新一代衛星導航係統信號設計原理與實現技術 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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姚錚，陸明泉著 著

圖書標籤:

• 衛星導航
• GNSS
• 信號處理
• 雷達
• 通信
• 電子工程
• 導航技術
• 北鬥
• 現代導航
• 係統設計

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齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121285226

商品編碼：25573810994

齣版時間：2016-04-01

作  者:姚錚,陸明泉 著 定  價:68 齣 版 社:電子工業齣版社 齣版日期:2016年04月01日 頁  數:242 裝  幀:平裝 ISBN:9787121285226 ●第1章緒論1
●1.1本章引言2
●1.2衛星導航係統的發展與現狀4
●1.2.1GNSS的前身4
●1.2.2GPS及其現代化6
●1.2.3GLONASS及其現代化7
●1.2.4Galileo係統8
●1.2.5北鬥衛星導航係統9
●1.3導航信號的重要性11
●1.4衛星導航信號體製的發展12
●1.4.1GPS信號體製的發展12
●1.4.2Galileo係統信號體製的發展13
●1.4.3北鬥係統信號體製的發展14
●參考文獻16
●第2章衛星導航信號的結構21
●2.1本章引言22
●2.2衛星導航的基本原理22
●2.2.1通過測距信號確定位置22
●2.2.2位置估計的綫性化方法25
●2.2.3用戶位置的精度25
●部分目錄

內容簡介

本書是靠前上靠前本比較深入係統地論述新一代衛星導航係統信號設計理論與技術的學術專著，全麵闡述瞭衛星導航係統信號設計中的基本概念、基礎理論以及各項關鍵技術，並從導航信號的基本要素齣發，把信號設計的傳統技術與新發展的優選技術納入到一個通用框架下作為一個有機的整體進行討論，給讀者呈現一個完整係統的信號設計脈絡。全書共分8章，內容包括衛星導航係統及其信號的發展背景、衛星導航信號的基本結構、擴頻調製的特性、擴頻調製的實現方式、性能分析方法、恒包絡復用的基本理論及實現技術等。本書充分反映瞭近年來靠前外學術界和工業界在衛星導航信號設計領域的新思想和新技術，同時也融入瞭作者在信號設計方麵的研究成果。 姚錚,陸明泉 著 姚錚，清華大學電子工程係副教授，博士生導師，Springer GPS Solutions期刊編委，ION GNSS SDR Metadata Standard Working Group成員，自2005年至今，一直從事衛星導航及相關領域的教學、科研工作，研究工作得到瞭國傢重大專項、863計劃、國傢自然科學基金、國傢重大科學儀器專項、國傢科技支撐計劃、教育部博士點基金等資助。主要研究方嚮包括導航信號設計與處理、GNSS軟件接收機、地麵無綫定位技術等。作為發明人擁有多項靠前發明專利，作為作者在IEEE TWC等

《全球定位：從星辰到掌上》 引言 在浩瀚的宇宙深處，人類的智慧如同星辰般閃耀，勾勒齣一條通往精準時空軌跡的道路。自古以來，我們仰望星空，試圖理解宇宙的規律，並從中汲取導航的靈感。從古代航海傢藉助星辰定位，到現代工業、軍事、民用領域對精確時空信息前所未有的需求，人類對自身位置和時間的掌控能力，正在以前所未有的速度和深度拓展。本書《全球定位：從星辰到掌上》正是沿著這條探索之路，深入剖析現代衛星導航係統的起源、發展、核心原理，以及這些技術如何從遙遠的太空信號，最終轉化為我們手中設備裏那精準的定位信息。我們並非隻關注一個特定係統的技術細節，而是緻力於展現整個衛星導航技術演進的宏觀圖景，以及其背後驅動的科學探索精神與工程實踐的卓越成就。 第一章：溯源——古老的導航智慧與現代的曙光 在談論現代衛星導航係統之前，迴溯人類早期導航的曆程是至關重要的。本書將首先帶領讀者穿越時空，探尋古代文明是如何利用自然界的綫索來認識自身位置的。我們將審視： 天體導航的基石： 恒星、月亮和太陽作為最古老的導航工具，是如何被不同文明（如古代中國、古希臘、阿拉伯、波利尼西亞人等）所觀察、理解和運用的。我們將探討地平坐標係、赤道坐標係等基本概念的萌芽，以及如何在缺乏精密儀器的情況下，通過測量天體的高度、方位角等來推斷位置。 大地測量學的先驅： 從埃拉托色尼的地球周長計算，到惠更斯利用擺鍾進行經度測量，大地測量學的發展為地理信息的精確獲取奠定瞭基礎。我們將介紹幾何學、三角學在測量學中的應用，以及早期測量工具（如象限儀、星盤、計時器）的演進。 磁性羅盤的革命： 磁性羅盤的發明如何徹底改變瞭航海的麵貌，使得人們能夠在陰雨天氣或夜間進行可靠的導航，極大地擴展瞭人類的探索範圍。 地麵導航的探索： 在引入空間係統之前，人類也曾嘗試建立地麵導航網絡。我們將簡要迴顧一些早期嘗試，例如基於燈塔、信標、甚至後來基於無綫電信號的導航方法，並分析其局限性。 當曆史的車輪滾滾嚮前，進入20世紀，物理學和工程學的飛躍式發展，為人類進入太空、建立全球導航係統提供瞭理論和技術支撐。本書將在此章節的末尾，初步展望20世紀中葉，一些關鍵科學理論（如相對論對時空精確性的影響）和技術突破（如微電子技術、原子鍾的發展）如何預示著一個全新的導航時代即將來臨。 第二章：理論基石——時空幾何與精密測量 要理解任何一個衛星導航係統，都必須深刻掌握其背後的時空幾何原理和精密測量技術。本章將聚焦於支撐整個導航係統的理論框架： 歐幾裏得幾何與非歐幾裏得幾何： 在描述地球錶麵物體的位置時，我們如何在二維平麵（地圖）和三維球體（地球）之間進行轉換？我們將講解球麵幾何學在地理坐標係統中的應用，以及大圓航綫等概念。 參考橢球體與大地坐標係： 地球並非一個完美的球體，而是近似橢球體。我們將介紹常用的參考橢球體（如WGS84），以及它們如何作為統一的空間基準。在此基礎上，我們將深入講解大地坐標係（緯度、經度、高程）的定義與轉換，以及其他重要的地理坐標係統（如UTM）。 時間同步的挑戰： 衛星導航的本質是通過測量信號傳播時間來計算距離，因此，對時間同步的極緻要求是其核心。我們將深入探討： 原子鍾的原理與精度： 何為原子鍾？為什麼它是導航係統的“心髒”？我們將介紹不同類型原子鍾（如銫原子鍾、銣原子鍾）的基本工作原理，以及它們如何實現納秒級的絕對精度。 相對論效應的補償： 愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論對衛星導航的精確性提齣瞭嚴峻挑戰。我們將詳細解釋： 狹義相對論效應： 衛星高速運動帶來的時間膨脹。 廣義相對論效應： 衛星處於不同引力勢（地球引力）導緻的時間膨脹。 如何進行精確補償： 這些效應如何被量化，以及在導航係統中是如何被實時校正的，確保導航結果的準確性。 測量幾何（GDOP）： 導航定位的精度很大程度上取決於衛星的幾何分布。我們將引入“幾何精度衰減因子”（GDOP）的概念，解釋為什麼衛星分布稀疏或過於集中會導緻定位誤差增大，以及導航係統如何通過優化衛星軌道和星座設計來改善GDOP。 第三章：係統構成——太空星座、地麵控製與用戶終端 一個完整的衛星導航係統，並非僅僅是天上的衛星。它是一個復雜的、分層的、協同工作的體係。本章將從宏觀到微觀，揭示其“天-地-人”的整體架構： 太空星座的設計與運行： 導航衛星的功能與組成： 衛星上搭載的原子鍾、發射天綫、信號處理單元等核心部件的功能。 軌道動力學與星座布局： 為什麼衛星要運行在特定的軌道上（如中地球軌道 MEO）？如何通過精心設計的星座（如均勻分布、特定軌道傾角）來確保全球覆蓋和高可見性？我們將分析不同星座設計方案的優劣。 信號的産生與傳輸： 衛星如何産生包含時間和星曆信息的導航信號？信號的調製方式（如僞碼、載波）及其特點。 地麵控製係統（GCS）——導航係統的“大腦”： 地麵監測站的作用： 遍布全球的監測站如何實時收集衛星信號，並測量其精確狀態。 主控站的功能： 如何通過監測站的數據，精確計算衛星的軌道參數（星曆）、原子鍾的偏差，並生成修正指令？ 注入站的角色： 如何將修正後的數據安全、準確地上傳給導航衛星，使其播發的信號始終保持高精度。 差分技術（DGNSS）簡介： 引入差分GPS（DGPS）等技術，利用地麵基站提供的誤差改正信息，如何顯著提升定位精度，並為專業應用打下基礎。 用戶終端——連接現實與數據的橋梁： GNSS接收機的硬件組成： 天綫、射頻前端、中頻處理器、基帶處理器、導航電文解碼器等核心組件的功能。 信號捕獲與跟蹤： 接收機如何從雜亂的電磁環境中，精準地捕獲來自多顆衛星的微弱信號，並保持穩定的跟蹤。 導航電文的解析： 如何從接收到的信號中，提取齣關鍵的導航信息，如星曆、曆書、衛星鍾差、電離層模型等。 定位算法： 如何利用多普勒頻移、僞碼測距、載波相位測量等信息，結閤接收到的導航電文，通過三維空間中的距離交匯（trilateration）或多維空間中的測量值解算，計算齣用戶的三維位置、速度和精確時間。 第四章：信號演進——從單一到多模兼容 導航信號的設計與演進，是整個係統技術水平的直接體現，也是實現更高精度、更強魯棒性的關鍵。本章將深入探討導航信號的設計理念與技術演進： 導航信號的基本要素： 僞隨機噪聲（PRN）碼： 為什麼需要PRN碼？它如何實現多址接入（區分不同衛星）和提高信號的抗乾擾能力？不同導航係統使用的PRN碼類型（如Gold碼、BOC碼）。 導航電文（Navigation Message）： 包含哪些關鍵信息？例如： 星曆（Ephemeris）： 精確描述衛星軌道參數。 曆書（Almanac）： 描述整個星座衛星的大緻軌道參數，用於快速捕獲。 衛星鍾差： 修正衛星原子鍾的微小偏差。 電離層和對流層模型： 用於改正信號傳播過程中的大氣延遲誤差。 健康狀態信息： 告知用戶衛星是否正常工作。 不同導航係統的信號特點： GPS（美國）： L1/L2/L5等頻段的信號結構，Civilian（C/A）碼、P(Y)碼、M碼的演進。 GLONASS（俄羅斯）： FDMA（頻分多址）與FDMA/CDMA（碼分多址）混閤使用的曆史，以及其信號特點。 Galileo（歐洲）： E1/E5a/E5b/E6等頻段的信號設計理念，強調開放服務、商業服務和高精度服務，以及其先進的信號調製方式（如Pilot信號）。 北鬥（中國）： B1/B2/B3等頻段，以及其獨有的區域導航、星基增強、星間鏈路等特色服務。 新一代導航信號的設計趨勢： 多頻點與多信號集成： 為什麼使用多個頻率（L1, L2, L5, E1, E5a等）？如何利用多頻信息消除電離層誤差？不同信號的協同作用。 更強的抗乾擾與抗欺騙能力： 新型信號（如BOC、 TComponent、 Pilot信號）的設計如何提高信號的功率譜密度，增強抗噪聲和抗乾擾能力。 更高的測量精度： 載波相位測量的引入，以及如何通過更精細的信號結構來提高測距精度。 更高的靈活性與可升級性： 開放式信號設計，為未來的功能擴展和性能提升預留空間。 第五章：精準之鑰——定位、導航與授時（PNT）的應用 衛星導航技術並非一項孤立的技術，而是賦能眾多領域發展的“基礎設施”。本章將聚焦於衛星導航係統最核心的三大功能——定位（Positioning）、導航（Navigation）和授時（Timing）——及其在各行各業的廣泛應用： 精準定位： 交通運輸： 航空（航綫規劃、進近著陸）、航海（船舶導航、避碰）、汽車（車載導航、自動駕駛）、鐵路（精準調度、運行控製）。 地理信息係統（GIS）： 土地測繪、不動産登記、城市規劃、環境監測。 軍事領域： 部隊精確部署、目標打擊、戰場態勢感知。 個人應用： 智能手機定位、運動追蹤、位置服務（LBS）。 可靠導航： 路綫規劃與引導： 從傳統的地圖導航到實時交通信息融閤的動態導航。 路徑跟蹤與監控： 物流追蹤、貨物安全管理、應急救援。 自主導航： 無人機、水下機器人、以及未來星際探索中的自主導航。 精確授時： 金融交易： 股票交易、跨境支付等需要極高精度的時間同步，以保證交易的閤法性和順序性。 電力係統： 電網的穩定運行依賴於精確的時間同步，用於負荷調度、故障定位。 通信網絡： 4G/5G基站、衛星通信等需要納秒級的時間同步。 科研實驗： 高能物理、天文觀測、地震監測等精密科學實驗。 融閤定位： 多模導航係統（Multi-GNSS）： 結閤不同衛星導航係統（GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou），提高可用性、可靠性和精度。 慣性導航係統（INS）與GNSS的融閤： 在GNSS信號受阻（隧道、室內）或丟失時，INS如何提供短時的高精度自主導航能力。 其他傳感器融閤： 結閤視覺裏程計、激光雷達、Wi-Fi定位、藍牙信標等，實現室內外無縫、高精度定位。 第六章：挑戰與未來——增強、安全與新機遇 盡管現代衛星導航係統已經取得瞭舉世矚目的成就，但技術的發展從未止步。未來的挑戰與機遇並存，本書將展望衛星導航技術的下一站： 當前麵臨的挑戰： 信號遮擋與多徑效應： 在城市峽榖、室內環境、森林等區域，信號易受遮擋和反射，導緻定位誤差增大。 抗乾擾與抗欺騙能力： 信號容易受到惡意乾擾（Jamming）和欺騙（Spoofing）的攻擊，威脅到關鍵基礎設施的安全。 全球信號覆蓋的均一性： 在某些區域，衛星可見性較低，影響定位精度和可用性。 能源效率： 尤其是在小型化、低功耗設備中，如何優化接收機功耗。 增強與安全技術： 星基增強係統（SBAS）： 如WAAS, EGNOS, MSAS, BDSBAS等，如何通過地球同步衛星播發差分改正和完整性信息，提高GNSS的精度和可靠性。 地麵增強係統（GBAS）： 主要用於機場，提供高精度的著陸導航服務。 抗乾擾技術： 軟件定義無綫電（SDR）、自適應波束形成、信號處理算法優化等。 抗欺騙技術： 信號認證、多模融閤、依賴多源信息進行判斷。 完好性監控： 評估導航係統的可用性和可靠性，及時嚮用戶發齣警告。 下一代導航係統與技術： 低軌（LEO）導航星座： 相比MEO星座，LEO星座具有更低的信號延遲，可能提供更快速的定位響應。 激光通信與量子導航： 探索利用激光通信或量子傳感技術實現更精確、更安全的導航。 室內導航技術的突破： 更加精確的Wi-Fi、藍牙、UWB（超寬帶）等室內定位技術，以及與GNSS的無縫切換。 人工智能（AI）與導航： 利用AI進行更智能的信號處理、誤差預測、路徑優化以及環境感知。 國際閤作與標準化： 推動不同導航係統之間的互操作性，建立全球統一的標準。 結語 從最初對星辰大海的敬畏，到如今指尖上的精準定位，衛星導航技術的每一步發展，都凝聚著人類對未知的好奇、對精確的追求和對連接的渴望。《全球定位：從星辰到掌上》希望通過對這一宏大領域的係統性梳理，幫助讀者理解這項改變世界的技術是如何從理論走嚮實踐，如何從簡單的測量發展到支撐現代社會運行的復雜體係。我們期待，本書不僅能為專業人士提供有價值的參考，也能讓對科技充滿興趣的每一位讀者，都能在這場跨越時空的“時空之舞”中，領略到科學的魅力與工程的智慧。

評分☆☆☆☆☆

我最近在研究下一代導航係統的發展趨勢，偶然發現瞭這本《新一代衛星導航係統信號設計原理與實現技術》。這本書的獨特之處在於，它並沒有拘泥於現有的某一種導航係統，而是從更宏觀的視角，探討瞭未來衛星導航信號的設計理念和技術方嚮。書中對“信號設計”的理解非常深刻，不僅僅是關於信號本身的載波、編碼、調製等參數，更包含瞭如何根據未來應用場景的需求，去主動構建和優化信號。比如，針對高精度定位的需求，書中探討瞭如何設計具有更高測量精度和穩定性的信號，以及如何通過多頻多模信號的協同來剋服環境限製。另外，它還提到瞭許多新興的信號技術，例如，在智能交通和物聯網領域，如何設計能夠支持大規模設備接入、低功耗、以及高可靠性通信的導航信號，這些內容都讓我耳目一新，拓展瞭我的思維邊界。這本書的深度和廣度都超齣瞭我的預期，它為我指明瞭未來研究的方嚮，也提供瞭許多可以藉鑒的寶貴思路。

評分☆☆☆☆☆

作為一名在通信領域摸爬滾打多年的工程師，我對信號的設計有著非常直觀的理解。然而，當我翻開《新一代衛星導航係統信號設計原理與實現技術》時，還是被書中對信號設計理念的嚴謹性和前瞻性所摺服。這本書不僅僅是停留在理論層麵，更重要的是它將理論與實踐緊密結閤。書中對新一代導航係統信號的實際設計過程中遇到的挑戰，以及相應的解決策略，都進行瞭非常細緻的分析。例如，在考慮信號頻譜資源的有效利用時，書中提齣的各種先進的信號共享和頻譜感知技術，讓我學到瞭很多。而且，對於一些復雜場景下的信號傳播模型和誤差分析，書中也給齣瞭清晰的建模和計算方法，這對於我們進行實際係統仿真和優化至關重要。這本書就像一個經驗豐富的導師，用清晰的邏輯和豐富的實例，帶領我一步步深入瞭解新一代導航信號的奧秘，讓我對未來的導航技術充滿瞭信心。

評分☆☆☆☆☆

這本《新一代衛星導航係統信號設計原理與實現技術》真是讓我大開眼界！我一直對GNSS技術很感興趣，但之前接觸到的資料大多停留在基礎原理介紹，缺乏深入的理論推導和實際應用的技術細節。這本書恰恰彌補瞭我的這一需求。它不僅僅是簡單地羅列各種信號調製方式，而是深入剖析瞭設計這些信號背後的物理學原理和數學模型，例如，對於全新的導航信號，書中詳細闡述瞭其在復雜電磁環境下保持魯棒性的設計思路，以及如何通過優化編碼和擴頻技術來提升抗乾擾能力。更讓我驚喜的是，書中對信號處理算法的介紹，比如濾波、解調、以及位置解算的核心步驟，都提供瞭非常詳盡的講解，甚至還涉及到一些前沿的信號處理技術，比如機器學習在信號增強方麵的應用。這讓我不僅理解瞭“是什麼”，更明白瞭“為什麼”以及“如何做”。對於任何希望深入理解新一代導航係統信號層麵技術的專業人士，這本書無疑是一本不可多得的寶藏。它不是一本可以隨意翻閱的書，而是需要靜下心來，逐字逐句地去理解和消化，纔能真正領略其精髓。

評分☆☆☆☆☆

我一直對“精密導航”和“自主導航”這些概念非常感興趣，並嘗試閱讀瞭一些相關的文獻。但很多文獻往往隻關注瞭算法層麵，而對於支撐這些算法的底層信號設計卻鮮有深入的介紹。《新一代衛星導航係統信號設計原理與實現技術》這本書，則恰恰填補瞭這一空白。它非常重視信號的設計，並將其視為實現高精度和自主導航的關鍵。書中詳細闡述瞭如何通過設計具有更高測量精度的信號，以及如何通過增強信號的魯棒性來應對復雜環境，從而為高精度定位奠定基礎。而且，書中還探討瞭如何利用信號的靈活性來支持自主導航係統，例如，在缺乏外部參考的情況下，如何通過設計具有自相關特性的信號來輔助定位。這本書的視角非常獨特，它讓我認識到，信號設計並非隻是一個技術細節，而是整個導航係統能否實現高性能的關鍵所在。

評分☆☆☆☆☆

我是一名學生，正在學習與導航技術相關的專業，所以一直想找到一本能夠係統地、深入地介紹衛星導航信號設計的書籍。《新一代衛星導航係統信號設計原理與實現技術》正好滿足瞭我的需求。這本書的內容非常係統，從基礎的信號理論齣發，逐步深入到新一代導航係統的信號設計理念、關鍵技術和實現方法。讓我印象深刻的是，書中對不同導航信號的優劣勢分析非常到位，並且對未來導航信號的發展趨勢有著獨到的見解。例如，書中詳細介紹瞭如何設計一種能夠兼顧導航和通信功能的“一體化”導航信號，以及在這種信號的設計中需要考慮的關鍵技術問題，這對於我理解未來導航係統的發展方嚮非常有幫助。這本書的語言風格也比較嚴謹，學術性強，對於我這樣還在學習階段的學生來說，既有挑戰性，又能學到紮實的知識。