最新GPS测量原理与应用复习试题.docx

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最新GPS测量原理与应用复习试题

第一章

1GPS系统由三部分组成：

空间部分、地面控制部分、用户设备部分

2GPS的空间部分：

GPS卫星星座

（1）设计星座：

21+3，即：

21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星

（2）6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55︒

（3）运行周期：

11h58min

（4）任何时刻，在高度角15︒以上，能够同时观测到4颗以上卫星

GPS卫星作用：

①接收、存储导航电文②生成用于导航定位的信号（测距码、载波）。

③发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）。

④接受地面指令，进行相应操作。

⑤其他特殊用途，如通讯、监测核暴等

3GPS的地面监控部分

组成：

主控站：

1个、监测站：

5个、注入站：

3个、通讯与辅助系统

4GPS的用户部分

组成：

用户、接收设备（GPS信号接收机、其它仪器设备）

第二章

1坐标系统是由原点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：

天球坐标系和地球坐标系。

（1）天球坐标系：

与地球自转无关，描述人造地球卫星的位置；

（2）地球坐标系：

随地球自转，描述地面观测站的空间位置

2.

（1）天球：

指以地球为中心，无限的向天空伸展的一个球体。

地轴延伸与天球有两个交点，北交点称为天北极，南交点称为天南极。

（2）通过地心与黄道面（地球绕太阳公转的轨道平面）垂直的轴线为黄轴，黄轴与天球的两个交点分别是北黄极和南黄极。

（春分点：

即黄道与赤道的交点之一。

）

（3）天球空间直角坐标系的定义:

地球质心O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。

则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。

（4）天球球面坐标系的定义:

地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经）测量基准——基准子午面，赤道为天球纬度测量基准，而建立的球面坐标。

空间点的位置在天球坐标系下的表述为（r，α，δ）。

5地球坐标系

（1）地球直角坐标系的定义:

原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。

（2）地球大地坐标系的定义:

地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。

空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。

6卫星测量中常用坐标系

（1）瞬时极天球坐标系与地球坐标系

A瞬时极天球坐标系：

原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。

B瞬时极地球坐标系：

原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面的交点，y轴构成右手坐标系取向

7日月岁差与章动

由于地球本身不均匀以及日、月对地球的影响，使地轴在空间不断地抖动，这样导致天轴绕着黄极在天球上缓慢的运动。

该运动可分解为长周期和短周期运动。

长周期运动是25800年绕黄极一周，使春分点产生每年约50.2秒的长期变化，称之为日月岁差；一系列短周期变化中幅值最大为9秒，周期为18.6年，短周期变化称为章动。

8固定极天球坐标系——平天球坐标系

选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，建立天球坐标系——平天球坐标系，坐标系原点与真天球坐标系相同。

瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现

9固定极地球坐标系——平地球坐标系

极移：

地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。

国际协定原点CIO：

采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。

（1）平地球坐标系:

取地球质心为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与xoz构成右手坐标系，构成平地球坐标系。

10WGS-84大地坐标系

（1）WGS（WorldGeodeticSystem）-84的定义：

原点在地球质心，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（CTP-ConventionalTerrestrialPole）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。

它是一个地固坐标系。

（2）WGS-84椭球及其有关常数：

WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数:

长半径、地球引力常数、正常化二阶带谐系数、地球自转角速度。

12坐标系统之间的转换

布尔沙-沃尔夫模型：

七参数转换（7-ParameterTransformation）在该模型中共采用了7个参数,分别是3个平移参数TX、TY、TZ,3个旋转参数ωX、ωY、ωZ（也被称为3个欧拉角）和1个尺度参数m。

13时间基准

时间测量需要一个公共的标准尺度。

一般来说，任何一个能观测到的周期性运动，只要能满足下列条件都可以作为时间基准：

（1）能作连续的周期性运动，且运动周期十分稳定；

（2）运动周期具有很好的复现性，即在不同的时期和地点这种周期性运动都可以通过观测和实验来予以实现

14恒星时ST（SiderealTime）

定义：

以春分点为参考点，由它的周日视运动即春分点两次经过本地子午线的时间间隔所确定的时间称为一个恒星日。

恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。

15平太阳时MT（MeanSolarTime）

其周年视运动轨迹位于赤道平面而不是黄道平面；它在赤道上的运动角速度是恒定的，等于真太阳的平均角速度。

平太阳时：

以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。

16世界时UT（UniversalTime）

a）以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT（格林尼治起始子午线处的平太阳时）。

它是世界统一的时间系统。

b）地球自转角速度不均匀，不仅有长期减缓的总趋势，而且也有季节性的变化及短周期变化，较为复杂；

c）地极在地球上的位置不固定，而是在不断移动，即极移。

d）世界时不再严格满足作为一个时间系统的基本条件。

17子时ATI（InternationalAtomicTime）

当原子中的电子从某一能级跃迁至另一能级时所发出或吸收的电磁波。

这种电磁波的频率非常稳定，而且这种现象容易复现，所以是一种很好的时间基准。

原子时：

以原子跃迁是的稳定频率作为时间基准的时间系统。

18GPS时间系统（GPST）

（1）为了保证导航和定位的精度，全球定位系（GPS）建立了专门的时间系统，简称GPST。

（2）GPST属于原子时系统，其秒长为国际制秒（SI），与原子时相同，但其原点与国际原子时（IAT）的起点不同。

GPST与IAT之间存在一个常数差，它们的关系为：

IAT-GPST=19（s）

（2）GPST与协调时（UTC）规定于1980年1月6日0时相一致，其后随着时间成整倍数积累，到1987年该差值为4s，到1995年相差10s。

GPST由主控站原子钟控制。

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历

1无摄运动：

仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。

●受摄运动：

考虑摄动力作用的卫星运动称为受摄运动。

2GPS卫星星历

卫星星历：

是描述卫星运动轨道的信息。

也可以说卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。

GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。

GPS卫星星历传送方式：

（1）C/A码星历，其中星历精度为数十米。

（2）P码星历，精度提高到5m左右。

GPS广播星历参数共有16个，其中包括1个参考时刻，6个对应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。

第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号

1GPS信号包含有三种信号分量，即载波信号、测距码信号和数据码信号（或称D码，即导航电文），在这三种分量中载波和测距码用于测量卫星到地面接收机之间的距离；而数据码则提供计算卫星坐标所需的参数，由卫星坐标和卫星到地面间的距离求得地面点的坐标。

2GPS卫星的导航电文

GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）：

包含了有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。

这些信息是以二进制码的形式，按帧向外播送。

它的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。

一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit。

第4、5子帧各有25个不同的页面，共有37500bit。

第1、2、3子帧每30秒钟重复一次（第4、5子帧翻转一页），内容每小时更新一次。

第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完，即第4、5子帧是12.5分钟播完一次（一组完整电文），然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。

3两种载波

在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。

然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。

GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号，其中C/A码和P码的数码率分别为1.023Mbit/s与10.23Mbit/s，而D码（导航电文）的数码率仅为50bit/s。

4GPS使用两种载波：

L1载波：

fL1=154×f0=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm，其上调制C/A码、P码以及导航电文；

L2载波：

fL2=120×f0=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm，其上仅调制P码与导航电文。

选择这两个载波的目的是：

测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。

5卫星信号的调制

GPS卫星的测距码和数据码是用二进制调相技术调制到载波上的。

调制码幅值只取0或1。

如果当码值取0时，对应的码状态取为+1，而码值取1，对应的码状态为-1位，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。

这时，当载波和相应的码状态+1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变180°。

所以当码值从0变1或从1变

为0时，都将使载波相位改变180°。

这时的载波信号实现了调制码的相位调制

6伪随机噪声码的产生及特性

●码：

用以表达某种信息的二进制数及其组合。

●随机噪声码：

某一时刻，码元是0或1完全是随机的一组码序列，这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，通常称为随机码序列，也叫做随机噪声码序列。

它是一种非周期序列，无法复制。

但随机噪声码序列有良好的自相关性，GPS卫星码信号测距就是利用了GPS测距码的良好的自相关性才获得成功。

虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的序列，不服从任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。

7伪随机噪声码及其特性

伪随机噪声码（PseudoRandomNoise—PRN），简称伪随机码或伪码。

这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。

它是周期性的，可以容易地复制。

伪随机噪声码由多级反馈移位寄存器产生。

这种移位寄存器由一组连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有“0”或“1”两种状态，并接受脉冲和置“1”脉冲的驱动和控制。

8粗码C/A码产生方式

C/A码是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。

它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。

两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，两个移位寄存器分别产生序列G1（t）和G2（t）。

G2（t）序列经过相位选择器，输入一个与G2（t）平移等价的m序列，然后与G1（t）模2相加，便得到C/A码。

C/A也称为捕获码。

●C/A码特点

C/A码的码长很短，易于捕获。

在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。

因为C/A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20．5秒便可达到目的。

由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获GPS的P码。

9精码P（y）码产生方式：

P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz。

它是由两个伪随机码PN1（t）和PN2（t）的乘积得到的。

●P码精度

P码码元宽度为29.30m。

由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l/10—l/100，则由此引起的相应距离误差约为2.93-0.29m，仅为C/A码的1/10。

所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码

P码特点

根据美国国际部规定，P码是专为军用的。

目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。

即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用

10GPS现代化：

在L2上调制L2C码、增设频率L5、在L1和L2增加军用码M码、阻止、干扰敌对方使用全球定位系统

11接收机的用途分类可分为：

a）测地型接收机：

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。

这种仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。

仪器结构复杂，价格较贵。

●授时型接收机：

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

●按接收机的载波频率分类

●单频接收机

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。

由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。

●双频接收机

双频接收机可以同时接收Ｌ１，Ｌ２载波信号。

利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。

第五章GPS卫星定位基本原理

1GPS定位的实质，即确定一个点在地球上的绝对位置或相对位置。

A单点定位（绝对定位）：

绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置。

B相对定位：

确定测站与某一地面参考点之间的相对位置。

C差分定位：

用两台GPS接收机，将一台接收机安设在基准站固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。

而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相对位置实现的。

D静态定位：

在定位过程中，接收机天线处于静止状态，或者说，待定点在协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么确定这些待定点位置的定位测量就称为静态定位。

E动态定位：

如果在定位过程中，接收机天线处在运动状态，这是待定点位置将随时间变化。

确定这些运动着的待定点的位置，称为动态定位。

2A伪据测量：

利用C/A码伪距或P码伪距作为观测量进行定位测量。

B载波相位测量：

利用L1载波或L2载波测得的载波相位伪距作为观测量进行定位测量。

C双程测距：

用于电磁波测距仪D单程测距：

用于GPS

伪距：

由卫星发射的测距码到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。

在同一观测历元，只需同时观测4颗卫星，即可获得4个观测方程式，解求出这4个未知数。

当超过4颗卫星时，存在多余观测，则需用最小二乘法求得改正数和精确值。

重建载波：

将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。

3码相关法

方法:

将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。

（再进行一次二进制调相）将测距码去掉，仅留下载波和导航电文。

特点

（1）限制：

需要了解码的结构。

（2）优点：

可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）（能恢复L1载波）

4平方法

方法:

（1）将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。

（载波的二次谐波）

（2）去掉了导航电文和测距码

特点

（1）优点：

无需了解码的结构

（2）缺点：

无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）

5整数解：

基本方法

1）求初始解确定基线向量的实数解和整周未知数的实数解

2）将整周模糊度一一固定为整数（非常有把握）

3）求固定解：

作为已知值代回法方程，重新求解基线向量，从而获得固定解

6实数解：

基线较长，误差相关性减弱，初始解的误差将随之增大，从而使模糊度参数很难固定，整数化的意义不大。

7周跳产生的原因

a）建筑物或树木等障碍物的遮挡

b）电离层电子活动剧烈

c）多路径效应的影响

d）卫星信噪比（SNR）太低

e）接收机的高动态

f）接收机内置软件的设计不周全

8单差（站间单差）：

A消除了与卫星有关的误差：

如卫星钟差

B站间距不大时可消除大部分大气误差

C多测站时注意选取基站

9双差（星际二次差）

在一次差的基础进一步消除了与接收机有关的载波相位及其钟差项

注意选取基星

GPS基线向量处理时常用的模型

10差（历元间差分）:

在双差的基础上进一步消除了初始整周模糊度

11差分模型的优缺点

a）优点：

（1）消除或减弱一些具有系统性误差的影响

（2）减少平差计算中未知数的个数

b）缺点：

（1）原始独立观测量通过求差将引起差分量之间的相关性

（2）平差计算中，差分法将使观测方程数明显减少

（3）基站和基星选取情况随接收机的数量增多情况越来越复杂

12差分GPS的基本原理

利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果

13分改正数的类型

a）距离改正数：

利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。

b）位置（坐标改正数）改正数：

基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。

14单站GPS差分（SRDGPS）

a）根据差分GPS基准站发送的信息方式可将单站GPS差分定位分为:

位置差分、伪距差分、载波相位差分。

b）位置差分原理

●伪距差分原理

●载波相位差分原理

●载波相位差分技术又称RTK（RealTimeKinematic）技术。

其方法有修正法和差分法。

差分法是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差结算坐标。

15GPS网技术设计的依据

1、目前主要的GPS测量规范（规程）

●2009年国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布的《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009

●2005年国家测绘局发布的行业标准《全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范》CH/T2008-2005

●1992年国家测绘局发布的测绘行业标准《全球定位系统（GPS）测量规范》CH2001-92

●1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97

●各行业部门的其他GPS测量规程或细则

2、测量任务书

测量任务书或合同是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。

它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求，提交成果资料的项目和时间，完成任务的经济指标等。

GPS测量的精度标准

GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间弦长中误差表示，其形式为：

式中：

σ—基线向量的弦长中误差（mm）；

ɑ——固定误差（mm）；

b——比例误差系数（ppm）；

d——相邻点之间的距离（km）。

实际生产中，应根据测区大小、GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。

第七章GPS测量的误差来源及其影响

1GPS测量误差的来源

（1）与卫星有关的误差：

卫星轨道误差（星历误差）、卫星钟差、相对论效应

（2）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

（3）与接收设备有关的误差：

接收机天线相位中心的偏移和变化、接收机钟差、接收机内部噪声

2总电子含量TEC：

即为沿卫星信号传播路径s对电子密度Ne进行积分所获得的结果,也即底面积为一个单位面积沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体中所含的电子数。

通常以电子数/m2或电子数/cm2为单位。

3多路径误差与多路径效应

多路径（Multipath）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）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。

多路径效应：

由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。

4减弱多路径误差的方法

（1）观测上：

选择合适的测站，避开易产生多路径的环境

（2）硬件上：

采用抗多路径误差的仪器设备

A抗多路径的天线：

带抑径板或抑径圈的天线，极化天线

B抗多路径的接收机：

窄相关技术MEDLL（MultipathEstimatingDelayLockLoop）等。

（3）数据处理上:

加权、参数法、滤波法、信号分析法

第八章GPS测量的设计与实施

1GPS网技术设计的依据

目前主要的GPS测量规范（规程）

（1）2009年国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布的《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009

（2）2005年国家测绘局发布的行业标准《全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范》CH/T2008-2005

（3）1992年国家测绘局发布的测绘行业标准《全球定位系统（GPS）测量规范》CH2001-92

（4）1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97

（5）各行业部门的其他GPS测量规程或细则

2GPS测量的精度标准

GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间弦长中误差表示，其形式为：

式中：

σ—基线向量的弦长中误差（mm）；ɑ——固定误差（mm）；

b——比例误差系数（ppm）；d——相邻点之间的距离（km）。

实际生产中，应根据测区大小、GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。

3GPS网的基准设计

基准设计的定义：

在GPS网的技术设计中，必须明确GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据的工作，称为GPS网的基准设计。

GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。

GPS网的基准的确定：

（1）位置基准：

GPS网的位置基准取决于网中“起算点”的坐标和平差方法。

确定网的位置基准一般可采用下列方法:

A选取网中一个点的坐标并加以固定或给以适当的权：

对网的定向和尺度都没有影响,由于在网平差中没有给出多余的约束条件,将其称为独立网。

B在网中选取若干个点的坐标并加以固定或给以适当的权：

在确定网的位置基准的同时也会对网的方向和尺度产生影响。

由于给出的起算数据多于必要的起算数据数,故称其为附合网。

（2）尺度基准：

由GPS网中的基线来提供的,这些基线可以是地面电磁波测距边或已知点间的固定边,也可以是GPS网中的基线向量。