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1、第1章 连续信号与系统的分析,1.1 连续信号与系统的时域分析 1.2 连续信号与系统的频域分析 1.3 连续信号与系统的复频域分 1.4 系统函数与系统特性分析,2019/6/20,2,1.1 连续信号与系统的时域分析,信号通常可表示为时间函数，如果以时间作为自变量，不仅可以研究连续信号本身特性，而且还可以研究连续信号通过系统以后的响应，这种研究方法就被称为连续信号与系统的时域分析。 1.1.1 信号的分类 信号的定义：消息的表现形式，通常体现为随若干变量而变化的某种物理量，在数学上，信号也可以描述为一个或多个独立变量的函数。,2019/6/20,3,1、确定信号和随机信号 如果某一信号可以
2、用明确的数学表达式表示，则称该信号为确定信号。 有些信号没有确定的数学表达式，当给定一个时间值时，信号的取值并不确定，通常只知道它取某一数值的概率，则称这种信号为随机信号。,2019/6/20,4,地面监控部分的组成： 主控站：位于美国的科罗拉多州的联合空间执行中心；（一个） 注入站：大西洋、印度洋和太平洋（三个） 监测站：（五个）除上述四个站以外，另一个在夏威夷。 3、用户设备部分 核心是GPS接收机。它由主机、天线、电源和数据处理软件等组成。,2019/6/20,5,GPS卫星信号,GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的PSK调制波，利用该信号，用户可以实时、全天候的实现三维导航和定位
3、。,2019/6/20,6,1、 C/A码 码长均为N=210-1=1023，周期为1ms的伪随机码序列，码元宽度相当于293.1m，测距误差约为29.3 2.93m，由于其精度较低，美国军方没有限制全球GPS用户对C/A码的使用。 2、P码 与C/A码相似伪随机码序列，P码周期就显得非常长，大约267天才重复一次。码元宽度是相当于29.3m的电波传送距离。,2019/6/20,7,3、 GPS卫星的导航电文（数据码） 导航电文是用户用来定位和导航的数据基础，播送速率为50bps。 12.5分钟才能够广播完星座中所有卫星的历书。,2019/6/20,8,美国的GPS政策,GPS是美国军方以实现
4、高精度导航和定位而建立的，美国在GPS使用之初就制定了控制性的政策和措施。 美国就制定了两套服务标准 ： 标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)。 SPS向任何国家开放，提供L1频率上的C/A码和导航电文；采用SA技术可使SPS用户的定位精度降低为：水平100m，垂直156m。,2019/6/20,9,PPS服务长期保密，仅提供给美军、盟国及特许用户使用，并实施反电子欺骗AS (Anti-Spoofing)技术，将P码转换为Y码，其目的是防止敌方仿真GPS信号和用干扰机对P码进行干扰。 基于商业利益，美国政府近几年来一直在调整其GPS 政策，这将给美国和全球GPS市场和用户带来一系列重
5、大影响。主要政策有：,2019/6/20,10,1、中止SA政策 1996年3月，美国副总统戈尔向世界宣布：计划在2006年以前最终停止SA政策。但是，仅过去了4年，在2000年5月1日，白宫就宣布：从当日午夜开始中止对GPS公众服务信号降低精度的措施（SA政策）。 取消SA后，用户实时单点水平定位的精度提高到20m左右，我们利用现有设备G80进行测量，单点水平定位的精度在10m左右；,2019/6/20,11,但是，美国军方已经掌握了在局部区域内增加SA信号强度，使敌方的GPS定位精度大大降低的技术。 2、新增民用频道计划 为了进一步改善民用定位精度，在GPS系统中，增加第二民用频率L5，以
6、减小用C/A码定位时电离层延迟引起的误差。 为了阻止敌方利用GPS军用信号，在新设计的F卫星上将民用频道L1 、L2和L5和军用频道L3和L4分开，,2019/6/20,12,2、实时动态测量系统 RTK,GPS导航方式 GPS技术在测绘和导航中应用的差别 RTK系统的组成及工作原理,2019/6/20,13,GPS导航方式,导航的任务就是引导空中、海上或陆地的航行体自起始点出发沿着预定的航路，经济而又安全地到达目的地。航行中实时地测定航行体的位置，是完成导航任务的关键。 GPS导航方式包括：GPS单机导航；差分GPS导航和GPS/INS组合导航,2019/6/20,14,1、GPS单机导航
7、GPS单机导航是指仅利用一台GPS接收机提供的定位参数进行导航。 定位原理： 可以看到，当观测到四颗卫星时就可以求出，三维位置和接收机的时间误差信息。,2019/6/20,15,2、差分GPS导航 由于星历误差、时钟误差、电离层和对流层时延、SA、多径效应、接收机噪声等因素的影响，会影响GPS单机单机定位精度，当两台GPS接收机距离很近时，除了接收机噪声和多径效应外，其它误差都是相关的。 根据差分GPS参考站发送的信息种类不同，可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。,2019/6/20,16,位置差分：由于测量误差的存在，参考站的GPS接收机测得的自身坐标的测量值与参考
8、站真值不同。计算两者差值，得到位置修正量，并通过数据链广播。,用户站把数据链收到的位置修正量和直接收到GPS位置量进行处理，得到准确的定位结果。,2019/6/20,17,伪距差分：国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104协议规定了这种差分方式的数据格式 。数据链发射的是伪距修正量。 广域差分系统(WDGPS)：在大范围内布设参考站网，用它估算出各个区域的伪距修正量。 GPS广域增强系统(GPS-WAAS) ：利用伪卫星的WDGPS系统被称为。它不仅给广大区域用户提供了较为准确的修正量，还增加了一颗可见星。,2019/6/20,18,局域增强系统（LAAS），它在飞机进近着陆方面有着广
9、阔的应用前景，是替代陆基着陆系统的主要技术 。 动态载波相位差分GPS：包括修正法和载波差分法。 L1 =19.03cm、L2 =24.42cm。 修正法：与伪距差分相同，用户载波相位修正量来求解坐标；准RTK技术 载波差分法：用户根据参考站发来的载波相位观测量和位置数据，求差解算坐标。这是真正的RTK技术。,2019/6/20,19,3、GPS/INS组合导航： GPS存在的不足： 1) GPS导航不是自主导航，卫星信号有可能被人为的干扰或关闭，也可能被高山、建筑物等遮挡； 2) 卫星星座对地球覆盖不完善，在某些区域有时有可能出现盲区； 3) 对于高速运行的载体而言，GPS数据更新率太低；,
10、2019/6/20,20,GPS技术在测绘和导航中应用的差别,测绘领域和导航领域对GPS技术的要求存在许多差异，主要反映在系统工作方式和精度要求等方面 。 关于进近着陆精度的建议,非精密进近,类精密进近,类精密进近,类精密进近,水平精度/垂直精度,16.0m/4.0m,6.5m/1.7m,3.9m/0.8m,2019/6/20,21,RTK(Real Time Kinematic),2019/6/20,22,RTK系统的组成及工作原理,RTK系统：参考站和移动站构成 ，它们的设备组成几乎完全相同，主要包括： 单频或双频GPS接收机，以及相应的天线； 无线数据链路中的数传电台和它的天线等 。 主
11、要技术指标：数据更新率应该保证在0.5到2秒之间 ，链路传输速率至少为2400bps，通常为9600bps甚至19200bps。,2019/6/20,23,3、利用RTCM电文实现RTK,RTCM 发展历史 RTCM 电文内容 原始观测量差分技术和相位修正量差分技术的比较,2019/6/20,24,RTCM 发展历史,1983年11月，国际海事无线电委员会(the Radio Technical Commission for Maritime ServicesRTCM)设立了SC-104专门委员会，以便论证用于差分GPS业务的各种标准； 1985年11月RTCM SC-104发表了Ver1.0
12、版本的建议文件，设计了一种标准的RTCM编码电文格式；,2019/6/20,25,1994年1月RTCM SC-104公布了标准Ver2.1版本的建议文件，增加了4个支持RTK的新电文，它们是电文Type18Type21； 1998年1月RTCM SC-104公布了Ver2.2版本的建议文件，出现了更加支持RTK电文； 与此同时，各专业厂家也制定了各自专用的支持RTK的电文格式； 目前，几乎所有可进行差分定位的GPS接收机，均可识别RTCM电文格式的差分信息。,2019/6/20,26,RTCM 电文内容,2019/6/20,27,原始观测量差分技术(RTK)和相位修正量差分技术(准RTK)的
13、比较,RTK技术是GPS发展历史上最新的一项技术，它集信号处理和高速数据传输技术为一体，可应用于实时动态工程测量和精密导航定位等领域。但是由于相位观测所包含的数据量较大，原始观测量双差处理实时性要求较高，因此，对于系统中数据链有特殊的要求。 SC-104设计了RTK的电文Type18/19。,2019/6/20,28,SC-104设计了准RTK的电文Type20/21，使用该电文一方面可以提高伪距差分的定位精度，另一方面它也保留了伪距差分数据链的优点，回避了RTK方式需要的高速数据传输问题，定位精度可以达到分米级。比较： 1）与RTK的电文Type18/19相比，准RTK电文Type20/21
14、需要发送的数据要少； 2）电文Type20/21对于时间的要求不严格； 3）利用电文Type20/21可以简化移动站的数据处理；,2019/6/20,29,4）利用电文Type20/21可以减弱移动站定位对参考站的依赖性； 5）利用电文Type20/21实现载波相位差分精度较差。,2019/6/20,30,4、RTK系统的精度分析与比较,GPS定位系统的误差 实际测量及结果分析,2019/6/20,31,GPS定位系统的误差,GPS定位系统的误差包括：卫星有关的误差、卫星信号的传播误差和与接收机有关的误差； 1、卫星有关的误差 卫星钟差 ：要求卫星钟与接收机钟保持严格的同步。而实际上卫星钟是有
15、漂移的。,2019/6/20,32,卫星星历误差：卫星星历所给出的卫星空间的位置与实际位置之差被称为卫星星历误差。 2、卫星信号的传播误差 电离层折射的影响：在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响将小于5m；而在白天正午时分，当卫星仰角小于10度时，其影响可以达到150m左右。 对流层折射的影响： 多径效应的影响：,2019/6/20,33,3、与接收机有关的误差 接收机钟误差：GPS接收机一般采用高精度石英钟，稳定度约为10-9，接收机钟与卫星钟相差，则由此引起的等效距离误差。 观测误差： 天线相位中心位置误差： 在1998年1月RTCM SC-104公布了Ver2.2版
16、本文件中，设计了描述天线相位中心位置误差电文Type22，这使得RTK在定位中基本消除了有关天线误差的影响。,2019/6/20,34,实际测量及结果分析,1、实际测量 我们从2002年2月1日上午10：46开始，在西北工业大学1号楼顶每隔大约1小时10分钟采集一组数据，共采集RTK和码差分数据各3组。 试验设备： GPS接收机： JAVAD G80 2台 差分数据链路： RFM96W数传电台 2台,2019/6/20,35,2019/6/20,36,2019/6/20,37,2019/6/20,38,2019/6/20,39,不同差分定位系统的精度 单位：米,2019/6/20,40,2、结果分析 1）测试方法有效性的反映了实时动态特性； 2）码差分数据分析：曲线由两种随机过程的叠加构成，即快、慢过程，造成码差分误差的主要是慢随机过程，即误差为慢漂移过程，每次漂移大约持续时间为200秒左右。 3）RTK数据分析 ：快、慢过程的强度属于同一数量级 ，4小时的试验中出现了2次周跳现象，定位精度要远远高于码
