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1、GPS原理及其应用习题集a答案GPS原理及其应用习题集a答案子午卫星系统的缺点该系统卫星数目少，运行高度低，从地面站观测到卫星的时间间隔长，因而不能进行三维连续导航。加之获得一次导航所需要的时间较长，所以难以充分满足军事导航的要求，从大地测量的角度来看，由于它的定位速度慢，精度较低，因此，该系统在大地测量学和动力学研究方面受到了极大限制。GPS的基本组成卫星星座，地面控制与监控站，用户设备3个部分什么是标准定位服务？提供C/A码（又称粗码）民用定位服务信号接收机主要组成主要由接收机硬件、数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成（硬件包括主机、天线、电源。软件部分主要是对数据处理的软件）子午卫星

2、系统与定位原理有何区别？子午卫星系统是根据多普勒效应原理进行接收定位的，而定位则是以后方交汇原理进行测量。名词解释：天球：是指以地球质心为中心、以无穷大为半径的一个假象球体。赤经：含天轴和春分点的天球子午面与过空间点的天球子午面之间的夹角。赤纬：为原点至空间点与天球赤道面之间的夹角。黄道：地球绕太阳公转的轨道面与天球相交的平面称为黄道面，相交的大圆称为黄道。春分点：黄道与天球赤道有两个交点，其中太阳的视位置由南向北通过赤道的交点为春分点。岁差：地球在太阳、月亮的万有引力和其他天体引力对地球隆起的部分的作用，地球自转轴方向不再保持不变，这使得春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，这种现象称为岁差。章

3、动：由于月球轨道和月地距离不断变化,地球自转轴所产生的一系列短周期变化被统称为章动极移：由于地球内部质量不均匀的影响，地球自转轴相对于地球体位置随时间而变化的现象世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。原子时：原子时秒长：位于海平面上的C133原子基态有2个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒。而原子时的原点由式AT=UT2-0.0039（）来确定，UT2为经过改正的世界时。协调世界时：一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折中的时间系统。儒略日：是从公元前4713年儒略历1月1日格林尼治平正午起算的连续天数。简述协议地球坐标系

4、的定义地球坐标系是以地球质心为坐标原点，其Z轴指向地球北极，某轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点，轴垂直于平面构成的右手坐标系。以协议地极为基准点的地球坐标系，称为协议地球坐标系。赤纬与大地纬度有何区别赤纬为原点至空间点的连线与天球赤道面之间的夹角大地纬度为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角赤经与大地经度有何区别赤经为含天轴和春分点的天球子午面与过空间点的天球子午面之间的夹角大地经度为过地面点的椭球子午面与格林尼治平子午面之间的夹角。什么是参心坐标系先定义一个参考椭球，即选取一个参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点，并利用大地原点的天文观测量确定参考椭球在地球内部的位

5、置和方位。这种原点位于地球质心附近的坐标系，称为地球参心坐标系，简称参心坐标。什么是GPS定位测量采用的时间系统？它与协调世界时UTC有什么区别？GPS定位中，采用专门为GPS建立的时间系统，该系统可简写为GPST，由GPS主控站的原子钟控制。规定GPST与协调世界时的时刻于1980年1月6日0时相一致，其后随时间的积累，两者之间的差别将表现为秒的整数倍。简述卫星大地测量的发展历史，并指出其各个发展阶段的特点。试说明全球定位系统的组成。卫星大地测量最初阶段人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面上的2个测站对卫星瞬间位置进行同步摄影观测，形成三角网，从而确定地面点位置，此方法称为卫星三角测

6、量。其特点是虽能实施大陆与海岛的联测定位，但难以实现远距离联测定位问题，定位精度不高。更高级的阶段是子午卫星系统的问世，它的问世是对导航定位技术的发展具有划时代的意义，其原理是多普勒效应原理。但仍还有很大的局限性，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制。随后的就是现在的GPS系统。GPS系统包括卫星星座，地面控制与监控站，用户设备3个部分。世是测绘技术发展史上的一场革命？1、测站间无需通视。2、定位精度高。3、观测时间短。4、提供三维坐标。5、仪器轻便、自动化程度高。6、全天候作业。因此，GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。简述、与三种卫星导航定位系统工作卫星的

7、主要参数。GPS卫星颗数21+3，轨道倾角55，平均高度20223KM，运行周期11h58min，GLON21+3651910011h15minNAVS12+663.452022811h58min简述（历元）平天球坐标系、（观测）平天球坐标系以及瞬时极（真）天球坐标系之间差别。（历元）平天球坐标系是以某时刻作为标准历元，或交协议天球坐标系。（观测）平天球坐标系是观测时刻的天球坐标系，（观测）平天球坐标系转换成（历元）平天球坐标系需要岁差旋转。而瞬时极（真）天球坐标系与（观测）平天球坐标系之间的区别是前者是后者章动旋转转换而来。怎样进行岁差旋转与章动旋转？它们有什么作用？由于卫星和地面点分别属于

8、不同的坐标系，要实现GPS卫星定位的目的，必须将卫星的天球坐标系统转化为地球坐标系。而如何旋转则是通过两个旋转矩阵，一个是章动旋转矩阵，一个是岁差旋转矩阵。只有通过岁差、章动旋转才能将协议天球坐标系转换成瞬时天球坐标系，这样才能转换成地球坐标系。为什么要进行极移旋转？怎么进行极移旋转？想要将天球坐标系转换成地球坐标系必须进行章动旋转、岁差旋转、极移旋转。这样才能确定地Yp某球表面的位置。首先进行某轴上的旋转，使某轴与协议地球坐em标的某轴旋转，再进行Z轴上的旋转使Z轴重合，再进行某轴旋转，使三个坐标轴重合，图中的就使三个旋转矩阵。试写出大地坐标到地心空间直角坐标系的转换过程。大地坐标与空间直角

9、坐标系它们的原点位置与坐标轴的指向一般都不相同。存在一个旋转矩阵，R（w）=R3（wz）R2(wy)R1(w某),这些旋转矩阵分别是Z轴，Y轴，某轴上的旋转矩阵。而旋转循序则按它们的下标顺序旋转。综述由（历元）平天球坐标系到协议地球坐标系的转换过程。某YZ某R(某)R(Yp)YZet简述恒星时、真太阳时与平太阳时的定义。恒星时是以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间。以真太阳为参考建立起来的时间系统称为真太阳时。一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年运动，以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统为平太阳时系统。在GPS定位测量，具有重要意义的时间系统主

10、要有哪三种？恒星时、原子时和力学时。试描述GPS卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。第一定律：卫星运动的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心重合。第二定律：卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心见的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。第三定律：卫星运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常量等于地球引力的常数GM的倒数。试画图并用文字说明开普勒轨道6参数。a：椭圆轨道的长半径e：椭圆轨道的偏心率i：椭圆轨道平面的倾角（轨道平面与地球赤道面的夹角）：升交点的赤经，即在地球赤道平面上，升交点与春分点之间的家教。：椭圆轨道近地点角距,即在轨道平面，升交点与近地点之间的地心

11、夹角。f：卫星的真近点角(与时间T有关)，卫星与近地点之间的地心角距。简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力。1、地球体的非球形及质量分布不均匀而引起的作用力，即地球的非中心引力。2、太阳的引力和月球引力。3、太阳的直接与间接辐射压力。4、地球潮汐的作用力。5、磁力等地球引力场摄动力对卫星的轨道运动有什么影响？1、引起轨道平面在空间的旋转，这一影响，使升交点沿地球赤道产生缓慢的推动，进而使升交点的赤经，产生周期性的变化。2、引起近地点在轨道面内旋转。引起卫星轨道近地点角距的缓慢变化。3、引起平近点角的变化。日、月引力对卫星的轨道运动有什么影响？由于日月引力加速度引起的卫星轨道摄动，主要是长

12、周期的。对GPS卫星产生的摄动加速度约为0.000005，将可能使GPS卫星在3h的弧段上产生50150m的位置偏差。简述太阳光压产生的摄动力加速度，并说明它对卫星轨道运动有何影响？太阳辐射压对球星GPS卫星所产生的摄动加速度，既与卫星、太阳和地球之间的相对位置有关，也与卫星表面的反射特性、卫星的截面积和质量比有关。太阳光压对GPS卫星产生的摄动加速度约为10的7次方的量级，将使卫星轨道在3h的弧段上产生510m的偏差。综述考虑摄动力影响的GPS卫星轨道参数。地球引力场摄动力影响的有升交点的赤经，近地点的角距，平近点角的变化。由于日月引力加速度引起的卫星轨道摄动，主要是长周期的。对GPS卫星产

13、生的摄动加速度约为0.000005，将可能使GPS卫星在3h的弧段上产生50150m的位置偏差。太阳光压对GPS卫星产生的摄动加速度约为10的7次方的量级，将使卫星轨道在3h的弧段上产生510m的偏差。其他的摄动力的影响不明显，或者是以上摄动力的间接影响。试写出计算GPS卫星瞬时位置的步骤1、计算卫星运行的平均角速度2、计算t时刻卫星的平近点角3、计算偏近点角4、计算真近点角5、计算升交距角6、计算卫星向径7、计算摄动改正项8、计算卫星在轨道平面坐标系中的位置9、计算在地球坐标系中卫星的位置码：表达不同信息的二进制数及其组合。码元：码的度量单位，一位二进制数称1码元或1比特。数码率：二进制数字

14、化信息的传输中，每秒传输的比特数，单位为BPS(bit/).。自相关系数：表示的是两个时间序列之间和同一个时间序列在任意两个不同时刻的取值之间的相关程度信号调制：为了减少在传输时的耗损，人们一般是先对传输信号进行特殊处理，然后再传递。把原始的待传信号托附到高频振荡的过程称为调制如p码与C码与载波的调制。信号解调：是信号调制的反过程，是将原始信号与高频震荡分离的过程。遥测字：每一子帧的第1个字，用作捕获导航电文的前导。交接字：每一子帧的第2个字，主要内容：捕获P码的Z计数（从每周开始子夜零时起算的时间计数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时，为实用方便一般为发播的子帧数1子帧/6）。数据龄期：最近一

15、次更新星历数据的时间。时延差改正：信号在卫星内部的时延。传输参数：它表示向非特许用户指明，当用该GPS卫星作为导航定位测量时，可能达到的测量精度。试说明什么是伪随机噪声吗？什么是随机噪声吗？为随机噪声吗：具有随机序列特性的非随机序列为伪随机序列。不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性，而且具有确定的编码规则，周期性的且易复制。随机噪声吗：码元幅度的取值完全无规律的码序列，也称随机码序列。C/A码和码是怎么产生的？C/A码：2个10级反馈移位寄存器相组合产生，码长Nu=1010-1=1023。P码：2组各有2个12级反馈移位寄存器构成，码长Nu=2.35某1014（的此方）。试述C/A码和码的特

16、点。C/A码的码元宽度较大，测距误差2.9米（码宽293.1米），测量精度低，属于标准定位服务。（民用）P码的码元宽度较小，测距误差0.29米（码宽29.3米），测量精度高，属于军用定位服务。试述伪随机噪声码测距原理。预先复制一份伪随机噪声码，再与接收机接收的伪随机噪声吗进行比对，记录开始比对时间，当达到自相关系数最高时记录时间，这时间差就是信号的传播时间。这个时间乘以光速就是距离。什么是导航电文？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（D码）作用：向用户播发卫星星历、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息试述导

17、航电文的组成格式。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。播送速度为50b/，所以播送1帧电文的时间需要30秒，每帧电文含有5子帧，而每子帧分别含有10字码，每字码占30bit,其持续播送的时间为6，为了记载多大25颗卫星的星历，子帧4、5各含25页。子帧1、2、3与子帧4、5的每一页均构成1个主帧，在每一主帧的帧与帧之间，子帧1、2、3的内容每小时更新1次，而子帧4、5的内容仅在给卫星注入新的导航数据后才更新。简述导航电文数据块II的主要内容。第二数据块是由第二子帧与第三子帧构成，表示GPS卫星的星历。它的内容有3类参数来描述GPS卫星的运行及其轨道。第一类：开普勒六参数。第二类

18、：轨道摄动九参数。第三类：时间二参数1、从星期日子夜0点开始度量的星历参考时刻；2、星历表的数据龄期。什么是预报星历？什么是广播星历？所谓预报星历就是卫星GPS将含有轨道信息的导航电文发送给用户接收机，然后经过解码获得的卫星星历。所以也叫广播星历。预报星历通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数以及必要的轨道的摄动改正参数。试通过图表说明GPS卫星是怎样构成的？包括载波（Carrier）、测距码（Code）和卫星（导航）电文（Meage）载波：L1，L2测距码：C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）数据码：卫星（导航）电文试写出调制后的GPS信号的表达式。SL1

19、i(t)=ApPi(t)Di(t)co(1t+1i)+AcGi(t)in(1t+1i)SL2i(t)=BpPi(t)co(2t+2i)其中Ap，Ac，Bp分别为19cm载波L1和24cm的载波L2的振幅;Pi(t),Di(t),Gi(t)分别为第i颗GPS卫星的P码，C/A码和D码；1，2分别是L1和L2的角频率，1i，2i，分别是第i颗GPS卫星的L1载波和L2载波的出项。绘图说明载波与测距码信号调制的原理。试述GPS接受机的硬件和软件GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源，是用户设备的核心部分，主要功能是接受GPS卫星信号。GPS软件部分也是构成现代GPS测量系统的重要组成部分之一，

20、它包括内软件和外软件两部分。内软件是指控制接收机信号通道，按时序对卫星信号进行量测以及内务或固化在中央处理器中的自动操作软件。外软件主要是指观测数据后处理的软件。GPS接收机的分类。根据GPS用户的不同要求，按用途分，一般可分为导航型、测量型、和授时型。按接收机的载波频率分类：单频接收机，双频接收机。按接收机通道类型分类：多通道接收机，序贯通道接收机，多路多用通道接收机。绝对定位：是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS84坐标系中的绝对位置。相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。静态定位：是指将接收机安置在固定不动的特定点上观测数分钟或更长时间以确定该点

21、的三维坐标。动态定位：是指至少有1台接收机处于运动状态，确定各观测时刻运动中的接收机的绝对位置。静态绝对定位：当接收机天线处于静止状态确定观测站绝对坐标的方法。静态相对定位：用2台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线2个端点在协议地球坐标系中的相对位置。整周未知数：由于载波信号是一种周期性的正弦信号，而相对测量只能测定其不足1周的小数部分，因而存在整周不确定问题，这个未知数就是整周未知数。整周跳变（周跳）：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对观测值仍是正确的。这种现象为周跳。GPS动态定位：是利用GPS信号测定相对于

22、地球运动用户的状态参数，这些参数包括三维坐标，运动参数和时间7参数。导航：是测定运动载体的状态参数，并导引运动载体准确的运动到预定的后续位置。参考站：参考站是由GPS接收机与天线构成，他们以稳定的方式设置在一个电力稳定的安全地方，接收机不间断运行，记录原始数据，也许还要连续输出原始数据流，提供给RTK的接收机，如果需要参考站接受机还与计算机连接，经过处理后的数据发送给GPS用户使用。差分动态定位：是使用两台接收机分别置于两个测站上，其中一个测站是已知的基准点，称为基准接收机；另一台安设于运动载体上，称为动态接收机。两台接收机同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。基准接收机所测得的三维位置与

23、该点已知值进行比较，可以获得GPS定位数据的改正值，据此来改正动态接收机所测得的实时位置。此时多项误差得到抵消，可以得到更为精确的动态用户位置。RTK：是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算进行数据处理，在12秒的时间里得到高精度位置信息的技术WAAS：利用地球同步卫星，采用L1频段转发差分GPS修改信号，同时发射调制在L1频段上的C/A码伪距的思想，称之为广域增强GPS系统。观测量的组成及精度原始观测量：1、测码伪距观测值：C/A码，码元宽293m，精度2.9mP码，码元宽29.3m，精度0.29m2、测相伪距观测值：L1载波，波长19cm，精度0.19c

24、mL2载波，波长24cm，精度0.24cm说明完整的载波相位观测值都有哪些部分？1、卫星发射的载波信号相位。2、接收机所复制的载波相位3、信号发送时刻的GPS时4、信号接收时的GPS时试写出伪距测量的表达式（顾及大气折射影响），并说明各项符号的意义？GPS采用单程测距原理，要准确地测定站星之间的距离，必须使卫星钟与用户接收机钟保持严格同步，同时考虑大气层对卫星信号的影响。但是，实践中由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延误差，导致实际测出的伪距与卫星到接收机的几何距离有一定差值。二者之间存在的关系可用下式表示：ijtijtctitctjtji,Igtji,Tt（3-3

25、）式中：ijt观测历元t的测码伪距；ijt观测历元t的站星几何距离，tcctiGPStjGPS；tit观测历元t的接收机（Ti）钟时间相对于GPS标准时的钟差，titiGPSti；tjt观测历元t的卫星（Sj）钟时间相对于GPS标准时的钟差，tjtjGPStj；i,It观测历元t的电离层延迟；gji,Tt观测历元t的对流层延迟。设在某测站上的单点定位，静态观测了一个小时，若历元间隔为15秒，问可组成多少伪距观测方程？列出其中一个？按每15采集一组野外观测数据计算，一台接收机连续观测1h将有120组数据，可以组成120个观测方程，其中一个方程组为：j21222324某某YYZZct222222某

26、某YYZZct323232某某YYZZct424242某某YYZZct121212试写出TDOP，PDOP，GDOP，VDOP，的定义？是时钟精度因子，钟差的确定精度直接关系到定位的精度。是三维几何精度因子，单点定位的精度取决于观测量的精度与几何精度因子。：几何精度因子，卫星的空间位置对精度的影响。：平面位置精度因子，定位点在平面位置对精度的影响。：高程精度因子，定位点在垂位置对精度的影响。简单论述卫星空间几何分布对三维定位精度的影响？在相同的观测精度下，几何精度因子越小，定位精度越高，反之则越低。卫星高度角不能过低（削弱大气折射），尽量使卫星与测站构成的6面体体积最大。如何由载波相位观测方程

27、转化为测码伪距观测方程？可以将上式表示为载波相位实际观测量ijt的形式：ijtfj1j1jitf1ittitit1ccc（3-30）fftjtNijt0ij,Itij,Ttpcf，则可由上式得到测相伪距观测方程：式（3-30）即为载波相位的观测方程。考虑到关系式cijtc1ijttitijtijt1ctjtNijt0ij,I式中含有1c1c（3-31）tij,Ttp1jit的项对伪距的影响为米级。在相对定位中，如果基线较短（20km以内），cfjfitftittjtNijt0ij,Itij,Tt（3-32）pcc则有关的项可以忽略，则（3-30）和（3-31）式可简化为：ijtijtijtct

28、ittjtNijt0ij,Itij,Tt（3-33）p在不影响理解GPS定位原理的情况下，我们常采用上述（3-32）和（3-33）式的测相伪距方程的简化形式。而当测量基线较长时，可在（3-30）和（3-31）的基础上扩展出更为严密的形式。若将（3-7）式代入（3-33）式，则可得测相伪距方程的线性化形式：某ijjjyNjtijtijtltmtntiiii00i（3-34）zictittjtij,Itij,Ttp试写出单差、双差、三差观测方程？并说明它们各自有哪些特点？jt；单差观测方程：jt2jt1jtcttNjjItTkt1kt2jt1jtNj；双差观测方程：kt2三差观测方程：kt21kt

29、22jt21jt2jt2t1t1t1t1k2k1j2j1单差可以消除了卫星钟误差的影响，大大消弱了卫星星历误差的影响，大大消弱了对流层折射和电离层的影响，在短时间内几乎可以完全消除其影响。双差为两站间的差分，可以消除接收机的钟差。三差，即于不同历元同步观测同一组卫星所得双差观测测量之差。三差模型可以消除整周未知数。试写出当基线长度小于时载波相位观测方程的表达式，并说明其中各某ijjjyNjtijtijtltmtntiiii00i符号的意义。zictittjtij,I整周未知数Nijti，页tij,Ttp试述整周未知数的确定方法？并说明各种方法的含义？确定整周未知数方法很多，常用的方法有伪距法、

30、待定法、快速确定整周未知数法。伪距法：是进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值后即可得到。待定参数法：、整数解：整周未知数从理论上讲应该是一个整数，利用这一特性能提高解的精度。短基线定位时一般采用这种方法。、实解法：当基线过长时，将整周未知数固定为某一整数往往无实际意义，因此将实数作为最后解。多普勒法：由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消除了。快速确定整周未知数：以统计理论为基础，在某一估算值的解空间内搜索一组方差和为最小的依然是整周数解集。试总结应用载波相位观测的高次差分析周跳的

31、方法？若在相邻的个观测值间依次求差而求得观测值一次差则这些一次差的变化小的多。在一次差的基础上求二次差、三次差、四次差、五次差时，其变化就更小。此时，就能发现有周跳现象的时段。如果在两个测站上同步观测颗卫星，共观测个历元，试分析计算可组成多少单差、双差和三差观测方程？他们有多少未知数？单差的观测方程有个，未知数有个。双差的观测方程有个，未知数有个。三差的观测方程有个，未知数有个。简述动态定位的特点？动态定位的特点是测定一个动点的实时位置，多余观测量少，定位精度低。动态定位和静态定位相比较，有哪些显著特点？(1)用户的广泛性；(2)定位的实时性；(3)速度的多异性常用的差分法有哪三种？其中哪一种在实践中应用甚广？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。其中双差是大多数GPS基线向量处理软件中必选的方法，在实践中应用甚广。试写出动态定位的几种方法？可以利用测码伪距单点绝对定位，相对定位。是述相对定位时载波相位原始观测量的线性组合的形式。假设安置在基线端点的GPS接收机Ti（i