GPS接收机硬件实现方法=FUNDAMENTALS OF GPS RECEIVERS：A HARDWARE APPROACHPDF电子书下载

第1部分 2

第1章 利用同步时钟进行距离测量的基本概念 2

1.1距离测量的基本过程 2

1.2关于使用的模型和ICD-200资料的讨论 2

1.3通过测量到达时间实现定位 2

1.4时钟同步的实际过程 3

1.5神奇的双筒望远镜 4

1.6利用简单的光脉冲发射机和接收机来测量距离 5

1.7简单的光脉冲发射机/接收机系统的问题 6

1.8一种新的时钟模型 6

1.9一种线型的“时间传送”模型 8

1.10时钟同步 9

1.11接收机的时钟与A点、B点处的时钟不同步的线型时间传递模型 10

1.12主时钟 12

1.13时钟的秒计数表盘（改进的TOW） 13

1.14给照片加时间标签 14

1.15接收机的时间延迟问题 15

1.16拓展到3D空间内进行定位 16

1.17总结 16

第2章 全球定位系统介绍 17

2.1卫星系统 17

2.2恰好经过用户头顶上方的GPS卫星轨道的物理参数 18

2.3 GPS卫星时钟系统模型 19

2.4在用户位置已知的情况下，用一个颗卫星来计算Tbias 19

2.5使用主时钟与延迟项T atm的GPS时间接收机 20

2.6用四颗卫星求解用户的位置 22

2.7伪距 24

2.8 GPS接收机的一种简化模型 24

2.9接收机的参考振动器 26

2.10卫星位置信息 26

2.11总结 27

第3章GPS信号结构及应用 28

3.1 GPS卫星信号发射器模型 28

3.1.1 50Hz数据的时间嵌入 30

3.1.2 BPSK调制载波 30

3.1.3复位线 31

3.2虚拟时间对准 31

3.3 GPS接收机中的C/A码 32

3.4隐藏信号 32

3.4.1数据隐藏和数据调制后载波的频谱 33

3.5地表用户接收到的信号功率 34

3.6 P码接收机 34

3.7 GPS数据结构概述 35

3.8多普勒问题 37

3.9总结 38

第4章 卫星位置的求解 39

4.1卫星的位置 39

4.2坐标系 39

4.3多时钟、一个主时钟和一个时间单位 39

4.3.1卫星时钟修正项 40

4.3.2星历的时间参考变量t oe和t k 41

4.3.3星历参考时间t oe 41

4.3.4时间差tk 42

4.3.5对任何给定的发送时间计算tk 43

4.3.6关于toe和tk时间量度的讨论 43

4.4 GPS卫星轨道描述 44

4.4.1解算卫星速度和位置的方程 44

4.4.2二级和三级修正项 44

4.4.3关于星历数据和求解卫星位置的几点讨论 47

4.4.4其他卫星轨道信息和历书数据 50

4.5数据项的年限和发布问题 50

4.6 t oe卫星时钟参考时间 50

4.7总结 51

第5章 用户位置解算 52

5.1迭代与直接解算 52

5.2线性近似 52

5.3四颗卫星的伪距方程组 53

5.4解算参考伪距 53

5.5求解每颗卫星的伪距估值 53

5.6列写线性方程组 54

5.7估算ΔPR i 54

5.8矩阵形式的解算 55

5.9流程图、C代码程序、假设初始位置/用户时钟偏差 55

5.10解算测试 56

5.11几何因子 58

5.12将地心地固直角坐标系下的用户坐标转换为经纬高坐标系 59

5.13非球面地球的修正 59

5.14总结 60

第2部分 62

第6章GPS接收机硬件基础 62

6.1模拟与数字GPS接收机对比 62

6.2 GPS接收机硬件的五个基本步骤 62

6.2.1接收射频和转换到一个较低的中频 63

6.2.2信号捕获 63

6.2.3数据解调和数据时钟恢复 63

6.2.4正确设置ls表盘和秒计数表盘 63

6.2.5发射时间（T sent）与接收时间（T rec）测量 63

6.3单通道接收机通用信号处理模块框图 64

6.3.1天线 64

6.3.2前置放大器 64

6.3.3带通滤波和第二中频混频器 65

6.4第二级中频处理概述 65

6.4.1多普勒扫描/跟踪子系统 65

6.4.2第二级混频器，第二级本地振荡器和多普勒扫描/跟踪 66

6.4.3相关器和C/A扫描/跟踪子系统 66

6.5信号捕获 67

6.5.1 C/A码时钟多普勒频移 67

6.5.2码搜索与多普勒频移锁定需要的时间 67

6.5.3利用先验信息缩短时间 67

6.5.4信号捕获时间的估计 68

6.6数据解调器 68

6.7卫星副本时钟框图 68

6.8数据时钟恢复问题（20ms表盘副本时钟） 69

6.8.1数据时钟相位恢复（设置20ms表盘） 70

6.8.2噪声对50Hz数据抖动的影响 71

6.9恢复ls表盘的正确相位 71

6.10接收卫星时钟的秒计数表盘 71

6.11生成SNAP-SHOT信号（接收机基准时钟） 72

6.12在SNAP-SHOT瞬时记录卫星副本时钟 73

6.13数据记录方法 73

6.14数据处理 74

6.15缺省AGC 74

6.16总结 74

第7章GPS接收机的功能实现 75

7.1射频（RF）转换为第一中频（IF） 75

7.1.1天线和前置放大器 75

7.1.2 1575MHz带通滤波器 75

7.1.3一级混频器、46MHz中频和滤波器、中频信号功率分配器 76

7.2二次变频至10.7MHz中频 78

7.2.1混频器和压控晶振去除多普勒频移 78

7.2.2 10.7MHz带通滤波器和放大器 79

7.2.3使用晶体滤波器的10.7MHz相关器 79

7.3使用SA615处理10.7MHz中频信号 81

7.3.1 SA615中频处理器 81

7.3.2用RSSI功能进行相关检测和解调抖动调幅信号 81

7.3.3 50HZBPSK数据正交检测 81

7.3.4将10.7MHz中频信号限制到频率计数器 82

7.4多普勒扫描跟踪子系统 82

7.4.1频率计数器频率鉴别器 83

7.4.2中心频率控制 83

7.4.3数字多普勒环路滤波器 83

7.4.4电平检测及扫描/跟踪 83

7.5码跟踪 84

7.5.1τ抖动码锁定 84

7.5.2码误差的异或检测 84

7.5.3有源带通滤波器恢复τ抖动调幅信号 84

7.5.4码误差符号位的抖动滤波 86

7.5.5码时钟调制器 87

7.5.6 C/A码发生器、卫星副本时钟、相位状态计数器和锁定器 88

7.5.7一个C/A码发生器ω/τ抖动的实例 89

7.6信号捕获过程 91

7.6.1信号搜索、搜索速率和交替方法 91

7.6.2检测码或多普勒锁定情况以转换为跟踪模式 92

7.7数据解调 92

7.7.1数据解调框图及操作 92

7.7.2 50Hz数据重置的20分频器模块 93

7.8总结 94

第3部分 96

第8章 接收GPS时间和频率 96

8.1时间和频率GPS接收机的速率和相位误差 96

8.1.1 GPS接收机时钟速率和相位测量的仪表模型 96

8.1.2报告速率和相位的精度和范围 98

8.1.3修正和未修正的接收机时钟 98

8.1.4典型接收机参考时钟系统和速率误差传播 99

8.2估计接收机时钟速率和相位误差的限制 100

8.2.1估计由于用户位置未知引起的预测多普勒误差 100

8.2.2可检测的L1载波相位速率限制和时钟速率误差精度 101

8.2.3接收机参考时钟质量及速率误差限制 102

8.2.4测量载波速率、多普勒、接收机时钟速率误差 102

8.2.5估计接收机时钟速率误差 103

8.2.6 C/A码相位测量对L1时间转换（时钟模式）精度的限制 104

8.3 GPS时间的初始估计 104

8.3.1卫星到用户的信号延时 105

8.3.2估计路径延时 105

8.4验证接收机报告时钟速率和相位误差的真实性 107

8.5采用基于DDS的接收机时钟介绍精确的速率和相位误差 109

8.6 GPS自律振荡器 110

8.7基于10MHz时钟的速率修正DDS 5/10MHz基准 112

8.8 GPS时间转换中的接收机延时 116

8.9天线相位中心 118

8.10总结 119

第9章 卓联12通道GPS接收机 120

9.1卓联GP2015射频下变频器 120

9.1.1转换到4.039MHz中频信号的三个步骤 120

9.1.2数字采样生成1.405MHz的中频信号 121

9.1.3 GP2015/2021的时钟信号和复杂模型 122

9.1.4起始时间（TIC）信号 122

9.2卓联GP2021的12通道基带处理器 122

9.2.1单通道框图 123

9.2.2去除多普勒频移 123

9.2.3 C/A码滑动相关器 124

9.2.4 C/A码时钟发生器 125

9.2.5即时（PROMPT）通道、超前、滞后和抖动码 125

9.2.6 C/A码扫描和旋转 125

9.2.7码相位计数器和码时钟相位 126

9.3 16位累加器 127

9.3.1 16位累加器是如何工作的？ 127

9.3.2清零（DUMP）信号 127

9.3.3积分数字累加器 127

9.3.4将数字累加器近似为模拟低通滤波器 128

9.4一个多普勒环的模拟模型 129

9.4.1假设压控振荡器的相位和频率是完全正确的 129

9.4.2基带带宽可调以便于跟踪 130

9.4.3多普勒，码扫描和阈值检测 130

9.4.4多普勒捕获和跟踪 130

9.5未锁定的输出波形近似的模拟模型 131

9.5.1第一种情况，压控振荡器的频率误差为90Hz 131

9.5.2第二种情况，压控振荡器的频率误差为10Hz 131

9.5.3第三种情况，压控振荡器频率误差是0，有很小的相位残差 133

9.5.4利用I路和Q路数据实现码锁定 133

9.6从I路和Q路中获得鉴频器的信息 133

9.7在GP2021中循环计数 135

9.8总结 135

第10章 载波相位测量和Turbo Rogue接收机 136

10.1载波相位距离测量的机械时钟模型 136

10.1.1差分时钟表盘上观测到的纯多普勒频移和静态相位偏移 136

10.1.2差分时钟随多普勒频移改变符号而改变运转方向 136

10.1.3整周计数，部分周期以及符号问题 137

10.1.4使用整周和小数周差分表盘测量距离，积分多普勒 138

10.1.5整周计数器的初始值 138

10.1.6实现过程中的问题 138

10.1.7周跳 139

10.2 L1载波环路处理 139

10.2.1 L1载波跟踪环的模拟基带模型 140

10.2.2开环状态，输入信号是常值，环路滤波器输入为零 140

10.2.3开环状态，t 1时刻输入信号频率以斜坡形式增加 141

10.2.4 φ δ是对卫星相对接收机（LOS方向）的加速度的估计 141

10.2.5环路滤波器对加速度和速度的加权求和 141

10.2.6全数字基带载波环路 141

10.2.7典型环路更新关系 142

10.2.8Σ φδk的初始值 142

10.2.9累加载波相位的斜率可能倒转（即倒转曲线） 143

10.2.10累积相位最典型的是总相位 143

10.2.11提取已测的相位信息减去标称中频频率的循环数 143

10.2.12累积载波相位的单位可以以周期或者计数等来定义 143

10.3使用L1和L2载波相位表盘建立一个新的表盘 143

10.4分析量测量和载波相位总积分Φ（t）的用途 145

10.4.1分析载波相位总积分和它的用途 146

10.4.2载波相位总积分的推导 147

10.4.3 Φ（t）的误差和比率 147

10.4.4 Φ 1（t）和Φ 2（t）的比率 147

10.4.5 Φ（t），或者ΔΦ（t）的单载波误差 148

10.4.6载波相位之间的误差，Φ 1（t）：Φ 2（t）（比率和各自的误差） 149

10.5 Turbo Rouge接收机的时间精度和时间分辨率 149

10.5.1载波相位干扰概述 151

10.5.2 Turbo Rogue时间分辨率 151

10.5.3 Turbo Rogue时间精度 152

10.5.4 Turbo Rogue接收机内部产生的相位噪声 152

10.5.5输入有相位量化噪声的载波跟踪环基带模型 154

10.5.6载波处理中的时间抖动估计 155

10.5.7 Turbo Rogue接收机采样相位分析总结 156

10.6总结 157

参考文献 157

第11章JPL Turbo Rogue接收机 158

11.1 L1C/A码TR接收机 158

11.1.1 TR接收机L1 C/A码通道处理的机械时钟模型 158

11.1.2基于22.156MHz主振荡器的一种全一致设计 159

11.1.3载波和码相位残差测量值 160

11.1.4码片表盘和载波相位表盘的相位速率测量值 160

11.1.5时钟同步装置 160

11.1.6延迟或距离延迟估计τC/A（t） 160

11.1.7依赖于载波速率的码速率 161

11.1.8载波相位速率Δφ减去标称中频频率可以得到码相位速率ΔτC/A的原因 161

11.1.9 20ms更新速率 161

11.2综合20ms表盘机械模型和时间标签 162

11.3 TR处理器结构框图 164

11.3.1下变频和采样 165

11.3.2基准时钟 165

11.3.3累加器启动/停止的控制和处理 166

11.3.4载波相位、码和码片表盘 166

11.3.5 C/A历元信号、20ms和ls计数器或副本表盘的缺失 166

11.3.6 C/A码发生器 166

11.3.7从积分载波相位中提取载波相位NCO指令 167

11.3.8控制相位和速率的载波相位环路 167

11.3.9时间标签信息 167

11.4 TR接收机的DSP运算和性能综述 168

11.5 GP处理器执行DSP计算的细节 169

11.6术语：反旋转器 171

11.7 TR时间标签和延迟τC/A观测量的总结 172

11.8总结 173

第12章L2C信号 174

12.1引言 174

12.2 L2C信号的历史 174

12.3 L2信号要求 177

12.3.1 L2信号结构 178

12.3.2详述L2C信号 179

12.4 L2C导航数据的解调 187

12.4.1构建非FEC的传统导航数据 187

12.4.2构建采用FEC的传统导航数据 187

12.4.3构建民用导航数据电文 188

12.4.4维特比解码器 188

12.5观测量 190

12.5.1伪距 191

12.5.2相位 193

12.5.3多普勒频率 196

附录A 197

附录B 211

附录C 218

附录D 224

附录E 226