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本书专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，自行对运行结果进行理解和分析，同时也可以根据自身需求对源代码进行修改，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。

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
“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 　
前    言
全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是利用空间卫星实现定位和导航目的的系统，这项技术在早期只为少数专业人士所熟悉，在GPS发展的早期，应用最多的领域是军事国防、精密制导、国土测绘、专业测量、大气层研究等，但在21世纪的今天，普通大众发现在日常生活中越来越离不开这项技术，如今随处可见的车辆导航、手机导航、儿童防丢手表、基于位置的服务等就是明证。
目前，世界上主要的GNSS系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗系统和欧盟的Galileo系统。GPS是发展最为成熟、市场接收度也最高的系统；GLONASS的发展受苏联解体的影响，一度处于停滞状态，但在进入21世纪以后发展迅速；中国的北斗系统虽然起步较晚，但发展速度很快，已经于2012年12月建成覆盖中国和部分亚太地区的区域服务系统，并计划于2020年建成覆盖全球的全球服务系统。
在这种背景下，国内相关科研技术人员对于北斗接收机研究和设计的技术书籍一直比较期待，而由于北斗系统目前还处于不断发展过程中，有些方面还存在不够完善的地方，所以成熟的技术文献资料还比较少，本书的出版在一定程度上顺应了这种呼声，为国内从事北斗接收机研发设计以及算法研究的人员提供了一本参考资料。
本书的前期工作基础是笔者2009年在电子工业出版社出版的《GPS全球定位接收机——原理与软件实现》。在编写完那本书以后，笔者又在北斗接收机的系统设计和算法研究方面做了一部分工作，但主要集中在工程实现方面，后来又实现了GPS和北斗双系统的软件接收机，对于一些以前不太明白的理论问题有了更深刻的理解和认识。早在2011年，电子工业出版社的宋梅编审便邀请我写一本有关北斗接收机的专业书籍，但由于感觉自己的技术积累不是太充足，加之北斗系统还在不断完善和演进之中，很多技术并没有成熟和稳定下来，略显重复恐有误人子弟之嫌，所以一直没有应承下来。后来宋梅编审的一再鼓励使我打消了顾虑，因为像北斗系统这样发展迅速的技术领域，一味地等待技术的成熟和稳定将是不现实的，阶段性的总结和讨论也是很有意义的，由此便有了本书的问世。
本书内容共9章：第1章对GNSS系统中使用的空间系统和时间系统进行了介绍，对定位的基本原理做了简介，使读者（尤其是初学者）能够对整个系统的框架有一个基本认识；第2章详细描述了GPS和北斗系统的历史由来，并对两个GNSS系统目前的状况和未来的发展趋势进行了阐述；第3章对GPS和北斗的信号格式和导航电文格式进行了讲解，这一章是后续理解基带信号处理的基础，也是接收机设计中实现数据解调、比特同步、载波同步、子帧同步等功能的理论基础；第4章用较大的篇幅讲解了信号捕获和跟踪的理论原理，详细分析了目前工程实际中使用的几种信号捕获的技术方案，同时对载波跟踪和伪码跟踪的原理进行了理论分析，这一章最后还分析了GPS和北斗子帧同步技术，并进行了对比；第5章讲解了GNSS接收机常用的观测量，包括伪距观测量、载波相位观测量和多普勒观测量，在分析观测量的数学原理的同时，也对其噪声特性进行了分析，这一章是后续理解PVT解算的基础；第6章分析了卫星的位置和速度的计算方法，包括GPS卫星和北斗GEO/MEO/IGSO卫星，对现在市场上主流的商业接收机中使用的扩展星历技术进行了简要介绍；第7章详细讲解了位置、速度和时间解算的理论和具体方法，分析了目前接收机中几种常用的卡尔曼滤波模型，这一章包括一部分状态参数估计的理论，以及最小二乘法和卡尔曼滤波方法的原理；第8章主要讲解了接收机中的射频前端，对其中的理论原理和性能参数的选择进行了详细分析，并结合实例给出射频前端设计要点，这一章内容可以帮助读者将接收机作为一个整体来理解；第9章详细讲解了根据本书所涵盖的理论原理而设计的GPS和北斗双系统软件接收机的源代码，同时对一段实际采集的GPS和北斗双模中频信号进行处理，以数据曲线、图形等直观的形式给出了数据处理的结果，包括信号捕获、信号跟踪、位置速度和时间解算等结果，建议读者在阅读这一章时结合软件接收机源代码一起阅读，这样能够将前几章讲解的理论部分融会贯通，起到事半功倍的效果。由于书中理论部分的一些公式推导稍显烦琐，所以作为附录在书后单列出来，感兴趣的读者可以阅读。
在工程技术领域，知易行难。只有真正去“行”了，才能实现真正的“知”，在GNSS接收机技术领域更是如此。鉴于此，在组织本书材料的过程中，实现GPS和北斗双模软件接收机的源代码是不得不着重提出的一点。这些源代码用C语言和Matlab语言编写，实现了从信号捕获、载波和伪码跟踪、子帧同步、电文解调、卫星星历位置计算、PVT解算（LSQ和卡尔曼滤波）的全部功能，读者可以对代码进行修改以适应自身需要，也可以在此基础上实现自己的软件接收机。全部源代码可以从网站http://www.gnssbook.cn/上免费下载，笔者的电子邮件和微信联系方式也可以在该网站上找到，欢迎读者交流。
在本书编写过程中，得到了笔者在中国科学院微电子研究所工作时的同事们的支持，他们睿智的头脑总能给我启发，让我收益颇多；电子工业出版社的宋梅编审给我最大的鼓励，没有她的鼓励我甚至不可能动笔；中国科学院微电子研究所的硕士研究生黄健参与了本书初稿的校对，并参与了软件接收机源代码中图形界面的编写。在此，对上述人士一并表示感谢。我还需要感谢的是我的妻子何炎女士和我的孩子们，他们是我不断前行的动力。
由于自己的学识和经验有限，加之GPS和北斗系统还在快速发展和完善中，在全书编写过程中，错误和纰漏在所难免，希望通过本书结交更多的朋友，也欢迎广大的读者朋友批评斧正，共同提高。
鲁郁   
2016年1月

卫星导航-软件接收机

鲁郁： 河南信阳人， 1997年和2000年从北京大学电子学系获得学士和硕士学位，2006年从美国加州大学Riverside分校获得博士学位，在博士学习期间开始接触GPS技术，参与了GPS软件接收机开源项目，博士毕业后在美国硅谷创业公司从事GPS芯片的研发和设计。2009年归国后，先后在中国科学院微电子研究所和展讯通信有限公司任职。鲁郁博士从2001年开始一直坚持在卫星导航领域从事技术开发和算法研究工作，参与或主持了多款卫星导航芯片和系统的设计，在卫星导航技术领域有深厚的积累，近年来主要从事GPS/北斗卫星导航技术工程化和产业化方面的工作。

鲁郁博士多年来一直致力于卫星导航研发工作，长期工作于卫星导航领域的前沿，本书是他和他的团队的最新科研成果与实践的总结，是北斗/GPS双模接收机设计理论和方法方面少有的一本具有实际指导和借鉴作用的专著。

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北斗/GPS双模软件接收机原理与实现技术