新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术

　　本书是国际上第一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先进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国内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：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。作为第一发明人拥有多项国际发明专利，作为第一作者在IEEE TWC、TAES、TVT等杂志上发表多篇SCI检索论文，曾荣获国家军队科技进步二等奖、美国导航学会（ION）学生论文优胜奖、中国卫星导航学术年会（CSNC）2010和2013年度青年优秀论文一等奖、2013年度年会优秀论文奖、清华大学优秀博士论文奖、清华大学优秀博士毕业生等荣誉。

目 录第1章 绪论 11.1 本章引言 21.2 卫星导航系统的发展与现状 41.2.1 GNSS的前身 41.2.2 GPS及其现代化 61.2.3 GLONASS及其现代化 71.2.4 Galileo系统 81.2.5 北斗卫星导航系统 91.3 导航信号的重要性 111.4 卫星导航信号体制的发展 121.4.1 GPS信号体制的发展 121.4.2 Galileo系统信号体制的发展 131.4.3 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 212.1 本章引言 222.2 卫星导航的基本原理 222.2.1 通过测距信号确定位置 222.2.2 位置估计的线性化方法 252.2.3 用户位置的精度 252.2.4 伪距的测量 262.3 卫星导航信号的关键要素 272.4 载波频率的选择 272.5 信号的发射功率 322.6 信号的极化方式 352.7 信号的多址接入 372.8 信号的扩频调制 382.9 扩频序列与二次编码 412.9.1 扩频序列的偶相关与奇相关 412.9.2 扩频序列的构造 432.9.3 扩频调制对码相关性的影响 462.9.4 二次编码 482.10 导频信道与数据信道 492.10.1 导频信道的作用 492.10.2 数据信道与导频信道的功率分配 522.11 多路复用 532.12 电文结构与信道编码 542.12.1 电文结构 542.12.2 信道编码 55参考文献 57第3章 直接序列扩频的基本性质 613.1 本章引言 623.2 扩频调制信号模型 633.3 扩频调制信号的时域特性 653.3.1 信号相似性的度量方式 653.3.2 互相关函数与自相关函数 663.3.3 周期信号的相关函数 663.3.4 扩频信号的互相关函数 673.3.5 阶状码调制信号的互相关函数 693.4 扩频调制信号的频域特性 743.4.1 功率谱密度 743.4.2 无电文调制的扩频信号功率谱 743.4.3 带电文调制的扩频信号功率谱 773.4.4 非周期扩频信号的功率谱 773.4.5 阶状码调制信号的功率谱 783.4.6 互功率谱密度 793.4.7 功率谱密度的归一化 79参考文献 80第4章 卫星导航中的扩频调制技术 814.1 本章引言 824.2 BPSK-R调制 844.3 BOC调制 874.3.1 BOC调制的定义 874.3.2 BOC信号的功率谱密度 894.3.3 BOC 信号的自相关函数 914.3.4 正弦与余弦相位BOC调制在特性上的差别 934.4 BCS调制 974.5 CBCS 调制 994.5.1 CBCS信号的定义 994.5.2 CBCS信号的自相关函数 1014.5.3 CBCS信号的功率谱密度 1024.5.4 CBCS信号的互相关偏差 1044.6 TMBCS与QMBCS调制 1074.7 MBOC调制 1074.7.1 TMBOC调制 1094.7.2 CBOC调制 1104.7.3 QMBOC调制 1124.8 分裂谱信号的处理模糊度 1144.8.1 问题描述 1144.8.2 串行捕获策略下的误捕概率 1154.8.3 并行捕获策略下的误捕概率 1174.8.4 消除模糊度的方式 1204.9 其他的扩频调制方式 1234.9.1 AltBOC 调制 1234.9.2 MSK调制 1264.9.3 GMSK调制 1304.9.4 SRRC 扩频波形 1304.9.5 PSWF扩频波形 1324.9.6 带宽受限扩频调制技术小结 133参考文献 133第5章 导航信号扩频调制的性能分析 1395.1 本章引言 1405.2 接收信号的基带等效表达 1425.2.1 扩频信号的复包络表示 1425.2.2 信号与噪声加干扰的功率谱 1435.3 扩频码跟踪误差的下界 1445.3.1 码跟踪误差的Cramér-Rao下界 1445.3.2 高斯白噪声环境下的CRLB 1455.4 卫星导航接收机的信号处理模型 1475.4.1 预检测积分 1475.4.2 捕获 1485.4.3 码跟踪 1495.4.4 载波跟踪 1505.5 热噪声与干扰下的测距性能 1515.5.1 问题模型 1525.5.2 鉴相器输出的统计特性 1535.5.3 非相干处理下的跟踪误差 1545.6 捕获、载波跟踪和数据解调的性能 1585.7 抗多径性能 1615.8 频谱兼容性 1645.8.1 频谱分离系数 1645.8.2 码跟踪频谱灵敏度系数 1665.8.3 等效载噪比 168参考文献 170第6章 扩频信号恒包络复用的基本理论 1736.1 本章引言 1746.2 高功率放大器 1756.3 恒包络复用的基本概念 1756.3.1 恒包络信号 1756.3.2 恒包络复用 1766.4 相位映射表 1806.5 恒包络复用的设计方程 1816.6 恒包络复用的效率 1846.7 恒包络复用信号的表示形式 1846.7.1 恒包络合成信号的基信号 1846.7.2 恒包络复用的相位线性组合形式 1866.7.3 恒包络复用的交调构造形式 1876.7.4 不同表示形式之间的联系 1886.8 恒包络复用信号的功率谱密度 1886.9 恒包络复用的实现方法 1896.9.1 基于相位映射表的生成方法 1896.9.2 基于相位合成的生成方法 1906.9.3 基于交调构造法的生成方法 191参考文献 192第7章 扩频信号恒包络复用的构造方法 1957.1 本章引言 1967.2 QPSK复用 1977.3 时分复用 1997.4 POCET技术 2027.5 正交乘积副载波调制 2037.5.1 三路信号的 QPSM 复用 2047.5.2 任意信号数量的情况 2057.5.3 QPSM复用应用于CBCS信号 2067.6 基于多数表决逻辑的复用 2077.6.1 多数表决逻辑 2077.6.2 等权值MV复用 2087.6.3 利用时分复用实现非等权值MV 2107.6.4 交错MV复用的相位映射表 2127.7 双频联合恒包络复用 2167.7.1 利用复副载波实现边带调制 2167.7.2 基于方波复副载波的DCEM 2177.8 ACE-BOC调制/复用技术 2177.8.1 ACE-BOC信号的直接形式 2187.8.2 相位旋转形式 2207.8.3 典型功率配比下的 ACE-BOC 信号 2227.9 恒包络复用技术的级联 2257.9.1 InterVote 2257.9.2 PocetVote 2267.9.3 TD-AltBOC 2267.10 恒包络复用实现技术小结 227参考文献 228第8章 结束语 2318.1 卫星导航信号的性能评估 2328.2 卫星导航信号可能的发展趋势 234缩略语 239