新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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姚铮，陆明泉著 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121285226

商品编码：25573810994

出版时间：2016-04-01

作  者:姚铮,陆明泉 著 定  价:68 出 版 社:电子工业出版社 出版日期:2016年04月01日 页  数:242 装  帧:平装 ISBN:9787121285226 ●第1章绪论1
●1.1本章引言2
●1.2卫星导航系统的发展与现状4
●1.2.1GNSS的前身4
●1.2.2GPS及其现代化6
●1.2.3GLONASS及其现代化7
●1.2.4Galileo系统8
●1.2.5北斗卫星导航系统9
●1.3导航信号的重要性11
●1.4卫星导航信号体制的发展12
●1.4.1GPS信号体制的发展12
●1.4.2Galileo系统信号体制的发展13
●1.4.3北斗系统信号体制的发展14
●参考文献16
●第2章卫星导航信号的结构21
●2.1本章引言22
●2.2卫星导航的基本原理22
●2.2.1通过测距信号确定位置22
●2.2.2位置估计的线性化方法25
●2.2.3用户位置的精度25
●部分目录

内容简介

本书是靠前上靠前本比较深入系统地论述新一代卫星导航系统信号设计理论与技术的学术专著，全面阐述了卫星导航系统信号设计中的基本概念、基础理论以及各项关键技术，并从导航信号的基本要素出发，把信号设计的传统技术与新发展的优选技术纳入到一个通用框架下作为一个有机的整体进行讨论，给读者呈现一个完整系统的信号设计脉络。全书共分8章，内容包括卫星导航系统及其信号的发展背景、卫星导航信号的基本结构、扩频调制的特性、扩频调制的实现方式、性能分析方法、恒包络复用的基本理论及实现技术等。本书充分反映了近年来靠前外学术界和工业界在卫星导航信号设计领域的新思想和新技术，同时也融入了作者在信号设计方面的研究成果。 姚铮,陆明泉 著 姚铮，清华大学电子工程系副教授，博士生导师，Springer GPS Solutions期刊编委，ION GNSS SDR Metadata Standard Working Group成员，自2005年至今，一直从事卫星导航及相关领域的教学、科研工作，研究工作得到了国家重大专项、863计划、国家自然科学基金、国家重大科学仪器专项、国家科技支撑计划、教育部博士点基金等资助。主要研究方向包括导航信号设计与处理、GNSS软件接收机、地面无线定位技术等。作为发明人拥有多项靠前发明专利，作为作者在IEEE TWC等

《全球定位：从星辰到掌上》 引言 在浩瀚的宇宙深处，人类的智慧如同星辰般闪耀，勾勒出一条通往精准时空轨迹的道路。自古以来，我们仰望星空，试图理解宇宙的规律，并从中汲取导航的灵感。从古代航海家借助星辰定位，到现代工业、军事、民用领域对精确时空信息前所未有的需求，人类对自身位置和时间的掌控能力，正在以前所未有的速度和深度拓展。本书《全球定位：从星辰到掌上》正是沿着这条探索之路，深入剖析现代卫星导航系统的起源、发展、核心原理，以及这些技术如何从遥远的太空信号，最终转化为我们手中设备里那精准的定位信息。我们并非只关注一个特定系统的技术细节，而是致力于展现整个卫星导航技术演进的宏观图景，以及其背后驱动的科学探索精神与工程实践的卓越成就。 第一章：溯源——古老的导航智慧与现代的曙光 在谈论现代卫星导航系统之前，回溯人类早期导航的历程是至关重要的。本书将首先带领读者穿越时空，探寻古代文明是如何利用自然界的线索来认识自身位置的。我们将审视： 天体导航的基石： 恒星、月亮和太阳作为最古老的导航工具，是如何被不同文明（如古代中国、古希腊、阿拉伯、波利尼西亚人等）所观察、理解和运用的。我们将探讨地平坐标系、赤道坐标系等基本概念的萌芽，以及如何在缺乏精密仪器的情况下，通过测量天体的高度、方位角等来推断位置。 大地测量学的先驱： 从埃拉托色尼的地球周长计算，到惠更斯利用摆钟进行经度测量，大地测量学的发展为地理信息的精确获取奠定了基础。我们将介绍几何学、三角学在测量学中的应用，以及早期测量工具（如象限仪、星盘、计时器）的演进。 磁性罗盘的革命： 磁性罗盘的发明如何彻底改变了航海的面貌，使得人们能够在阴雨天气或夜间进行可靠的导航，极大地扩展了人类的探索范围。 地面导航的探索： 在引入空间系统之前，人类也曾尝试建立地面导航网络。我们将简要回顾一些早期尝试，例如基于灯塔、信标、甚至后来基于无线电信号的导航方法，并分析其局限性。 当历史的车轮滚滚向前，进入20世纪，物理学和工程学的飞跃式发展，为人类进入太空、建立全球导航系统提供了理论和技术支撑。本书将在此章节的末尾，初步展望20世纪中叶，一些关键科学理论（如相对论对时空精确性的影响）和技术突破（如微电子技术、原子钟的发展）如何预示着一个全新的导航时代即将来临。 第二章：理论基石——时空几何与精密测量 要理解任何一个卫星导航系统，都必须深刻掌握其背后的时空几何原理和精密测量技术。本章将聚焦于支撑整个导航系统的理论框架： 欧几里得几何与非欧几里得几何： 在描述地球表面物体的位置时，我们如何在二维平面（地图）和三维球体（地球）之间进行转换？我们将讲解球面几何学在地理坐标系统中的应用，以及大圆航线等概念。 参考椭球体与大地坐标系： 地球并非一个完美的球体，而是近似椭球体。我们将介绍常用的参考椭球体（如WGS84），以及它们如何作为统一的空间基准。在此基础上，我们将深入讲解大地坐标系（纬度、经度、高程）的定义与转换，以及其他重要的地理坐标系统（如UTM）。 时间同步的挑战： 卫星导航的本质是通过测量信号传播时间来计算距离，因此，对时间同步的极致要求是其核心。我们将深入探讨： 原子钟的原理与精度： 何为原子钟？为什么它是导航系统的“心脏”？我们将介绍不同类型原子钟（如铯原子钟、铷原子钟）的基本工作原理，以及它们如何实现纳秒级的绝对精度。 相对论效应的补偿： 爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论对卫星导航的精确性提出了严峻挑战。我们将详细解释： 狭义相对论效应： 卫星高速运动带来的时间膨胀。 广义相对论效应： 卫星处于不同引力势（地球引力）导致的时间膨胀。 如何进行精确补偿： 这些效应如何被量化，以及在导航系统中是如何被实时校正的，确保导航结果的准确性。 测量几何（GDOP）： 导航定位的精度很大程度上取决于卫星的几何分布。我们将引入“几何精度衰减因子”（GDOP）的概念，解释为什么卫星分布稀疏或过于集中会导致定位误差增大，以及导航系统如何通过优化卫星轨道和星座设计来改善GDOP。 第三章：系统构成——太空星座、地面控制与用户终端 一个完整的卫星导航系统，并非仅仅是天上的卫星。它是一个复杂的、分层的、协同工作的体系。本章将从宏观到微观，揭示其“天-地-人”的整体架构： 太空星座的设计与运行： 导航卫星的功能与组成： 卫星上搭载的原子钟、发射天线、信号处理单元等核心部件的功能。 轨道动力学与星座布局： 为什么卫星要运行在特定的轨道上（如中地球轨道 MEO）？如何通过精心设计的星座（如均匀分布、特定轨道倾角）来确保全球覆盖和高可见性？我们将分析不同星座设计方案的优劣。 信号的产生与传输： 卫星如何产生包含时间和星历信息的导航信号？信号的调制方式（如伪码、载波）及其特点。 地面控制系统（GCS）——导航系统的“大脑”： 地面监测站的作用： 遍布全球的监测站如何实时收集卫星信号，并测量其精确状态。 主控站的功能： 如何通过监测站的数据，精确计算卫星的轨道参数（星历）、原子钟的偏差，并生成修正指令？ 注入站的角色： 如何将修正后的数据安全、准确地上传给导航卫星，使其播发的信号始终保持高精度。 差分技术（DGNSS）简介： 引入差分GPS（DGPS）等技术，利用地面基站提供的误差改正信息，如何显著提升定位精度，并为专业应用打下基础。 用户终端——连接现实与数据的桥梁： GNSS接收机的硬件组成： 天线、射频前端、中频处理器、基带处理器、导航电文解码器等核心组件的功能。 信号捕获与跟踪： 接收机如何从杂乱的电磁环境中，精准地捕获来自多颗卫星的微弱信号，并保持稳定的跟踪。 导航电文的解析： 如何从接收到的信号中，提取出关键的导航信息，如星历、历书、卫星钟差、电离层模型等。 定位算法： 如何利用多普勒频移、伪码测距、载波相位测量等信息，结合接收到的导航电文，通过三维空间中的距离交汇（trilateration）或多维空间中的测量值解算，计算出用户的三维位置、速度和精确时间。 第四章：信号演进——从单一到多模兼容 导航信号的设计与演进，是整个系统技术水平的直接体现，也是实现更高精度、更强鲁棒性的关键。本章将深入探讨导航信号的设计理念与技术演进： 导航信号的基本要素： 伪随机噪声（PRN）码： 为什么需要PRN码？它如何实现多址接入（区分不同卫星）和提高信号的抗干扰能力？不同导航系统使用的PRN码类型（如Gold码、BOC码）。 导航电文（Navigation Message）： 包含哪些关键信息？例如： 星历（Ephemeris）： 精确描述卫星轨道参数。 历书（Almanac）： 描述整个星座卫星的大致轨道参数，用于快速捕获。 卫星钟差： 修正卫星原子钟的微小偏差。 电离层和对流层模型： 用于改正信号传播过程中的大气延迟误差。 健康状态信息： 告知用户卫星是否正常工作。 不同导航系统的信号特点： GPS（美国）： L1/L2/L5等频段的信号结构，Civilian（C/A）码、P(Y)码、M码的演进。 GLONASS（俄罗斯）： FDMA（频分多址）与FDMA/CDMA（码分多址）混合使用的历史，以及其信号特点。 Galileo（欧洲）： E1/E5a/E5b/E6等频段的信号设计理念，强调开放服务、商业服务和高精度服务，以及其先进的信号调制方式（如Pilot信号）。 北斗（中国）： B1/B2/B3等频段，以及其独有的区域导航、星基增强、星间链路等特色服务。 新一代导航信号的设计趋势： 多频点与多信号集成： 为什么使用多个频率（L1, L2, L5, E1, E5a等）？如何利用多频信息消除电离层误差？不同信号的协同作用。 更强的抗干扰与抗欺骗能力： 新型信号（如BOC、 TComponent、 Pilot信号）的设计如何提高信号的功率谱密度，增强抗噪声和抗干扰能力。 更高的测量精度： 载波相位测量的引入，以及如何通过更精细的信号结构来提高测距精度。 更高的灵活性与可升级性： 开放式信号设计，为未来的功能扩展和性能提升预留空间。 第五章：精准之钥——定位、导航与授时（PNT）的应用 卫星导航技术并非一项孤立的技术，而是赋能众多领域发展的“基础设施”。本章将聚焦于卫星导航系统最核心的三大功能——定位（Positioning）、导航（Navigation）和授时（Timing）——及其在各行各业的广泛应用： 精准定位： 交通运输： 航空（航线规划、进近着陆）、航海（船舶导航、避碰）、汽车（车载导航、自动驾驶）、铁路（精准调度、运行控制）。 地理信息系统（GIS）： 土地测绘、不动产登记、城市规划、环境监测。 军事领域： 部队精确部署、目标打击、战场态势感知。 个人应用： 智能手机定位、运动追踪、位置服务（LBS）。 可靠导航： 路线规划与引导： 从传统的地图导航到实时交通信息融合的动态导航。 路径跟踪与监控： 物流追踪、货物安全管理、应急救援。 自主导航： 无人机、水下机器人、以及未来星际探索中的自主导航。 精确授时： 金融交易： 股票交易、跨境支付等需要极高精度的时间同步，以保证交易的合法性和顺序性。 电力系统： 电网的稳定运行依赖于精确的时间同步，用于负荷调度、故障定位。 通信网络： 4G/5G基站、卫星通信等需要纳秒级的时间同步。 科研实验： 高能物理、天文观测、地震监测等精密科学实验。 融合定位： 多模导航系统（Multi-GNSS）： 结合不同卫星导航系统（GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou），提高可用性、可靠性和精度。 惯性导航系统（INS）与GNSS的融合： 在GNSS信号受阻（隧道、室内）或丢失时，INS如何提供短时的高精度自主导航能力。 其他传感器融合： 结合视觉里程计、激光雷达、Wi-Fi定位、蓝牙信标等，实现室内外无缝、高精度定位。 第六章：挑战与未来——增强、安全与新机遇 尽管现代卫星导航系统已经取得了举世瞩目的成就，但技术的发展从未止步。未来的挑战与机遇并存，本书将展望卫星导航技术的下一站： 当前面临的挑战： 信号遮挡与多径效应： 在城市峡谷、室内环境、森林等区域，信号易受遮挡和反射，导致定位误差增大。 抗干扰与抗欺骗能力： 信号容易受到恶意干扰（Jamming）和欺骗（Spoofing）的攻击，威胁到关键基础设施的安全。 全球信号覆盖的均一性： 在某些区域，卫星可见性较低，影响定位精度和可用性。 能源效率： 尤其是在小型化、低功耗设备中，如何优化接收机功耗。 增强与安全技术： 星基增强系统（SBAS）： 如WAAS, EGNOS, MSAS, BDSBAS等，如何通过地球同步卫星播发差分改正和完整性信息，提高GNSS的精度和可靠性。 地面增强系统（GBAS）： 主要用于机场，提供高精度的着陆导航服务。 抗干扰技术： 软件定义无线电（SDR）、自适应波束形成、信号处理算法优化等。 抗欺骗技术： 信号认证、多模融合、依赖多源信息进行判断。 完好性监控： 评估导航系统的可用性和可靠性，及时向用户发出警告。 下一代导航系统与技术： 低轨（LEO）导航星座： 相比MEO星座，LEO星座具有更低的信号延迟，可能提供更快速的定位响应。 激光通信与量子导航： 探索利用激光通信或量子传感技术实现更精确、更安全的导航。 室内导航技术的突破： 更加精确的Wi-Fi、蓝牙、UWB（超宽带）等室内定位技术，以及与GNSS的无缝切换。 人工智能（AI）与导航： 利用AI进行更智能的信号处理、误差预测、路径优化以及环境感知。 国际合作与标准化： 推动不同导航系统之间的互操作性，建立全球统一的标准。 结语 从最初对星辰大海的敬畏，到如今指尖上的精准定位，卫星导航技术的每一步发展，都凝聚着人类对未知的好奇、对精确的追求和对连接的渴望。《全球定位：从星辰到掌上》希望通过对这一宏大领域的系统性梳理，帮助读者理解这项改变世界的技术是如何从理论走向实践，如何从简单的测量发展到支撑现代社会运行的复杂体系。我们期待，本书不仅能为专业人士提供有价值的参考，也能让对科技充满兴趣的每一位读者，都能在这场跨越时空的“时空之舞”中，领略到科学的魅力与工程的智慧。

评分☆☆☆☆☆

我是一名学生，正在学习与导航技术相关的专业，所以一直想找到一本能够系统地、深入地介绍卫星导航信号设计的书籍。《新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术》正好满足了我的需求。这本书的内容非常系统，从基础的信号理论出发，逐步深入到新一代导航系统的信号设计理念、关键技术和实现方法。让我印象深刻的是，书中对不同导航信号的优劣势分析非常到位，并且对未来导航信号的发展趋势有着独到的见解。例如，书中详细介绍了如何设计一种能够兼顾导航和通信功能的“一体化”导航信号，以及在这种信号的设计中需要考虑的关键技术问题，这对于我理解未来导航系统的发展方向非常有帮助。这本书的语言风格也比较严谨，学术性强，对于我这样还在学习阶段的学生来说，既有挑战性，又能学到扎实的知识。

评分☆☆☆☆☆

我一直对“精密导航”和“自主导航”这些概念非常感兴趣，并尝试阅读了一些相关的文献。但很多文献往往只关注了算法层面，而对于支撑这些算法的底层信号设计却鲜有深入的介绍。《新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术》这本书，则恰恰填补了这一空白。它非常重视信号的设计，并将其视为实现高精度和自主导航的关键。书中详细阐述了如何通过设计具有更高测量精度的信号，以及如何通过增强信号的鲁棒性来应对复杂环境，从而为高精度定位奠定基础。而且，书中还探讨了如何利用信号的灵活性来支持自主导航系统，例如，在缺乏外部参考的情况下，如何通过设计具有自相关特性的信号来辅助定位。这本书的视角非常独特，它让我认识到，信号设计并非只是一个技术细节，而是整个导航系统能否实现高性能的关键所在。

评分☆☆☆☆☆

我最近在研究下一代导航系统的发展趋势，偶然发现了这本《新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术》。这本书的独特之处在于，它并没有拘泥于现有的某一种导航系统，而是从更宏观的视角，探讨了未来卫星导航信号的设计理念和技术方向。书中对“信号设计”的理解非常深刻，不仅仅是关于信号本身的载波、编码、调制等参数，更包含了如何根据未来应用场景的需求，去主动构建和优化信号。比如，针对高精度定位的需求，书中探讨了如何设计具有更高测量精度和稳定性的信号，以及如何通过多频多模信号的协同来克服环境限制。另外，它还提到了许多新兴的信号技术，例如，在智能交通和物联网领域，如何设计能够支持大规模设备接入、低功耗、以及高可靠性通信的导航信号，这些内容都让我耳目一新，拓展了我的思维边界。这本书的深度和广度都超出了我的预期，它为我指明了未来研究的方向，也提供了许多可以借鉴的宝贵思路。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在通信领域摸爬滚打多年的工程师，我对信号的设计有着非常直观的理解。然而，当我翻开《新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术》时，还是被书中对信号设计理念的严谨性和前瞻性所折服。这本书不仅仅是停留在理论层面，更重要的是它将理论与实践紧密结合。书中对新一代导航系统信号的实际设计过程中遇到的挑战，以及相应的解决策略，都进行了非常细致的分析。例如，在考虑信号频谱资源的有效利用时，书中提出的各种先进的信号共享和频谱感知技术，让我学到了很多。而且，对于一些复杂场景下的信号传播模型和误差分析，书中也给出了清晰的建模和计算方法，这对于我们进行实际系统仿真和优化至关重要。这本书就像一个经验丰富的导师，用清晰的逻辑和丰富的实例，带领我一步步深入了解新一代导航信号的奥秘，让我对未来的导航技术充满了信心。

评分☆☆☆☆☆

这本《新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术》真是让我大开眼界！我一直对GNSS技术很感兴趣，但之前接触到的资料大多停留在基础原理介绍，缺乏深入的理论推导和实际应用的技术细节。这本书恰恰弥补了我的这一需求。它不仅仅是简单地罗列各种信号调制方式，而是深入剖析了设计这些信号背后的物理学原理和数学模型，例如，对于全新的导航信号，书中详细阐述了其在复杂电磁环境下保持鲁棒性的设计思路，以及如何通过优化编码和扩频技术来提升抗干扰能力。更让我惊喜的是，书中对信号处理算法的介绍，比如滤波、解调、以及位置解算的核心步骤，都提供了非常详尽的讲解，甚至还涉及到一些前沿的信号处理技术，比如机器学习在信号增强方面的应用。这让我不仅理解了“是什么”，更明白了“为什么”以及“如何做”。对于任何希望深入理解新一代导航系统信号层面技术的专业人士，这本书无疑是一本不可多得的宝藏。它不是一本可以随意翻阅的书，而是需要静下心来，逐字逐句地去理解和消化，才能真正领略其精髓。