中国石油大学华东GPS复习总结附考题.docx

1、中国石油大学华东GPS复习总结附考题第一章 绪论1.GPS组成的三大部分以及各部分的作用GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为给类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS卫星星座（空间部分） 地面监控系统（地面控制部分：一个主控站、三个注入站、五个监测站） GPS信号接收机（用户设备部分） GPS卫星的作用用L波段的两个无线载波（19cm和24cm波长）向广大用户连续不断地发送导航定位信号。在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电

2、路，适时地发送给广大用户。接收地面主控站处理得到的通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。 地面监控系统作用：提供GPS卫星所播发的星历； 监测和控制GPS卫星上各种设备的正常工作，以及卫星沿预定轨道运行； 保持各颗GPS卫星处于同一时间标准GPS时间系统。 接收机作用 捕获、接收、跟踪卫星信号，并对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。2.GPS、伽利略、GlONASS、北斗各有什么特点？GPS系统的特点: （信号模式：码分多址）

3、24颗6轨倾角55（1）定位精度高 （2）观测时间短 （3）测站间无需通视 （4）可提供三维坐标 （5）操作简便 （6）全天候作业 （7）功能多，应用广 GLONASS：（信号模式：频分多址）24颗3轨倾角64.8与GPS类似，GLONASS系统由空间卫星星座，地面控制系统和用户设备三大部分组成。优点：可供国防和民间使用，且不带任何限制，也不计划对用户收费。缺点：由于经济不景气，经费紧张，目前在轨卫星数目较少，不足以精密定位。伽利略系统：由空间星座部分（27+3颗卫星3轨）、地面监控与服务部分、用户部分组成。特点：星座设计更加合理，可视卫星更多，对导航定位精度的影响更小。 更多的载波频率和测距

4、信号； 向用户提供完好性信息 提供SAR搜救服务 ;提供与外部增值服务的接口 Galileo系统独立于GPS，但将与GPS/GLONASS系统兼容和相互操作等。北斗导航定位系统 采用双星进行有源定位，可以全天候提供区域导航、定位、授时和通信等功能的卫星定位系统空间部分：由3颗地球静止轨道卫星（其中一颗在轨备用）组成；地面中心站：地面应用系统和测控系统；用户部分：即车辆、船舶、飞机以及各军兵种低动态及静态导航定位的用户接收机。3.北斗和GPS系统的区别：北斗卫星定位系统的原理与GPS相同，但是又从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO

5、卫星和MEO卫星组成。 5颗相隔60的地球静止轨道卫星 3颗倾斜地球同步轨道卫星 ( IGSO星 ) 24颗分布在3个轨道面内倾角为 55的中高度圆轨道卫星(MEO卫星) 。GPS设计星座：21颗工作卫星+3颗在轨备用卫星，分别在6个轨道平面，当前星座：28颗系统比较 北斗双星导航定位系统为主动式测距（接收卫星信号，且发射应答信号）隐蔽性差；且用户不能自己处理观测数据获得接收机的导航定位解，需要依靠地面中心站来计算，用户的三维位置由地面中心站计算出后，经卫星广播信号发给用户。 GPS、GLONASS等定位系统为被动式测距（只接收卫星信号，而不发射任何信号），隐蔽性好；用户可自行处理观测数据，进

6、行导航或定位。 4.应用双定位系统（GPS+GLONASS）的优越性：（1）增加接收卫星数。一般可接收到得卫星数可达14-20颗（2）提高效率。由于卫星数的增加，求解整周模糊度的时间缩短，减少了野外观测时间。（3）提高定位的可靠性和精度。 5.简述GPS的应用： （1）GPS在道路工程中的应用：GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实

7、践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。 （2）GPS在个人定位中的应用 国内首款语音彩信GPS定位器-昱读全资科技语音彩信GPS定位器为列，它内置全国的地图数据，无需后 台支持，结合了GPS全球定位系统、GSM通信技术、嵌入式语音播报技术、GIS技术、GIS搜索引擎、图像

8、处理技术和图像传输技术，直接回复终端中文地址、彩信、或语音播报地理位置（3）GPS在汽车导航和交通管理中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新 GPS应用型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。(4)GPS在长途客运车辆管理中的应用（举例）以国内首套专业的GPS长途客运车辆管理系统它就是结合了卫星定

9、位技术、GPRS/CDMA通讯业务、GIS技术、图像采集技术、计算机网络和数据库等技术，在客运公司建立一个总控（C/S结构和B/S结构相结合），其它设为分控，公安部门和运管部门等各部门建立专控的中心系统，系统由控制中心系统、无线通信平台（GPRS/CDMA）、全球卫星定位系统（GPS）、车载设备四部分组成一个全天候、全范围的驾驶员管理和车辆跟踪的综合平台；系统可对注册车辆实施动态跟踪、监控、拍照、行车记录、管理、数据分析等功能，监控车辆可以在电子地图上显示出来，并保存车辆运行轨迹数据；操作终端可任意选择服务器内部局域网或国际互联网对中心进行访问并可通过IE浏览器提供网上综合客车管理数据分析控制

10、系统（B/S结构）；(5)GPS在汽车跟踪器中的应用GPS利用全球导航系统，可以通过接收卫星信号来适时确定地面位置。现代科技通过GSM无线网络，将GPS确定的地面位置传递到一些专业的定位平台，并在平台上标注出当前位置。用户可以用此方法很方便的得到目标的位置。 GPS在汽车跟踪器中的应用，已经应用到了生活的方方面面，在警用调查中，GPS汽车跟踪器是决对不可缺少的一部分，警察将GPS定位器放到犯罪分子的行动工具上后，可以在警用监控中心很方便的看到犯罪分子所有的区域和行动路线，达到及时发现犯罪窝点，解决治安隐患。 GPS在汽车跟踪中，平台是必不可少的，目前在国内有很多这样的平台，里面内置有各种最新的

11、电子地图和GOOGLE卫星图片。时时的标注GPS汽车跟踪器上传的位置信息，让用户一目了然的了解目标的位置。第二章 坐标系统与时间系统坐标系统概述天球坐标系空固系，与地球自转无关，用于描述卫星的运行位置和状态。 地球坐标系地固系，随同地球自转，点位坐标不会随地球自转而变化。用于表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据。 轨道坐标系用于研究卫星在其运行轨道上的运动。2. 岁差: 地轴相对于空间的变化章动: 地轴方向相对于空间的变化极移: 地轴相对于地球本身相对位置变化,只影响地球坐标系.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。3.坐标系统实际确定(1). 瞬时坐标

12、系统瞬时坐标系是以历元t的瞬时基准定义的。特点是变化大，不唯一。(2).平坐标系统平坐标系通常是指经过对瞬时坐标系进行一定改正后的某历元t的瞬时基准定义的。特点是有变化规律，不唯一。(3).协议坐标系统约定的某瞬间坐标系统。特点是唯一。4. 常用天球坐标系(1). 时角赤道坐标系(2). 赤经赤道坐标系(3). 天球地平坐标系(4). 空间直角坐标系: x轴指向春分点，z轴指向北天极9. 常用地球坐标系1. 54北京坐标系2. 80西安坐标系3. 2000国家坐标系4. WGS-84坐标系5. PZ-90坐标系5. 瞬时天球坐标系：以瞬时北天极和瞬时春分点为基准点建立的天球坐标系。平天球坐标系

13、：选择某一历元时刻t，将此瞬间的地球自转轴和春分点方向，经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作为z轴和x轴的指向，y轴按构成右手坐标系取向，坐标系原点仍取地球质心。协议天球坐标系：从1984年1月1日起采用以J2000.0 (2000年1月15日)的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐标系。平极天球坐标系和瞬时天球坐标系坐标转换：通过岁差和章动旋转变换来实现。瞬时极天球坐标系和协议天球坐标系坐标转换：只需将瞬时极天球坐标系和平天球坐标系坐标转换中的观测历元t改为协议坐标系历元（2000年1月15日0时0分0秒）。 6.瞬时极地球坐标系和协议地球坐标系是如何建立的？1、瞬时极地球坐标系 原点位于地球质

14、心；z轴指向瞬时地球自转轴方向；x轴指向瞬时赤道面和瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点；y轴构成右手坐标系取向。2、协议地球坐标系平地球坐标系原点位于地球质心；z轴指向CIO：1900.001905.00年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极；x轴指向协议地球赤道面和包含CIO与平均天文台赤道参考点的子午面之交点；y轴构成右手坐标系取向。7.常用的地球坐标系的几种形式：1、地心空间直角坐标系 坐标原点位于地球质心M； Z轴指向地球北极； X轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E； Y轴垂直于xMz平面，与x轴和z轴构成右手坐标系统。2、地心大地坐标系 B大地纬度 L大

15、地经度 H大地高 3、站心（左手）地平直角坐标系P1-xyz测站P1为原点； 线为z轴（指向天顶为正）； 子午线方向为x轴（向北为正）；y轴与x、z轴垂直（向东为正）并构成左手坐标系。 4、站心地平极坐标系P1rAh 以测站P1为原点 用测站P1至卫星s的距离r 卫星的方位角A 卫星的高度角h站心（左手）地平直角坐标系与地心空间直角坐标系之间的转换 站心地平直角坐标系，通过旋转变换转换为站心赤道直角坐标系（测站为原点，且与地心空间直角坐标系的坐标值相平行的直角坐标系），再通过平移变换转换为地心空间直角坐标系。8. 天球坐标系与地球坐标系之间的坐标转换 1. 瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的

16、坐标转换 二者只是x轴的指向不同，故只存在简单的旋转关系。2. 协议天球坐标系与协议地球坐标系的坐标转换 协议天球坐标系通过岁差和章动转换为瞬时极天球坐标系，再经过简单旋转为瞬时极地球坐标系，然后通过极移转换为协议地球坐标系。10. 时间系统（主要有3种）（1）世界时系统：以地球自转运动为基准建立的时间系统，包括：恒星时ST、太阳时（真太阳时、平太阳时、世界时）等（2）力学时系统：以地球公转运动为基准的建立的时间系统（3）原子时系统：以物质内部原子运动为基础的原子时系统恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统 春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日。特点：（1）

17、恒星时具有地方性（2）由于岁差、章动的影响，地球自转轴在空间的指向是变化的，春分点在天球上的位置并不固定。因此，有真恒星时和平恒星时之分。真太阳时：以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时间真太阳连续两次经过某地的上子午圈（上中天）所经历的时间为真太阳日。特点：不均匀性； 地方性平太阳：为了弥补真太阳时不均匀的缺陷，假想一个太阳，称之为平太阳，并有如下特点： 周年视运动周期与真太阳的周年视运动周期相同； 周年视运动轨道在赤道上，而不是在黄道上； 视运动在赤道上是匀速的平太阳时：假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太

18、阳日。特点：以平子夜开始；地方性世界时UT：以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时。 力学时原子时：原子时秒长被定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。协调世界时UTC：采用原子时秒长，但因原子时比世界时每年快约1秒，两者之差逐年积累，便采用跳秒（闰秒）的方法使协调时与世界时UT1的时刻相接近，其差不超过1秒。GPS时间系统 GPST：原子时秒长作为时间基准，时间起算原点为1980年1月6日UTC 0时第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历1.无摄运动：二体问题下的卫星运动，即只考虑地球质心引力作用的卫星运动。受摄运动：卫星运动的真实情

19、况，即考虑在地球质心引力和各种摄动力影响下的卫星运动。摄动力：非球形对称的地球引力场对卫星产生非中心的引力，再加上日、月引力，大气阻力，太阳光压，地球潮汐力等一起称为摄动力。二体问题：忽略所有的摄动力，仅考虑中心引力对卫星的作用，来研究卫星相对于地球的运动，称之为二体问题。 卫星星历：是描述卫星运动轨道信息的一组数据，即是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。 2.卫星的6个轨道参数开普勒轨道参数（轨道根数） 在二体问题的研究中，通常选用 等6个参数来描述卫星的无摄运动，称为开普勒轨道参数，或称轨道根数。 a为轨道的长半径 e为轨道椭圆偏心率 以上两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。 为升交点

20、赤经：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。 i为轨道面倾角：即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。 这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定。 为近地点角距：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角。该参数表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。V为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。 3. GPS卫星星历的分类。GPS卫星星历是描述卫星运动轨道信息的一组数据，即是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率1.预报星历（广播星历）：包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数的一组星历数据。 2

21、.参考星历：参考星历是相应参考历元的卫星开普勒轨道参数。利用轨道参数的摄动项对已知卫星参考星历加以改正，就可以外推出任一观测历元的卫星星历。 3.后处理星历（精密星历）：一些国家的某些部门或某些国际性组织，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，而计算的卫星星历。4.两种星历的比较 预报星历，是首先利用跟踪站以往时间的观测资料，来推求卫星的参考轨道参数；并以此为基础，加入轨道摄动改正而外推的星历。优点：用户在观测时，可通过导航电文实时地得到卫星的预报星历，这对导航或实时定位是非常重要的。缺点：预报星历的精度较低，难以满足精密定位工作的要求。 精密星历不是通过GPS卫星的导航

22、电文实时地向用户传递，目前主要是利用Internet网络方式，无偿地为全球GPS用户提供下载服务。 优点：精度高。 缺点：不能实时。第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号1.GPS导航电文的概念、作用、主要内容导航电文：就是包含有关卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码），是用户用来定位和导航的数据基础。 内容：遥测码、转换码、第一数据块（包括时延差改正、卫星时钟改正等）、第二数据块（开普勒轨道6参数、轨道摄动9参数、时间2参数）、第三数据块（包括所有GPS卫星的历书数据）。2.GPS卫星信号的分类和用途GPS卫星信号包含三种信号分

23、量：载波、测距码和数据码。 GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波，在L1载波上，调制有C/A码、P码（或Y码）和数据码；在L2载波上，只调制有P码（或Y码）和数据码。 GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取0或1。3.伪随机码产生的原理及特点伪随机噪声码：是一组具有良好的自相关特性、且按照某种确定的编码规则产生的具有一定周期、容易复制、取值0和1的二进制码序列。原理：GPS技术采用m序列，即产生于最长线性反馈移位寄存器。何一个n级移位寄存器，经过适当的反馈，就能构成一个m序列。特点：均衡性、游程分布、移位相加特性、自相关性、可复制。4.粗码和精码C/A

24、码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的组合码。特点：（1）码长很短，易于捕获（2）码元宽度较大，测距精度较低 P码产生的基本原理与C/A码相似，是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。而伪随机码PN1(t)和PN2(t)分别是由两个12级反馈移位寄存器构成的m序列。特点：（1）码长很长，不易捕获。（2）P码的码元宽度仅为C/A码的码元宽度的1/10，测距精度较高。（3）P码是专为军用的。 5. 卫星位置计算的过程1、根据卫星电文提供的轨道参数，计算卫星的平均角速度、归化时间、平近点角、偏近点角、真近点角、升交距角、摄动改正项以及经摄动改正的升交距角、卫星矢径、轨道倾角。2

25、.求得卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标；3、把卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标进行旋转变换，得到卫星在地心固定坐标系中的三维坐标；4.考虑极移的影响，求出卫星在协议地球坐标系中的坐标。 6.GPS接收机的组成 GPS接收机天线单元 GPS接收机主机单元 变频器及中频放大器 信号通道 存储器 微处理器 显示器 电源 7.GPS的分类、通道作用。（1）按用途： 导航型接收机 测地型接收机 授时型接收机（2）接收信号的频率： 单频接收机； 双频接收机 （3）信号通道类型： 多通道接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机 GPS卫星信号通道：GPS卫星信号经由天线进入接收机的“路径”。其作用是分离接

26、收到的不同卫星的信号，实现对各卫星信号的跟踪、处理和量测，获得定位所需要的数据和信息。第五章 GPS卫星定位基本原理1.伪距测量的原理（码相位）伪距：由于卫星钟、接收机钟的误差以及卫星信号经过电离层和对流层的延迟影响，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离之间，不可避免地会存在一定差值，所以称其为“伪距”。码相位观测，就是测量GPS卫星发射的测距码信号C/A码或P（Y）码，到达用户接收机天线的传播时间，也称为时间延迟测量。 传播时间中包含了卫星钟差、接收机钟差（卫星钟与接收机钟不同步）以及电离层延迟、对流层延迟等大气延迟的影响。2.载波相位测量的优缺点。载波相位测量的观测量是指GPS接收机Ti

27、所接收到的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。优点：码相位测量的精度较低。 P码伪距量测精度为30 cm，C/A码伪距精度为3m左右。 载波相位测量的精度比码相位测量的精度要高。目前，GPS测地型接收机的载波相位测量精度一般为12mm，有的精度更高。 缺点：整周模糊度问题；周跳问题3.什么叫载波重建，为什么，有什么特点重建载波：在进行载波相位测量以前，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 码相关法：用户可同时提取测距码信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构； 平方法：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

28、距码和卫星电文。4.周跳概念，产生原因以及怎么处理？整周跳变：如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线电信号干扰造成失锁，计数器无法连续计数，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不足一周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳1屏幕扫描法 2用高次差发现周跳3用多项式拟合法探测周跳 4. 双频观测值修复 5在卫星间求差法 6根据平差后的残差发现和修复整周跳变5.什么是整周未知数，如何求解1. 伪距法 伪距法是在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整周未知数。 2. 将整周未知数当作平差中的待定参数经

29、典方法（l）整数解 （2）实数解3多普勒法（三差法） 经过观测方程的线性组合，去掉共同项，即可求得整周未知数。 4快速确定整周未知数法：利用快速模糊度解算法进行快速定位的方法。6.绝对定位的精度评价一般均采用精度因子DOP来对绝对定位的结果进行评价：定义中误差与DOP精度因子的关系：因此，精度因子DOP可由平差参数的协因数阵中的主对角线元素来定义。 常用的精度因子有： （1）平面位置精度因子HDOP及其平面位置精度（2）高程精度因子VDOP及其高程精度（3）空间位置精度因子PDOP及其三维定位精度（4）接收机钟差精度因子TDOP及其钟差精度（5）几何精度因子GDOP及其三维位置和时间误差综合影

30、响的中误差MG利用上述各精度因子，可从不同的方面对绝对定位的精度做出评价。 7.静态相对定位有哪些组合方式？GPS静态相对定位：采用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，确定基线端点的相对位置或基线向量（坐标差）。 1. 一次差分一次差分：将原始观测值直接相减。单差观测值：求一次差分所获得的结果被当作虚拟观测值。常用的一次差分：在接收机间求一次差分（站间单差观测值） 特点：可以消除与卫星有关的误差项影响 在卫星间求一次差分（星间单差观测值） 特点：可以消除与接收机有关的误差项影响在观测历元间求一次差分（历元间单差观测值）特点：可以消除整周模糊度参数2. 二次差分（双差）二次差分：对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差。双差观测值：二次差分所得的结果被当作虚拟观测值，称为二次差分观测值或双差观测值。 求二次差分的方法有：星站或站星双差：可以消除与卫星、接收机有关的误差项影响。 星际历元双差：消除接收机误差和整周模糊度参数。站际历元双差：消除与卫星误差和整周模糊度参数。3.三次差分（三差）:消除了接收机钟差和卫星钟差以及整周模糊度的影响 8.动态差分GPS定位1、位置差分根据基准站的精密坐标和基准站GPS接收机测出的坐标求出其坐标改正数（,）, 然后基准站