GPS原理及应用-复习资料

第一章1试说明GPS全球定位系统的组成以及各个局部的作用。(1)空间星座GPS卫星星座由24颗〔3颗备用〕卫星组成，分布在6个轨道内，每个轨道4颗。根本功能：接收和存储由地面监控站发出的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；利用卫星的微处理机，对局部必要的数据进行处理；通过星载原子钟提供精密时间标准；向用户发送定位信息；在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。

(2)地面监控地面监控局部由分布在全球的5个地面站组成，包括5个监测站，1个主控站，3个信息注入站。

监测站：对GPS卫星进行连续观测，进行数据自动采集并监测卫星的工作状况。

主控站：协调和管理地面监控系统，主要任务：根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站；提供全球定位系统时间基准；各监测站和GPS卫星原子钟，均应与主控站原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行；启用备用卫星代替失效工作卫星。

注入站：在主控站控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

(3)用户设备由GPS接收机硬件和数据处理软件以及微处理机和终端设备组成。

GPS接收机硬件主要接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件主要对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。2试说明我国北斗导航卫星系统与GPS的区别一是使用范围不同。“北斗一号〞是区域卫星导航系统，只能用于中国及其周边地区，而GPS是全球导航定位系统，在全球的任何一点只要卫星信号未被遮蔽或干扰，都能接收到三维坐标数据。二是卫星的数量和轨道是不同的。“北斗一号〞有3颗，位于高度近3.6万千米的地球同步轨道。三是定位原理不同。“北斗一号〞是用户首先发射要求效劳的信号，通过卫星转发至地面控制中心，地面控制中心计算出用户机的位置后再通过卫星答复用户，而GPS只需要4个卫星的位置信息，由用户接收机解算出三维坐标，由于“北斗一号〞本身是二维导航系统，仅靠2颗星的观测信号尚不能定位，观测信号的获得需要具有转发或收发信号功能，而通信功能是GPS不具备的。3GPS相较其他导航定位系统的特点功能多,用途广.可以用于导航,测时,测速,测量及授时.定位精度高.实时定位.试述GPS定位技术相对于传统测绘技术的特点1观测站之间无需通视。但应保证观测站上方开阔。2定位精度高。目前在小于50km的基线上，相对定位精度可达1-210-6，在100km-500km的基线上可达10-6-10-7，随着观测技术和数据处理方法的改善，在大于1000km的基线上，相对定位精度可望到达10-83观测时间短。对于小于20km的短基线快速相对定位只需几分钟。4提供三维坐标。5自动化程度高，操作简便。测量员只需安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器工作状态和采集环境气象数据。而卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。6全天候作业。任何时间任何地点连续进行，一般不受天气影响。第二章天球：以地球质心为中心，半径r为任意长的一个假想的球体。大地经纬度：大地经度是指通过参考椭球面上某一点的大地子午面与本初子午面之间的二面角，大地纬度是指过参考椭球面上某一点的法线与赤道面的夹角天文经纬度：天文经度是指本初子午面与过观测点的子午面所夹的二面角，天文纬度是指过某点的铅垂线与赤道平面之间的夹角。黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆即地球绕太阳公转时，地球上观测者所见到太阳在天球上运动的轨迹春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点赤经：从春分点沿着天赤道向东到天体时圈与天赤道的交点所夹的角度赤纬：从天赤道沿着天体的时圈至天体的角度岁差：在日月引力和其他天体引力对地球隆起局部的作用下地球在绕太阳运行时自转轴方向不再保持不变，使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北平天极将绕瞬时平北天极产生旋转，形成椭圆轨迹，其长半径约为9.2’’极移：由于地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而地极点在地球外表上的位置是随时间而变化的，这种现象称为极移。世界时系统：是以地球自转为基准的一种时间系统。包括恒星时，平太阳时，世界时。原子时：以物质内部原子运动的特征为根底的时间系统。世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳称为世界时原子时〔AT〕：1967年国际计量委员会决定采用铯原子零场在基态的两个超精细能级结构间跃迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为1秒，这样长度的秒，定义为原子时秒，以此为基准的时间系统，称为原子时。力学时：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间称为力学时。协调世界时：为防止发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年起采用的一种以原子时秒长为根底，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷的时间系统。〔协调世界时的秒长等于原子时的秒长，当协调时与世界时的时刻差超过+/-0.9秒〔s〕时便在协调时中引入一闰秒〕GPS时间系统：GPST，为精密导航和测量需要建立的专用时间系统，由GPS主控站的原子钟控制，属于原子时系统，其秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同IAT〔国际原子时〕-GPST=19S.天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向天球的北极，X轴指向春分点，y轴垂直于XOZ面。右手系坐标：天球坐标系，协议天球坐标系，地球坐标系，协议地球坐标系，地球参心坐标系。左手系坐标：站心坐标系。协议天球坐标系转换到瞬时天球坐标系：首先协议天球坐标系的坐标换算到瞬时平天球坐标系，然后瞬时平天球坐标系的左边转换发到瞬时天球坐标系。简述天球坐标系与地球坐标系的区别天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。地球坐标系那么是与地球相关联的坐标系，用于描述地面点的位置。简述高斯平面直角坐标系与UTM坐标系之间的区别1从投影几何方式看，高斯-克吕格投影是“等角横切圆柱投影〞，UTM投影是“等角横轴割圆柱投影〞2高斯投影带中中央经线保持长度不变，UTM投影带中有南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条割线上没有变形，中央经线上长度比0.9996。3从分带方式看，两者的分带起点不同，高斯-克吕格投影自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为3°；UTM投影自西经180°起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为-177°，因此高斯-克吕格投影的第1带是UTM的第31带4我国大于等于50万的大中比例尺地形图多采用六度带高斯-克吕格投影，三度带高斯-克吕格投影多用于大比例尺测图。而卫星影像资料常采用UTM投影。5UTM投影带内变形差异比高斯投影更小。简述国家坐标系与独立坐标系的不同国家坐标系按规定进行投影分带，通常是是6带或3带，投影面为国家大地基准所确定的参考椭球面，投影带中央经线的投影为纵轴，赤道投影为横轴，它们的交点为原点。独立坐标系不按国家坐标系方法进行定义。〔它分为地方坐标系和工程坐标系。地方坐标系采用标准投影公式，投影中央经线根据具体要求人为指定，投影面为当地的平均高程面，工程坐标系的坐标原点和坐标轴的指向都根据具体要求人为指定，坐标归化到指定的高程面上。〕简述GPS定位时间系统与协调世界时UTC之间的区别UTC是在时刻上尽量接近于以地球自转为根底的世界时采用润秒或跳秒的方法使协调时与世界时的时刻相接近，GPST属于由GPS主控站原子钟控制的原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同两者在1980年1月6日0时一致，随时间的积累两者的差异将表现为秒的整数倍。GPS时与协调时之间关系：GPST=UTC+1’n-19’，到1987年，调整参数n为23，两系统之差为4秒。到1992年调整参数为26，两系统之差已达7秒。简述恒星时，真太阳时与平太阳时的区别。恒星时是以春分点为参考点，同春分点的周日视运动所确定的时间，春分点两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含24个平太阳时。真太阳时以真正的太阳为参考点，太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔叫一个真太阳日，一个真太阳日分为24小时。由于真太阳的运行速度和时角变化率不均匀，不适于作为计量均匀时间的基准。一个恒星日=一个平太阳日-3’55.909第三章轨道:卫星在空间运行的轨迹.卫星轨道参数:描述卫星位置及状态的参数.卫星受到的作用力分两种：地球质心引力，摄动力。开普勒轨道6参数决定轨道形状的参数：长半径α：轨道长轴的一半。偏心率e：e=c/a.决定轨道方向的参数：升交点赤经Ω：在地球赤道平面上，升交点与春分点之间的地心夹角。轨道面的倾角i：卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。近地点角距ω：在轨道平面上升交点与近地点之间的地心夹角。决定卫星位置的参数：卫星过近地点的时刻t0开普勒三定律开普勒第一定律:卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。开普勒第二定律：卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。开普勒第三定律：卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，等于GM的倒数。简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力地球引力场摄动力地球体的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力日月引力日月引力引进的卫星位置摄动主要表现为一各长周期摄动太阳光压力卫星在运行中将直接或间接受太阳光辐射压力的影响而使轨道产生摄动其他摄动力a固体潮及海洋潮汐摄动固体潮和海洋潮汐将改变地球重力位对卫星产生摄动加速度b大气的摄动力大气阻力对低轨道卫星特别敏感码：是一组二进制的数码序列。比特是码的度量单位。随机噪声吗：码元幅值是完全无规律的码序列。是一种非周期序列，无法复制。试述C/A码和P码的特点〔二者均属伪随机码〕C/A码特点：码长较短，易于捕获，通过捕获C/A码所得信息，可以方便捕获P码〔捕获码〕；码元宽度较大，精度较底〔粗捕获码〕。P码特点：多通过C/A码捕获，码长更短，周期长，精度高，用于较精密导航和定位〔精码〕。导航电文〔D码〕：使用户用来定位和导航的数据根底。试述导航电文的组成格式导航电文是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。每帧导航电文含5子帧，每子帧含10字，每字30比特，每子帧300比特，播发时间6s。子帧4、5各含25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每页构成一个主帧。主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才更新。导航电文组成内容：遥测码位于各子帧的开头，用来说明卫星注入数据的状态；转化码位于每个子帧的第二个字码，提供用户从捕获的C/A码转换到捕获的P码的Z计数。第一数据块位于第一子帧的第3-10字码，内容包括标识码、时延差改正、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期、卫星时钟改正系数。导航电文的第2、3帧组成数据块II，内容是GPS卫星星历，是GPS卫星为导航、定位播发的主要电文。第4、5子帧是数据块III，内容包括所有GPS卫星的历书数据。一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的相关信息，在捕获P码。卫星星历：描述卫星运动轨道的信息，即是一组对应于某一时刻的卫星轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置极其速度。什么是预报星历?什么是后处理星历?预报星历：通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历〔播送星历或参星历〕。

后处理星历：一些国家某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法而计算的卫星星历，它不包括外推误差〔精密星历〕。试述伪随机噪声码测距原理卫星发射的测距码信号经过t秒传播后到达接收机时，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码—复制码，并通过延时器使其延迟时间t’将这两组测距码进行相关处理直到自相关系数R〔t’〕=1,使接收机所产生的复制码与接收到的GPS卫星测距码完全对齐，此时t’=t.卫星至接收机的距离为t’与c的积。第四章绝对定位：是以地球质心为参考点，确定接受机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所处的位置。相对定位：是指在协议地球坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置的定位方法。静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。静态绝对定位：接收机天线处于静止状态下确定观测站坐标的方法。静态相对定位：利用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。整周未知数：表示从某一起始观测历元至目标终止历元之间的载波相位整周数〔量〕，由于它一般未知，故称整周未知数。整周跳变：在跟踪卫星的过程中，由于某种原因如信号被挡或受无线电干扰造成失锁使计数器无法连续计数而失去一局部整数称为整周跳变。试写出伪距观测量的表达式〔顾及大气折射影响〕，并说明各项符号的意义？卫星至测站间的伪距；站星间的几何距离；接收机钟与卫星钟间的相对钟差的等效距离误差；t时刻电离层折射延迟的等效距离误差；t时刻对流层折射延迟的等效距离误差。简述载波相位测量的原理，试述整周未知数确实定有哪几种方法？并简要说明各种方法的含义？载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机产生的基准信号的相位差。整周未知数确实定方法：1.经典静态相对定位法—把整周未知数当做平差中的待定参数。首先消除整周未知数，在观测站坐标确定后再根据在平差计算中，整周未知数有整数解和浮动解两种。整数解：将平差计算所得的整周未知数取为相近的整数，并作为数代入原方程，重新解算其它待定参数。浮动解：不考虑整周未知数的整数性质，平差计算所得的整周未知数不再进行凑整和重新计算。2.交换接收天线法：在观测之前，先在基准站附近5-10m处选择一个天线交换点，将两台接收机天线分别安置在该基线两端，同步观测2-8个历元后相互交换天线，并继续观测假设干历元，最后将两天线恢复到原来位置。此时固定站与天线交换点之间的基线向量视为起始基线向量，利用天线交换前后的同步观测量，求解基线向量，进而确定整周未知数。2.P码双频技术：通过P码与载波相位观测量的综合处理来确定整周未知数的方法。3.搜索法:以数理统计理论的参数估计和假设检验为根底，利用初始平差的解向量及其精度信息，确定在某一置信区间整周未知数可能的整数解的组合，然后将整周未知数的每一组合作为值，重复进行平差计算其中使估值的验前方差为最小的一组整周未知数就是所搜索的整周未知数的最正确估值。4.动态法：根据运动过程中GPS对卫星载波信号的短时间观测值与参考站的同步观测值一起，利用快速解算整周未知数技术确定初始整周未知数。什么是单差、双差、三差模型？并说明它们各自有哪些特点？单差模型：在不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。卫星钟差的影响已经消除同时削弱卫星星历误差，电离层对流层折射影响。双差模型：在不同观测站同步观测同一组卫星所得单差之差。消除了接收机钟差的影响但可能组成的双差观测方程数将进一步减少。三差模型:于不同历元同步观测同一组卫星所得观测量的双差之差。消除了整周未知数的影响但使观测的方程的数量进一步减少。试写出单差、双差、三差观测方程单差：在不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。双差：在不同观测站同步观测同一组卫星所得单差之差。三差：于不同历元同步观测同一组卫星所得观测量的双差之差。设有a个测站，观测了b颗卫星，c个历元单差：观测方程数〔a-1)*b*c,未知参数总数(a-1)(3+b+c)双差：观测方程数(a-1)*(b-1〕*〔c-1〕，未知参数总数3〔a-1)+(b-1)*(c-1)三差：观测方程数〔a-1)(b-1)(c-1),未知参数总数3(a-1)简述卫星的空间分布对定位精度的影响GPS绝对定位的误差与精度因子DOP的大小成正比。由于精度因子与所测卫星的空间分布有关，因此也称观测卫星的图形强度因子。由于卫星的运动以及观测卫星的选择不同，所测卫星在空间分布的几何图形是变化的，导致精度因子的数值也是变化的。假设观测站与4颗观测卫星所构成的六面体体积为，研究说明，精度因子GDOP与该六面体体积的倒数成正比。GDOP1/。实际工作中：一颗卫星处于天顶，其余3颗卫星相距1200时，所构成的六面体体积接近最大，误差最小。简述伪距差分和位置差分的概念，并说明其缺点或缺乏之处伪距差分：利用基准站坐标求出测站至卫星的距离，将其与有误差的测量值比拟，滤波后将所有卫星偏差值发送给用户，用户以此修正伪距，进而求出自身坐标。随用户与基准站距离增大，精度降低。

位置差分：利用点GPS接收4颗或以上卫星信号，求出基准站坐标，将它与点坐标差值〔改正数〕发给用户，用户以此修正观测坐标。要求基准站和用户同时观测相同卫星，难度大，且效果不如伪距差分。电离层、对流层误差是怎样产生的？可以用哪些方法进行消弱该误差对GPS定位的影响？电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时信号的路径会发生弯曲传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘以真空中的光速而得到的距离就不会等于卫星至接收机间的几何距离。措施：利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于95%.•利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为75%，至今仍在完善中。•利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近〔小于20km〕时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过10-6。对流层中折射率略大于1，随着高度的增加逐渐减小，当接近对流层顶部时其值接近于1，对流层的折射影响在天顶方向可产生2.3m的电磁波传播路径误差，当高度角为10时传播路径误差可达20 m.措施：定位精度要求不高时，忽略不计。•采用对流层模型加以改正。•引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。•观测量求差。试述载波相位差分的根本原理在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电设备实时地将观测数据及测站坐标信息传送给用户，用户站一方面通过接收GPS卫星信号，另一方面通过无线电接收机设备接收基准站传送的信息，根据相对定位原理进行数据处理，实时地以厘米级的精度给出用户站三维坐标。〔载波相位差分方法分为两类：修正法：基准站将载波相位的改正量发送给用户站并对用户站的载波相位进行改正实现定位。求差法：将基准站的载波相位发送给用户站，并由用户站对观测值求差进行坐标解算。〕第五章试述GPS测量定位中误差的种类，并说明产生的原因〔1〕误差来源：与卫星有关的误差〔卫星轨道误差、卫星钟差、相对论效应〕、与传播途径有关的误差〔电离层延迟、对流层延迟、多路径效应〕、与接收设备有关的误差〔接收机天线相位中心的偏差和变化、接收机钟差、接收机内部噪声〕。

〔2〕a.卫星星历误差：由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。

b.卫星钟差：卫星钟读数与真实的GPS时间之差。

c.相对论效应：相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态〔运动速度和重力位〕不同而引起卫星钟与接收机钟之间产生相对钟误差的现象。

d.电离层折射：当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。

e.对流层折射：当GPS信号通过对流层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫对流层折射误差。

f.多路径误差：在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号〔反射波〕被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号〔直接波〕产生干预，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差〞。

g.接收机钟误差：接收机钟读数与真实的GPS时间之差。

h.接收机的位置误差：特点–与对中、整平、量高有关。

i.天线相位中心的偏差与变化：天线相位中心与天线几何中心之间的差异。

j.其他误差：地球自转、地球潮汐什么是多路径效应效应，如何消弱其对GPS测量定位的影响？多路径效应：也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或屡次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。

措施：〔1〕安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑外表。〔2〕选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。〔3〕适当延长观测时间，削弱周期性影响。〔4〕改善接收机的电路设计。第八章试述GPS接收机的分类〔PPT9-21〕〔1〕按工作原理：码相关型、平方型、混合型〔2〕据接收机信号通道类型：多通道、序贯穿道、多路复用通道〔3〕据所接收的卫星信号频率：单频、双频〔4〕按用途：导航型、测量型、授时型。第十一章试述RTK(载波相位实时动态相对定位〕的定位原理及RTK系统的组成RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。在基准站在安置一台GPS接收机对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站。在用户观测站上GPS接收机在接收卫星信号的同时通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据，对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。系统组成：GPS接收机〔基准站接收机，用户接收机〕，数据传输系统，软件系统其他为什么说GPS高程测量“很准但也不准〞？很准是因为在GPS相对定位中，高程的相对精度一般可达〔2-3〕×10∧-6，在绝对精度方面对于10km以下的基线边长