北斗/GPS双模软件接收机

--原理与实现技术

1. 本书简介

本书从电子工程和通信技术的角度详细讲解GPS和北斗双系统接收机的原理，在对GPS和北斗系统的历史演进进行介绍的同时，详细讲解了GPS和北斗接收机内部从信号跟踪与捕获，到卫星位置速度计算、观测量模型分析和定位导航解算的几乎所有信号处理理论，同时也融进了作者在该领域多年的研发经验和心得。全书在对理论知识进行详细阐述的同时，紧密结合理论知识点实现了一台GPS和北斗双系统软件接收机，给出了该软件接收机源代码，该源代码实现了本书讲解的所有理论知识点，读者可以在阅读本书理论部分的同时运行相应程序，理解和分析运行结果，同时也可以根据自身需求修改源代码，更快更好地理解GPS和北斗双系统接收机设计的理论，为进一步地深化学习打下坚实的基础。

本书内容翔实，理论和实践并重，适合电子、航空航天、测绘测控、自动控制、地理、交通、农林、遥感、规划等领域从事卫星导航定位专业的工程技术人员和科研院所人员，以及通信电子类专业的高年级本科生和研究生阅读，既可作为参考资料，也可作为教辅参考书。



2. 本书目录和丛书总序



目 录 第1章 定位、坐标系和时间标准 1 1.1 问题的提出 2 1.1.1 基本目的和基本定位系统 2 1.1.2 时钟问题 5 1.1.3 一个改进的系统 6 1.1.4 改进后系统的总结 10 1.2 常用坐标系 11 1.2.1 地心惯性坐标系 11 1.2.2 测地坐标系 12 1.2.3 ECEF坐标系 15 1.2.4 ENU或NED坐标系 19 1.2.5 运动本体坐标系 21 1.3 时间系统 23 1.3.1 太阳时和恒星时 23 1.3.2 力学时 24 1.3.3 原子时和协调世界时（UTC） 25 1.3.4 GPS时（GPST） 26 1.3.5 北斗时（BDT） 28 参考文献 29 第2章 GPS和北斗卫星导航系统简介 31 2.1 GPS系统的历史由来 32 2.2 GPS系统的构成 39 2.3 GPS的现代化计划 47 2.4　北斗导航系统概述 53 参考文献 60 第3章 GPS和北斗的信号格式与导航电文 63 3.1 GPS信号 64 3.1.1 GPS信号的产生机制 64 3.1.2 C/A码发生器 70 3.1.3 C/A码自相关和互相关特性 76 3.2 北斗信号 82 3.2.1 北斗信号结构 82 3.2.2 北斗伪随机码发生器 86 3.2.3 北斗伪随机码的自相关和互相关特性 90 3.3 导航电文 93 3.3.1 GPS导航电文 93 3.3.2 北斗导航电文 101 3.4 不同卫星信号的时间关系 111 参考文献 114 第4章 信号捕获和跟踪 117 4.1 信号捕获 119 4.1.1 信号捕获的基本概念 119 4.1.2 基于时域相关器的信号捕获 125 4.1.3 基于匹配滤波器的信号捕获 132 4.1.4 基于FFT的信号捕获 134 4.1.5 短时相关匹配滤波器和FFT结合的信号捕获 139 4.1.6 基于数据分块和频率补偿的信号捕获 145 4.1.7 信号捕获的门限设定 153 4.1.8 相干积分和非相干积分 157 4.2 信号跟踪 163 4.2.1 基本的锁相环 164 4.2.2 线性锁相环的热噪声性能分析 173 4.2.3 载波跟踪环 175 4.2.4 伪码跟踪环 186 4.2.5 跟踪环实现和调试中的问题 197 4.2.6 比特同步 214 4.2.7 子帧同步 219 参考文献 222 第5章 双模观测量提取和误差分析 227 5.1 伪距观测量 228 5.2 载波相位观测量 233 5.3 多普勒频率和积分多普勒观测量 236 5.4 观测量误差特性分析 240 5.4.1 卫星时钟误差 241 5.4.2 星历误差 242 5.4.3 电离层延迟 244 5.4.4 对流层延迟 247 5.4.5 多径效应 249 5.4.6 接收机误差 253 5.5 差分GNSS技术 253 参考文献 267 第6章 卫星位置和速度的计算 271 6.1 卫星轨道理论 272 6.2 GPS卫星和北斗MEO/IGSO卫星 279 6.3 北斗GEO卫星 284 6.4 卫星位置和速度的插值计算 287 6.5 精密星历和星历扩展 289 参考文献 294 第7章 位置、速度和时间解算 297 7.1 最小二乘法解算 298 7.1.1 基本原理 298 7.1.2 加权的最小二乘法 301 7.1.3 利用伪距观测量计算位置和钟偏 304 7.1.4 利用多普勒观测量计算速度和钟漂 311 7.1.5 卫星的仰角和方位角 313 7.1.6 几何精度因子 316 7.1.7 接收机自主完好性监测（RAIM） 322 7.2 卡尔曼滤波解算 328 7.2.1 递归最小二乘法 328 7.2.2 基本的卡尔曼滤波器 333 7.2.3 从连续时间系统到离散时间系统 336 7.2.4 扩展卡尔曼滤波器 339 7.2.5 接收机中常用的几种KF模型 342 7.2.6 卡尔曼滤波具体实现中的技术处理 351 7.3 最小二乘法和卡尔曼滤波总结 356 参考文献 360 第8章 射频前端 363 8.1 卫星信号的发射与接收 364 8.2 级联系统的噪声系数 367 8.3 带通采样原理 369 8.4 中频采样方案和射频采样方案 373 8.4.1 中频采样方案 373 8.4.2 射频采样方案 376 8.5 自动增益控制（AGC）和量化位宽 380 8.6 射频载噪比和基带信噪比的关系 384 8.7 射频前端频率方案实例分析 386 参考文献 388 第9章 北斗和GPS双模软件接收机的实现 391 9.1 双模软件接收机的信号源 392 9.2 双模接收机的软件模块和程序运行界面 395 9.3 双模接收机数据处理结果 400 附录A 基本矩阵和向量运算 409 A.1 逆矩阵及其性质 410 A.2 矩阵的特征值和特征向量 411 A.3 二次型和有定矩阵 412 A.4 几种重要的矩阵分解 414 A.5 矩阵分析初步 418 附录B 直角坐标系的转换和旋转 421 附录C NBP和WBP的均值和方差 429 附录D 和卫星椭圆轨道相关的推导 433 附录E 电离层延迟的Klobuchar模型 437

总　　序 孙家栋 院士 “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。



3. 本书源代码和使用说明

源程序下载： GnssRcvr_V14.rar




北斗GPS双模中频数据文件下载：UTREK210_16369000_70s.DAT，提取码: 829c




使用说明：

首先解压缩 GnssRcvr_V14.rar， 在GnssRcvr_V14目录下有如下子目录和文件：

<Acquisition>	：接收机初始化、GPS和BD伪随机码产生、各种LUT的产生、信号捕获的实现
<Navmsg>	：GPS和BD信号的子帧同步、GPS数据校验和BD数据的BCH校验、星历数据的解调
<Tracking>	：根据信号捕获的结果分配跟踪通道、GPS和BD的信号跟踪、比特同步、观测量的提取
<PVT>	：PVT解算、最小二乘法解算、卡尔曼滤波解算、ECEF到LLH坐标转换、GPS和BD卫星位置和速度的计算
<GUI>	：图形界面的产生和更新
startRun.m	：主程序文件

在Matlab环境下，将当前工作目录设置为源代码根目录，将UTREK210_16369000_70s.DAT拷贝到源代码根目录，然后运行如下命令startRun，则会出现如下软件界面：



点击界面左上角的start按钮，则程序开始运行，在程序运行过程中可以点击stop按钮终止程序运行。在程序运行过程中，为了直观地显示数据处理的结果和程序运行的状态，程序运行界面共分为6大部分，分别是数据文件信息区、处理进度信息区、处理消息区、基带信号处理信息区、最小二乘结果区和卡尔曼滤波结果区。

数据文件信息区主要显示当前进行处理的数据文件名、中频采样频率值、理论中频频率值和GPS/BD模式，如下图所示。这些信息是软件接收机进行处理的必要信息，通过对脚本文件ReadGnssConfig.m进行修改。



处理进度信息区显示当前正在处理的数据文件总时长以及正在处理掉的采样时刻，和处理的百分比进度，如下图所示。其中总时长和正在处理的时刻均用毫秒来表示。



处理消息区显示在数据处理的过程中的关键信息，如信号捕获的结果、比特同步和子帧同步的结果、本地时间的初始化、星历数据解调的结果等等，如下图所示：



信号跟踪过程中的状态量在基带信号处理信息区显示，这些信息包括卫星号、卫星种类（G表示GPS卫星，B表示北斗卫星）、子帧同步、Z-Count（或TOW）值、码跟踪频率、载波跟踪频率、伪距观测量、多普勒观测量、IQ积分值、CN0、卫星的仰角和幅角等，如下图所示：



随着星历解调的完成、本地时间的确定、以及伪距和载波频率观测量的提取，接收机软件开始进行PVT解算，最初的解算算法是通过最小二乘法完成的，计算的结果包括了ECEF坐标系和经纬高坐标系中的位置、ECEF坐标系的速度、钟差和钟漂量、几何精度因子等信息，如下图所示：



更进一步的PVT解算通过卡尔曼滤波来完成，本软件接收机中的卡尔曼滤波是系统状态，分别是[x,y,z,b,vx,vy,vz,dr,Tgb]，其中[x,y,z]为ECEF坐标系里的位置，[vx,vy,vz]为ECEF坐标系里的速度量，[b,dr]分别是时钟钟差、钟漂，这些量的更新及误差值均在Fig 7中显示，如下图所示：



在程序运行过程，可以点击界面上部的三个View按钮实现“示波器”功能，其中View Track按钮可以显示各个跟踪通道的I、Q积分和EPL积分结果，从而使观察者实时观察信号跟踪过程中的瞬态响应；View LS按钮显示了最小二乘法的定位结果在时间轴上的曲线，View KF按钮显示了卡尔曼滤波的系统状态的值、修正量和协方差矩阵元素在时间轴的曲线。 分别如下面三张图片所示：







一个需要用户注意的地方是Tracking子目录下的SignalTrackingByC.c源文件，如果用户的Windows平台是32位系统，则无需任何改动就可以直接运行startRun文件开始处理；如果用户的Windows平台是64为系统，则需要将SignalTrackingByC.c转换为64平台下的.m文件，即输入以下命令：

Mex SignalTrackingByC.c

对于其他操作系统上运行的Matalb版本，如Linux或苹果公司的Macintosh系统来说，也需要运行mex命令将SignalTrackingByC.c转换各自平台上的m文件即可。

4. 勘误表

错误难免，勘误如下：

hlml版本
pdf版本

欢迎广大读者及时发现新的错误并通知作者以便及时更新勘误!

5. 配套资源

虽然大多数读者通过对上述源代码的学习和对上面链接中的GPS/北斗中频数据文件进行处理可以学习大部分有关卫星导航的理论知识，但根据笔者上一本书的读者的反馈，还是有一部分读者希望能够拥有更多场景下的数据文件以便进行更深层次的学习和探索，所以鉴于此笔者在业余时间开发了和本书代码配套的GPS/北斗双模数据采集系统，实际上本书第九章实现部分所采用的GPS/BDS双模数据文件 UTREK210_16369000_70s.DAT 文件就是利用这套系统UTREK210采集得到的，所以在此借着本书的出版做一个小广告 ^_^

和本书配套的GPS/北斗双模中频数据采集系统UTREK210和UTREK220已经授权北京捷星广达科技有限公司生产销售，其产品性能和参数如下表：

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型号	支持的GNSS信号	工作方式	数据手册和使用说明
UTREK210	GPS L1-CA 1575.42MHz BDS B1-I 1561.098MHz	中频数据采集、后处理软件接收机、实时软件接收机	实时软件接收机使用手册
UTREK210A	GPS L1-CA 1575.42MHz BDS B1-I 1561.098MHz + B1-C 1575.42MHz	中频数据采集、后处理软件接收机、实时软件接收机	实时软件接收机使用手册
UTREK220	GPS L1-CA 1575.42MHz， L2C 1227.6MHz BDS B1-I 1561.098MHz，B2-I 1207.14MHz	中频数据采集、后处理软件接收机、实时软件接收机	UTREK220产品简介

另外和本书有关的中频数据采集系统和软件接收机产品还有： >

型号	支持的GNSS信号	工作方式	数据手册和使用说明
UTREK310	GPS L1-CA 1575.42MHz Glonass N1 1602.0MHz	中频数据采集、后处理软件接收机、实时软件接收机	实时软件接收机使用手册
UTREK410	GPS L1-CA 1575.42MHz Galileo E1 1575.42MHz	中频数据采集、后处理软件接收机、实时软件接收机	实时软件接收机使用手册
UTREK320	GPS L1-CA 1575.42MHz， L2C 1227.6MHz Glonass N1 1602.0MHz，N2 1246.0MHz	中频数据采集、后处理软件接收机、实时软件接收机	使用手册正在开发中...

上述所有产品均包括GNSS中频数据的实时采集、实时和后处理的软件接收机对中频文件进行处理，所以适用于GNSS信号处理算法研究人员、接收机研发人员、高校或研究所相关专业学生学习使用，其中UTREK210产品可以直接和本书配套的MATLAB软件接收机使用，其他产品的中频数据需要对本书的MATLAB软件接收机代码进行必要的修改才能处理。 上述所有产品的软硬件均由鲁郁博士自行开发完成，购买上述产品的用户将由鲁郁博士亲自提供技术支持服务。

欲购买上述产品的用户可以联系捷星广达科技有限公司010-56230905，也可以通过下面鲁郁博士的联系方式联系。

6. 联系作者

作者电子邮件：lugnss@139.com

 

如果读者朋友对本书有建议、意见，对技术细节有不明之处，甚至创业想法，都可以和鲁郁博士联系。

为了方便对GNSS技术感兴趣的各界朋友相互交流，特建立GPS/北斗接收机技术讨论微信群，下面是群二维码