《GPS原理与应用》复习与思考.docx

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《GPS原理与应用》复习与思考

1、了解美国60年代初期研制的子午卫星导航系统组成。

子午卫星导航系统（NNSS）系统组成:

①卫星星座：

由六颗独立轨道的极轨卫星组成。

（i=90°；T=107m；H=1075km）

②地面设有：

4个卫星跟踪站；1个计算中心；1个控制中心；2个注入站；海军天文台（负责卫星钟差、钟频改正）。

2、了解美国90年代初期建成全球定位系统（GPS）的系统组成。

全球定位系统（GPS）系统全称：

卫星测时测距导航/全球定位系统

系统组成:

①卫星星座：

由6个轨道，24颗卫星组成（卫星寿命7.5年）。

（i=55°；T=11h58m；H=20200km）

②地面设有：

5个监测站：

负责监测卫星的轨道数据、大气数据，经初处理后储存和传送到主控站。

1个主控站：

根据各监测站资料，推算预报各卫星的星历、钟差和大气修正参数编制导航电文；对监测站的钟差、偏轨或失效卫星实行调控和调配。

将电文、指令传送到注入站。

3个注入站：

将导航电文、控制指令注入相应的卫星。

3、了解我国的北斗一号导航系统的组成，定位精度如何。

我国双星导航定位系统（北斗一号）

系统组成:

①卫星星座：

由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。

（i=0°；T=24h恒星时；H=36000km）

②地面仅有：

一个中心站:

负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。

系统精度：

平面精度±20m;垂直精度±10m;授时20ns。

4、GPS卫星的测距码（C/A码）如何产生，有何作用？

卫星测距粗码（C/A码）：

C/A码——由两个10级反馈移位寄存器产生。

m1⊕m2=mC/A

C/A码的作用:

识别卫星、锁定信号、测量距离、解扩D码、捕获P码。

C/A码的频率：

fC/A=f0÷10=1.023MHz=1.023Mbit/s

5、掌握二进数列的模二和或者波形积的运算法则及其简单运算。

二进数列的模二和——不进位的加法运算。

①运算法则：

1⊕1=0；1⊕0=1；0⊕1=1；0⊕0=0

②运算例子：

1001110010←（A）

⊕）0100111001←（B）

1101001011←（C）

③运算规律：

（A）⊕（B）=（C）（C）⊕（A）=（B）（C）⊕（B）=（A）

二进数列波形的乘积（是二进数列对应的物理量的乘积。

）

①运算法则：

（-1）×（-1）=1；1×1=1；（-1）×1=-1；1×（-1）=-1

②结论：

二进数列的模二和与二进数列波形的乘积是等效的

③运算规律：

A（t）×B（t）=C（t）C（t）×A（t）=B（t）

C（t）×B（t）=A（t）

相同二进数列的模二和。

①算例：

1001110010②结果：

获得一个位数相同的“0”数列。

⊕）1001110010

0000000000

相同二进数列波形的乘积

①算例：

②结果：

获得一个电位恒为“+1”数列波。

6、认知和掌握两个结构相同m序列模二和后，在码相同步以及码相不同步时的自相关系数学表达的差异。

将一个m序列与其移动若干相位后的同序列模二和，得到的仍是m序列（结构相同）。

自相关函数:

当相位不同步时：

R（t）=-1/N=-1/（2n-1）

当相位同步时：

R（t）=L/L=N/N=1

7、记忆卫星轨道开普勒六根数为的名称及代号。

：

轨道半长径的平方根（m）

:

轨道偏心率

:

历元toe的轨道倾角（弧度）

:

历元toe的升交点准经度（弧度）

:

升交点角距（弧度）

:

历元toe的平近点角（弧度）

8、导航型GPS接收机可分为哪几种类型？

导航型接收机：

类型：

船载型、车载型、机载型、星载型。

特点：

一般用测距码测距，速度越高对设备要求越高。

9、测地型GPS接收机可分为哪几种类型？

测地型接收机：

类型：

单站差分型、局域差分型、广域差分型。

特点：

一般用载波信号测距，基线越长对设备要求越高。

10、了解重建载波信号的方法和原理。

载波测量原理：

1、重建载波信号：

将调制在载波信号上的测距码、数据码去掉，恢复载波信号的过程。

◆相关法：

通过码相关同步乘法装置获得载波信号和D码混合的解调信号，读解D码后可恢复载波信号。

◆平方法：

接收机将收到的调制信号在相同步的情况下自乘恢复载波信号。

2、测量相位差：

接收机将卫星载波信号与本振信号作对比求相位差（Δφ）。

Δφ=φ（tR）-φ（tS）

3、计算相伪距：

接收机根据载波信号的相位差（Δφ）计算GPS卫星到接收机伪距（D’相）。

D’相=λΔφ

4、测相伪距（D’相）经修正为近似的几何距离（D相），再根据导航电文的卫星坐标解算测点坐标。

D相=/（XS-XR）2+（YS-YR）2+（ZS-ZR）2

11、了解GPS接收机微处理器（CPU）的工作程序。

微处理器的工作程序：

◆开机自检，测定各通道时延值。

◆搜索锁定卫星信号，解译导航电文。

◆结合星历、伪码或载波观测量计算站点坐标。

◆通过站点坐标、星历计算可见卫星的方位、高度角。

◆计算导航参数（须有明确目标）。

12、用什么方法可以求解整周未知数（整周模糊度）？

整周跳变：

当卫星段暂失锁会导致整周计数部分丢失，这种现象叫做整周跳变（简称周跳）。

整周未知数（N）的确定方法：

1、已知点坐标法：

①条件：

有一个WGS-84坐标的已知点。

有6个未知数（N1~4，δtR1~2）有8个独立方程——Nn有解。

②测定：

◆将GPS定位仪在已知点上对中整平。

◆开机锁定卫星首测得：

δφ1。

◆连续观测后得：

Intφ+δφ2。

◆用

解算Nn。

◆δtR通过同一时刻卫星间求差消去

◆确定Nn后可移动GPS定位仪测未已知点。

③注意：

必须保持卫星不失锁（Intφ无周跳）。

2、多普勒法（四差法）：

①条件：

接收机可测多普勒计数。

②测定：

连续跟踪一颗卫星四个历元。

用下式在历元间对D’相求差

D’相=λ（N+Intφ+δφ）

得：

D’相n-0=λ（Intφ+δφ）n

4个双曲面可交出测点坐标（XRYRZR）

再按方法1求解:

N

③注意：

接收机钟差δtR对精度影响大。

由于N的精度不高，只作初始值使用。

也可在相邻历元间对D’相求差。

3、伪距法：

①条件：

双频接收机有伪码测距功能。

②测定：

用（5-8式）减（5-2式）可得：

N=（D’码-2Vion）/λ-Intφ-δφ（精度很低）

对卫星伪距和载波相位连测n个历元求均值。

即：

③注意：

距离λN精度应＜λ/2=9.5cm

最好用P码测量伪距。

4、经典方法：

①思路：

将N当作平差中的待定参数求解。

②法一：

将N当作整数解

◆当距离λN精度＜λ/2=9.5cm

◆将N实数解四舍五入取整。

◆或用N实数解的标准方差的置信度取整。

◆此法多用于短基线的相对定位。

③法二：

将N当作实数解

◆在长基线的相对定位中各种误差的相关性低。

◆由于λN的精度＞λ/2=9.5cm。

◆此时将N实数解取整已毫无意义。

5、快速确定整周未知数法：

◆此法在1990年由E.Frei和G.Beutler提出。

◆适用于短基线相对定位。

◆对于单频机15~20分钟可确定整周未知数。

◆对于双频机10分钟可确定整周未知数。

6、用任何方法确定整周未知数之前都应确保连续跟踪测量时Intφ没有整周跳变发生，如有则要对周跳进行修复。

13、用什么方法可以测定整周计数Intφ？

14、了解GPS接收机载波相位测定时，产生周跳原因的各种原因。

产生周跳的原因：

①卫星信号被遮挡暂时阻断。

②外界干扰或动态环境恶劣，导致环路跟踪失锁。

③对混频器产生的频差信号无法正确解读整周计数。

④由于石英振荡器频率不稳定使整周计数Intφ错误。

探测修复周跳的原理：

①卫星视向位移随时间的变化是有规律的。

②不同卫星在相同历元对于同一接收机的频率不稳定产生周跳相同——求差消除。

15、了解整周跳变探测修复的各种方法。

周跳探测修复的方法：

（1）屏幕扫描探测法:

①此法目视判断直观，早期被广泛使用。

②只能发现大周跳，无法精确修复。

（2）高次差探测法:

①此法可发现几十周的跳变。

②原理与差值含义（55~56页表）：

③可利用高次插值公式，内插修复。

④但对于1~2周的跳变无法探测修复。

（3）多项式拟合法:

①此法可修复几周的跳变。

②能实现计算机自动探测修复。

③拟合公式：

ΔIntφi=a0+a1（ti-ti-1）+a2（ti-ti-1）2+a3（ti-ti-1）3+a4（ti-ti-1）4

④计算步骤：

用i=0~5项，列方程求系数a0~4

用公式预报ΔIntφ6与实测ΔIntφ6比较

◆如无误用i=1~6，重新求系数a0~4

◆用公式预报ΔIntφ7与实测ΔIntφ7比较

◆如有误用ΔIntφ7修复实测ΔIntφ7

◆修复后用i=2~7，重新求系数a0~4.......

（4）在卫星间求差法:

①此法可探测修复1~2周的跳变（随机跳变）。

②并可甄别随机跳变或系统误差。

③计算步骤：

用不同卫星的四次差在相同历元间求差。

◆发现周跳则逐周修改原始数据重新求四次差。

◆直至四次差之差的残差很小为止。

④有随机跳变的卫星不能太多。

（5）用双频观测值修复周跳

16、了解美国GPS政策以及对付美国GPS政策的方法。

一、美国对GPS用户的限制性政策

1、对不同的GPS用户提供不同的服务方式

◆SPS服务——用公开的C/A码定位（±20~40m）。

◆PPS服务——用保密的P码定位（±2~4m）。

◆PPS服务——提供比P码功率大20dB的军用M码。

2、选择性可用政策（SA）——对（SPS）用户实施干扰

◆δ技术——将钟频信号加入高频抖动

◆ε技术——将导航电文加入人为误差

3、反电子欺骗技术（A-S）——用W码对P码实施加密：

P⊕W=Y

二、针对美国GPS政策的对策

1、建立独立的卫星导航定位系统。

2、建立独立的卫星轨道精密测量系统。

3、增加接收机的兼容性和接收通道。

4、利用差分技术提高定位精度。

17、哪些GPS测量误差可通过差分技术消除？

哪些GPS测量误差不能通过差分技术消除？

差分GPS定位原理影响定位精度主要误差组成：

1、卫星公共误差：

①卫星钟差；②星历误差。

2、传播延时误差：

③电离层误差④对流层误差⑤多路径反射。

3、接收机的误差：

⑥本机钟差；⑦通道误差。

采用差分技术可将：

①②⑥完全消除；③④部分消除。

18、比较局域差分和广域差分的定位原理和定位精度方面的差异。

局域差分的原理

广局域差分的原理

◆由多个基准站构成GPS差分网络。

◆差分数据通过网平差后提高改正参数精度。

◆将改正参数发送用户。

◆主控站对各种定位误差独立解算—用户分别修正。

◆卫星星历：

用多站解算的精密星历代替广播星历。

◆卫星钟差：

用多站解算的卫星钟差代替广播钟差。

◆大气延时：

发布网格参数,由客户内插截取后用模型修正。

19、了解位置差分的条件、原理和优缺点。

位置差分原理

①差分条件：

基准站与用户必须观测同一组卫星，故范围在100km内。

已知基准站的GWS-84精密坐标（X0，Y0，Z0）。

②差分原理：

基准站通过GPS卫星,实时（t0）测定本站坐标（X，Y，Z）。

计算坐标改正数及其时间导数:

ΔX=X0-X；d（ΔX）/dt

ΔY=Y0-Y；d（ΔY）/dt

ΔZ=Z0-Z；d（ΔZ）/dt

将改正参数发送用户（P），修正实测坐标（X’P,Y’P,Z’P）

XP=X’P+ΔX+（t-t0）d（ΔX）/dt

YP=Y’P+ΔY+（t-t0）d（ΔY）/dt式中（t）为坐标校正的最后时刻

ZP=Z’P+ΔZ+（t-t0）d（ΔZ）/dt

③位置差分优点：

计算简单，适用于各种GPS定位仪。

④位置差分缺点：

用户接收机通道越少或定位相对距离越远精度越低（＜50km为宜）。

20、了解伪距差分的条件、原理和优缺点。

伪距差分原理

①差分条件：

◆基准站与用户至少有4颗相同的观测卫星。

◆已知基准站的GWS-84精密坐标（X0，Y0，Z0）。

②差分原理：

◆基准站通过卫星（i）星历坐标（Xi，Yi，Zi），实时（t0）计算站星几何距离（Di）。

◆基准站测定卫星（i）t0时刻的伪距（D’i）：

D’i=CΔti

◆计算t0时刻的伪距改正数及其时间导数：

ΔD’i=Di-D’i；d（ΔD’i）/dt

◆将改正参数发送用户P，修正t0时实测伪距，计算即时（t）P点坐标（XP,YP,ZP）。

DPi=D’Pi+ΔD’i+（t-t0）d（ΔD’i）/dt

式中（t）为伪距校正的最后时刻

③伪距差分优点：

计算简单，适用于各种GPS定位仪，用户接收通道数与定位精度关联不大。

④伪距差分缺点：

定位相对距离越远精度越低（＜100km）。

21、了解单点定位几何精度（GDOP）的涵义。

由GPS于接收机作顶点构成的多面体的体积V决定的测量精度。

单点定位的精度因子：

平面精度（HDOP）：

高程精度（VDOP）；

空间精度（PDOP）；钟差精度（TDOP）；

几何精度（GDOP）：

由GPS卫星与接收机作顶点构成的多面体的体积V决定的测量精度。

体积V越大→GDOP值越小→定位精度越高。

接收机显示的GDOP值的范围：

2.0~6.0

22、理解GPS的绝对定位和相对定位的涵义和原理。

绝对定位含义：

用单台GPS定位仪独立测量、解算未知点坐标的过程。

绝对定位条件：

◆同时接收三颗GPS卫星信号可解算测点的二维坐标。

◆接收四颗以上GPS卫星信号可解算测点的三维坐标。

绝对定位解算

◆将定位方程（5-2，5-8）用泰勒级数展开——线性化。

◆将初解在线性化方程中反复迭代直到满足精度为止。

◆卫星数大于4颗时，要用最小二乘法求解。

相对定位含义：

在一定距离内，用两台以上GPS定位仪同时测定站星距离，通过求差的方法解算测点间基线向量的过程。

相对定位条件与优点：

◆至少知道一个已知点的三维坐标（GWS-84）。

◆通过求差的方法可以最大限度消除或削弱各种测量误差的影响，大大提高测量精度。

相对定位求差解算的作用：

①同一历元两台接收机对同一卫星Stn的距离求单差DSn1-2

◆大大削弱了对流层延时Vtrop与电离层延时Vion的影响。

◆大大削弱了卫星星历误差的影响（96/71页）。

◆消除了卫星钟差的影响。

②同一历元两个测站对不同卫星单差求差（双差）DSn-Pn。

◆消除了接收机钟差的影响。

③对不同历元的双差求差（三差）DSP2-SP1。

◆消除了各卫星的整周模糊度N。

④通过求差可以削减未知数和误差影响，同时减少观测方程的数量。

23、了解同步环、异步环、独立环、独立基线、非独立基线的涵义及其作用，如果只观测一个时段如何确定独立基线数和基线总数？

同步环3台以上接收机同步观测所得的基线闭合环。

可提高测量点的解算精度

异步环含有非同步观测基线的闭合环。

起发现粗差检测精度的作用

独立环各边均由独立观测基线构成的闭合环。

独立基线N台接收机同步观测可得N-1条独立基线。

能够确定同步观测点坐标的最少基线数

非独立基线在同步环中除了独立基线之外的基线。

可检测独立基线所计算的点坐标

GPS网特征条件的意义和选择：

①独立基线的意义：

构成解算同步观测点的最起码条件。

②独立基线的选择：

交角适中、边长均匀。

③非独立基线——与独立基线构成最少（T）个的同步环。

T=J-（N-1）=（N-1）（N-2）/2

④同步环的意义：

同步环可提高测量点的解算精度。

⑤同步环的选择：

同步环的边数越少闭合差越小精度越高。

⑥异步环的意义：

起发现粗差、检测精度的作用。

⑦异步环的选择：

异步环边数越少检测精度越高。

⑧附合路线：

与异步环有同样功用。

24、了解GPS网测量过程的各种连接方式及其特点。

星形连接

①作业条件：

有两台GPS定位仪。

②连接特点：

GPS仪一台固定，另一台跑点。

无同步基线构成任何闭合图形的，无法检测精度。

星形连接只用于低精度工程碎部测量（非GPS网）。

点连式

①作业条件：

至少有三台GPS定位仪。

②连接特点：

各时段转点只保留一台GPS定位仪不动。

无复测基线边，各同步图形以点连接，几何强度很弱。

无或少异步环（异步检测条件）可靠性差。

边连式图形

①作业条件：

至少有三台GPS定位仪。

②连接特点：

各时段转点至少保留两台GPS定位仪不动。

各同步图形以复测边连接，几何强度及异步检测条件较好。

观测工作量较点连式大。

边点混合连接式

①作业条件：

至少有三台GPS定位仪。

②连接特点：

作业方式与点连式同（效率较高）。

同步环和点、边连接皆有，以提高几何强度。

尽量创造异步检测条件提高可靠性。

网连式

①作业条件：

至少有四台GPS定位仪。

②连接特点：

各时段转点至少保留两台GPS定位仪不动。

各同步图形均以复测边连接，适用于高精度控制测量。

观测工作量较点连式大比混连式小。

三角锁连接

①作业条件：

至少有三台GPS定位仪。

②连接特点：

作业方式与混连式同，适用狭长区域。

同步环点、边连接皆有，以提高几何强度。

25、简述子午卫星导航定位原理。

子午卫星导航系统（NNSS）定位原理：

在已知子午卫星空间坐标前提下，利用一颗卫星信号的多普勒效应，测定该卫星四个时段相对观察者的视向位移，通过布列四个双曲线方程求解出测站坐标。

26、简述GPS卫星导航定位原理。

卫星测时测距导航/全球定位系统（GPS）定位原理:

GPS接收机利用码分多址技术与码相关锁相放大技术,同时对4颗以上的卫星进行伪距测定,再通过修正后的站星几何距离解算站位坐标。

27、简述我国双星卫星（北斗1号）导航系统定位原理。

我国双星导航定位系统（北斗一号）定位原理：

地面中心站通过2颗静止卫星传送测距信号，根据用户应答信号的时差计算星户距及用户坐标，求出用户坐标再用地面数字高程模型读出用户高程再让卫星转告用户。

28、试述我国自主知识产权《北斗导航定位系统》的发展阶段。

第一阶段：

2003年建成两颗静止卫星的局域有源定位系统；

第二阶段：

2012年建成亚太地区的局域无源定位系统；

第三阶段；2020年建成覆盖全球无源定位系统，并兼有短报文服务；其开放服务和授权服务的精度都比目前GPS系统高。

29、试述GPS测量控制网的设计原则与与要求GPS网设计的原则与要求：

①通视原则：

GPS网点至少要有一个方向通视。

②开阔原则：

网点地平15°以上的天区不能有遮挡。

③便利原则：

测站应选在交通便利、上点方便且站标易于保存的地方。

④防止干扰：

在测站200米范围内不能有强电磁波干扰源（包括高压电线）。

⑤防止反射：

测站应远离对电磁波反射强烈的高层建筑、成片水体等地物。

⑥利用旧站标原则：

不违反上述原则前提下尽量利用旧站标。

⑦异步环检测原则：

为了检验观测精度的可靠，异步环或附合线路的边数不能超过国家规定。

⑧复测原则：

各网点至少独立观测两个时段，增加复测基线。

要求

1防止干扰在测点200m范围内不能有强电磁波干扰源包括高压电线

2防止反射测点应远离对电磁波反射强烈的高压建筑成片水体等地物。

30、试述GPS在航空遥感中的应用。

一、各历元机载GPS天线相位中心的确定：

◆机载天线相位中心是通过GPS动态差分（RTK）技术确定的。

◆地面基准站与遥感飞机通过无线电链接差分信号。

◆遥感飞机利用整周模糊度航测解算OTF软件，解决了传统动态测量的长时间静态初始化问题。

◆可以快速读出飞行状态各历元机载GPS天线相位中心。

二、曝光时刻机载GPS天线相位中心的内插：

◆由于曝光时刻与确定机载GPS天线相位中心的时刻不重合，故曝光时刻的天线相位中心必须内插获得。

◆遥感曝光瞬间通过TTL电平脉冲在GPS数据流中打上标记。

◆如果计时精度±2μs航速200m/s，内插精度可达0.4mm。

三、将内插的WGS-84坐标转换为国家地理坐标系：

◆首先地面基准站GPS天线相位中心要有明确的双重坐标系。

◆其次航拍时附近地面还要有另一个具有双重坐标的联测点。

◆这样航拍曝光的内插相位中心，就可以通过有约束平差实现成果转换获得——国家地理坐标系。

31、试述RTK的工作原理及其在地籍房产中的应用。

一、实时动态差分RTK技术的工作原理：

◆基准站（已知点）将GPS差分数据，利用无线电通信链实时转达GPS流动站，实施定位差分修正以提高测量精度。

◆当流动站捕获4颗以上卫星并确定整周模糊度后，流动站可以厘米级精度快速测定动点坐标。

二、RTK技术在地籍和房地产测量中的应用：

◆可以简易快捷地确定每宗房地产土地易权归属地的边界测定和面积量算（国外根据土地使用性质和面积纳土地税）。

◆可以简易快捷地实现土地易权归属地——从图纸到实地的边界放样。

◆RTK技术能保证精度的前提下，省时省工实现土地动态监测管理，保证了土地利用状况调查的快速精准。

32、试述测量韶大E级大地测量工程网外业和内业的工作过程。

33、试举例说明GPS在海洋测绘中的应用。

一、利用GPS进行高精度海洋定位：

◆利用岸基多个基准站进行海洋物探定位和钻井平台定位。

◆用两艘具有高精度GPS定位的物探船只对人工地震波接收的时间差，可以推断海底地质构造达到找油找矿的目的。

◆在钻井平台四角装上高精度GPS定位仪，通过解算岸基的差分信号可以获得平台的平移、倾斜、旋转等精确状态数据。

二、中国沿海RBN/DGPS系统：

◆该系统的全称为“中国沿海无线电指向标差分GPS（RBN/DGPS）系统1997年布控完毕。

◆从南到北由20个基准站组成，主要为我国沿海口岸、重要水域、狭窄水道提供精准的差分定位导航服务。

◆已在导航定位、海图测量、港口航道测量、岸线地形修测、航标定位、近海工程、近海抢险和紧急救援等发挥作用。

三、GPS技术用于建立海洋大地控制网

◆海洋大地控制网——是由布控在岛屿、暗礁和海底的大地控制点组成的，海底控制点由固定标志和水声应答器构成。

◆海底控制点的测量——测量船通过声纳对海底控制点定位的瞬间，测量船的精确位置可以通过岸基差分GPS确定。

◆1994年我国在西沙南沙的岛屿和暗礁布设了GPS控制网，平均边长相对中误差为1/387万；点位中误差为±13cm。

◆海洋大地控制网已在海底地形测绘、海洋资源开发、海洋工程建设、海底运动监测、船舶导航等方面发挥重要作用。

34、试举例说明GPS在交通系统中的应用。

一、车辆自主导航定位系统：

◆车载导航是通过GPS动态伪码测距定位（精度10m左右），然后可将汽车运动的方向矢展示在电子地图上。

◆GPS车载导航应具有的基本功能包括：

GPS卫星导航定位、电子地图浏览查询、智能的路线规划、全程的语音提示。

◆车载导航系统是有车一