GPS测量原理与应用复习要点.docx

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GPS测量原理与应用复习要点

GPS测量原理与应用

第一章

1．GPS系统组成

①空间部分——GPS卫星星座

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。

24颗在轨卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°。

在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。

GPS卫星的作用：

a、接受地面注入站发送的导航电文

b、接受地面主控站命令，适时改正运行偏差或启用备用时钟等

c、连续地向用户发送GPS卫星导航定位系统，并用电文的形式提供卫星的现势位置与其他在轨卫星的概略位置。

d、GPS卫星关键在于卫星的寿命要长，时间精度要高。

②地面控制系统——地面监控系统

1个主控站（美国科罗拉多）3个注入站（阿森松岛,迪哥加西亚岛，卡瓦加兰）5个监控站（1+3+夏威夷）

地面监控系统的作用：

a、提供每颗GPS卫星所播发的星历

b、监测和控制卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行

c、保持各种卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。

③用户设备系统——GPS信号接收机

接收机的任务：

接受GPS卫星发射的信号，以及获得必要的导航和定位信息及观测量，并经数据处理而完成导航和定位工作。

2．全球导航卫星系统GNSS

美国GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，欧盟伽利略GALILEO系统，中国北斗二号卫星导航地位系统，日本MSAS系统

3．我国北斗二号卫星导航地位系统与其他定位系统的主要区别：

它不仅能使用户测定自己的点位坐标，而且还可以告诉别人自己处在什么点位。

4．GPS系统的特点：

①定位精度高

②观测时间短

③测站间无需通视

④可提供三位坐标

⑤操作简便

⑥全天候作业

⑦功能多，应用广

5．GPS系统的应用前景

①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数

②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘

③用于监测地球板块运动状态和地壳形变

④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段

⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置

第二章

1.完全定义一个空间直角坐标系必须明确：

①坐标原点位置

②三个坐标轴的指向

③长度单位

2.参心坐标系和质心坐标系的定义：

参心是椭球的几何中心，质心是椭球的质量中心

3.WGS—84坐标系的定义

原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CIP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CIP赤道的交点，Y轴与Z,X轴构成右手坐标系。

4.我国目前常用的两个国家大地坐标系统

①1954年北京坐标系（参心坐标系）

②1980年国家大地坐标系（参心坐标系，大地原点设在我国西部—陕西省泾阳县永乐镇）

5.两个不同坐标系之间的坐标转换方法

需要求出坐标系统之间的转换参数，转换参数一般式利用重合点的两套坐标值通过一定的数学模型进行计算，当重合点数为三个以上时，可以用布尔萨七参数法进行转换。

6.GPS时间系统如何定义？

采用原子时ATI秒长作为时间基准，时间起算的原点定在1980年1月6日UTC0时。

第三章

1．二体问题：

忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体问题。

2．卫星的无摄运动（二体运动）：

只考虑地球质心引力作用的卫星运动。

3．开普勒轨道参数（轨道根数）有几个，各代表什麽含义？

①长半径a②扁心率e（或短半径b）

③真近点角V（在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距）

④升交点半径Ω（在赤道面上，升交点N与春分点γ之间的地心夹角）

⑤轨道面倾角ί（卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角）

⑥近地点角距ω（在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距）

注：

确定椭圆的形状和大小需要两个参数①②

确定卫星在轨道上的位置需要一个参数③

④⑤两个参数唯一确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向

⑥表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向

4．卫星的受摄运动

在摄动力的作用下，卫星的运动将偏离二体问题的运动轨道，通常称考虑了摄动力作用的卫星运动为卫星的受摄运动。

5．卫星星历及其作用？

卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。

有了卫星星历就可以计算出任意时刻的卫星位置及其速度。

6．GPS卫星星历的分类：

①预报星历（广播星历）

通常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

②后处理星历

是一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。

它可以向用户提供在用户观测时间内的卫星星历，避免了星历外推的误差。

第四章

1．导航电文（卫星电文、数据码/D码）：

GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。

主要包括：

卫星星历，时钟改正，电离层时延延正，工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。

卫星星历每小时更新一次，12.5min播完一次。

2.描述卫星的运行需要几大类参数？

①开普勒六参数②轨道摄动九参数③时间二参数

3.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，它包含有：

载波，测距码，数据码

4.GPS使用L1,L2两种载波的目的：

L1波长19.032cm，L2波长24.42cm

目的在于测量出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。

5.C/A码和P码的含义？

C/A码是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。

P码是卫星的精测码。

6.GPS接收机的分类：

①按用途：

导航型、测地型、授时型接收机

②按载波频率：

单频和双频接收机

③按通道数：

多通道、序贯通道、多路多用通道接收机

④按工作原理：

码相关型、平方型、混合型、干涉型接收机

7.GPS接收机的组成：

由GPS接收机天线单元，GPS接收机天线主机单元和电源三部分组成。

前置放大器是将GPS信号电流放大。

第五章

1．GPS定位原理：

设在时刻t在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗卫星S1，S2，S3的距离ρ1，ρ2，ρ3，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为（xi，yi，zi），i=1，2，3。

用距离交会法解算出P点的三维坐标（X,Y,Z）的观测方程为：

2．伪距的定义？

①伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。

②由于卫星钟，接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层的延迟，实测出的距离与几何距离有一定差值，因此成为伪距。

伪距法距离测量的原理：

GPS卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码经过T时间的传播后到达接收机。

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，并通过时延器使其延迟时间t将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数R（t）≠1，则继续调整延迟时间t直至自相关系数R（t）=1为止。

3.载波相位测量原理

载波相位测量的观测值是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位数。

4.载波相位测量中如何确定整周未知数N?

①伪距法

②将整周未知数当作平差中的待定参数—经典方法

③多普勒法（三差法）

④快速确定整周未知数

5．整周跳变：

在跟踪过程中，由于某种原因造成卫星信号所锁，计数器无法连续计数。

当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这种现象成为整周跳变。

5．GPS绝对定位（单点定位）：

利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS—84坐标系中相对于坐标原点—地球质心的绝对位置。

①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。

②动态绝对定位：

接收机天线处于运动状态（或静止时间较短）

注：

空间位置精度因子PDOP＜6是最好的状态，＜8凑合。

6．GPS相对定位

是至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。

7．差分GPS定位技术

是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。

根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。

用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

包括：

基准站、卫星和接收机三部分

9．差分GPS可分为单基准站差分、多基准站局域差分和广域差分。

10．多基准站RTK技术

也叫网络RTK，是对普通RTK方法的改进。

它是一种基于多基准站网络的实时差分定位系统，可克服常规RTK的缺陷，实现长距离（70-100km）RTK定位。

第六章

1．GPS用于测速、测时、测姿态

确定运动载体的实时位置，瞬时速度，精确地时间，姿态等

第七章

1．GPS误差来源：

①卫星部分：

a、星历误差b、钟误差c、相对论效应

②信号部分:

a、电离层b、对流层c、多路径效应

③接收部分:

a、钟的误差b、位置误差c、天线相位中心的变化

2．减弱电离层影响的措施：

①利用双频观测

②利用电离层改正模型加以修正

③利用同步观测值求差

3．减弱对流层折射改正残差影响的主要措施：

①利用对流层改正模型加以修正

②引用描述对流层影响的附加代估参数

③利用同步观测值求差

④利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响

4．消弱多路径误差的方法：

①选择合适的站址

远离大面积平静的水面、高层建筑物，不宜选在山坡、山谷和盆地中

②对接收机天线的要求

在天线中设置抑径板，接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用

5．解决星历误差的方法：

①建立自己的卫星跟踪网独立定轨

②轨道松弛法

③同步观测值求差

第八章

1．GPS网图形构成的几个基本概念：

①观测时段：

测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续观测的时段，简称时段。

②同步观测：

两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。

③同步观测环：

三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。

④独立同步环：

由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。

⑤异步观测环：

在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。

⑥独立基线：

对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1.

2．GPS网的图形布设：

①点连式②边连式③网连式④边点混合连接式⑤三角锁（多边形）连接⑥导线网形连接（环形图）⑦星形布设

3．GPS测量外业准备：

测区踏勘，资料收集，仪器筹备，观测计划拟定，GPS仪器检校及设计书编写等工作。

拟定观测计划的主要依据：

①GPS网的规模大小

②点位精度要求

③GPS卫星星座几何图形强度

④参加作业的接收机数量

⑤交通、通信及后勤保障

4．GPS测量的外业实施：

包括：

选埋、观测、数据传输及数据处理等工作

A．选点：

①点位应设在易于安装接收机设备、视野开阔的较高点上

②点位目标要显著，视场周围15°以上不应有障碍物

③点位应远离高压电线

④点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响

⑤点位应选在交通方便，有利于其他观测手段扩展与联测的地方

⑥地基稳定，易于点的保存

B．标志埋设

C．观测工作：

①观测工作主要依据的技术指标②天线安装③开机观测④观测记录

5．经典静态定位模式：

①作业方法：

采用两台（或两台以上）接受设备，分别安置