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GPS复习资料
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一、名词解释
伪距：
由GPS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站星量测距离。
由于站星距离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟钟差、两个钟的非同步误差的影响及电离层和对流层等对信号的传播延迟等的影响，并非站星的真实距离，所以通常称为伪距。
整周未知数：
用户接收机在初次跟踪到GPS卫星时, 在接收机接收到的卫星载波信号和接收机参考载波信号之间的相位差中包含整周波长部分和不足一周的小数部分,其中接收机只能测定小数部分,而整数部分是不知道的, 这个整周波长就称整周模糊度或整周未知数.
导航电文：
导航电文是包含有关卫星的星历、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）。
卫星星历：
卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。
根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。
载波重建：
由于载波上已用二进制相位调制法调制了测距码和导航电文，故接收到的卫星信号的相位也不连续，所以在进行载波相位测量前，必须设法将调制信号去掉，恢复载波，此项工作称重建载波，一般可采用码相关法、平方法等方法进行
黄道：
地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。
岁差：
在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，该现象叫岁差。
天极：
天轴与天球的交点Pn（北天极）Ps（南天极）称为天极。
周跳：
由于仪器线路的瞬时故障、卫星信号被障碍物占时阻断、载波锁相环路的短暂失锁等因素的影响，引起计数器在某个时间无法连续计数，该现象称整周跳变，简称周跳。
极移：
地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。
章动：
在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。
这种现象称章动。
广播星历：
预报星历是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，也称广播星历
相位跃迁：
所以当码值由0变为1，或由1变为0时，都会使调制后的载波相位改变180°，称为相位跃迁。
历书：
是卫星星历参数的简化子集。
其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至6个月。
GPS卫星历书用于计算任意时刻天空中任意卫星的概略位置。
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。
DGPS：
（差分GPS）利用设置在坐标已知的点（基准站）上测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。
固定解：
如果把非整数的整周未知数调整为相近的整数，作为固定值代入重新求解其它未知参数，所得的解称为固定解
浮动解：
而相应整周未知数为非整数的解成为浮动解。
相对论效应：
是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起两钟之间产生相对钟误差的现象。
平天球坐标系：
通常选择某一时刻t0作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁差和章动改正后，作为z轴和x轴，由此构成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系（CIS）
广域差分（WADGPS）在一个大的区域中用相对较少的基准站组成差分GPS网，各基准站将求得的距离改正数发送给数据处理中心进行统一处理，并将各种GPS观测误差源加以区分，然后再传给用户。
将这种系统称为广域差分GPS系统。
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。
同步观测环：
三台或三台以上接收机同步观测所获得的基线向量构成的闭合环。
静态定位：
如果在定位时，接收机的天线在跟踪GPS卫星过程中，位置处于固定不动的静止状态，这种定位方式称为静态定位。
GPS全球定位系统：
GPS全球定位系统是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间获取一个通用参照系中的位置，速度和时间信息的要求。
星历误差
答：
实际上就是卫星位置的确定误差。
星历误差是一种起始数据误差，其大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。
SA技术
答：
其主要内容是：
（1）在广播星历中有意地加入误差，使定位中的已知点（卫星）的位置精度大为降低；
（2）有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大为降低。
相对定位：
确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。
实测星历：
它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。
它需要在一些已知精确位置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真实位置，从而获得准确可靠的精密星历。
相对论效应：
GPS卫星在高20200km的轨道上运行，卫星钟受狭义相对论效应和广义相对论效应的影响，其频率与地面静止钟相比，将发生频率偏移，这是精密定位中必须顾及的一种误差影响因素。
轨道摄动：
卫星的真实轨道与正常轨道之间的差异，称为轨道摄动。
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
单点定位：
仅单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中的绝对位置的方法
二、填空题
一、填空（每空1分，共20分）
1.子午卫星导航系统采用6颗卫星，并都通过地球的运行。
2.按照《规范》规定，我国GPS测量按其精度依次划分为AA、A、B、C、D、E六级，其中C级网的相邻点之间的平均距离为15～10km，最大距离为
km。
3.在GPS定位测量中，观测值都是以接收机的相位中心位置为准的，所以天线的相位中心应该与其中心保持一致。
4.按照GPS系统的设计方案，GPS定位系统应包括部分、部分和部分。
5.在使用GPS软件进行平差计算时，需要选择投影方式
6.从误差来源分析，GPS测量误差大体上可分为以下三类：
，
和。
7.根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有式、式、网连式及边点混合连接四种基本方式。
选择什么方式组网，取决于工程所要求的精度、野外条件及GPS接收机台数等因素。
8.美国国防部制图局（DMA）于1984年发展了一种新的世界大地坐标系，称之为美国国防部1984年世界大地坐标系，简称。
9.当使用两台或两台以上的接收机，同时对同一组卫星所进行的观测称为。
10.双频接收机可以同时接收L1和L2信号，利用双频技术可以消除或减弱对观测量的影响，所以定位精度较高，基线长度不受限制，所以作业效率较高。
11.在定位工作中，可能由于卫星信号被暂时阻挡，或受到外界干扰影响，引起卫星跟踪的暂时中断，使计数器无法累积计数，这种现象叫。
12.PDOP代表
13.GPS工作卫星的主体呈圆柱形，整体在轨重量为843.68㎏，它的设计寿命为年，事实上所有GPS工作卫星均能超过该设计寿命而正常工作。
14.用GPS定位的方法大致有四类：
多普勒法、伪距法、射电干涉测量法、。
目前在测量工作中应用的主要方法是静态定位中的伪距法和载波相位测量法。
15.在接收机和卫星间求二次差，可消去两测站接收机的改正。
在实践中应用甚广。
1）南北极2）403）几何4）空间卫星地面监控用户接收5）横轴墨卡托投影6）与GPS卫星有关的误差与卫星信号传播有关的误差与接收机有关的误差7）点连边连8）WGS—84
9）同步观测10）电离层折射11）整周跳变12）空间位置图形强度因子13）7.514）载波相位测量法
15）相对钟差
1．按照GPS系统的设计方案，GPS定位系统应包括部分、部分和部分。
2．在使用GPS软件进行平差计算时，需要选择投影方式
3．从误差来源分析，GPS测量误差大体上可分为以下三类：
，
和。
4．根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有式、式、
网连及边点混合连接四种基本方式。
选择什么方式组网，取决于工程所要求的精度、野外条件及GPS接收机台数等因素。
5．VDOP代表
6．当地球自转360°时，卫星绕地球运行两圈，环绕地球运行一圈的时间为
小时58分。
地面的观测者每天可提前4min见到同一颗卫星，可见时间约为小时。
这样，观测者至少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗卫星。
7．利用GPS进行定位有多种方式，如果就用户接收机天线所处的状态而言，定位方式分为定位和定位；若按参考点的不同位置，又可分为
定位和定位。
8．GPS定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采取的方法，确定待定点的空间位置。
9．GPS信号接收机，按用途的不同，可分为型、和等三种。
1）空间卫星地面监控用户接收2）横轴墨卡托投影3）与GPS卫星有关的误差与卫星信号传播有关的误差与接收机有关的误差4）点连边连5）垂直分量精度因子6）1157）静态动态单点相对8）空间距离后方交会9）导航测地型授时型
1．按照GPS系统的设计方案，GPS定位系统应包括部分、部分和部分。
2．HDOP代表
3．利用GPS进行定位有多种方式，如果就用户接收机天线所处的状态而言，定位方式分为定位和定位；若按参考点的不同位置，又可分为定位和定位。
4．GPS信号接收机，按用途的不同，可分为型、和等三种。
5．用GPS定位的方法大致有四类：
、伪距法、射电干涉测量法、。
目前在测量工作中应用的主要方法是静态定位中的伪距法和载波相位测量法。
6．数据码即导航电文，它包含着卫星的星历、卫星、时间系统运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正、由C/A码捕获P码的信息等。
7．动态定位是用GPS信号地测得运动载体的位置。
按照接收机载体的运行速度，又将动态定位分成低动态、中等动态、高动态三种形式。
8．GPS网一般是求得测站点的三维坐标，其中高程为高，而实际应用的高程系统为高系统。
9．利用双频技术可以消除或减弱折射对观测量的影响，基线长度不受限制，所以定位精度和作业效率较高。
10．GPS定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采取的方法，确定待定点的空间位置。
1）空间卫星地面监控用户接收
2）水平分量精度因子
3）静态动态单点相对
4）导航测地型授时型
5）多普勒法载波相位测量法
6）工作状态卫星钟
7）实时
8）大地正常
9）电离层
10）空间距离后方交会
三、简答题
1单频接收机和双频接收机各自减弱电离层延迟的原理？
A由以上电离层改正公式可知，电磁波通过电离层所产生的折射改正数与电磁波的频率的平方成反比，如果分别用两个不同频率的载波来发射卫星信号，这两个信号就将沿着同一路径到达接收机，虽然电子总量无法准确知道，但对两个频率来说是相同的，所以最后可以求得电离层折射改正（测码伪距观测）或两个改正项的相互关系（载波相位观测）。
双频接收机正是利用该原理有效地削弱了电离层的影响,所以其定位精度比单频接收机高。
b对于单频GPS接收机的用户，为了减弱电离层的影响，一般采用由导航电文所提供的电离层模型，或其它适宜的电离层模型对观测量加以改正。
但是，实测资料表明，目前模型改正大体上只能消除电离层折射影响的75%左右。
2差分GPS基本原理？
何为位置差分？
何为距离差分？
将一台GPS接收机安置在基准站上对所有可见卫星进行连续观测。
根据基准站已知精密坐标和所获得的观测值，计算出相关的改正数和变化率，并由基准站实时地将这些改正数发送给用户接收机，用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收由基准站发射的改正数，对定位结果进行改正，从而达到提高定位精度的目的。
位置差分：
基准站播发的差分改正数是基准站利用GPS测定的坐标与已知坐标之差。
距离差分：
基准站播发的差分改正数是对各GPS卫星的距离观测值的改正数。
3评定基线解算结果是否满足精度要求的主要指标有哪些？
各自代表什么意义？
（1）验后单位权方差检验。
采用
检验法对验后单位权方差进行检验，是否与理论值相近。
（2）基线长度的精度。
要求处理后基线长度中误差应符合标称精度。
（3）双差固定解与双差实数解之间的差值。
理论上整周未知数N为一整数，但其平差值为一实数，称为双差实数解。
将实数确定为整数，在进一步平差时不作为未知数求解，这样的结果称为双差固定解。
通常要求两者之间的基线向量坐标差小于5cm。
当双差固定解与实数解的向量坐标差达到分米级时，则处理结果可能有误。
基线长度较长时，以双差实数解为最佳。
4什么是多路径效应？
述消弱多路径误差的方法？
由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有反射和折射信号的影响，使信号产生延迟甚至使波形发生扭曲、失锁、周跳等，从而产生误差，这就是所谓的多路径效应。
多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物
削弱方法：
a.选点时要尽量避开高反射体，。
选设点位时应远离大面积平静的水面；测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。
测站附近不应有高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车；
b.尽量选用能削弱多路径效应的天线。
c.适当延长观测时间，以削弱多路径效应的周期性影响。
d.通过改进跟踪环路削弱多路径。
该方法是对接收机内部跟踪环路进行改进来削弱多路径。
5：
写出测距码伪距观测方程和载波相位伪距观测方程（表明各个符号含义），并比较异同？
伪距测量：
利用C/A码或P码测得的伪距作为观测量进行的定位测量。
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的定位测量。
6为了评价定位结果，在导航学中，一般采用有关精度因子DOP的概念，其定义：
描述卫星的几何位置对误差贡献的因子。
GPS的误差为测距误差与精度因子之乘积。
mx=DOP0，DOP是权系数阵主对角线元素的函数，0伪距测量中误差。
在实践中，根据不同要求，可选用不同的精度评价模型和相应的精度因子，通常有：
平面位置精度因子HDOP：
表征卫星几何位置布局对GPS平面位置精度影响的精度因子。
高程精度因子VDOP:
表卫星几何位置布局对GPS高程定位精度影响的精度因子
空间位置精度因子PDOP：
表征卫星几何位置布局对GPS三维位置精度影响的精度因子
接收机钟差精度因子TDOP表征卫星几何位置布局对GPS时间精度影响的精度因子。
几何精度因子GDOP表征卫星几何位置布局对GPS三维位置误差和时间误差综合影响的精度因子，
卫星分布的几何图形对精度因子的影响：
GPS绝对定位的误差与精度因子DOP的大小成正比，在伪距观测精度0确定的情况下，如何使精度因子的数值尽可能减小，是提高定位精度的一个重要途径。
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。
1.试述WGS—84坐标系的几何定义（8分）
答：
坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）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。
2.如何减弱多路径误差（8分）
答：
多路径误差不仅与反射系数有关，也和反射物离测站的距离及卫星信号方向有关，无法建立准确的误差改正模型，只能恰当地选择站址，避开信号反射物。
例如：
（1）选设点位时应远离平静的水面，地面有草丛、农作物等植被时能较好吸收微波信号的能量，反射较弱，是较好的站址。
（2）测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。
（3）测站附近不应有高层建筑物，观测时也不要在测站附近停放汽车。
4.试分别写出测距码伪距观测方程和载波相位伪距观测方程（标明各个符号的含义），并比较它们的异同。
（10分）
伪距观测方程
drion：
电离层延迟改正；
drtrop：
对流层延迟改正。
载波相位伪距观测方程
：
载波相位观测值（cycle）；：
载波波长（m）
：
站星距（m）；c：
真空中的光速（m/s）
：
接收机钟差（s）；：
卫星钟差（s）
：
对流层折射（m）；：
电离层折射（m）
：
卫星星历误差（m）；：
整周模糊度（cycle）；t：
观测历元时刻。
5.GPS技术设计中应考虑哪些因素？
（10分）
答：
技术设计主要是根据上级主管部门下达的测量任务书和GPS测量规范来进行的。
它的总的原则是，在满足用户要求的情况下，尽可能减少物资、人力和时间的消耗。
在工作过程中，要考虑下面一些因素：
（1）测站因素；
（2）卫星因素；（3）仪器因素；（4）后勤因素。
6.结合专业知识，论述GPS在GIS中的应用（15分）
1.简述GPS网的布网原则（12分）
答：
为了用户的利益，GPS网图形设计时应遵循以下原则：
（1）GPS网的布设应视其目的，作业时卫星状况，预期达到的精度，成果的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。
（2）GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如一个或若干个独立观测环，或者附合路线形式，以增加检核条件，提高网的可靠性。
（3）GPS网内点与点之间虽不要求通视，但应有利于按常规测量方法进行加密控制时应用。
（4）可能条件下，新布设的GPS网应与附近已有的GPS点进行联测；新布设的GPS网点应尽量与地面原有控制网点相联接，联接处的重合点数不应少于三个，且分布均匀，以便可靠地确定GPS网与原有网之间的转换参数。
（5）GPS网点，应利用已有水准点联测高程。
2．什么是相对论效应？
（8分）
答：
GPS卫星在高20200km的轨道上运行，卫星钟受狭义相对论效应和广义相对论效应的影响，其频率与地面静止钟相比，将发生频率偏移，这是精密定位中必须顾及的一种误差影响因素。
1．整周跳变（周跳）定义，原因以及特点。
（10分）
1）整周跳变
卫星信号失锁，使接收机的整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。
这种现象称为周跳。
2）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
3）周跳的特点
1．周跳只引起载波相位观测量的整周数发生跳跃，小数部分则是正确的。
2．周跳具有继承性，即从发生周跳的历元开始，以后所有历元的相位观测值都受到这个周跳的影响。
3．周跳发生非常频繁。
2．载波相位测量方程以及个参数代表的意思（12分）
：
载波相位观测值（cycle）；：
载波波长（m）
：
站星距（m）；c：
真空中的光速（m/s）
：
接收机钟差（s）；：
卫星钟差（s）
：
对流层折射（m）；：
电离层折射（m）
：
卫星星历误差（m）；：
整周模糊度（cycle）；t：
观测历元时刻。
3.简述确定整周未知数的四种方法。
（8分）
答：
确定整周未知数的方法很多，这里择要介绍其中四种：
（1）经典静态相对定位法；
（2）“动态”测量法；（3）交换天线法；（4）快速确定整周未知数法。
4．如何减弱GPS接收机钟差。
（10分）
答：
①把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。
②认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，像卫星钟那样，将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。
此法可大大减少未知数，其成功与否关键在与钟误差模型的有效程度。
③通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。
5．GPS基线向量网的设计原则（20分）
答：
1）选点原则a.为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°~15°高度角以上不能有成片的障碍物。
b.为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。
c.为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。
d.为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。
e.测站应选择在易于保存的地方。
2）提高可靠性的原则:
增加观测期数（增加独立基线数）。
保证一定的重复设站次数。
保证每点与三条以上的独立基线相连最小异步环边数不大于6。
3）提高精度的原则:
网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。
建立框架网。
最小异步环边数不大于6。
适当引入高精度测距边。
若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围起来。
适当延长观测时间，增加观测时段。
选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。
1．简述卫星大地测量的作用。
（10分）
答：
卫星大地测量的作用分为如下几方面：
（1）精确测定地面点地心（质心）坐标系内的坐标，从而能够将全球大地网连成整体，建成全球统一的大地测量坐标系统
。
（2）精确测量地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对运动以及大地水准面的形状，为大地测量和其他科学技术服务。
（3）广泛地应用于空中和海上导航，地质矿产勘探及军事等方面。
2．简述GPS卫星的主要作用。
（10分）
答：
GPS卫星的主要作用有三方面：
（1）接收地面注入站发送的导航电文和其它信号；
（2）接收地面主控站的命令，修正其在轨运行偏差及启用备件等；
（3）连续地向广大用户发送GPS导航定位信号，并用电文的形式提供卫星自身的现势位置与其它在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。
3．如何重建载波？
其方法和作用如何？
（12分）
答：
在GPS信号中由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不在连续，所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波。
重建载波一般可采用两种方法：
一是码相关法，另一种是平方法。
采用前者，用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；采用后者，用户无须掌握测距码的结构，但只能获得载波信号而无法获得测距码和卫星电文。
4．GPS误差来源（12分）
答：
1）与卫星有关的误差：
卫星轨道误差，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差和变化，接收机钟差，接收机内部噪声
5．GPS的应用（16分）
参考答案：
1）军事、国防2）陆路交通（车辆导航、监控）、航运、航空3搜索、救援4）气象观测5）遥感6）测量7）卫星定轨8资源勘探9）通讯10）广播、电视11）电力12）时间传递
6.简述单频接收机和双频接收机各自减弱电离层延迟影响的原理。
四、判断题（每小题2分,共20分）
1.20世纪50年代末期，美国开始研制多普勒卫星定位技术进行测速、定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统
2.当利用两台或多台接收机对同一组卫星的同步观测值求差时，可以有效的减弱电离层折射的影响，即使不对电离层折射进行改正，对基线成果的影响一般也不会超过1ppm，所以在短基线上用单频接收机也能获得很好的定位结果。
3．图形强度因子是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其它误差之外的一个量。
其值恒大于1，最大值可达100，
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