基本信息
书名:GPS原理与接收机设计
定价：79.00元
售价：63.2元
作者:谢钢
出版社：电子工业出版社
出版日期：2017-01-01
ISBN：9787121305399
字数：
版次：1
装帧：平装-胶订
开本：16开
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内容提要
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*技术和成果。
目录
作者介绍
谢钢 清华大学电工程系学士，波士顿大学电子与计算机工程硕士，斯坦福大学电气工程博士。摩托罗拉等多家高科技公司高级工程师，主要从事GPS接收机的研究与开发工作。
文摘
序言
《全球定位系统：从原理到实践》 一、 核心概念与系统构成 全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）自诞生以来，便深刻地改变了我们的出行、测绘、通信乃至日常生活。本书将带您全面深入地理解GPS的科学原理，并探讨其核心组成部分与运作机制。 GPS系统由三大组成部分构成：空间段（卫星星座）、地面控制段和用户段。空间段是GPS系统的基础，由分布在不同轨道上的多颗GPS卫星组成，它们持续不断地向地面广播导航信号。地面控制段负责对卫星进行监测、跟踪、控制和维护，确保卫星系统的稳定运行和信号的精确性。用户段则是我们日常接触到的GPS接收机，它接收来自卫星的信号，通过复杂的计算得出用户的位置、速度和时间信息。 本书将详细剖析GPS卫星的轨道力学，包括其轨道高度、倾角、周期等关键参数，以及这些参数如何影响卫星的覆盖范围和定位精度。我们将深入讲解原子钟在GPS系统中的关键作用，这是保证导航信号精确性的基石。同时，还会介绍地面控制段的五大地面站（主控站、监测站、注入站、备用主控站）各自承担的功能，以及它们之间如何协同工作，维持整个系统的最佳状态。 二、 精准导航的基石：信号与测量 GPS定位的核心在于精确测量信号传播的时间，并结合信号传播的速度来计算距离。本书将为您揭示GPS信号的奥秘，包括其频率、编码方式以及信息载荷。我们将详细介绍L1、L2、L5等不同频点的信号，以及它们各自的特点和应用。 信号编码与调制： 了解伪随机噪声（PRN）码的原理，以及它如何帮助接收机区分不同的卫星信号，并进行精确的时间同步。我们将深入分析C/A码和P码的结构和作用。 导航电文： 剖析导航电文中包含的关键信息，包括星历（卫星的精确轨道参数）、历书（卫星轨道的大致信息）、电离层延迟模型、GPS时间等。理解这些信息对于接收机进行精确的定位至关重要。 测量原理： 核心的测量量是伪距（Pseudorange），它是接收机记录的信号发射时刻与接收时刻之间的时间差乘以光速得到的距离。本书将详细解释为什么伪距被称为“伪”距，它包含了哪些误差项（如卫星钟差、接收机钟差、大气延迟、多径效应等），以及如何通过组合测量来消除或减弱这些误差。 三维定位： 深入讲解如何利用至少四颗卫星的伪距测量来解算用户的三维坐标（经度、纬度、高度）以及接收机钟差。我们将通过数学模型，清晰地展示最小二乘法等解算算法的推导过程。 三、 挑战与精度提升：误差分析与修正 GPS系统虽然强大，但在实际应用中会受到各种误差源的影响，从而影响定位的精度。本书将对这些误差进行深入的分析，并介绍常用的误差修正方法。 卫星钟差： 尽管卫星上搭载了高精度的原子钟，但仍然存在微小的钟差，这会导致定位误差。我们将介绍如何利用导航电文中的信息来修正卫星钟差。 大气延迟： 信号在穿过电离层和对流层时会发生延迟，这是GPS定位中最主要的误差源之一。本书将详细介绍电离层和对流层延迟的特性，并探讨基于模型的修正方法，例如国际参考电离层模型（IRI）和标准大气模型。 接收机钟差： 接收机内部的石英钟不如卫星上的原子钟精确，其钟差也是定位误差的重要来源。我们将解释为什么需要至少四颗卫星才能同时解算位置和接收机钟差。 多径效应： 卫星信号在传播过程中可能被地面物体反射，导致接收机接收到的是反射信号，从而产生测量误差。我们将分析多径效应的成因，并介绍一些抑制多径效应的技术。 轨道误差： 卫星星历虽然精确，但仍存在一定的轨道误差，影响定位结果。地面控制段通过持续的监测和注入，不断修正星历参数。 相对论效应： 爱因斯坦的相对论对GPS系统的精度也有显著影响。本书将简要介绍狭义相对论和广义相对论对卫星钟表的影响，以及如何在系统中进行补偿。 四、 突破边界：差分GPS与多星座融合 为了进一步提升GPS的定位精度，并克服其固有的局限性，差分GPS（DGPS）技术应运而生。同时，随着其他GNSS（全球导航卫星系统）的崛起，多星座融合也成为提升导航性能的重要方向。 差分GPS（DGPS）： 介绍DGPS的基本原理，包括基准站的设置、差分改正数的生成以及用户端的应用。我们将重点阐述实时动态差分GPS（RTK）的工作原理，分析其如何通过基线向量和相位测量来达到厘米级甚至毫米级的定位精度，并探讨RTK在测量、工程、自动驾驶等领域的广泛应用。 组合导航： 讨论将GPS与其他导航系统（如惯性导航系统INS、视觉导航VSLAM）进行融合的优势，以及如何通过卡尔曼滤波等算法实现多源信息的融合，提高导航的鲁棒性和连续性，尤其是在GPS信号受阻或丢失的情况下。 多星座GNSS： 介绍其他主要的GNSS系统，如俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统（BDS）。分析这些系统的特点、星座构成以及信号结构。深入探讨多星座接收机的工作原理，以及多星座融合对提高定位精度、可用性和可靠性的好处，例如在复杂城市峡谷环境或遮挡区域，能够获得更多的卫星可见性。 增强系统： 介绍差分GPS（DGPS）以及广域差分GPS（WADGPS）等差分改正服务，例如SBAS（卫星基增强系统）和GBAS（地面基增强系统）。解释它们如何通过地面或卫星广播的差分信息来提高GPS的定位精度和完好性。 五、 硬件与软件：GPS接收机的设计与实现 深入理解GPS的原理和误差后，本书将聚焦于GPS接收机的设计与实现。我们将从硬件选型到软件开发，全面解析一个功能完善的GPS接收机是如何构建的。 接收机硬件架构： 介绍GPS接收机的基本组成模块，包括天线、射频前端、基带处理器、主控单元（CPU）、存储器、电源管理等。 天线设计： 探讨GPS天线的设计要求，包括频段、增益、方向性、阻抗匹配以及抗干扰能力，并介绍常见的GPS天线类型，如贴片天线、陶瓷天线等。 射频前端： 详细分析射频前端的功能，包括低噪声放大器（LNA）、混频器、滤波器等，以及它们如何处理微弱的卫星信号，并将其转换为可处理的基带信号。 基带信号处理： 这是GPS接收机最核心的部分。我们将深入讲解码捕获（Acquisition）和码跟踪（Tracking）的过程，这是接收机定位的基础。还会介绍载波跟踪、导航电文解码等关键环节。 接收机软件设计： 讨论接收机软件的主要功能模块，包括信号处理算法、定位解算算法、导航电文解析、用户接口管理、数据存储与输出等。 开发平台与工具： 介绍用于GPS接收机开发常用的嵌入式系统、开发工具链以及仿真测试平台。 功耗优化与小型化： 探讨如何设计低功耗、小型化的GPS接收机，以满足移动设备和便携式应用的需求。 六、 应用领域与未来展望 GPS技术已经渗透到国民经济和日常生活的方方面面，其应用范围还在不断拓展。本书将列举并分析GPS在各个领域的重要应用。 交通运输： 车辆导航、航空管制、船舶定位、铁路调度。 测绘与地理信息： 精密测量、地图绘制、地理信息系统（GIS）数据采集。 军事领域： 精确制导武器、战场态势感知、导航定位。 科学研究： 地震监测、地壳形变测量、大气科学研究、空间科学。 消费电子： 智能手机导航、可穿戴设备、无人机。 时间同步： 金融交易、通信网络、电力系统的时间基准。 最后，本书将对GPS技术的发展趋势进行展望，包括高精度定位技术（如PPP-RTK）、低功耗GNSS技术、与人工智能的融合、以及在新兴领域的应用潜力。我们将探讨未来GNSS系统可能面临的挑战与机遇，以及如何通过技术创新不断提升导航定位服务的水平。 通过对《全球定位系统：从原理到实践》的深入学习，读者将能够全面掌握GPS系统的理论基础，理解其核心技术，并具备分析和解决实际应用问题的能力，为进一步的研发和创新奠定坚实的基础。
从一个长期关注无线通信和导航领域的人士角度来看，这本书对于新兴技术趋势的把握非常到位，绝非一本过时的旧作。书中对下一代导航系统（如多星座融合、抗欺骗和新型信号体制）的讨论，虽然篇幅不长，但见解独到且富有前瞻性。它没有拘泥于现有的单一系统，而是将GPS置于一个更广阔的未来导航生态系统中去审视。这种高屋建瓴的视角，对于我们这些需要保持技术敏感度和前瞻性布局的研发人员来说，提供了宝贵的思路。阅读完后，我感觉自己的知识图谱得到了更新和拓展，对于未来技术路线的选择也有了更清晰的判断依据。它不仅解决了“现在”的问题，更指引了“未来”的方向，这一点尤其令人印象深刻。