本书是国际上一本比较深入系统地论述新一代卫星导航系统信号设计理论与技术的学术专著，全面阐述了卫星导航系统信号设计中的基本概念、基础理论以及各项关键技术，并从导航信号的基本要素出发，把信号设计的传统技术与新发展的先进技术纳入到一个通用框架下作为一个有机的整体进行讨论，给读者呈现一个完整系统的信号设计脉络。全书共分8章，内容包括卫星导航系统及其信号的发展背景、卫星导航信号的基本结构、扩频调制的特性、扩频调制的实现方式、性能分析方法、恒包络复用的基本理论及实现技术等。本书充分反映了近年来国内外学术界和工业界在卫星导航信号设计领域的新思想和新技术，同时也融入了作者在信号设计方面的研究成果。

作者简介

姚铮：清华大学电子工程系副教授，博士生导师，Springer GPS Solutions期刊编委，ION GNSS SDR Metadata Standard Working Group成员，自2005年至今，一直从事卫星导航及相关领域的教学、科研工作，研究工作得到了国家重大专项、863计划、国家自然科学基金、国家重大科学仪器专项、国家科技支撑计划、教育部博士点基金等资助。主要研究方向包括导航信号设计与处理、GNSS软件接收机、地面无线定位技术等。作为发明人拥有多项国际发明专利，作为作者在IEEE TWC、TAES、TVT等杂志上发表多篇SCI检索论文，曾荣获国家军队科技进步二等奖、美国导航学会(ION)学生论文优胜奖、中国卫星导航学术年会(CSNC)2010和2013年度青年优秀论文一等奖、2013年度年会优秀论文奖、清华大学优秀博士论文奖、清华大学优秀博士毕业生等荣誉。

目录
第1章绪论 1
1．1 本章引言 2
1．2 卫星导航系统的发展与现状 4
1．2．1 GNSS的前身 4
1．2．2 GPS及其现代化 6
1．2．3 GLONASS及其现代化 7
1．2．4 Galileo系统 8
1．2．5 北斗卫星导航系统 9
1．3 导航信号的重要性 11
1．4 卫星导航信号体制的发展 12
1．4．1 GPS信号体制的发展 12
1．4．2 Galileo系统信号体制的发展 13
1．4．3 北斗系统信号体制的发展 14
参考文献 16
第2章卫星导航信号的结构 21
2．1 本章引言 22
2．2 卫星导航的基本原理 22
2．2．1 通过测距信号确定位置 22
2．2．2 位置估计的线性化方法 25
2．2．3 用户位置的精度 25
2．2．4 伪距的测量 26
2．3 卫星导航信号的关键要素 27
2．4 载波频率的选择 27
2．5 信号的发射功率 32
2．6 信号的极化方式 35
2．7 信号的多址接入 37
2．8 信号的扩频调制 38
2．9 扩频序列与二次编码 41
2．9．1 扩频序列的偶相关与奇相关 41
2．9．2 扩频序列的构造 43
2．9．3 扩频调制对码相关性的影响 46
2．9．4 二次编码 48
2．10 导频信道与数据信道 49
2．10．1 导频信道的作用 49
2．10．2 数据信道与导频信道的功率分配 52
2．11 多路复用 53
2．12 电文结构与信道编码 54
2．12．1 电文结构 54
2．12．2 信道编码 55
参考文献 57
第3章直接序列扩频的基本性质 61
3．1 本章引言 62
3．2 扩频调制信号模型 63
3．3 扩频调制信号的时域特性 65
3．3．1 信号相似性的度量方式 65
3．3．2 互相关函数与自相关函数 66
3．3．3 周期信号的相关函数 66
3．3．4 扩频信号的互相关函数 67
3．3．5 阶状码调制信号的互相关函数 69
3．4 扩频调制信号的频域特性 74
3．4．1 功率谱密度 74
3．4．2 无电文调制的扩频信号功率谱 74
3．4．3 带电文调制的扩频信号功率谱 77
3．4．4 非周期扩频信号的功率谱 77
3．4．5 阶状码调制信号的功率谱 78
3．4．6 互功率谱密度 79
3．4．7 功率谱密度的归一化 79
参考文献 80
第4章卫星导航中的扩频调制技术 81
4．1 本章引言 82
4．2 BPSK-R调制 84
4．3 BOC调制 87
4．3．1 BOC调制的定义 87
4．3．2 BOC信号的功率谱密度 89
4．3．3 BOC 信号的自相关函数 91
4．3．4 正弦与余弦相位BOC调制在特性上的差别 93
4．4 BCS调制 97
4．5 CBCS 调制 99
4．5．1 CBCS信号的定义 99
4．5．2 CBCS信号的自相关函数 101
4．5．3 CBCS信号的功率谱密度 102
4．5．4 CBCS信号的互相关偏差 104
4．6 TMBCS与QMBCS调制 107
4．7 MBOC调制 107
4．7．1 TMBOC调制 109
4．7．2 CBOC调制 110
4．7．3 QMBOC调制 112
4．8 分裂谱信号的处理模糊度 114
4．8．1 问题描述 114
4．8．2 串行捕获策略下的误捕概率 115
4．8．3 并行捕获策略下的误捕概率 117
4．8．4 消除模糊度的方式 120
4．9 其他的扩频调制方式 123
4．9．1 AltBOC 调制 123
4．9．2 MSK调制 126
4．9．3 GMSK调制 130
4．9．4 SRRC 扩频波形 130
4．9．5 PSWF扩频波形 132
4．9．6 带宽受限扩频调制技术小结 133
参考文献 133
第5章导航信号扩频调制的性能分析 139
5．1 本章引言 140
5．2 接收信号的基带等效表达 142
5．2．1 扩频信号的复包络表示 142
5．2．2 信号与噪声加干扰的功率谱 143
5．3 扩频码跟踪误差的下界 144
5．3．1 码跟踪误差的Cramér-Rao下界 144
5．3．2 高斯白噪声环境下的CRLB 145
5．4 卫星导航接收机的信号处理模型 147
5．4．1 预检测积分 147
5．4．2 捕获 148
5．4．3 码跟踪 149
5．4．4 载波跟踪 150
5．5 热噪声与干扰下的测距性能 151
5．5．1 问题模型 152
5．5．2 鉴相器输出的统计特性 153
5．5．3 非相干处理下的跟踪误差 154
5．6 捕获、载波跟踪和数据解调的性能 158
5．7 抗多径性能 161
5．8 频谱兼容性 164
5．8．1 频谱分离系数 164
5．8．2 码跟踪频谱灵敏度系数 166
5．8．3 等效载噪比 168
参考文献 170
第6章扩频信号恒包络复用的基本理论 173
6．1 本章引言 174
6．2 高功率放大器 175
6．3 恒包络复用的基本概念 175
6．3．1 恒包络信号 175
6．3．2 恒包络复用 176
6．4 相位映射表 180
6．5 恒包络复用的设计方程 181
6．6 恒包络复用的效率 184
6．7 恒包络复用信号的表示形式 184
6．7．1 恒包络合成信号的基信号 184
6．7．2 恒包络复用的相位线性组合形式 186
6．7．3 恒包络复用的交调构造形式 187
6．7．4 不同表示形式之间的联系 188
6．8 恒包络复用信号的功率谱密度 188
6．9 恒包络复用的实现方法 189
6．9．1 基于相位映射表的生成方法 189
6．9．2 基于相位合成的生成方法 190
6．9．3 基于交调构造法的生成方法 191
参考文献 192

第7章扩频信号恒包络复用的构造方法 195
7．1 本章引言 196
7．2 QPSK复用 197
7．3 时分复用 199
7．4 POCET技术 202
7．5 正交乘积副载波调制 203
7．5．1 三路信号的 QPSM 复用 204
7．5．2 任意信号数量的情况 205
7．5．3 QPSM复用应用于CBCS信号 206
7．6 基于多数表决逻辑的复用 207
7．6．1 多数表决逻辑 207
7．6．2 等权值MV复用 208
7．6．3 利用时分复用实现非等权值MV 210
7．6．4 交错MV复用的相位映射表 212
7．7 双频联合恒包络复用 216
7．7．1 利用复副载波实现边带调制 216
7．7．2 基于方波复副载波的DCEM 217
7．8 ACE-BOC调制/复用技术 217
7．8．1 ACE-BOC信号的直接形式 218
7．8．2 相位旋转形式 220
7．8．3 典型功率配比下的 ACE-BOC 信号 222
7．9 恒包络复用技术的级联 225
7．9．1 InterVote 225
7．9．2 PocetVote 226
7．9．3 TD-AltBOC 226
7．10 恒包络复用实现技术小结 227
参考文献 228
第8章结束语 231
8．1 卫星导航信号的性能评估 232
8．2 卫星导航信号可能的发展趋势 234
缩略语 239

前言/序言

总　　序

“北斗系统与应用出版工程”丛书，能作为国家出版工程推进，是件很好的事情，我表示热烈的祝贺，欣然作序予以鼓励支持。北斗系统不仅是项充满活力的新兴技术，而且是国家重要的时空信息基础设施，同时由于它与其他技术和产业的多重关联性和融合性，故成为现代智能信息产业群体的重大技术支持系统和具有巨大带动力的时代产业发展引擎，与国家安全、国民经济和社会民生密切相关，与两个“中国梦”密切相关，能够服务全中国和全世界。北斗系统的建设和运营，给国家和社会的兴邦强国、行业和企业的建功立业、团队和个人的著书立说与创新创业创造精神的大发挥、大发展，提供了百年难遇的良好机会。“北斗系统与应用出版工程”丛书，也承载着同样的使命，它所包括的内容包括系统、技术和应用三个方面，这种选择非常符合实际需要，很全面，且顾及了眼前和长远，而且应用方面所占的分量相当大。我建议在应用的服务领域要多下点功夫，这是北斗系统和时空信息服务体系的关键。在当今的条件下，推进这个出版工程，具有明显的现实意义和长远价值。为此，我在这里要强调三点：一是一定要把国内外GNSS领域的成功经验和教训，进行系统总结，作为良好的参考；二是应该将我们在系统建设中的实践，上升为理论与模式，进一步推进我们的工作与事业；三是在上面两点的基础上，我们要有所前进，有所创造，在理论、实践、产业和体系化发展推进上有所突破，逐步走向世界的前列，真正把这一出版工程，做成北斗系统伟大工程的一个不可分割的组成部分，反过来对于系统工程发挥指导促进作用，发挥其GNSS里程碑效应和效能。

2015年12月

序

全球导航卫星系统是一种重大的空间信息基础设施，主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和我国的北斗卫星导航系统（BDS），可以为全球用户提供高性能的定位、导航与授时服务，在军事、经济、社会和科研领域都有十分广泛的应用，甚至在很大的程度上改变了人类的斗争、生产和生活方式，并在全球范围内形成了一个高新技术产业，成为新的国民经济增长点。我国高度重视卫星导航系统的建设和应用，2000年建成了北斗试验系统，使我国成为继美国和俄罗斯后第三个拥有卫星导航系统的国家。2012年建成的北斗区域系统是一个富有中国特色的卫星导航系统，除了具有基本的定位、导航与授时功能外，还可以提供短报文服务，自建成以来一直连续稳定运行，性能稳中有升，应用推广和产业化取得重要突破，正在国家安全和经济社会中发挥着重要作用。根据“三步走”的发展战略，目前我国正在积极推进北斗全球系统的建设，将在2020年完成组网并形成全球服务能力，建成国际一流的全球卫星导航系统。

卫星导航信号是卫星导航系统的一个重要组成部分，不但是联系卫星导航系统空间段、控制段和用户段三大组成部分的核心纽带，而且是卫星导航系统向用户播发测距信息的唯一载体，对于卫星导航系统整体性能的形成、性能的发挥，乃至应用推广和产业发展都具有十分重要的影响，因此，在卫星导航系统中具有独特的地位和作用，很大程度上已经成为卫星导航系统的重要标志。国际上几个卫星导航大国的主管部门、工业界和学术界都十分重视卫星导航信号的设计，特别是GPS现代化计划的实施和Galileo的建设，对卫星导航信号的理论和技术发展起到了极大的推动作用，在近20年来取得重要突破，形成了以频谱分离、导频与数据正交为主要特征的新一代信号体制，代表了卫星导航信号体制的发展方向，并已在GPS和Galileo中得到应用。这些成果不但使卫星导航信号的设计逐步摆脱了长期以来对雷达信号和通信信号的模仿，走上了独立发展的道路，形成了自己的特色，更为重要的是，新型信号体制直接提升了新一代卫星导航系统的性能，确保了卫星导航产业的可持续发展，也已经成为卫星导航系统更新换代的主要标志。

毫无疑问，卫星导航信号体制的理论和技术创新不但对我国建设独立建设、自主运行的北斗卫星导航系统的意义重大，而且对我国卫星导航的应用和产业的发展以及国际合作与交流影响深远，将与星间链路、星载原子钟等主要核心技术共同支撑北斗全球系统跻身世界一流行列。为了彻底改变我国长期以来在卫星信号的理论和技术研究基础比较薄弱、在系统建设中信号体制的设计主要借鉴国外技术的被动局面，近年来我国在北斗全球系统建设中非常重视卫星导航信号设计工作，在中国卫星导航系统重大专项关键技术攻关中设立了信号设计专题，从多层次、多方面部署了一批信号设计及相关课题，组织了国内多个优势科研团队开展信号设计的理论研究和关键技术攻关，还在历届中国卫星导航学术年会设立了专门的分会开展学术交流，大大促进了我国卫星导航信号理论和技术的发展。经过多年的努力，我国在卫星导航信号设计方面取得了重要进展，一批自主创新的学术成果、技术成果已经在国内外学术界和工业界产生了重要影响，部分成果已经在北斗全球系统试验卫星工程中得到应用。可以相信，具有自主知识产权、代表我国信号设计技术水平的新型卫星导航信号体制将作为北斗全球系统的标志和名片，以优异的性能服务于全人类，向全世界展示我国卫星导航技术创新和系统建设的最新成就。

本书作者来自清华大学卫星导航科研团队，在卫星导航技术方面有十多年的研究经历，近年来参与了北斗卫星导航系统重大专项关键技术攻关的信号设计及相关课题，在信号设计方面取得了有影响的成果，受到了国内外专家和学者的关注。他们通过对大量文献资料的系统梳理和深入挖掘，厘清了几十年来卫星导航信号的演化脉络，逐步形成了统一的卫星导航信号理论和技术框架，并对卫星导航信号的发展趋势作了有益的探讨探索，在此基础上结合自己的研究成果和心得体会总结提炼成本书，把国内外卫星导航信号设计方面的最新成果呈现给广大读者。相信本书的出版，将会对我国卫星导航技术的发展、北斗卫星导航系统的建设和应用起到一定的促进作用。

2015年10月29日

前言

近50年以来，导航定位技术无论在空间与时间的覆盖性上还是在精度上，都取得了革命性的进步，特别是以美国全球定位系统（GPS）和俄罗斯的全球导航系统（GLONASS）为代表的全球导航卫星系统（GNSS）的出现，导航定位技术已经在很大程度上改变了人类的生产和生活方式。但人们对导航定位性能的要求是永无止境的。随着需求的不断增长，半个世纪前设计建造的GPS在性能上的局限性已经变得越来越明显。同时，物理、航天、通信以及卫星导航本身的理论研究和技术发展都有了长足的进步。新一代GNSS，如不断演进的GPS、正在进行改造的GLONASS以及欧盟的Gailieo、我国的北斗卫星导航系统（BDS），都在吸取数十年来经验教训的基础上融入了新的技术，正在迅速发展之中。

信号设计是整个卫星导航系统建设的核心之一。卫星导航信号内在的性能极限决定了整个系统的先天性能。系统的空间段、地面段都是围绕着信号的发射、接收而不断运行的。如果卫星发射的信号在设计上存在缺陷，即使系统其他环节的设计再完美，整个系统在定位、测速、授时精度等关键性能上仍然存在难以弥补的不足，应用与产业化也会受到严重制约。

随着卫星导航应用领域的不断扩展、服务需求的不断细化，新一代GNSS广播的导航信号数量显著增多，对信号的性能要求也越来越高，一方面使原本有限的卫星导航频谱变得愈加拥挤，而信号性能的提升受制于带宽的限制；另一方面也使现有的恒包络复用技术的功率效率降低，卫星载荷的复杂度提升。同时，信号接收复杂度的限制、系统之间互操作的要求以及后向兼容等需求，让信号设计目标优化问题的约束条件变得越来越多。设计理论的欠缺、技术发展与未来需求相比的滞后，以及需求膨胀与资源匮乏之间的矛盾，使得新一代卫星导航系统的信号设计面临着一系列的挑战。

近年来，针对卫星导航信号设计中面临的问题，学术界和工业界提出了大量新颖的解决办法。在扩频调制方面，以BOC和MBOC为代表的谱分裂调制方式开始被应用到新一代导航信号中，在恒包络复用方面，也有许多先进的技术不断涌现。此外，扩频码、信道结构、电文结构等方面也出现了新的成果。这些新技术的出现给新一代卫星导航系统的设计者带来了更大的择优余地，但同时也对信号设计者对技术的理解和需求的把握提出了更高的要求。由于各系统建设所背负的历史负担不同，具体使命和应用需求也不尽相同，而且信号的各个要素的设计约束互相耦合，将各种技术简单拼凑或是对其他系统片面模仿都无法设计出整体性能优异的新型导航信号。信号设计者只有深刻理解每一项技术的特点和适用条件，做到知其然更知其所以然，才有可能面对具体的需求和约束选择最合适的配置，最终设计出综合性能优异的导航信号。此外，新一代系统的信号无论在结构上还是可能的处理方式上，都与传统GPS存在很大的不同。对新一代GNSS信号性质的深入理解和系统性的把握，对接收机的开发者而言也是非常重要的。

本书作者有幸参与到我国北斗卫星导航系统（全球系统）的建设中，在卫星导航信号设计方面有多年的工作经验。平时与国内外同行的交流，加深了我们对导航信号设计的认识。在自己的研究过程中，我们也取得了一些有特色的研究成果。为了让我们已有的认识和知识能够对新一代系统的建设和应用有所贡献，我们有了将这个领域的最新研究与应用成果进行总结与整理，出版一本中文著作的想法，希望能借此与更多的同行进行更多的交流，共同完善下一代GNSS信号的设计以及接收处理技术开发的探索。

国内外卫星导航系统原理和应用的论著很多，也不乏精品，对卫星导航系统的工作原理、系统构成、接收机原理及应用的论述已非常详尽。本书内容着重信号设计，将与上述著作构成有效的互补，使卫星导航系统相关的知识体系更加完整。本书以卫星播发新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术下载 mobi epub pdf txt 电子书格式