GPS原理與接收機設計 謝鋼 電子工業齣版社 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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謝鋼 著

圖書標籤:

• GPS
• 衛星導航
• 接收機設計
• 信號處理
• 定位技術
• 電子工程
• 謝鋼
• 電子工業齣版社
• 導航係統
• 無綫通信

店鋪： 北尚圖書專營店

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121305399

商品編碼：29726733718

包裝：平裝-膠訂

齣版時間：2017-01-01

基本信息

書名:GPS原理與接收機設計

定價：79.00元

售價：51.4元,便宜27.6元,摺扣65

作者:謝鋼

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2017-01-01

ISBN：9787121305399

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝-膠訂

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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本書係統、透徹地闡述瞭GPS及其接收機設計的各項相關內容，包括GPS信號結構、時空坐標係、測量值、定位原理、卡爾曼濾波、接收機的射頻前端、信號捕獲和信號跟蹤。此外，本書還介紹瞭差分精密定位、GPS與慣性導航的組閤和地圖匹配三方麵GPS應用技術，並對多路徑、電磁乾擾、互相關乾擾、高靈敏度GPS、輔助GPS等關鍵課題做瞭論述。本書理論分析清晰，實用性強，並且內容力求反映近些年來齣現的GPS*技術和成果。

目錄

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作者介紹

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謝鋼 清華大學電工程係學士，波士頓大學電子與計算機工程碩士，斯坦福大學電氣工程博士。摩托羅拉等多傢高科技公司高級工程師，主要從事GPS接收機的研究與開發工作。

文摘

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序言

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《全球定位係統原理與接收機設計》 第一部分：全球定位係統（GPS）的科學基礎與技術演進 全球定位係統（GPS）作為一項革命性的空間技術，自其誕生以來，已深刻地改變瞭人類的導航、測量、通信以及科學研究方式。本書旨在係統性地闡述GPS的科學原理、核心技術及其在現代社會中的廣泛應用，並深入探討GPS接收機設計中的關鍵環節。 第一章：GPS概覽與曆史淵源 GPS的定義與使命： 本章首先界定GPS是什麼，它究竟是如何工作的。我們將從其基本概念齣發，解釋GPS如何利用衛星信號為地球上的用戶提供精確的位置、速度和時間信息。它不僅僅是一個導航工具，更是一個全球性的基礎設施，支撐著無數現代應用。 曆史發展脈絡： GPS並非一夜之間齣現，而是經曆瞭漫長的技術積纍和發展。本章將追溯其前身——各種導航係統的演變，如LORAN、DECCA等，以及美國國防部在冷戰背景下啓動和發展GPS項目的曆史進程。瞭解這些曆史背景，有助於我們理解GPS設計中的一些決策和演進方嚮。我們將重點關注“NAVSTAR GPS”（導航信號與測距全球定位係統）的誕生和發展，包括其早期測試、係統部署和最終的全麵啓用。 GPS係統架構： 深入剖析GPS係統的組成部分，包括空間段（衛星星座）、地麵控製段（主控站、監測站、注入站）和用戶段（GPS接收機）。我們將詳細介紹各個部分的職責和相互協作關係，解釋它們如何共同構成一個穩定、可靠的全球導航係統。例如，空間段提供導航信號，地麵控製段負責衛星的健康監測、軌道預報和時鍾校準，而用戶段則負責接收信號並進行解算。 GPS對現代社會的意義： 簡要概述GPS對全球經濟、社會生活、科學研究以及國防安全産生的深遠影響。從日常生活中的手機導航，到精準農業、航空航天、地震監測、災害救援，再到軍事行動的精確製導，GPS的應用無處不在，其重要性不言而喻。 第二章：GPS信號的産生與傳播 衛星信號的奧秘： 本章聚焦於GPS衛星所産生的導航信號。我們將詳細講解GPS信號的結構，包括載波頻率（L1、L2、L5等）、僞隨機噪聲（PRN）碼（C/A碼、P碼）和導航電文。理解這些編碼和調製方式是理解GPS工作原理的關鍵。 導航電文詳解： 導航電文是GPS信號的核心組成部分，它包含瞭衛星的軌道參數（星曆）、時鍾修正信息、電離層延遲模型以及係統狀態等關鍵數據。本章將深入解析導航電文的各個字段含義，以及這些信息如何幫助接收機進行精確的測距和定位。 信號傳播路徑與誤差源： GPS信號從衛星傳播到地麵用戶，其路徑並非完全暢通無阻。本章將詳細分析信號傳播過程中可能遇到的各種誤差源，這是理解GPS定位精度的關鍵。 電離層延遲： 衛星信號穿過電離層時會發生摺射和延遲，這是GPS定位中最主要的誤差源之一。我們將介紹電離層延遲的特性、影響因素以及接收機如何通過模型或雙頻測量來補償。 對流層延遲： 信號穿過對流層時也會産生延遲，盡管其影響相對較小，但對於高精度應用而言仍不可忽視。本章將探討對流層延遲的特點及其修正方法。 多路徑效應： 衛星信號可能在用戶周圍的建築物、地形等反射後到達接收機，導緻接收機接收到的信號並非直達信號，從而引入誤差。本章將分析多路徑效應的成因及抑製策略。 接收機噪聲： 接收機自身的電子元器件會産生隨機噪聲，影響信號的測量精度。 衛星時鍾誤差與軌道誤差： 盡管地麵控製段會努力校準，但衛星自身的時鍾和軌道仍然可能存在微小的偏差，這些偏差也會傳遞到定位結果中。 第三章：GPS定位原理與測量方法 測距原理：僞距離測量 時間測距： GPS定位的基礎是測量衛星到接收機之間的距離。本章將詳細闡述GPS如何通過測量信號傳播的時間來計算距離。我們將引入“僞距離”的概念，解釋為什麼在GPS係統中使用的距離被稱為僞距離，以及它與真實距離的區彆。 僞碼測量： 接收機通過匹配從衛星接收到的僞隨機噪聲（PRN）碼與本地産生的相同僞隨機噪聲碼，來確定信號到達的時間差，進而計算齣僞距離。本章將深入解析僞碼捕獲和跟蹤的過程。 載波相位測量： 除瞭僞距離，GPS接收機還可以測量衛星信號的載波相位。載波相位測量具有更高的精度，是實現高精度定位（如RTK）的關鍵。本章將介紹載波相位測量的原理及其優勢。 定位解算：三維空間中的解 基本定位方程： 本章將推導GPS定位的基本數學方程。一個用戶需要至少接收到四顆衛星的信號纔能在三維空間中確定其位置（經度、緯度、高程）和接收機時鍾偏差。我們將展示如何通過聯立多顆衛星的距離方程來解算用戶的位置。 僞距離法（Point Positioning）： 詳細講解基於僞距離的單點定位算法，包括其數學模型、觀測方程以及解算過程。 載波相位定位法： 介紹基於載波相位測量的定位方法，包括模糊度解算等關鍵技術，以及如何利用這些技術實現厘米級甚至毫米級的定位精度。 誤差分析與精度評定： 討論影響GPS定位精度的各種因素，並介紹常用的精度評定指標，如Dilution of Precision (DOP)值。我們將解釋DOP值如何反映衛星幾何構型對定位精度的影響。 多徑效應與抑製技術： 重新深入探討多徑效應，並介紹接收機內部和外部可以采取的技術手段來減輕其不利影響，例如信號濾波、天綫設計等。 第四章：GPS接收機的設計與實現 接收機架構概述： 本章將揭示GPS接收機的內部構造。我們將介紹典型的GPS接收機架構，包括天綫、射頻前端（RF Front-end）、中頻（IF）處理、基帶（Baseband）處理和導航處理等關鍵模塊。 天綫設計： 天綫是接收GPS信號的第一道關卡。本章將討論GPS天綫的類型、性能要求以及如何在各種環境下實現最優的信號接收。 射頻前端： 射頻前端負責接收、放大和下變頻衛星信號。我們將介紹低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）等關鍵器件的作用。 中頻處理： 中頻部分將接收到的射頻信號進一步處理，以便於後續的基帶采樣和數字處理。 基帶處理： 這是GPS接收機最為核心的部分，負責進行信號的捕獲、跟蹤、僞碼和載波相位的測量。我們將詳細介紹數字信號處理（DSP）技術在基帶處理中的應用。 導航處理： 基帶處理單元輸齣的測量值被傳遞給導航處理器，由其完成最終的定位解算。 關鍵技術模塊詳解： 信號捕獲與跟蹤： 詳細闡述接收機如何高效地在復雜的信號環境中捕獲到衛星信號，並穩定地跟蹤其頻率和相位。這將涉及各種搜索算法和跟蹤環路的設計。 僞碼和載波相位測量算法： 深入講解實現精確僞碼延遲和載波相位測量的具體算法，包括各種數字信號處理技術的應用。 導航信息解碼： 接收機需要正確解碼導航電文，以獲取衛星的星曆、時鍾改正等信息。本章將介紹導航電文的解碼流程。 位置解算算法： 詳細分析接收機內部實現的位置解算算法，包括最小二乘法、卡爾曼濾波等，以及它們在提高定位精度和魯棒性方麵的作用。 誤差補償技術： 探討接收機內部如何實現電離層、對流層延遲的補償，以及如何應對多徑效應等。 接收機的類型與應用： 介紹不同類型的GPS接收機，如單頻接收機、雙頻接收機、高精度接收機（如RTK接收機）等，並討論它們各自的特點、優缺點以及適用的應用場景。 第五章：GPS接收機的性能評估與測試 性能指標定義： 本章將係統性地介紹評估GPS接收機性能的關鍵指標，包括定位精度（靜態、動態）、捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、冷啓動/溫啓動/熱啓動時間、功耗、體積等。 測試方法與流程： 詳細描述GPS接收機的各種測試方法。 實驗室測試： 在可控環境下，利用GPS模擬器進行各種場景下的性能測試，以驗證接收機在理想和非理想條件下的錶現。 外場測試： 在實際應用環境中進行測試，例如在城市峽榖、山區、開闊地帶等，以評估接收機在真實世界中的可靠性和魯棒性。 精度評定： 如何通過統計學方法對實測數據進行分析，得齣客觀的定位精度評估結果。 常見的設計挑戰與優化方嚮： 總結GPS接收機設計中麵臨的常見技術難題，例如信號丟失、捕獲睏難、功耗控製等，並探討相應的優化策略和未來的發展趨勢。 第六章：GPS的局限性與現代導航技術發展 GPS的固有局限： 盡管GPS功能強大，但也存在一些固有的局限性。本章將深入分析這些局限，包括： 信號易受乾擾： 信號易被遮擋（如室內、地下）、乾擾（如電子欺騙、噪聲）和衰減（如多徑）。 精度受限： 單獨使用GPS的民用精度受限於係統設計（如選擇性可用性）和誤差源的影響。 非完整性： GPS信號可能因為衛星故障或地麵控製問題而中斷服務。 功耗問題： 尤其對於移動設備而言，GPS接收機的功耗是需要考慮的重要因素。 其他GNSS係統： 介紹除GPS之外的其他全球導航衛星係統（GNSS），如俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo、中國的北鬥（BeiDou）以及區域導航衛星係統（如日本的QZSS、印度的IRNSS/NavIC）。 多GNSS融閤： 探討如何通過融閤來自不同GNSS係統的數據來提高定位的可用性、精度和可靠性。 差分GPS（DGPS）與實時動態差分（RTK）： 詳細解釋這些差分技術的工作原理，以及它們如何顯著提升GPS的定位精度，滿足從一般測量到高精度測繪的需求。 組閤導航技術： 介紹如何將GPS與其他導航傳感器（如慣性測量單元IMU、裏程計、視覺傳感器等）進行融閤，形成更強大的組閤導航係統，剋服GPS的局限性，實現全天候、全場景的精確導航。 第七章：GPS在各領域的應用拓展 交通運輸： 汽車導航、航空管製、船舶定位、鐵路調度等。 地理信息係統（GIS）與測繪： 地形測量、地圖繪製、地籍管理、資源勘探等。 科學研究： 地球科學（如闆塊運動監測、地殼形變）、空間科學、氣象學、大地測量學等。 應急響應與災害管理： 搜救定位、災情監測、災區通信支持等。 農業： 精準農業、農機導航、作物監測等。 金融與通信： 時間同步、金融交易校時等。 軍事與安全： 精確製導、部隊定位、情報收集等。 總結與展望 本書從基礎原理到接收機設計，再到應用拓展，全麵梳理瞭GPS係統。通過深入理解GPS的每一個環節，讀者能夠掌握這項關鍵技術的精髓，並為未來的創新和研究奠定堅實的基礎。展望未來，隨著技術的不斷進步，GNSS係統將更加集成化、智能化，為人類社會的發展帶來更多可能。

評分☆☆☆☆☆

我是在一次項目攻堅階段偶然翻到這本書的，當時我們團隊在處理一個高動態環境下的定位精度問題，傳統的定位模型開始齣現明顯的漂移。這本書中關於多徑效應的抑製方法和電離層/對流層延遲模型的詳細分析，簡直像是及時雨。作者沒有停留在羅列已有的模型，而是深入分析瞭不同模型參數對最終定位精度的敏感性，甚至探討瞭如何根據特定地理區域的電離層特性來定製化地調整模型參數。這本書的敘事風格非常務實，它似乎是寫給那些在工程現場摸爬滾打過的人看的，語言雖然專業，但邏輯清晰，直指痛點。相比其他一些過於側重於曆史背景或宏觀概念介紹的書籍，這本更像是放在工作颱旁邊的“工具箱”，隨時可以從中提取齣解決實際難題的“零件”和“方法論”。

評分☆☆☆☆☆

這部關於GPS係統的專業書籍，從我一個剛接觸衛星導航領域的研究生的角度來看，它無疑是一塊硬邦邦的敲門磚。我特彆欣賞作者在理論深度上的把控，書中對信號的産生、傳播以及接收機內部復雜算法的闡述，簡直是教科書級彆的嚴謹。比如，在講到僞距測量和差分定位技術時，作者沒有采用那種蜻蜓點水式的介紹，而是深入挖掘瞭背後的數學模型和誤差來源，光是理解那些復雜的矩陣運算和濾波器的推導過程，我就花瞭不少時間。這本書的優勢在於，它把GPS係統從太空中的衛星一直延伸到地麵接收機的芯片級設計，提供瞭一個非常完整的視角。不過，坦白說，對於初學者，尤其是那些更側重於應用層開發的人來說，前半部分的基礎理論部分可能會顯得有些枯燥和晦澀，很多公式和物理背景知識需要讀者具備紮實的電子工程和通信基礎纔能完全消化。但一旦跨過這道坎，後續章節中關於接收機架構設計和抗乾擾策略的討論，簡直是寶藏，為我正在進行的課題研究提供瞭堅實的理論支撐和參考框架。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結構安排非常閤理，它構建瞭一個從宏觀到微觀，再到係統集成的完整知識體係。我特彆喜歡它在介紹完導航電文的結構和時鍾誤差處理之後，能夠自然地過渡到接收機內部的軟件架構設計。這種流暢的邏輯遞進，使得讀者在學習過程中不會感到知識點的碎片化。它不是一本幫你快速上手某個軟件的速查手冊，而是一本幫助你構建完整認知模型的“內功心法”。閱讀完之後，你會發現，即使麵對一個全新的GPS或GNSS係統，你也能迅速抓住其核心的定位原理、主要的誤差源以及潛在的優化方嚮，這纔是真正有價值的知識沉澱。它教會我的，是如何像一個係統架構師一樣去思考整個定位鏈路，而不是僅僅停留在某個特定模塊的參數調優上。

評分☆☆☆☆☆

作為一名偏愛使用最新技術和軟件工具的年輕工程師，我最初對這種偏嚮硬件和底層原理的著作持保留態度。然而，閱讀這本書的過程中，我逐漸認識到，任何高級應用和軟件算法的最終性能，都受製於底層的物理原理和硬件實現。書中對抗乾擾（Anti-Jamming）技術那幾章的描述尤其令人印象深刻。它詳細闡述瞭從簡單的頻域抑製到復雜的自適應波束形成技術在GPS信號接收中的應用邏輯，並結閤瞭實際的性能提升數據進行佐證。這種理論與實踐緊密結閤的寫作方式，極大地拓寬瞭我對“導航係統安全性”的理解。它不僅僅是關於如何拿到信號，更是關於如何在復雜、惡劣的電磁環境中保護信號的完整性和可用性，這在當前對自主導航依賴日益增強的背景下，顯得尤為重要和前瞻。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我更關注的是實際的工程實現和係統性能優化方麵的內容，而這本書在這方麵的細節處理，簡直是讓我眼前一亮。我特彆留意瞭關於接收機中數字信號處理（DSP）部分的設計思路。作者對載波恢復環和碼同步環的設計細節描述得非常到位，清晰地勾勒齣瞭一個高性能接收機應該具備的各個模塊的連接邏輯和參數選擇依據。例如，書中對卡爾曼濾波在跟蹤環路中的應用，不僅給齣瞭理論框架，還探討瞭實際應用中如何根據不同的信噪比環境動態調整權重，這一點在很多偏重理論的教材中是很難找到的。我甚至可以想象齣拿著這本書，對照著實際的硬件框圖，一步步去調試和優化接收機性能的場景。對於那些希望從“會用”GPS模塊提升到“能設計”GPS核心器件的工程師來說，這本書的價值遠超一般的參考手冊，它提供的是一種係統思維方式和深層理解。