.4 第一数据块 34 2.5.5 第二数据块 35 2.5.6 第三数据块 36 2.6 GPS现代化计划 37 参考文献 38 第3章 GPS卫星轨道的理论和计算 40 3.1 空间坐标系 40 3.1.1 惯性坐标系 40 3.1.2 地球坐标系 41 3.1.3 WGS-84坐标系 44 3.1.4 直角坐标系间的旋转变换 45 3.1.5 站心坐标系 46 3.2 时间系统 48 3.2.1 世界时和原子时 48 3.2.2 GPS时间 49 3.2.3 晶体振荡器 50 3.2.4 GPS与相对论 52 3.3 GPS卫星轨道的理论 52 3.3.1 卫星的无摄运行轨道 53 3.3.2 开普勒轨道参数 54 3.3.3 卫星星历和历书参数 57 3.4 卫星空间位置的计算 58 3.5 卫星运行速度的计算 61 3.6 卫星轨道的插值计算 62 参考文献 64 第4章 GPS测量及其误差 66 4.1 伪距测量值 66 4.1.1 伪距的概念 66 4.1.2 伪距与测距码相位 68 4.2 载波相位测量值 69 4.2.1 载波相位的概念 69 4.2.2 多普勒频移与积分多普勒 71 4.2.3 伪距与载波相位的对比 73 4.3 测量误差 74 4.3.1 卫星时钟误差 75 4.3.2 卫星星历误差 76 4.3.3 电离层延时 77 4.3.4 对流层延时 82 4.3.5 多路径 84 4.3.6 接收机噪声 86 4.4 差分GPS的原理 86 4.5 伪距与载波相位的组合 88 4.5.1 载波相位平滑伪距 88 4.5.2 整周模糊度估算 90 参考文献 90 第5章 GPS定位原理与精度分析 92 5.1 牛顿迭代及其线性化方法 92 5.2 最小二乘法 94 5.3 伪距定位 96 5.3.1 伪距定位原理 97 5.3.2 伪距定位算法 99 5.3.3 二维定位及其辅助方程 102 5.4 定位精度分析 104 5.4.1 定位误差的方差分析 104 5.4.2 精度因子 105 5.4.3 卫星几何分布 109 5.4.4 伪卫星 111 5.5 接收机自主正直性监测 112 5.5.1 正直性监测的概念 112 5.5.2 伪距残余检测法 113 5.5.3 最小平方残余法 114 5.5.4 最大解分离法 115 5.6 多普勒定速 115 5.7 定时、授时与校频 117 参考文献 118 第6章 卡尔曼滤波及其应用 122 6.1 滤波的意义 122 6.2 ?-? 滤波 123 6.3 卡尔曼滤波 124 6.3.1 滤波模型 125 6.3.2 滤波算法 126 6.3.3 举例与讨论 129 6.3.4 滤波数值计算 133 6.3.5 非线性滤波 136 6.4 系统模型的建立 138 6.4.1 连续时间系统的建模 138 6.4.2 离散时间系统的建模 141 6.5 GPS定位的卡尔曼滤波算法 142 6.5.1 接收机时钟模型 143 6.5.2 用户运动模型 144 6.5.3 卡尔曼滤波定位算法 145 6.6 其他滤波技术 146 参考文献 147 第7章 差分定位和精密定位 150 7.1 差分定位 150 7.1.1 差分的种类 150 7.1.2 差分校正量 152 7.1.3 局域差分系统 155 7.1.4 广域差分系统 156 7.2 精密定位系统 159 7.2.1 单差 160 7.2.2 双差 163 7.2.3 三差 165 7.2.4 相对定位的根本问题 166 7.3 多频测量值的组合 167 7.3.1 线性组合 168 7.3.2 窄巷、宽巷和超宽巷组合 170 7.4 整周模糊度的求解技术 172 7.4.1 交换天线位置 173 7.4.2 几何多样性 174 7.4.3 利用伪距的取整估算法 175 7.4.4 LAMBDA算法 176 7.4.5 逐级模糊度确定法 179 参考文献 181 第8章 GPS与航位推测系统的组合 185 8.1 惯性导航系统 185 8.1.1 惯性传感器的种类 185 8.1.2 惯性导航的分类 187 8.1.3 惯性导航的基本原理 187 8.1.4 惯性传感测量误差 188 8.2 航位推测系统 189 8.2.1 航位推测的基本原理 189 8.2.2 ABS车轮转速传感器 190 8.3 组合的意义 193 8.4 组合的工具 195 8.4.1 互补型滤波器 195 8.4.2 分散卡尔曼滤波 196 8.5 组合的方式 196 8.5.1 松性组合 197 8.5.2 紧性组合 198 8.5.3 深性组合 199 参考文献 200 第9章 地图匹配 202 9.1 地图匹配的意义 202 9.2 电子地图 203 9.2.1 UTM投影系统 203 9.2.2 数字高程模型 204 9.2.3 道路网数据库 205 9.3 地图匹配算法综述 206 9.4 几何匹配算法 209 9.4.1 点-点匹配法 209 9.4.2 点-线匹配法 210 9.4.3 线-线匹配法 211 9.4.4 改良型几何匹配算法 212 9.5 概率匹配算法 215 9.6 紧性组合匹配算法 216 9.7 综合匹配算法 218 9.7.1 加权法 218 9.7.2 D-S理论 219 9.7.3 模糊推理 221 9.8 匹配路段上的位置点匹配 222 参考文献 224 第10章 GPS接收机及其射频前端 227 10.1 GPS接收机概况 228 10.2 接收天线 232 10.2.1 自由空间传播公式 232 10.2.2 信噪比和载噪比 235 10.2.3 串联器件的噪声指数 236 10.2.4 右旋圆极化 239 10.2.5 天线的种类 240 10.3 射频前端处理 242 10.3.1 射频信号调整 243 10.3.2 下变频混频 244 10.3.3 中频信号滤波放大 249 10.3.4 模数转换 250 参考文献 253 第11章 载波环 256 11.1 信号跟踪原理 256 11.2 相位锁定环路 258 11.2.1 基本工作原理 259 11.2.2 环路阶数 261 11.2.3 稳态响应 265 11.2.4 环路参数 267 11.2.5 I/Q解调 270 11.2.6 相干积分 275 11.2.7 鉴相方法的种类 280 11.2.8 测量误差与跟踪门限 282 11.3 频率锁定环路 284 11.3.1 基本工作原理 284 11.3.2 鉴频方法的种类 287 11.3.3 测量误差与跟踪门限 289 11.4 锁相环与锁频环的对比与组合 290 参考文献 291 第12章 码环和基带数字信号处理 293 12.1 码环 293 12.1.1 延迟锁定环路 293 12.1.2 相关器与自相关函数 296 12.1.3 非相干积分 299 12.1.4 鉴相方法的种类 302 12.1.5 测量误差与跟踪门限 305 12.2 信号的跟踪 308 12.2.1 载波环与码环的组合 308 12.2.2 锁定检测 311 12.3 基带数字信号处理 312 12.3.1 位同步 312 12.3.2 帧同步 316 12.3.3 奇偶检验和电文译码 318 12.3.4 测量值的生成 320 12.4 多路径效应及其抑制 321 12.4.1 多路径效应 322 12.4.2 多路径抑制 325 12.5 干扰 329 参考文献 331 第13章 信号捕获 336 13.1 信号捕获的概况 336 13.1.1 三维搜索 336 13.1.2 启动方式 339 13.1.3 搜索范围估算 341 13.1.4 信号检测 344 13.1.5 载噪比的测定 348 13.1.6 捕获与跟踪之间的转换 351 13.2 信号搜索捕获算法 352 13.2.1 线性搜索 353 13.2.2 并行频率搜索 357 13.2.3 并行码相位搜索 358 13.2.4 其他信号捕获算法 360 13.2.5 卫星搜索次序 361 13.3 高灵敏度GPS 362 13.3.1 加长积分时间 363 13.3.2 大块相关器设计 366 13.3.3 辅助GPS（AGPS） 367 13.4 互相关干扰及其抑制 370 13.4.1 互相关干扰 370 13.4.2 互相关干扰抑制 371 13.5 接收机设计的发展趋势 372 参考文献 375 附录A 缩写词中英对照 380 附录B 单位制及其换算 386 附录C 随机变量和随机过程 387 附录D 拉普拉斯变换 393 附录E Z变换 396 附录F 傅里叶变换和采样定理 399 附录G 离散傅里叶变换 403 附录H GPS数据格式 405