GPS 复习.docx

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GPS复习

GPS测量技术复习题

一、填空

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.GPS全球定位系统具有全能性、全球性、全天候、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。

3.GPS系统的空间部分由21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个轨道上，距地面的平均高度为20200km，运行周期为11小时58分。

4.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WGS—84。

5.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同步观测。

6.在对卫星所有的作用力中，地球重力场的引力是最重要的。

如果将它的引力视为1，则其它作用力均小于10-5。

7.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，这种现象叫整周跳变。

8.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D级网的相邻点之间的平均距离为10～5km，最大距离15km。

9.GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

10.对于卫星精密定位来说，只考虑地球质心引力来计算卫星的运动状态是不能满足精度要求的。

必须考虑地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力、潮汐摄动力对卫星运动状态的影响。

11.当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化。

这种距离改正在天顶方向最大可达50m，在接近地平线方向可达150m。

12.在GPS测量定位中，与接收机有关的误差主要有接收机钟误差、接收机位置误差、天线相位中心位置误差和几何图形强度误差等。

13.按照GPS系统的设计方案，GPS定位系统应包括空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分。

14.子午卫星导航系统采用6颗卫星，并都通过地球的南北极运行。

15.自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证、系统论证、生产实验三个阶段。

总投资超过200亿美元。

16.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40km。

17.协调世界时是综合了世界时与原子时的另一种记时方法，即秒长采用原子时的秒长，时刻采用世界时的时刻。

18.卫星钟采用的是GPS时，它是由主控站按照美国海军天文台（USNO）的协调世界时（UTC）进行调整的。

在1980年1月6日零时对准，不随闰秒增加。

19.当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化。

这种距离改正在天顶方向最大可达50m，在接近地平线方向可达150m。

20.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几何中心保持一致。

21.当使用两台或两台以上的接收机，同时对同一组卫星所进

行的观测称为同步观测。

22.在接收机和卫星间求二次差，可消去两测站接收机的相对钟差改正。

在实践中应用甚广。

23.卫星星历误差实际上就是卫星位置的确定误差。

也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。

24.GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等。

25.根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、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。

26.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，采取空间距离后方交会的方法，确定待定点的空间位置。

27.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。

28.由于地球内部和外部的动力学因素，地球极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象叫极移。

随时间而变化的极点叫瞬时极，某一时期瞬时极的平均位置叫平地极，简称平极。

29.就整个地球空间而言，参心坐标系的不足之处主要表现在：

它不适合建立全球统一坐标系的要求、它不便于研究全球重力场、平、高控制网分离，破坏了空间点三维坐标完整性。

30GPS信号接收机，按用途的不同，可分为导航型、测地型和授时型等三种。

31数据码即导航电文，它包含着卫星的星历、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、由C/A码捕获P码的信息等。

32动态定位是用GPS信号实时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。

33单点定位就是独立确定待定点在坐标系统中的绝对位置，其定位结果属于WGS－84坐标系统。

34考虑到GPS定位时的误差源，常用的差分法有如下三种：

在接收机间求一次差；在接收机和卫星间求二次差；在接收机、卫星和观测历元间求三次差。

35对卫星所有的作用力中,地球重力场的引力是最重要的。

如果将它的引力视为1，则其它作用力均小于10-5。

36在进行GPS测量时，观测量中存在着系统误差和偶然误差。

其中系统误差影响尤其显著。

37GPS网一般是求得测站点的三维坐标，其中高程为大地高，而实际应用的高程系统为正常高系统。

38GPS定位精度同卫星与测站构成的图形强度有关，与能同步跟踪的卫星数和接收机使用的通道数有关。

39天线的定向标志线应指向正北。

其中A与B级在顾及当地磁偏角修正后，定向误差不应大于±5°。

天线底盘上的圆水准气泡必须居中。

40用双频技术可以消除或减弱电离层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。

411957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，标志着人类进入了空间技术的新时代。

42、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7.5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。

44.我国的GPS卫星跟踪网是由拉萨、乌鲁木齐、北京、武汉、上海、长春、昆明等七个跟踪站组成的。

45.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11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5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。

46.1968年国际时间局（BIH）决定，采用通过国际协议原点（CIO）和原格林尼治天文台的经线为起始子午线。

起始子午线与相应于CIO的赤道的交点E为经度零点。

这个系统称为“1968BIH”系统。

47.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，定位方式分为静态定位和动态定位；若按参考点的不同位置，又可分为单点定位和相对定位。

48.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WGS—84。

49.协调世界时是综合了世界时与原子时的另一种记时方法，即秒长采用原子时的秒长，时刻采用世界时的时刻。

50.我国西起东经72°，东至东经135°，共跨有5个时区，我国采用东8区的区时作为统一的标准时间。

称作北京时间。

51.在对卫星所有的作用力中,地球重力场的引力是最重要的。

如果将它的引力视为1，则其它作用力均小于10-5。

52.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、载波相位测量法。

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。

53.在接收机和卫星间求二次差，可消去两测站接收机的相对钟差改正。

在实践中应用甚广。

54.卫星星历误差实际上就是卫星位置的确定误差。

也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。

55.理想情况下的卫星运动，是将地球视作匀质球体，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。

56.就整个地球空间而言，参心坐标系的不足之处主要表现在：

它不适合建立全球统一坐标系的要求、它不便于研究全球重力场、平、高控制网分离，破坏了空间点三维坐标完整性。

二、名词、概念解释

1.参考站：

在一定的观测时间内，一台或几台接收机分别固定在一个或几个测站上，一直保持跟踪卫星，其余接收机在这些测站的一定范围内流动站作业，这些固定测站就称为参考站。

2.主控站的作用：

主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传播等设备，其主要作用为：

（1）收集数据；

（2）数据处理；（3）监测与协调；（4）控制卫星。

3.区域性GPS大地控制网：

区域GPS大地控制网是指国家C、D、E级GPS网或专门为工程项目布测的工程GPS网。

4.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。

5.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。

6.伪距：

GPS定位采用的是被动式单程测距。

它的信号发射时刻是由卫星钟确定的，收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。

7.数据剔除率；同一时段中，删除的观测值个数与获取的观测值总数的比值。

8.实测星历：

是一些国家根据自己的卫星跟踪站观测资料，经过事后处理直接计算的卫星星历，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。

这种星历要在观测后1～2个星期才能得到，对导航和动态定位毫无意义，但是在静态精密定位中具有重要作用。

9.观测时段：

测站上开始接收卫星信号到停止接收，连续观测的时间间隔称为观测时段，简称时段。

10.黄道地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，它与天球相交的大圆称为黄道。

它就是当地球绕太阳公转时，观测者所看到的太阳在天球上运动的轨迹。

11．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。

12.原子时：

1967年国际计量委员会决定采用铯原子零场在基态的两个超精细能级结构间跃迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为1秒，这样长度的秒，定义为原子时秒，以此为基准的时间系统，称为原子时。

13.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。

14.UT0世界时：

是1955年以前各国所使用的一种世界时形式，它是利用天文测量的方法直接对天体观测得到的，其基准是观测台站的瞬时子午圈，所以它既包含了地球自转速度不均匀的影响，也包含了极移的影响。

15.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。

16.黄极：

过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点称为黄极。

17.被动式测距：

发射站在规定的时刻内准确地发出信号，用户则根据自己的时钟记录信号到达的时间，根据这一时差

求得单程距离

。

由于用户只需被动的接收信号，故将这种测距方式称为被动式测距。

18.SA技术：

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。

19.对流层折射：

对流层的折射率与大气压力、温度和湿度密切相关。

由于大气的对流作用很强，大气状态变化复杂，所以大气折射率的变化及其影响，难以准确地模型化。

20.多普勒定位法：

根据多普勒效应原理，利用GPS卫星较高的射电频率，由积分多普勒计数得出伪距差。

21.主动式测距：

电磁波测距仪发射测距信号，通过另一端的反射器反射回来，再由测距仪接收。

根据测距信号的往、返传播时间推求出往返距离

。

由于测站点需主动发出测距信号，故称这种测距方式为主动式测距。

22.多路径效应：

接收机天线在直接收到卫星信号的同时，还可能收到经天线周围地物反射的卫星信号，两种信号叠加就会引起测量参考点的位置变化，这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称作多路径效应。

23.卫星射电干涉测量：

利用GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得站间距离。

24.世界时：

是以平太阳时为基准的。

它基于假想的平太阳，是从经度为0°的格林尼治子午圈起算的一种地方时，这种地方时属于包含格林尼治的零时区，所以称为世界时。

25.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。

三、简答题

1.如何减弱多路径误差

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。

2.简述电离层的概念及其影响

答：

所谓电离层，系指地球上空大气圈的上层，距离地面高度在50km至1000km之间的大气层。

电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线作用，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子。

当GPS信号通过电离层时，如同其它电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化。

此时再用光速乘上信号传播时间就不会等于卫星至接收机的实际距离。

对于GPS信号，这种距离差在天顶方向最大可达50m，在接近地平方向时可达150m。

可见它对观测量的精度影响较大，必须采取有效措施削弱它的影响。

3．试述WGS—84坐标系的几何定义

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。

4.简述GPS网的布网原则。

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。

5.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。

6.如何重建载波？

其方法和作用如何？

（10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。

7.GPS技术设计中应考虑的因素有哪些？

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

（3）仪器因素；（4）后勤因素。

8.简述“伽利略”计划。

答：

计划分成四个阶段：

论证阶段，时间为2000年；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；运营阶段，从2008年开始。

9.什么是相对论效应？

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。

10.简述卫星射电干涉测量的原理。

答：

利用GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得站间距离。

11.试说明载波相位观测值的组成部分。

答：

完整的载波相位观测值是由三部分组成的：

即载波相位在起始时刻沿传播路径延迟的整周数

，和从某一起始时刻至观测时刻之间载波相位变化的整周数

，以及接收机所能测定的载波相位差非整周的小数部分

12.简述实测星历的概念及意义。

答：

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。

这种星历要在观测后1~2个星期才能得到，这对导航和动态定位无任何意义，但是在静态精密定位中具有重要作用。

13.如何减弱对流层影响？

答：

（1）利用改正模型进行对流层改正

（2）利用同步观测值求差。

14.如何理解共视对比定时法。

答：

在两个测站A和B上各安设一台GPS信号接收机，在相同的时间内

观测同一颗GPS卫星。

通过数据传输而将测站A的用户钟差送到测站B，对两个共视用户的钟差进行比对，从而测定用户时钟的偏差。

这种利用GPS信号进行时间传递的方法，称为共视对比定时法。

15.简述GPS卫星的主要作用。

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。

16．简述GPS网中水准点的选择和分布

答：

GPS网一般是求得测站点的三维坐标，其中高程为大地高，而实际应用的高程系统为正常高系统。

为此，通常是在GPS网中施测或重合少量的几何水准点，用数值拟合法（多项式曲面、拟合或多面函数拟合）拟合出测区的似大地水准面，继而内插出其它GPS点的高程异常，再求出其正常高。

17．简述GPS定位技术相对于常规测量技术的优点。

答：

（1）选点灵活，无需通视；

（2）精度提高，耗费降低；（3）操作简便，效益增加；（4）全天候作业，变被动为主动。

18．简述卫星大地测量的作用。

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。

19.在用GPS信号传递时间时，存在着哪三种时间尺度（时标）？

答：

其一为GPS时间，它是一种全球性的时间信号源，用以进行精确的时间比对；二是每颗GPS卫星的时钟；三是用户的接收机时钟。

GPS定时的实质是测定用户时钟相对于GPS时间的偏差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界协调时（UTC）。

20.简述GPS信号接收设备的其结构和作用。

答：

（1）天线（带前置放大器）；

（2）信号处理器，用于信号接收、识别和处理；

（3）微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算；

（4）用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存储器；

（5）精密振荡器，用以产生标准频率；

（6）电源。

21.简述地心直角坐标系的建立。

答：

原点O与地球质心重合；Z轴指向国际协议原点CIO，X轴指向1968BIH定义的格林尼治平均天文台的起始子午线与CIO的赤道焦点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。

22.简述确定整周未知数

的四种方法

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。

四、判断题

1.子午卫星导航系统采用12颗卫星，并都通过地球的南北极运行。

（×）

2.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。

（×）

3.开普勒第一定律告诉我们：

卫星的地心向径，在相等的时间内所扫过的面积相等。

（×）

4.协调世界时是综合了世界时与原子时的另一种记时方法，即秒长采用原子时的秒长，时刻采用世界时的时刻。

（√）5.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。

（√）

6.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，其大小随时间和测站位置而变化。

在GPS测量中，希望DOP越小越好。

（×）7.对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。

精度指标通常是以相临点间弦长的标准差来表示。

（√）

8.在一个观测时段要几次更换跟踪的卫星。

我们将时段中任一卫星有效观测时间符合要求的卫星，称为有效观测卫星。

（√）

9.GPS网与地面网的联测点最少应有两个。

其中一个作为GPS在地面网坐标系内的定位起算点，两个点间的方位和距离作为GPS网在地面坐标系内定向、长度的起算数据。

（√）

10.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。

（×）

11.20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。

（√）

12.计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、铷原子钟和氢原子钟三种，国际上是以铷原子钟为基准的。

（×）

13.载波相位测量法定位是利用全球定位系统进行低精度测量及导航的