辅助GPS原理与应用

　　本书依托于作者在导航定位领域几十年的研究与工程实践经验，深入浅出地讲解了辅助定位技术与GPS接收机设计方面的内容，并对未来A?GNSS技术的发展方向做出了前瞻。全书在回顾标准GPS技术结构的基础上，具体分析了GPS系统引入辅助技术的原因，而后结合理论和仿真案例对无精确定时条件下的A?GPS技术辅助定位原理进行了详细论述，并讨论了A?GPS技术辅助信息的特殊形式、在不同模块中的工作原理及A?GPS的工业标准和政府规范。另外，本书也对高灵敏度GPS接收机的整体设计理念给出了详细的指导。

译 者 序随着导航技术的进步与普及， 全球定位系统(GPS, Global PositioningSystem)应用也变得越来越重要和多样化，能为精细农业、科学研究(野外生物学、气象学、地球科学)、环境监测、突发事件和灾害评估、安全保障、天体与建筑工程，以及自然资源分析等方面， 提供实时、全天候和全球性的导航服务， 从而广受世人关注。GPS接收机处于室外可拥有相对良好的信号质量，然而人们希望在任何地点都能使用GPS， 包括在室内等弱信号环境下工作， 基于此出现了辅助GPS(Assisted GPS，辅助全球卫星定位系统)的构想和技术。A?GPS结合地面网络资源与传统卫星定位， 利用基站代为传送辅助卫星信息，以缩减GPS芯片获取卫星信号的延迟时间， 受遮盖的室内GPS设备也能借基站接收辅助信息，减轻GPS设备对卫星的依赖度。与纯GPS、基站三角定位相比，A?GPS能提供范围更广、更省电、速度更快的定位服务。本书作者是A?GPS领域的技术专家，他参与制订了应用于个人导航设备和移动电话中的A?GPS接收机的设计方案。为了将商用A?GPS的设计思想和实际设计中的处理方法与读者分享，作者编写了A?GPS： Assisted GPS, GNSS， and SBAS一书， 其最大特点是层次条理清晰， 内容由浅入深，无论对于GPS领域的初学者还是有经验的工程设计人员都很适用。本书可以分两个层次阅读， 每一章的第一节都是本章的学习指南，总结了该部分的主要内容， 可以作为A?GPS的浅显易懂的非技术性概括， 从第二节开始是具体知识讲解， 表述清楚，易于为读者所接受。在较难懂的部分， 本书通常会配以表格或图解， 具有直观性和易懂性。本书的内容共分10章，第1章和第2章描述了GPS系统和A?GPS系统， 第3章详细介绍了A?GPS系统中辅助信息的内容，第4章和第5章讲解了不同时间精度对导航结果的影响， 第6章阐述了高灵敏度A?GPS接收机的设计，第7章引入A?GPS系统中辅助数据的生成， 第8章描述了扩展星历的产生及其所起的作用， 第9章介绍了相关的工业标准和政府规定， 最后，在第10章中展望A?GNSS未来的发展和前景。译者投入了大量时间和精力， 在原书出版两年后完成了全书的翻译工作，将中译本奉献给广大读者， 盼望能够为读者所接受，并诚恳希望得到来自各方面的指教与建议。希望我们能够为我国全球卫星导航技术的研究和导航定位技术的发展尽绵薄之力。本书的读者对象可涵盖参与研究、开发、系统设计、试验和应用GPS/GNSS的全球卫星导航技术的相关从业人员，同时导航和通信领域的高年级本科生和研究生也可将本书作为参考书籍。本书由孟维晓教授、马永奎副教授、高玉龙副研究员三位教师翻译。其中，孟维晓教授负责主审和整体的统稿工作， 并完成前言、第1章至第4章的翻译工作， 第5章至第7章由马永奎副教授翻译，第8章至第10章、附录、表及索引由高玉龙副研究员翻译。此外参与文档整理、录入和校对的人员还有哈尔滨工业大学电子与信息工程学院通信工程系的几位博士及硕士研究生，他们是：刘恩晓、陈雷、史雨薇、方睿、李殿为、王晓宇、谭萍等。在此对他们所付出的努力表示衷心的感谢！由于本书涉及面广，译者的翻译水平及技术能力有限， 译本中难免存在不当或欠妥之处， 恳请广大读者和专家批评指正。 译 者于哈尔滨工业大学 2011.9序自从我们中的一部分人有幸参与GPS的设计，35年的时间已经过去了。Transit、Timation、621B、DNSS和原子钟等系统和设计都为GPS提供了基础。虽然GPS最初被缺少导航理论知识的技术人员认为是无用的冒险，但现在GPS已经变得家喻户晓， 其在飞行器、船舶、测量、建造，特别是手机和汽车等业务范围内拥有数以百万的用户（大多是民用方面）。辅助GPS(A?GPS)是GPS广泛应用的一个重要手段，特别是对于手机和其他便携设备。A?GPS融合了GPS和通信工具，并利用了低功耗的GPS芯片和数以千计的相关器。GPS卫星能够利用有限的功率为地面上数千英里1英里≈1.609km——编者注。范围内的用户提供服务。A?GPS通过单独的通信信道可以提供重要的信息， 从而极大地提高了GPS接收机的处理能力，使接收机可以成功地工作在诸如建筑物内部、森林和山丘等地区和环境， 这些地区和环境中GPS信号可能被部分减弱，对信号接收不利。辅助全球定位系统、全球导航卫星系统和星基增强系统， 由弗兰克博士汇集了这些技术及其理论，并重点强调其已经实用或即将实用的产品和芯片组的实例。他利用大量MATLAB代码的例子，以及为数众多的图表信息补充对A?GPS的描述。此外他还从以实用的角度规范了行业标准。他利用对未来A?GNSS的展望进行了总结，其中包括新一代A?GPS和其他即将在轨的辅助全球导航卫星系统。 James J. Spilker博士，国家工程学院院士电气工程和航空航天咨询部教授斯坦福大学定位、导航和授时中心创始人之一 2009年3月 前言本书最初为那些参与研究、试验、设计或应用GPS/GNSS的全球卫星导航技术专业人士准备的，同时大部分内容也适合于非专业的读者。为了达到这两个目的，本书在每章之初都会对该章内容进行概述。非专业的读者和那些想要快速理解全书内容的读者可以先阅读第1章的全部内容，然后是2.1节和3.1节等。这大约50页左右的内容就像一个嵌入的学习指导。对于GPS技术的专业人士，本书就是一本完整的辅助GPS设计指导：它是为那些熟悉基础的GPS工程师和科学家设计的。笔者在最初的GPS系统运行前，就参与了GPS接收机的开发工作。在过去十年中，笔者参与的A?GPS接收机设计方案与装置已经安装在了世界范围内的数以千万的个人导航设备和移动电话中。因此，本书介绍了商用A?GPS的实际设计思想。着重讲解了工业生产中的实际工作。因此， 读者可能会注意到，有些问题与大多数GPS教材中描述的常规处理方法不同， 尤其是在高灵敏度的信号处理领域。这主要是对实际工作的一种反映，同时还表达了另一层意思， 即对早期工作中已经覆盖或者涉及的某些主题， 提供一种可选择的研究方法。因此， 如果发现某些论述不是所习惯的，希望这是由于新的方法所造成的。尽管本书的目的是提供实用技术， 但我们不回避必要的理论细节。第4章和第5章讲解导航时，详细讲解了线性代数；第6章（高灵敏度）提到了很多数字信号处理中的统计分析知识。为了使文章更容易理解，我们提供了MATLAB的工作实例（包括可以阅读、复制并运行的MATLAB脚本）来说明某些概念或复制的结果。本书基于一门在2001年3月第一次授课的室内GPS（或高灵敏度的A?GPS）方面的课程。第6章讲解了高灵敏度接收器设计，几乎与本书的其他部分无关。本书的其余部分涉及了A?GPS的其他方面， 其中包括辅助数据的生成与分析；GPS导航的数学知识，特别是粗时间导航；长期轨道；行业标准；政府的规定和未来的辅助全球导航卫星系统。作为实际解决方法的一部分重点， 本书包括一个附录，以介绍辅助全球导航卫星系统设计师和研究人员日常工作中经常用到的转换因子和拇指规则表。这些表包括对每个议题的分析和有关章节的交叉引用。笔者每天都在案头参考这些表，希望读者同样能得到帮助。笔者感谢读者指出错误并且提出改进建议（www.frankvandiggelen.com）。 致谢笔者有幸与许多杰出的GPS工程师一起共事。Navsys公司的Alison Brown博士、Charles Abraham，还有同时在Ashtech、Global Locate、Broadcom公司效力的Sergei Podshivalov三位GPS工程师，他们都才华横溢， 知识渊博， 并且经常抽出宝贵的时间与笔者交流。可以说没有他们的帮助，此书会黯淡不少。本书的材料源自2001年为NavtechGPS公司开设的一门课程。这些年NavtechGPS公司的CarolynMcDonald、Keith McDonald、Franck Boynton、F’Lynne Didenko及YelenaTeterina都一直在帮助笔者准备并讲授这门课程。笔者在GlobalLocate的同事是其授课的第一批实验对象。当时约有20人参加了笔者的授课， 其中大部分人现仍与笔者共事， 他们是AlexUsach、Chris Lane、Charles Abraham、David Lundgren、Don Fuchs、EmreTapucu、Huan Phan、Javier de Salas、John Pavan、Keith Evans、PhongVan、Scott Pomerantz、Serge de la Porte、Sergei Podhsivalov和VinnyHyunh。在2007年Global Locate公司被Broadcom公司收购后，笔者开始萌发把这门课程的教案改编成一本书的想法。由于Broadcom公司的Scott Pomerantz、BobRango、Nambi Seshradi、Henry Samueli， 还有Artech House出版社的MarkWalsh的热情支持， 才得以梦想成真。很荣幸能与斯坦福大学的GPS小组合作， 通过2008年暑期的一些讲座，对书中的每一章都进行了校对与讨论。许多想法与观点都要感谢这个小组的成员：Alan Chen、Alex Ene、David DeLorenzo博士、David Powell教授、Di Qiu、Godwin Zhang、JiwonSeo、Aalborg大学的Kai Borre教授、东京海洋大学的Nobua