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GPS复习资料汇总

《GPS原理与应用》考试大纲

课程编号：

16010011

课程类别：

专业必修

总学时数：

60（其中含实践课17学时）

学分：

3学分

一、考试要求

主要考查学生对GPS定位和导航基本原理、GPS接收机、GPS数据处理等基础知识和基本技能与方法的掌握程度。

了解GPS在平面控制测量、高程测量、地球动力学、海洋测绘、精密工程测量和工程变形监测、导航等方面的应用。

通过考试，可以使学生加深对《GPS原理与应用》这门专业课程有关基础知识、基本技能的掌握。

本门课程考核要求由低到高共分为“了解”、“掌握”、“熟练掌握”三个层次。

其含义：

了解，指学生能懂得所学知识，能在有关问题中认识或再现它们；掌握，指学生清楚地理解所学知识，并且能在实践中正确地使用它们；熟练掌握，指学生能较为深刻理解所学知识，在此基础上能够准确、熟练地使用它们去解决较为简单的实际问题。

二、考试内容

第一章绪论

（1）了解GPS的概念及其由来

（2）掌握GPS的特点，包括与其他导航系统相比及与经典测量技术相比的特点

第二章GPS系统组成

1．GPS卫星星座

（1）了解GPS星座构成

（2）了解GPS卫星及其功能

2．地面监控系统

（1）了解主控站的分布、功能等

（2）了解监控站的分布、功能等

（3）了解注入站的分布、功能等

3．GPS信号接收机

（1）了解GPS接收机及其分类

（2）了解GPS接收机通道的概念

（3）掌握GPS接收机的基本工作原理

（4）了解GPS接收机的天线

第三章GPS定位的坐标系统和时间系统

1．坐标系统的类型

（1）了解空间固定的坐标系统

（2）了解与地球固联的坐标系统

2．协议天球坐标系

（1）掌握天球的基本概念

（2）掌握天球坐标系

（3）熟练掌握协议天球坐标系

3．协议地球坐标系

（1）了解地球坐标系

（2）了解协议地球坐标系

（3）熟练掌握协议地球地球坐标系与协议天球坐标系的转换

4．大地测量基准及其转换

（1）了解经典大地测量基准

（2）了解卫星大地测量基准

5．时间系统

（1）掌握有关时间的基本概念

（2）了解世界时系统

（3）了解原子时

（4）掌握协调世界时

（5）熟练掌握GPS时间系统

第四章卫星运动的基础知识及GPS卫星的坐标计算

1．概述

（1）了解卫星轨道在GPS定位中的意义

（2）掌握影响卫星轨道的因素及研究方法

2．卫星的无摄运动

（1）掌握开普勒一、二、三定律及其意义

（2）熟练掌握无摄卫星轨道的描述

3．卫星的受摄运动

（1）掌握卫星运动的摄动力

（2）了解地球引力场摄动力的影响

4．GPS卫星的星历

（1）掌握GSP卫星星历的概念

（2）掌握预报星历

（3）掌握后处理星历

5．GPS卫星的坐标计算

第五章GPS信号

1．导航电文

（1）掌握导航电文及其格式

（2）掌握导航电文的内容

2．卫星在轨位置计算

（1）了解卫星的瞬时位置

（2）了解速度的确定

3．GPS卫星信号

（1）熟练掌握GPS卫星信号的构成

4．SA和AS政策及对策

（1）了解当前美国对GPS用户的主要限制性政策

（2）了解非特许GPS用户对美国限制性政策的措施

第六章GPS卫星定位原理

1．概述

（1）掌握GPS定位的方法

（2）掌握基本观测量

2．GSP绝对定位原理

（1）掌握测码伪距观测方程及其线性化

（2）掌握测相伪距观测方程及其线性化

3．观测卫星的几何分布与GPS授时

（1）了解卫星集合分布精度因子

（2）掌握GPS测时

4．GPS相对定位

（1）熟练掌握相对定位的概念

（2）熟练掌握静态相对定位的观测方程及其解算

5．差分定位原理

（1）掌握伪距差分原理

（2）掌握位置差分原理

（3）掌握载波相位差分原理

6．动态定位

7．广域差分GPS

（1）掌握单基准站差分

（2）掌握局部区域差分

（3）掌握广域差分

第七章GPS误差

1．熟练掌握误差分类

2．与卫星有关的误差

（1）熟练掌握GPS卫星星历误差

（2）熟练掌握卫星钟差误差

（3）掌握相对论误差

3．与信号传播有关的误差

（1）了解电离层折射误差

（2）了解对流层折射误差

（3）了解多路径效应

4．与接收机有关的误差

（1）了解观测误差

（2）了解接收机钟差误差

（3）了解载波相位观测的整周未知数

（4）了解天线相位中心偏差

5．其他误差

（1）了解地球自转的影响

（2）了解地球潮汐的改正

第八章数据采集与处理

1．熟练掌握外业准备

2．熟练掌握外业实施

3．熟练掌握内业数据处理

第九章GPS应用

1．了解GPS日常应用

2．了解科学研究中应用

3．了解3S技术集成

三、考试方式

1.考试类别：

闭卷，笔试

2.记分方式：

100分制

3.考试时量：

120分钟

4.试题总数：

约5—6大题

5.命题指导思想与原则

命题总的指导思想是：

全面考查学生对本课程的基本原理、基本概念和主要知识点的学习、理解和掌握的情况。

命题的原则是：

题目尽量多、各题分量小，范围广，最基本知识占60%左右，稍微灵活一点的题目占20%左右，发挥主观应用能力的占20%左右。

其中，客观性试题应占绝大部分。

6、题目类型：

（1）单选题：

主要考查学生对基础知识理解的精确程度。

（在本题的每一小题的备选答案中，只有一个答案是正确的，请把你认为正确答案的题号，填入题干的括号内。

多选不给分。

每题2分，共20分）。

（2）填空题：

主要考查学生对一些最基本概念、知识的理解、掌握和记忆程度（每空1分，共15分）。

（3）名词解释题：

考查学生对基本概念的理解和掌握的程度。

（每题3分，共15分）。

（4）简答题：

考查学生对《GPS原理与应用》基本原理的理解和掌握程度。

（下列8题可任作4题。

若每题都作，只评阅前5题。

每题4分，共20分）。

（5）论述题：

主要考查学生对所学的基本概念、基本原理的全面理解，综合分析和运用所学知识分析和研究现实问题的能力。

（每题10分，共20分）。

（6）计算分析题：

考查学生根据给出的条件，计算并分析结果，从而解决问题的能力。

（每题10分，共10分）。

7、各类题型的特点和考试的目的

（1）单选题。

具有简单、准确、客观的特点，主要考查学生对基本概念的理解、掌握的准确程度。

（2）填空题。

具有要求填写内容少，答案具有唯一性。

主要考查学生对一些基本知识的理解、掌握和记忆是否准确。

（3）名词解释题。

具有解释内容较少，答案比较规范的特点。

主要考查学生对基本概念的理解、掌握程度。

（4）简答题：

主要是要求学生简单的回答一些基本原理。

主要考查学生对基本原理的理解、掌握程度。

（5）论述题：

为难度较大的题目，具有覆盖范围广、灵活性大的特点。

主要考查学生对基本概念、原理的全面理解掌握、综合分析和运用所学知识分析和研究实际问题的能力。

（6）计算分析题：

考查学生根据给出的条件，计算并分析结果，从而解决问题的能力。

8、平时成绩

占总成绩20%，平时成绩以出勤和书面作业形式进行考查。

四、教材及参考书目

教材：

徐绍铨等.GPS测量原理及应用，武汉大学出版社，2001年

参考书目：

周忠谟等.GPS卫星测量原理与应用，测绘出版社，1992年。

刘基余等.GPS卫星导航定位原理与方法.科学出版社，2003年。

刘大杰等.全球定位系统的原理与数据处理，同济大学出版社，1996年。

李天文.GPS原理及应用.科学出版社，2004年。

第一章绪论

（1）了解GPS的概念及其由来

由来：

常规测量无法实现远距离的联测定位以及实时定位，因此引发了人们采用新的技术。

早期的卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的。

仅仅将卫星作为空间测量目标，后来发展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段。

概念：

P2

全球定位系统

该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。

能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。

（2）掌握GPS的特点，包括与其他导航系统相比及与经典测量技术相比的特点

特点：

P8

1、观测站之间无需通视

2、定位精度高

3、观测时间短

4、提供三维坐标

5、操作简便

6、全天侯作业

7、功能多、应用广。

与其他导航系统相比及的特点：

1、全球地面连续覆盖

在地球上任何地点任何时刻，高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星。

2、功能多，精度高（静态：

毫米级；动态：

厘米级）

3、实时定位

4、应用广泛

与经典测量技术相比：

1、全天候作业

2、观测站之间无需通视

3、定位精度高

4、观测时间短

5、大大节省人力资源

6、测线长度不受限制

7、操作简便

8、生产成本低

第二章GPS系统组成

1．GPS卫星星座

（1）了解GPS星座构成

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作（21+3）GPS星座。

（2）了解GPS卫星及其功能

为了解算测站三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座

卫星编号方法：

按发射先后次序、PRN（伪随机噪声码）编号（定位测量中常用）、NASA编号、国际编号等

精码：

P码；粗码：

C/A码（S码）

核心部件：

高精度时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理器

功能：

1、接收和储存由地面监控站发来的导航信息，并执行它的控制指令；

2、利用微处理机进行部分必要的数据处理工作；

3、通过星载高精度的原子钟提供精密的时间基准；

4、向用户发送导航与定位信息；

5、通过指令调整卫星的姿态，或启用备用卫星。

2．地面监控系统

（1）了解主控站、监控站、注入站的分布、功能等

一个主控站：

科罗拉多

功能：

1、编制导航电文，传送到注入站。

2、提供全球定位系统的时间基准。

3、诊断所有地面支撑系统和天空卫星的健康状况，确保整个系统正常工作。

4、调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星

三个注入站：

阿松森岛、狄哥加西亚、卡瓦加兰

功能：

将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

五个监测站：

位于主控站和注入站，以及夏威夷

为主控站提供卫星的观测数据

3．GPS信号接收机

（1）了解GPS接收机及其分类

一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理微弱的GPS卫星信号的特性。

分类：

按用途分：

1）导航型接收机

米级精度，实时数据处理

2）测地型接收机

厘米级精度，测后数据处理

3）授时型接收机

专用于时间测定

按载波频率分

1）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。

只适用于短基线（小于15km）的精密定位。

2）双频接收机

可以同时接收L1和L2载波信号。

可用于长达几千公里的精密定位。

按通道数分

1）多通道接收机

具有多个信号通道，每个通道只能连续跟踪一个卫星信号

2）序贯通道接收机

通常只有1~2个通道，在软件控制下，按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测。

量测一个循环所需时间较长。

3）多路多用通道接收机

通常只有1~2个通道，在软件控制下，按时序依次对卫星信号进行跟踪和量测。

量测一个循环所需时间较短。

按工作原理分：

1）码相关型接收机

利用码相关技术得到载波伪距观测值

2）平方型接收机

利用平方技术去掉调制信号，恢复载波信号。

通过比较机内产生的载波与接收到的载波信号的相位差测定伪距。

3）混合型接收机

测量工作中广泛使用

4）干涉型接收机

将卫星作为射电源，采用干涉测量方法测定测站间距离。

（2）了解GPS接收机通道的概念

信号通道：

不同卫星的信号经由天线进入接收机的“路径”，实现对卫星信号的跟踪、处理和测量。

软硬件结合的电路，是接收机的核心

（3）掌握GPS接收机的基本工作原理

1）码相关技术

a）码跟踪回路

该回路中的PRN发生器，产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码。

在相关器中，对测距码和复制码进行相关分析，当相关系数最大时，可测定出卫星信号到达接收机天线的传播时间。

把卫星信号和复制码混频，将混频后的信号通过带通滤波器，消去卫星信号中的伪随机噪声码（C/A码或P码），获取仅具有导航电文和载波的信号。

b）载波跟踪回路

去掉伪随机噪声码的卫星信号进入回路后，进行载波相位测量，并解调出导航电文。

码相关技术优点：

-既可进行伪距测量，又可进行载波相位测量，并能获得导航电文

-良好的信噪比

码相关技术缺点：

-用户须掌握伪随机码的结构。

但由于美国的SA政策，一般用户无法采用码相关技术获得L2载波的观测值，因而不能通过双频技术来减弱电离层折射的影响

2）平方技术

为了克服SA政策的影响，1982年美国学者Counselman提出了平方技术

基本思想：

本机振荡器产生一个参考载波信号，经倍频后与卫星信号混频，得到一个频率较低的信号，将该信号平方后，产生一个消去调制码（测距码和数据码）的纯载波信号。

平方技术优点：

-无需掌握测距码的结构，便能获得载波信号。

从而可通过双频技术减弱电离层折射的影响，提高定位的精度。

平方技术缺点

-无法获得导航电文和时间信息，需通过其它方法获得星历。

同时在作业开始和结束时须进行时间对比。

-卫星信号平方时使信噪比降低。

3）综合型技术

利用数字化通信中的自相关技术，无需掌握测距码的结构，而能获得测距码相位的量测值。

综合型技术优点

-无需掌握测距码的结构

综合型技术缺点

-无法获得导航电文和时间信息。

-由于获得的是测距码的相位，所以观测量的精度较低。

（4）了解GPS接收机的天线

天线：

将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流。

第三章GPS定位的坐标系统和时间系统

坐标系统的类型

（1）了解空间固定的坐标系统

地球坐标系：

固定在地球上的坐标系

天球坐标系：

与地球自转无关

天球坐标系与地球坐标系：

1.空间直角坐标系（便于进行坐标转换，三个基本要素）

2.天球坐标系（确定卫星位置）

3.大地坐标系（确定观测站位置）

4.站心赤道与站心地平直角坐标系（用于描述卫星与观测站间关系）

5.卫星测量中常用坐标系

（2）了解与地球固联的坐标系统

协议天球坐标系

（1）掌握天球的基本概念

天球：

以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体

（2）掌握天球坐标系

天球坐标系：

描述人造卫星的位置。

与地球自转无关。

属于球面坐标系。

地球——质心

春分点轴——X轴

天球极轴——Z轴

垂直于X、Z轴——Y轴

球面坐标系与直角坐标系的转换：

（X,Y,Z）（r,α,δ）

直角坐标系参数球面坐标系参数

（3）熟练掌握协议天球坐标系

3．协议地球坐标系

（1）了解地球坐标系

在大地测量中表示地面点的位置

通过一个辅助面（参考椭球面）定义

不同的参考椭球面，不同的大地坐标系

大地坐标系参数：

L：

大地经度

B：

大地纬度

H：

大地高程

（2）了解协议地球坐标系

（3）熟练掌握协议地球地球坐标系与协议天球坐标系的转换

4．大地测量基准及其转换

（1）了解经典大地测量基准

（2）了解卫星大地测量基准

5．时间系统

（1）掌握有关时间的基本概念

时间系统：

尺度（时间单位）、原点（历元）

恒星日：

春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日。

一恒星日分为24个恒星时。

恒星时具有地方性：

同一瞬间不同测站的恒星时不同

平太阳：

一个天球上的假设点，在天球上的视运动是均匀的。

平太阳日：

平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔。

平太阳时具有地方性

（2）了解世界时系统

世界时：

以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时

与平太阳时尺度相同，但起算点不同

（3）了解原子时

原子秒长：

位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9,192,631,770周所持续的时间。

起点：

1958年1月1日0时0秒

（4）掌握协调世界时

采用原子秒长，因原子时比世界时每年快约1秒，使用跳秒的方法使协调时与世界时的时刻接近，其差不超过1秒

（5）熟练掌握GPS时间系统

尺度：

原子时秒长

原点：

1980年1月6日协调世界时0时

与协调世界时的差异定期公布

与原子时有19秒的常量偏差

第四章卫星运动的基础知识及GPS卫星的坐标计算

概述

（1）了解卫星轨道在GPS定位中的意义

在利用GPS进行导航和测量时，卫星是做为位置已知的高空观测目标，所以其轨道误差将影响定位精度。

为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，需要知道卫星的轨道参数。

（2）掌握影响卫星轨道的因素及研究方法

影响因素：

1）地球对卫星的引力（主要）

2）太阳、月亮对卫星的引力；

3）大气阻力；

4）太阳光压；

5）地球潮汐力等

研究方法：

地球质心引力（中心引力）——无摄运动

摄动力（非中心引力及其它）——受摄运动

二体问题：

将地球和卫星视为两个质点，仅考虑地球质心引力研究卫星运动规律。

研究卫星运动的步骤：

Step1.研究卫星的无摄运动规律，描述卫星轨道的基本特征

Step2.研究各种摄动力的影响，对卫星的无摄轨道修正

Step3.确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征

:

2．卫星的无摄运动

（1）掌握开普勒一、二、三定律及其意义

开普勒第一定律：

卫星运动的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。

意义：

建立开普勒椭圆

开普勒第二定律：

卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内扫过的面积相等。

确定卫星轨道形状、大小和确定卫星轨道平面与地球

卫星在轨道上的瞬时位置的相对位置和方向

a（椭圆长半径）（升交点赤经）

e（偏心率）i（轨道面倾角）

V（真近点角）【为时间的函数，需计算出】（近地点角距）

意义：

通过开普勒轨道6个参数可以确定出卫星在轨道平面上的瞬间位置和速度。

开普勒第三定律：

平近点角（M）：

M=n（t-）n—卫星平均角速度—卫星过近地点时刻，已知

偏近点角（E）：

开普勒轨道方程:

M=E–esinE

真近点角（V）：

用偏近点角E代替真近点角V

（2）熟练掌握无摄卫星轨道的描述

3．卫星的受摄运动

（1）掌握卫星运动的摄动力

1）地球引力

2）日、月引力

3）太阳辐射压力

4）地球潮汐作用力

5）大气阻力

（2）了解地球引力场摄动力的影响

地球引力场对卫星的引力包括地球质心引力和地球引力场摄动力

a）引起轨道面在空间的旋转

使升交点沿地球赤道产生缓慢的移动，进而使升交点的赤经产生周期性变化。

b）引起近地点在轨道面内旋转

使得开普勒椭圆在轨道面内定向改变，引起轨道近地点角距的缓慢变化。

c）引起平近点角的变化

4．GPS卫星的星历

（1）掌握GSP卫星星历的概念

卫星星历：

一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。

由星历可计算出任一时刻的卫星位置及其速度

（2）掌握预报星历（广播星历）

▪以跟踪站已往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础

▪包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。

▪通过导航电文传递给用户，每小时更新一次。

▪参考星历：

相应参考历元的开普勒轨道参数。

▪用轨道参数的摄动项对已知的参考星历加以改正，可外推出任意观测历元的卫星星历。

预报星历参数：

16个

▪1个参考时刻参数

▪6个对应参考时刻的开普勒轨道参数

▪9个反映摄动力影响的参数

预报星历传送波码：

▪C/A码星历：

精度低，民用

▪P码星历：

精度高，军事目的

预报星历精度较低，难以满足精密定位工作的需求

（3）掌握后处理星历（精密星历）

后处理星历是一些国家的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，计算的卫星星历。

这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。

该星历的精度目前可达分米。

后处理星历一般不通过卫星的无线电信号向用户传递，而是通过磁盘、电视、电传、卫星通讯等方式有偿地为所需要的用户服务。

5．GPS卫星的坐标计算

第五章GPS信号

导航电文

（1）掌握导航电文及其格式

导航电文：

是用户用来定位和导航的数据基础

信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，又叫数据码（D码）

（2）掌握导航电文的内容

卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息。

2．卫星在轨位置计算

（1）了解卫星的瞬时位置

根据开普勒轨道参数，可计算卫星在不同坐标系中的瞬时坐标，而在实际工作中，由于轨道摄动的影响，具体计算方法有所不同。

（2）了解速度的确定

3．GPS卫星信号

（1）熟练掌握GPS卫星信号的构成

GPS卫星信号：

是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波。

包括：

1.载波

使用L波段的两种载波：

L1载波和L2载波

2.测距码（C/A码和P码）（属于伪随机噪声码）

粗测距码C/A码和精测距码P码

作用：

a）给用户传送导航电文（D码）

b）用于测量信号接收天线和GPS卫星之间的距离

c）用于识别来自不同GPS卫星而同时到达接收天线的GPS信号

3.数据码（D码，导航电文）

导航电文

卫星的测距码和数据码采用调相技术调制到载波上

电文D码————伪随机噪声码的P码————组合码P（t）D（t）————L波段载波

调制形成调制

4．SA和AS政策及对策

（1）了解当前美国对GPS用户的主要限制性政策

SA政策：

人为引入干涉信号，导致非特许用户不能够获得高精度实时导航定位的秘密方法。

内容

-对卫星基准频率所采用的（dither）技术

-对导航电文采用的技术（降低C/A码精度）

-对P码采用的译密技术（AS技术）

（2）了解非特许GPS用户对美国限制性政策的措施

1）应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术，使L2载波相位观测值得到恢复，其精度与使用P码相同

2）研制能同时接受GPS和GLONASS信号的接收机

3）发展DGPS和WADGPS差分GPS系统

4）建立独立的GPS测轨系统

5）建立独立的卫星导航与独立系统

第六章GPS卫星定位原理（图示法）

概述

（1）掌握GPS定位的方法

分类：

依据测距的原理划分：

1）伪距法定位（测码）

2）载波相位测量定位（测相）

3）差分GPS定位

根据待定点的运动状态划分：

1）静态定位

2）动态定位

基本原理：

应用测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）的位置。

测距交会：

▪测角交会法

前方、侧方、后方交会

▪测边交会法

两条边可确定P点坐标，为了检核和提高精度，增加第3条边

（2）掌握基本观测量

P点的三维坐标（X，Y，Z）

2．GPS绝对定位原理

（1）掌握测码伪距观测方程及其线性化