GPS原理与接收机设计 谢钢 电子工业出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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谢钢 著

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• 谢钢
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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121305399

商品编码：29726733718

包装：平装-胶订

出版时间：2017-01-01

基本信息

书名:GPS原理与接收机设计

定价：79.00元

售价：51.4元,便宜27.6元,折扣65

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：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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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

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作者介绍

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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

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序言

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《全球定位系统原理与接收机设计》 第一部分：全球定位系统（GPS）的科学基础与技术演进 全球定位系统（GPS）作为一项革命性的空间技术，自其诞生以来，已深刻地改变了人类的导航、测量、通信以及科学研究方式。本书旨在系统性地阐述GPS的科学原理、核心技术及其在现代社会中的广泛应用，并深入探讨GPS接收机设计中的关键环节。 第一章：GPS概览与历史渊源 GPS的定义与使命： 本章首先界定GPS是什么，它究竟是如何工作的。我们将从其基本概念出发，解释GPS如何利用卫星信号为地球上的用户提供精确的位置、速度和时间信息。它不仅仅是一个导航工具，更是一个全球性的基础设施，支撑着无数现代应用。 历史发展脉络： GPS并非一夜之间出现，而是经历了漫长的技术积累和发展。本章将追溯其前身——各种导航系统的演变，如LORAN、DECCA等，以及美国国防部在冷战背景下启动和发展GPS项目的历史进程。了解这些历史背景，有助于我们理解GPS设计中的一些决策和演进方向。我们将重点关注“NAVSTAR GPS”（导航信号与测距全球定位系统）的诞生和发展，包括其早期测试、系统部署和最终的全面启用。 GPS系统架构： 深入剖析GPS系统的组成部分，包括空间段（卫星星座）、地面控制段（主控站、监测站、注入站）和用户段（GPS接收机）。我们将详细介绍各个部分的职责和相互协作关系，解释它们如何共同构成一个稳定、可靠的全球导航系统。例如，空间段提供导航信号，地面控制段负责卫星的健康监测、轨道预报和时钟校准，而用户段则负责接收信号并进行解算。 GPS对现代社会的意义： 简要概述GPS对全球经济、社会生活、科学研究以及国防安全产生的深远影响。从日常生活中的手机导航，到精准农业、航空航天、地震监测、灾害救援，再到军事行动的精确制导，GPS的应用无处不在，其重要性不言而喻。 第二章：GPS信号的产生与传播 卫星信号的奥秘： 本章聚焦于GPS卫星所产生的导航信号。我们将详细讲解GPS信号的结构，包括载波频率（L1、L2、L5等）、伪随机噪声（PRN）码（C/A码、P码）和导航电文。理解这些编码和调制方式是理解GPS工作原理的关键。 导航电文详解： 导航电文是GPS信号的核心组成部分，它包含了卫星的轨道参数（星历）、时钟修正信息、电离层延迟模型以及系统状态等关键数据。本章将深入解析导航电文的各个字段含义，以及这些信息如何帮助接收机进行精确的测距和定位。 信号传播路径与误差源： GPS信号从卫星传播到地面用户，其路径并非完全畅通无阻。本章将详细分析信号传播过程中可能遇到的各种误差源，这是理解GPS定位精度的关键。 电离层延迟： 卫星信号穿过电离层时会发生折射和延迟，这是GPS定位中最主要的误差源之一。我们将介绍电离层延迟的特性、影响因素以及接收机如何通过模型或双频测量来补偿。 对流层延迟： 信号穿过对流层时也会产生延迟，尽管其影响相对较小，但对于高精度应用而言仍不可忽视。本章将探讨对流层延迟的特点及其修正方法。 多路径效应： 卫星信号可能在用户周围的建筑物、地形等反射后到达接收机，导致接收机接收到的信号并非直达信号，从而引入误差。本章将分析多路径效应的成因及抑制策略。 接收机噪声： 接收机自身的电子元器件会产生随机噪声，影响信号的测量精度。 卫星时钟误差与轨道误差： 尽管地面控制段会努力校准，但卫星自身的时钟和轨道仍然可能存在微小的偏差，这些偏差也会传递到定位结果中。 第三章：GPS定位原理与测量方法 测距原理：伪距离测量 时间测距： GPS定位的基础是测量卫星到接收机之间的距离。本章将详细阐述GPS如何通过测量信号传播的时间来计算距离。我们将引入“伪距离”的概念，解释为什么在GPS系统中使用的距离被称为伪距离，以及它与真实距离的区别。 伪码测量： 接收机通过匹配从卫星接收到的伪随机噪声（PRN）码与本地产生的相同伪随机噪声码，来确定信号到达的时间差，进而计算出伪距离。本章将深入解析伪码捕获和跟踪的过程。 载波相位测量： 除了伪距离，GPS接收机还可以测量卫星信号的载波相位。载波相位测量具有更高的精度，是实现高精度定位（如RTK）的关键。本章将介绍载波相位测量的原理及其优势。 定位解算：三维空间中的解 基本定位方程： 本章将推导GPS定位的基本数学方程。一个用户需要至少接收到四颗卫星的信号才能在三维空间中确定其位置（经度、纬度、高程）和接收机时钟偏差。我们将展示如何通过联立多颗卫星的距离方程来解算用户的位置。 伪距离法（Point Positioning）： 详细讲解基于伪距离的单点定位算法，包括其数学模型、观测方程以及解算过程。 载波相位定位法： 介绍基于载波相位测量的定位方法，包括模糊度解算等关键技术，以及如何利用这些技术实现厘米级甚至毫米级的定位精度。 误差分析与精度评定： 讨论影响GPS定位精度的各种因素，并介绍常用的精度评定指标，如Dilution of Precision (DOP)值。我们将解释DOP值如何反映卫星几何构型对定位精度的影响。 多径效应与抑制技术： 重新深入探讨多径效应，并介绍接收机内部和外部可以采取的技术手段来减轻其不利影响，例如信号滤波、天线设计等。 第四章：GPS接收机的设计与实现 接收机架构概述： 本章将揭示GPS接收机的内部构造。我们将介绍典型的GPS接收机架构，包括天线、射频前端（RF Front-end）、中频（IF）处理、基带（Baseband）处理和导航处理等关键模块。 天线设计： 天线是接收GPS信号的第一道关卡。本章将讨论GPS天线的类型、性能要求以及如何在各种环境下实现最优的信号接收。 射频前端： 射频前端负责接收、放大和下变频卫星信号。我们将介绍低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）等关键器件的作用。 中频处理： 中频部分将接收到的射频信号进一步处理，以便于后续的基带采样和数字处理。 基带处理： 这是GPS接收机最为核心的部分，负责进行信号的捕获、跟踪、伪码和载波相位的测量。我们将详细介绍数字信号处理（DSP）技术在基带处理中的应用。 导航处理： 基带处理单元输出的测量值被传递给导航处理器，由其完成最终的定位解算。 关键技术模块详解： 信号捕获与跟踪： 详细阐述接收机如何高效地在复杂的信号环境中捕获到卫星信号，并稳定地跟踪其频率和相位。这将涉及各种搜索算法和跟踪环路的设计。 伪码和载波相位测量算法： 深入讲解实现精确伪码延迟和载波相位测量的具体算法，包括各种数字信号处理技术的应用。 导航信息解码： 接收机需要正确解码导航电文，以获取卫星的星历、时钟改正等信息。本章将介绍导航电文的解码流程。 位置解算算法： 详细分析接收机内部实现的位置解算算法，包括最小二乘法、卡尔曼滤波等，以及它们在提高定位精度和鲁棒性方面的作用。 误差补偿技术： 探讨接收机内部如何实现电离层、对流层延迟的补偿，以及如何应对多径效应等。 接收机的类型与应用： 介绍不同类型的GPS接收机，如单频接收机、双频接收机、高精度接收机（如RTK接收机）等，并讨论它们各自的特点、优缺点以及适用的应用场景。 第五章：GPS接收机的性能评估与测试 性能指标定义： 本章将系统性地介绍评估GPS接收机性能的关键指标，包括定位精度（静态、动态）、捕获灵敏度、跟踪灵敏度、冷启动/温启动/热启动时间、功耗、体积等。 测试方法与流程： 详细描述GPS接收机的各种测试方法。 实验室测试： 在可控环境下，利用GPS模拟器进行各种场景下的性能测试，以验证接收机在理想和非理想条件下的表现。 外场测试： 在实际应用环境中进行测试，例如在城市峡谷、山区、开阔地带等，以评估接收机在真实世界中的可靠性和鲁棒性。 精度评定： 如何通过统计学方法对实测数据进行分析，得出客观的定位精度评估结果。 常见的设计挑战与优化方向： 总结GPS接收机设计中面临的常见技术难题，例如信号丢失、捕获困难、功耗控制等，并探讨相应的优化策略和未来的发展趋势。 第六章：GPS的局限性与现代导航技术发展 GPS的固有局限： 尽管GPS功能强大，但也存在一些固有的局限性。本章将深入分析这些局限，包括： 信号易受干扰： 信号易被遮挡（如室内、地下）、干扰（如电子欺骗、噪声）和衰减（如多径）。 精度受限： 单独使用GPS的民用精度受限于系统设计（如选择性可用性）和误差源的影响。 非完整性： GPS信号可能因为卫星故障或地面控制问题而中断服务。 功耗问题： 尤其对于移动设备而言，GPS接收机的功耗是需要考虑的重要因素。 其他GNSS系统： 介绍除GPS之外的其他全球导航卫星系统（GNSS），如俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo、中国的北斗（BeiDou）以及区域导航卫星系统（如日本的QZSS、印度的IRNSS/NavIC）。 多GNSS融合： 探讨如何通过融合来自不同GNSS系统的数据来提高定位的可用性、精度和可靠性。 差分GPS（DGPS）与实时动态差分（RTK）： 详细解释这些差分技术的工作原理，以及它们如何显著提升GPS的定位精度，满足从一般测量到高精度测绘的需求。 组合导航技术： 介绍如何将GPS与其他导航传感器（如惯性测量单元IMU、里程计、视觉传感器等）进行融合，形成更强大的组合导航系统，克服GPS的局限性，实现全天候、全场景的精确导航。 第七章：GPS在各领域的应用拓展 交通运输： 汽车导航、航空管制、船舶定位、铁路调度等。 地理信息系统（GIS）与测绘： 地形测量、地图绘制、地籍管理、资源勘探等。 科学研究： 地球科学（如板块运动监测、地壳形变）、空间科学、气象学、大地测量学等。 应急响应与灾害管理： 搜救定位、灾情监测、灾区通信支持等。 农业： 精准农业、农机导航、作物监测等。 金融与通信： 时间同步、金融交易校时等。 军事与安全： 精确制导、部队定位、情报收集等。 总结与展望 本书从基础原理到接收机设计，再到应用拓展，全面梳理了GPS系统。通过深入理解GPS的每一个环节，读者能够掌握这项关键技术的精髓，并为未来的创新和研究奠定坚实的基础。展望未来，随着技术的不断进步，GNSS系统将更加集成化、智能化，为人类社会的发展带来更多可能。

评分☆☆☆☆☆

我是在一次项目攻坚阶段偶然翻到这本书的，当时我们团队在处理一个高动态环境下的定位精度问题，传统的定位模型开始出现明显的漂移。这本书中关于多径效应的抑制方法和电离层/对流层延迟模型的详细分析，简直像是及时雨。作者没有停留在罗列已有的模型，而是深入分析了不同模型参数对最终定位精度的敏感性，甚至探讨了如何根据特定地理区域的电离层特性来定制化地调整模型参数。这本书的叙事风格非常务实，它似乎是写给那些在工程现场摸爬滚打过的人看的，语言虽然专业，但逻辑清晰，直指痛点。相比其他一些过于侧重于历史背景或宏观概念介绍的书籍，这本更像是放在工作台旁边的“工具箱”，随时可以从中提取出解决实际难题的“零件”和“方法论”。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我更关注的是实际的工程实现和系统性能优化方面的内容，而这本书在这方面的细节处理，简直是让我眼前一亮。我特别留意了关于接收机中数字信号处理（DSP）部分的设计思路。作者对载波恢复环和码同步环的设计细节描述得非常到位，清晰地勾勒出了一个高性能接收机应该具备的各个模块的连接逻辑和参数选择依据。例如，书中对卡尔曼滤波在跟踪环路中的应用，不仅给出了理论框架，还探讨了实际应用中如何根据不同的信噪比环境动态调整权重，这一点在很多偏重理论的教材中是很难找到的。我甚至可以想象出拿着这本书，对照着实际的硬件框图，一步步去调试和优化接收机性能的场景。对于那些希望从“会用”GPS模块提升到“能设计”GPS核心器件的工程师来说，这本书的价值远超一般的参考手册，它提供的是一种系统思维方式和深层理解。

评分☆☆☆☆☆

这部关于GPS系统的专业书籍，从我一个刚接触卫星导航领域的研究生的角度来看，它无疑是一块硬邦邦的敲门砖。我特别欣赏作者在理论深度上的把控，书中对信号的产生、传播以及接收机内部复杂算法的阐述，简直是教科书级别的严谨。比如，在讲到伪距测量和差分定位技术时，作者没有采用那种蜻蜓点水式的介绍，而是深入挖掘了背后的数学模型和误差来源，光是理解那些复杂的矩阵运算和滤波器的推导过程，我就花了不少时间。这本书的优势在于，它把GPS系统从太空中的卫星一直延伸到地面接收机的芯片级设计，提供了一个非常完整的视角。不过，坦白说，对于初学者，尤其是那些更侧重于应用层开发的人来说，前半部分的基础理论部分可能会显得有些枯燥和晦涩，很多公式和物理背景知识需要读者具备扎实的电子工程和通信基础才能完全消化。但一旦跨过这道坎，后续章节中关于接收机架构设计和抗干扰策略的讨论，简直是宝藏，为我正在进行的课题研究提供了坚实的理论支撑和参考框架。

评分☆☆☆☆☆

作为一名偏爱使用最新技术和软件工具的年轻工程师，我最初对这种偏向硬件和底层原理的著作持保留态度。然而，阅读这本书的过程中，我逐渐认识到，任何高级应用和软件算法的最终性能，都受制于底层的物理原理和硬件实现。书中对抗干扰（Anti-Jamming）技术那几章的描述尤其令人印象深刻。它详细阐述了从简单的频域抑制到复杂的自适应波束形成技术在GPS信号接收中的应用逻辑，并结合了实际的性能提升数据进行佐证。这种理论与实践紧密结合的写作方式，极大地拓宽了我对“导航系统安全性”的理解。它不仅仅是关于如何拿到信号，更是关于如何在复杂、恶劣的电磁环境中保护信号的完整性和可用性，这在当前对自主导航依赖日益增强的背景下，显得尤为重要和前瞻。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排非常合理，它构建了一个从宏观到微观，再到系统集成的完整知识体系。我特别喜欢它在介绍完导航电文的结构和时钟误差处理之后，能够自然地过渡到接收机内部的软件架构设计。这种流畅的逻辑递进，使得读者在学习过程中不会感到知识点的碎片化。它不是一本帮你快速上手某个软件的速查手册，而是一本帮助你构建完整认知模型的“内功心法”。阅读完之后，你会发现，即使面对一个全新的GPS或GNSS系统，你也能迅速抓住其核心的定位原理、主要的误差源以及潜在的优化方向，这才是真正有价值的知识沉淀。它教会我的，是如何像一个系统架构师一样去思考整个定位链路，而不是仅仅停留在某个特定模块的参数调优上。