GPS测量原理与应用知识点.docx
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GPS测量原理与应用知识点
第一章
1,GPS全球定位系统的参数：
基本的卫星数为21+3，卫星轨道面的个数为6，卫星高度为20200Km,轨道倾角为55，运行周期为11h58min，频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ
2,北斗系统的特点
优点：
1，卫星数量少，投资小，用户设备简单价廉2，能实现一定区域的导航定位3，具有短信通信功能4，能使用户测定自己的点位坐标
缺点：
1不能覆盖两级地区，赤道附近定位精度差2只能二维主动式定位3用户的数量受到一定的限制
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.
2天球坐标系：
在天上—与地球自转无关—卫星专用品。
地球坐标系：
在地上—同地球自转—地面观测站专用品。
3采用空间直角坐标系转换（选择）
不管采用什么形式，坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去。
在一个坐标系中，一组具体的参数值（坐标值）只表示唯一的空间点位，一个空间点位也对应唯一的一组参数值（坐标值）。
4WGS-84坐标系和我国大地坐标系.（简单了解其不同与熟悉其基本参数）
国家大地坐标系
1）1954年北京坐标系（BJ54旧）
坐标原点：
前苏联的普尔科沃。
参考椭球：
克拉索夫斯基椭球。
平差方法：
分区分期局部平差。
存在的问题：
（1）椭球参数有较大误差。
（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。
（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。
（4）定向不明确。
2）1980年国家大地坐标系（GDZ80）
坐标原点：
陕西省泾阳县永乐镇。
参考椭球：
1975年国际椭球。
平差方法：
天文大地网整体平差。
特点：
（1）采用1975年国际椭球。
（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。
（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。
（4）定向明确。
（5）大地原点地处我国中部。
（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。
3）.新1954年北京坐标系（BJ54新）
新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。
坐标原点：
陕西省泾阳县永乐镇。
参考椭球：
克拉索夫斯基椭球。
平差方法：
天文大地网整体平差。
BJ54新的特点：
（1）采用克拉索夫斯基椭球。
（2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。
（3）采用多点定位。
但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。
（4）定向明确。
（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。
（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。
（7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。
（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。
4）2000国家大地坐标系——三维地心坐标系
国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。
2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；
2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转。
地方坐标系
地方参考椭球——国家参考椭球
地方参考椭球的“中心、轴向、扁率”与国家参考椭球相同，独独长半径有改正量。
第三章
作用在卫星上的力
卫星轨道
轨道理论
地球倾心的引力
人卫正常轨道
人卫正常轨道理论
（二体问题）
摄动力
形状摄动力
日、月引力
大气阻力
光压力
其它作用力
轨道摄动
人卫正常摄动理论
总和
人卫真实轨道
人卫轨道理论
1，地心引力
单纯的考虑卫星只受地心引力的影响，进而研究卫星相对地球的运动——二体问题（天体力学）。
——近似描述。
——可以得到卫星运动的严密分析解。
二体问题：
研究两个质点在万有引力作用下的运动规律问题称为二体问题。
卫星大地测量中的二体问题
简化
1）必须在惯性系下考虑问题。
如果是在非惯必性系下，则必须将非惯性系的摄动力作为摄动来考虑；
2）卫星作为质点。
卫星的体积小，与其到地球的距离相比，可忽略不计，即卫星可作为质点计。
3）地球作为质点。
地球可分成均质地球和非均质地球两部分。
2，无摄运动
无摄运动轨道参数
中文名称
符号
意义
轨道平面倾角
i
决定轨道平面
的空间位置
升交点赤经
Ω
轨道椭圆的长半径
a
决定轨道椭圆的大小
轨道椭圆的偏心率
e
决定轨道椭圆的形状
近地点角距（幅角）
ω
决定近地点在轨道椭圆上的位置——定向
真近点角
V
决定卫星在轨道上的瞬时位置
3摄动力
在考虑摄动力后，卫星的受摄运动的轨道参数不再保持为常数，而是随时间变化的轨道参数
4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。
也就是说，有了卫星星历就跟跑步时有了“计步器”一样，可以计算任一时刻的卫星位置及其速度。
卫星星历=预报星历+后处理星历
第四章
1导航电文
用户用来定位和导航的数据基础，采用二进制的形式，基本单位是主帧，一个主帧包括5个子帧，其中1、2、3子帧内容每小时更新一次，4、5子帧内容仅在卫星注入新的导航数据后才得到更新
遥测码：
位于各子帧的开头，用来表明卫星注入数据状态
转换码：
位于每个子帧的第二个字码，提供帮助用户从所捕获的c/A码转换到捕获P码的Z计数
第二数据块：
描述卫星运行及其轨道包含的三参数有开普列六参数、轨道摄动九参数、时间二参数
第三数据块：
包括所有GPS卫星的历书数据
解调的定义：
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。
2GPS使用两种载波：
L1载波：
fL1=154×f0=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm,
L2载波：
fL2=120×f0=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm。
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。
3伪随机噪声码
随机噪声码的特点：
这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，它是一种非周期序列，无法复制。
特性是其自相关性好。
伪随机噪声码：
有与随机码相类似的良好自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。
4模二运算
5GPS测距码
C/A码
P码
码元
1023
2.35×19（14）
码元宽度
0.98μs
相当于293.1m
0.098μs
相当于29.3m
周期
1ms
约7天
第五章
1伪距定位，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。
2为什么要采用码相关技术来确定伪距?
?
?
（p60总结）
3载波相位测量的优点
1）信号量测精度优于波长的1/100
2）载波波长（L1=19cm,L2=24cm）比C/A码波长（C/A=293m）短得多
3）所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度。
4整周跳变（重点）
定义：
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。
产生原因：
（选择）
1）建筑物或树木等障碍物的遮挡
2）电离层电子活动剧烈
3）多路径效应的影响
4）卫星信噪比（SNR）太低
5）接收机的高动态
6）接收机内置软件的设计不周全
修复方法：
（选择）
1）屏幕扫描法
2）高次差或多项式拟和法
3）在卫星间求差法
4）用双频观测值修复周跳
5）根据平差后的残差发现和修复整周跳变
5精度因子（p69）*
6静态相对定位（区别一次、二次、三次差的不同）
一次差：
价格观测值直接相减的过程叫求一次差。
所获得的结果被当做虚拟滚册子叫做载波相位观测值的一次差或单差。
（接收机之间）
二次差：
对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所得的结果任然可以被当做虚拟观测值叫做载波相位的二次差或双差。
（卫星之间）
三次差：
对二次差继续求差称为求三次差。
所得结果叫载波相位观测值的三次差或三差。
（接收机、卫星、历元间）
7美国的GPS政策
SA：
有选择可用性技术2
AS：
反电子欺骗技术
针对对SA和AS采取的措施（p76详细）
1）应用p-w技术和L1与L2交叉相关技术，使L2载波相位观测得到恢复，其精度与使用P码相同
2）研制能通视接收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卫星测轨系统
5）建立独立的卫星导航与定位系统，尽管可以完全摆脱对美国GPS的依赖，但是这是一项技术复杂、耗资巨大的工程，对于经济和技术尚在发展的国家来说将是困难的。
8差分GPS定位
目的：
消除公共误差、提高定位精度
9广域差分GPS的基本思想
对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户GPS定位的误差加以改正，达到削弱这些误差源，改善用户GPS定位精度的目的
10广域差分系统的特点
1）中心站、监测站与用户站的站间距离从100KM增加到2000KM，定位精度不会明显的下降，就是说，WADGPS中用户的定位精度对空间距离的敏感程度比LADGPS低的多
2）在大区域内建立WADGPS网，需要的监测站数量很少，投资自然减小，比LADGPS具有更大的经济效益。
3）WADGPS系统是一个定位精度均匀分布的系统，覆盖范围内任意地区定位精度相当，而且定位精度较LAIGPS高。
4）WADGPS的覆盖区域可以扩展到LADGPS不易作用的地域，如远洋、沙漠、森林等
5）WADGPS使用的硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂，运行和维持费用较LADGPS高得多，而且WADGPS的可靠性与安全性可能不如单个的LADGPS。
第六章
1导航的定义：
所谓导航，就是引导航行的意思；也就是确定航行体运动到什么地方和向那个运动的意思。
起源于航海，发展于航空，辉煌与航天。
2导航的首要问题;就是确定航行体的即时位置。
导航是一种广义的动态定位。
3GPS导航能提供：
全天候、全球性的测量运动载体的七维状态参数、三维姿态参数。
4GPS导航就是广义的GPS动态定位。
主要的方法有：
（选择）
（1）单点动态定位
（2）实时差分动态定位
（3）后处理差分动态定位
5测速（判断）：
利用GPS信号测得运动载体的运动速度。
本质：
利用GPS信号进行的速度测量，是基于站星距离的测量。
6授时+守时
7GPS卫星安装4台原子钟。
GPS时间和世界协调时（UTC）之差保持在±１us以内。
第七章
1、GPS测量误差的分类（*）解答+判断
1）卫星部分：
星历误差；钟误差；相对论效应
2）电离层；对流层；多路径效应
3）信号接收：
钟的误差；位置误差；天线相位中心变化
4）其他影响：
地球潮汐；负荷潮
2、目前减弱多路径效应影响的措施。
1）安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面。
2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。
3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。
4）改善GPS接收机的电路设计，为了减弱多路径效应的影响。
5）建立适当的改正模型。
第八章
1GPS网
本质：
GPS网采用GPS定位技术建立的测量控制网。
由GPS点和基线向量构成。
GPS网的观测值：
GPS基线向量。
GPS基线向量在GPS网中的作用:
建立点间的相互关系。
布设GPS网的最终目的:
以一定的质量水平，确定网中点在某一坐标参照系下的坐标。
2网的施测过程
GPS网施测的基本外业观测单元——由多台GPS接收机进行同步观测的时段。
——每进行一个时段的同步观测，就生成一个由同步观测基线所组成的同步图形。
——待测点多余接收机数量，采取逐步推进的作业方法，通过多个时段的同步观测来完成对网中所有点的测量，最终的GPS网由这些同步图形组成。
3~6
3GPS测量技术设计的一般原则；
4GPS网的图形设计
点连式；边连式；网连式；边点混合式；三角锁链接；导线网形连接；星形布设
5GPS测量技术设计书和技术总结书的编写方法
任务来源及工作量；测区概况；布网方案；选点与埋标；观测；数据处理；完成任务的措施
6GPS测量的外业工作和数据预处理
7GPS测量的作业模式
经典静态定位模式；快速静态定位；准动态定位；往返式重复设站；动态定位；实时动态测量
第九章
1GPS数据处理基本流程：
数据采集→数据传输→预处理→基线解算→GPS网平差
1、GPS卫星星座配置有（24）颗在轨卫星。
2、信号传播过程中引起的误差主要包括大气折射的影响和（多路径效应）影响。
3、一般地，单差观测值是在（同卫星、同历元、异接收机）的两个观测值之间求差。
4、双差观测方程可以消除（接收机钟差）。
5、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数据，采用（空间距离前方交会）的方法，确定待定点的空间位置。
6、根据GPS定位原理，至少需要接收到（4）颗卫星的信号才能定位。
GPS技术给测绘界带来了一场革命，下列说法不正确的是（A）
A、利用GPS技术，测量精度可以达到毫米级的程度
B、与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着测量精度高的优点
C、GPS技术操作简便，仪器体积小，便于携带
D、当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动观测等领域
7、与传统的手工测量手段相比，GPS技术具有的特点是（C）
A、测量精度高，操作复杂
B、仪器体积大，不便于携带
C、全天候操作，信息自动接收、存储
D、中间处理环节较多且复杂
6、7第一题）
8、GPS卫星信号的基准频率是多少？
（10.23MHz）
9、周跳产生的原因（建筑物或树木等障碍物的遮挡）
以下哪个因素不会削弱GPS定位的精度（D）
A.晴天为了不让太阳直射接收机，将测站点置于树荫下进行观测
B.测站设在大型蓄水的水库旁边
C.在SA期间进行GPS导航定位D.夜晚进行GPS观测
10、实时差分定位一般有分为：
位置实时差分、伪距实时差分和（载波相位实时差分）。
11、我国自行建立第一代卫星导航定位系统“北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，它由（两颗工作卫星和一颗备份星）组成了完整的卫星导航定位系统。
12、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（电离层折射）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。
13、在使用GPS软件进行平差计算时，需要选择哪种投影方式（横轴墨卡托投影）。
14、下列GPS网图形设计中，几何强度和可靠性指标最高，但是花费的经费和时间多的方法是（3）1点连式2边连式3网连式4边点混合连接式
15、GPS工作卫星，均匀分布在（6）个轨道上。
16、在以下定位方式中，精度较高的是（C）。
A）绝对定位B）相对定位C）载波相位实时差分D）伪距实时差分
17、广域差分主要是为了削弱这些误差源，它们分别是大气延时误差、卫星钟误差（星历误差）。
18、目前正在运行的全球卫星导航定位系统有美国的（GPS）和俄罗斯的（GLONASS）。
我国的第一代卫星导航定位系统称为（北斗卫星导航定位系统），欧盟计划组建的卫星导航定位系统称为（GALILEO）。
19、GPS卫星系统由空间部分、（地面控制部分）和（用户部分）三部分组成。
20、GPS卫星发送的信号是由载波、（测距码）和（导航电文）三部分组成的。
21、广域差分可纠正的误差种类包括（星历误差）、（大气延时误差）和（卫星钟差误差）。
22、GPS测量中，减弱电离层影响的措施包括（利用双频观测）、（利用电离层改正模型）和利用同步观测求差。
23、GPS测量中，与卫星有关的误差包括（卫星星历误差）和（卫星钟的钟误差）和（相对论效应）。
24、（C/A）码目前只被调制在L1上。
25、GPS卫星星历分为（预报星历）和（后处理星历）。
26、载波上调制有____和_____（测距码，导航电文）等几种波。
27、GPS定位分为______与_______（相对定位和绝对定位）
28、GPS绝对定位的中误差与精度因子（成正比）
29、不同测站同步观测同卫星的观测量单差可消除（卫星钟差）影响。
30、不同历元不同测站同步观测同组卫星的三差可消除（整周未知数）影响。
31、制作观测计划时主要使用（PDOP）值来确定最佳观测时间。
32、下面哪一种时间系统不是原子时？
（D）
A原子时BUTCCGPSTD世界时
33、不是GPS卫星星座功能的是（D）。
是BC
A向用户发送导航电文B接收注入信息C适时调整卫星姿态D计算导航电文
34、产生周跳的主要原因是（卫星失锁）
35、不是监测站功能的是（A）。
A向用户发送导航电文B收集气象数据C监测卫星工作状态
36、白天的电离层误差影响比晚上的影响（大）
37、选点时，要求点位上空无遮挡，以免（整周跳）影响。
38、选点时，要求点位周围无反射物，以免（多路径）影响。
33、GPS系统是测时测距系统。
（√）
34、C/A码的码长较短，易于捕获，但码元宽度较大，测距精度较低，所以C/A码又称为捕获码或粗码。
（√）
30、在载波相位双差（先测站之间求差，后卫星之间求差）观测方程中，整周未知数已被消去。
（×）
31、由于GPS网的平差及精度评定，主要是由不同时段观测的基线组成异步闭合环的多少及闭合差大小所决定的，与基线边长度和其间所夹角度有关，所以异步网的网形结构与多余观测密切相关。
（×）
32、GPS定位直接获得的高程是似大地水准面上的正常高。
（×）
理想情况下的卫星运动，是将地球视作非匀质球体，且不顾及其它摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。
（×）
33、由于GPS网的平差及精度评定，主要是由不同时段观测的基线组成异步闭合环的多少及闭合差大小所决定的，与基线边长度和其间所夹角度有关，所以异步网的网形结构与多余观测密切相关。
（×）
34、整周模糊度的可能组合数的多少取决于初始平差后所得到的整周模糊度方差的大小和观测的卫星数。
（√）
35、相对定位中的基线向量中含有2个方位基准（一个水平方法，一个垂直方位）和1个尺度基准、一个位置基准。
（×）
36、相对定位时，两点间的距离越小，星历误差的影响越大。
（×）
37、精度衰减因子越大，位置误差越小。
（√）
38、97规程规定PDOP应小于6。
97规程中规定的GPS网的精度等级有5个（√）
39、实时载波相位差分简称为RTK。
（√）
40、同步观测基线就是基线两端的接收机同时开机同时关机。
（×）
41、应当选择DOP值较大的时间观测。
（×）
42、高度角大于截止高度角的卫星不能观测。
（×）
43、基线向量是由两个点的单点定位坐标计算得出的。
（×）
44、GPS网的无约束平差通过检验，说明观测数据符合精度要求。
（×）
45、重复基线就是观测了2个或2个以上时段的基线。
（√）
46、要估算WGS-84坐标系与北京54坐标系的转换参数,最少应知道一个点的WGS-84坐标和三个点的北京54坐标。
47、伪随机噪声码和随机噪声码的共同点是都具有良好的自相关性。
（√）
48、较短基线的静态相对定位中，整周未知数的解算通常采用固定解。
长基线的静态相对定位中，整周未知数的解算通常采用浮动解。
（√）
49、GPS的通视要求是指与测站上空的卫星通视，但是在实际作业中为了加密低等级控制点，一般还要求至少与一个相邻控制点通视。
（√）
50、伪随机码的特点是既可以重复出现，又具有良好的自相关性。
（√）
51、DOP值越大，GPS定位精度越高。
（×）
36、伪距：
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侧距离。
由于卫星钟、接收机钟的误差以及信号经过电离层和对流层的延迟，量侧距离的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值，因此，称量侧距离的伪距。
37、导航电文：
由卫星向用户发送的有关卫星的位置、工作状态、卫星钟差及电离层延迟参数等信息的一组二进制代码，也称数据码（D码）
38、GPS卫星的导航电文：
GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。
它主要包括：
卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕捉P码的信息。
39、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。
40、整周模糊度：
卫星发送到地面的载波在空间传输的整周期数是一个无法通过观测获得的未知数因而也称为整周模糊度
41、广播星历：
卫星将地面监测站注入的有关卫星运行轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历，这种星历就是广播星历。
42、GPS误差来源（解答，上第七章）
43、在GPS测量中可采用哪些方法来消除或消弱多路径误差？
（上第七章）
44、星历误差;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。
45、简述GPS网的布网原则
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。
46、GPS技术设计中应考虑哪些因素？
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
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