GPS重要概念及解释.docx

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GPS重要概念及解释

一、名称解释

1.GPS

2.“3S”

3.NNSS：

海军导航卫星系统（子午卫星导航系统）

4.PPS:

精密定位服务

5.SPS:

标准定位服务

6.SA技术:

SelectiveAvailability–选择可用性

7.AS技术:

Anti-Spoofing–反电子欺骗

8.GLONASS:

全球导航卫星系统

9.UTC:

协调世界时

10.天体视运动：

由于地球不停的自西向东作自转运动，我们可以观察到天球上的日月星辰自东向西旋转，每日转一周，从而产生天体每日东升西落的自然象，这种由于地球自转产生的天体或天球的视运动，称为天体视运动

11.岁差:

实际上地球的形体接近一个赤道隆起的椭球体，因此，在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上缓慢西移，这种现象在天文学中称为岁差

12.历元：

天文学上把观测资料所对应的时刻（观测瞬间）称为历元。

因此时间的原点也叫作起始历元。

13.轨道参数:

而描述卫星轨道位置状态的参数，称为轨道参数

14.二体问题:

忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中称为二体问题

15.开普勒运动：

卫星在上述地球引力场中的无摄运动（忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力的运动）称为开普勒运动

16.受摄运动：

卫星的实际运行轨道，由于受到多种非地球中心引力的影响，而使其偏离开普勒轨道。

考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的

17.卫星星历：

是描述有关卫星运动轨道的信息。

18.参考星历：

相应参考历元的卫星开普勒轨道参数，也叫参考星历

19.CDMA：

码分多址

20.测距码:

是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码，包括C/A码和P码

21.导航电文：

导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。

22.接收机钟差:

GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。

23.卫星星历误差:

由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差

24.大气延迟:

信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲

25.总电子含量:

底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数

26.对流层折射:

GPS信号通过对流层时，也使传播路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差

27.多路径误差:

在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。

28.FDMA：

频分多址

29.载波相位测量：

由于载波的波长较短，能达到较高的测距精度，把载波作为测距信号进行距离测量的方法叫作载波相位测量

30.重建载波：

由于载波上已用二进制相位调制法调制了测距码和导航电文，故接收到的卫星信号的相位也不连续，所以在进行载波相位测量前，必须设法将调制信号去掉，恢复载波，此项工作称重建载波

31.差分观测值：

将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）

32.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。

33.动态定位：

是以确定与各观测站相应的、运动中的、接收机载体的位置或轨迹的卫星定位。

定位时，至少应有1台接收机处于运动状态。

34.相对论效应：

是由于卫星中和接收机钟所处的状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。

35.接收机的位置误差：

接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差。

36.等效距离误差：

为了便于理解，通常将各种误差的影响投影到观测站至卫星的距离上，以相应距离误差来表示，称为等效距离误差。

37.ITRF:

国际地球参考框架

38.被动式测距：

用户自己不发送信号，只是接收发射源发射的信号进行距离量测。

39.DGPS：

差分动态定位

40.差分动态定位：

用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精确位置。

41.RTK：

（realtimekinematic）实时动态测量系统

二、简答题

1.子午卫星系统局限性

卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务

导航定位精度低

卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响

卫星轨道低，难以进行精密定轨

2.GPS的发展简史

方案论证阶段

全面研制和试验阶段

实用组网阶段

3.GPS系统特点

•全天候、全球无缝覆盖

•独立于美国，受欧洲控制的民用卫星导航定位系统

•定位精度高于其它导航星座

•导航定位服务多样性

•具有地面与卫星通信能力，提供救援和搜索服务

•系统开放性

•系统管理民间性

4.GPS系统发展趋势

•集成化，小型化

•高动态，多通道

•差分GPS接收机

•以GPS为中心的组合导航系统

•高精度动态接收机

•与通信结合

5.GPS现代化的内涵

–保护。

即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；

–阻止。

即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；

–保持。

即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。

6.北斗卫星导航系统组成及特点

•“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。

•投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。

但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。

7.简述卫星所受的摄动力

•①地球体的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力，即地球的非中心引力

•②太阳的引力和月球的引力

•③太阳光的直接与间接辐射压力

•④大气的阻力

•⑤地球潮汐的作用力

•⑥磁力及其他作用力等

8.GPS的系统组成

•GPS系统由三部分组成

–空间部分

–地面控制部分

–用户设备部分

9.GPS卫星信号的组成部分

GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。

其中：

（1）可运载调制信号的高频振荡波称为载波。

GPS卫星所用的载波有两个：

L1（频率1575.42MHz；和L2（频率1227.60MHz）；

（2）测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码，包括C/A码和P码。

（3）导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。

10.减少GPS各种误差影响的方法

•模型改正法：

利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。

•求差法

–原理：

通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响

–适用情况：

误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。

•参数法

–原理：

采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来

–适用情况：

几乎适用于任何的情况

•回避法）

–原理：

选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响

–适用情况：

对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。

11.多路径误差的特点

•与测站环境有关

•与反射体性质有关

•与接收机结构、性能有关

12.应对多路径误差的方法

多路径效应将严重损害GPS测量的精度，是GPS测量中的一种重要的误差源。

要消除或削弱多路径误差影响可采取的方法和措施有：

（一）选择合适的测站

1、避免临近水域；

2、不宜选择山坡上；

3、注意离开高层建筑

（二）选择合适的GPS接收机

1、在天线下设置抑径板或抑径圈；

2、接收机天线对极化方向相反的反射信号应有较强的抑制能力；

3、改进接收机的软、硬件

（三）适当延长观测时间

13.在全球定位系统中为何要用测距码来测定伪距

1）易于将微弱的卫星信号提取出来。

卫星信号的发射功率有限，很容易被一些干扰信号（如电视台、移动电话台、微波中继站等）所掩盖，卫星信号的强度一般只有这些噪声信号强度的万分之一或更低。

只有依据伪距码的独特结构，才能将卫星信号从噪声中提取出来；

2）可提高测距精度。

用测距码进行相关处理所获得的伪距观测值可以视为用积分间隔中的每个码分别测距，然后将测得的结果取平均后所获得的均值，其精度显然要高于脉冲法测距的精度；

3）便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理。

接收机接受信号时，卫星信号会连同噪声一起进入每个通道。

但接收机在每个通道都规定了所观测卫星的PRN号，因此相应通道只产生相对应卫星的复制码，而其他卫星的测距码及噪声与该复制码可视为相互正交，相关系数的影响趋于零。

这样就可以将其他卫星信号及噪声分离出去。

因此让每个通道皆产生与需要观测的卫星相同的测距码，就能同时对视场中的n颗卫星分别进行伪距观测，从而方便地实现对卫星信号的识别和处理；

4）便于对系统进行控制和管理。

采用测距码后，美国国防部可以通过公开某种码的结构或对某种码结构进行保密来对用户使用该系统的程度加以控制。

14.利用测距码进行测距的优点

1）易于将微弱的卫星信号提取出来。

卫星信号的发射功率有限，很容易被一些干扰信号（如电视台、移动电话台、微波中继站等）所掩盖，卫星信号的强度一般只有这些噪声信号强度的万分之一或更低。

只有依据伪距码的独特结构，才能将卫星信号从噪声中提取出来；

2）可提高测距精度。

用测距码进行相关处理所获得的伪距观测值可以视为用积分间隔中的每个码分别测距，然后将测得的结果取平均后所获得的均值，其精度显然要高于脉冲法测距的精度；

3）便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理。

接收机接受信号时，卫星信号会连同噪声一起进入每个通道。

但接收机在每个通道都规定了所观测卫星的PRN号，因此相应通道只产生相对应卫星的复制码，而其他卫星的测距码及噪声与该复制码可视为相互正交，相关系数的影响趋于零。

这样就可以将其他卫星信号及噪声分离出去。

因此让每个通道皆产生与需要观测的卫星相同的测距码，就能同时对视场中的n颗卫星分别进行伪距观测，从而方便地实现对卫星信号的识别和处理；

4）便于对系统进行控制和管理。

采用测距码后，美国国防部可以通过公开某种码的结构或对某种码结构进行保密来对用户使用该系统的程度加以控制。

15.GPS系统是如何用测距码来测定伪距的?

测距码是用以测定从卫星至地面测站间距离的一种二进制码序列。

利用测距码测定伪距，首先假设卫星钟和接收机钟均无误差，都能与标准的GPS时间保持严格同步。

在某一时刻t卫星在卫星钟的控制下发出某一结构的测距码，与此同时接收机则在接收机钟的控制下产生或者说复制出结构完全相同的测距码（简称复制码）。

由卫星所产生的测距码经△t时间的传播后到达接收机并被接收机所接收。

由接收机所产生的复制码则经过一个时间延迟器延迟时间τ后与接收到的信号进行比对。

如果这两个信号尚未对齐，就调整延迟时间τ，直至这两个信号对齐为止。

此时复制码的延迟时间τ就等于卫星信号的传播时间△t，将其乘以真空中的光速c后即可得卫星至地面的距离ρ：

ρ=τ·c=△t·c。

由于卫星钟与接收机钟不同步，以及信号在传播过程中受到大气层的影响，所以求得的距离ρ并不等于卫星到地面测站的实际距离，故将其称为伪距。

16.如何理解载波相位测量的实际观测值

17.什么是静态相对定位载波测量？

为什么在静态相对定位载波测量中广泛采用求差法？

•利用载波相位测量的观测值，确定处于静止状态，同步跟踪观测相同的GPS卫星的若干台接收机之间的相对位置（坐标差）的定位方法，称为静态相对定位载波测量。

采用求差法的原因：

•

（1）可以消去数量庞大的多余参数，例如卫星钟差，接收机钟差，甚至整周未知数，从而大大减少计算工作量。

从数学上讲又是完全允许的。

•

（2）对于短距离基线来说，可以消除很多误差的影响，例如电离层误差、对流层误差、卫星星历误差等

18.差分观测值的局限性

•数据利用率低

–只有同步数据才能进行差分

•引入基线矢量替代了位置矢量

•差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化

–参数估计时，观测值的权阵

•某些参数无法求出

–某些信息在差分观测值中被消除

19.为什么在一般的GPS定位中广泛采用双差观测值

在卫星、接收机和历元间求三次差：

在二次差的基础上进一步消去了整周模糊度参数，但这并没有多少实际意义；三差解是一种浮点解；三差方程的几何强度较差。

一般在GPS测量中广泛采用双差固定解而不采用三差解，三差解通常仅被当做较好的初始值，或用于解决整周跳变的探测与修复、整周模糊度的确定等问题。

20.周跳的探测与修复方法

屏幕扫描法

高次差法

多项式拟合法

MW观测值法

三差法

21.为什么在短基线GPS测量时一般都采用双差固定解？

在短基线测量中，由于测站间所受到的误差相关性好，利用双差法就能较完善地将这些误差消除，因而通常都能获得固定解。

在中长基线测量中，误差的相关性将减弱，初始解的误差将随之增大，从而使模糊度参数很难固定

22.简述用高次差法修复整周跳变的算法

•对于一组不含整周跳变的实测数据，在相邻的两个观测值间依次求差而求得一次差，由于一次差实际上就是相邻两个观测历元卫星至接收机的距离之差，也等于两个历元间卫星的径向速度的平均值与采样间隔的乘积。

因此径向的变化在求一次差后就要平缓得多。

同样，在两个相邻的一次差间继续求差就得二次差。

二次差为卫星的径向加速度的均值与采样间隔乘积，变化更加平缓。

采用同样的办法求至四次差时，其值已趋于零，其残余误差已呈现偶然特性。

•对于存在周跳的实测数据，如果从某个观测值开始有100周的周跳，就将使各次差产生相应的误差，而且误差的量会逐次放大，根据这一原理可探测出周跳发生的位置及其大小。

23.如何理解整周跳变及产生周跳的原因

如果由于某种原因使计数器在某段时间内的累计工作产生中断，那么恢复累计后的所有计数中都含有同一偏差，该偏差为中断期间所丢失的整周数。

对于不足一周部分而言，由于接收机的正常工作，仍然是正确的，这种整周计数出现错误而不足一周部分仍然正确的现象称为整周跳变，简称周跳。

•信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪

•仪器故障，导致差频信号无法产生

•卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误

•接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号

•卫星瞬时故障，无法产生信号

24.简述周跳的特点

周跳只引起载波相位观测量的整周数发生跳跃，小数部分则是正确的；周跳具有继承性，即从发生周跳的历元开始，以后所有历元的相位观测值都受到这个周跳的影响；周跳发生非常频繁。

25.何谓基线解算中的整数解（固定解）？

简要说明其计算方法及优点？

当整周模糊度参数取整数时所求得的基线向量解称为整数解，也称为固定解。

计算步骤如下：

   1）求初始解。

用修复周跳、剔除粗差后的载波相位观测值进行基线向量的解算，求得基线向量及整周模糊度参数，这种解称为初始解。

由于各种误差的影响，初始解中的模糊度参数一般为实数。

   2）将整周模糊度固定为整数。

采用取整法、置信区间法或其他方法，非常有把握将上述模糊度参数一一固定为整数。

  3）求固定解。

将上述固定为整数的模糊度参数作为已知值代回法方程式，重新求解基线向量，从而获得固定解。

    优点：

整数解是在模糊度参数已被恢复为真值的基础上求得的，是与一组不受误差影响的、正确的、模糊度参数相对应的解，所以精度较高。

26.什么是伪距单点定位？

进行伪距单点定位时，为何需要同时观测至少4颗GPS卫星？

•根据GPS卫星星历和一台GPS接收机的伪距测量观测值来直接独立确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对坐标的方法叫伪距单点定位。

•由于进行伪距单点定位时，每颗卫星的伪距测量观测值中都包含有接收机钟差这一误差，造成距离测量观测值很不准确。

需要将接收机钟差作为一个未知数加入到伪距单点定位的计算中，再加上坐标三个未知数，所以至少需要4个伪距观测值，即需要同时观测至少4颗GPS卫星。

27.差分GPS产生的原因

•绝对定位精度不能满足要求

–GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，不能完全满足某些特殊应用的要求

–美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）

28.简述差分GPS的基本原理

差分GPS的基本原理：

利用相距不太远的两个GPS测站在同一时间分别进行单点定位时所受到的卫星星历误差、大气延迟误差和卫星钟差等误差源的空间相关性较好的原理，利用基准站上的观测结果求得上述误差的影响，并通过数据链将误差改正数发送给流动站从而提高流动站定位精度。

29.何为位置差分？

何为距离差分？

•位置（坐标改正数）改正数：

基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。

这种方法称为位置差分。

•距离改正数：

利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。

这种方法称为距离差分。

30.什么是广域差分GPS及其组成？

在一个相当大的区域中，较为均匀的布设少量的基准站组成一个系统的差分GPS网，各基准站独立进行观测并将求得的距离差分改正数传送给数据处理中心，由数据处理中心进行统一处理，以便将各种误差分离开来，然后再将卫星星历改正数、卫星钟差改正数以及大气延迟模型等播发给用户，这种差分系统称为广域差分系统。

广域差分系统主要由基准站、数据处理中心、数据通信链、监测站及用户等部分组成。

基准站的数量视覆盖面积及用途而定，广域差分GPS系统的数据通信链包括两个部分：

一是基准站，监测站，数据处理中心等固定站间的数据通信链；二是系统与用户之间的数据通信链。

31.简述GPS测量选点的注意事项

测站上空尽可能开阔，以免GPS信号被遮挡；

测站周围约200米内无强电磁干扰源；

减少多路径效应，尽量不设在有强反射源的地方；

测站选在交通便利处，以便于到达；

测站容易保存，便于以后再利用。

32.GPS网的图形设计及图形布设方式

根据对所布设的GPS网的精度要求和其它方面的要求，设计出独立的GPS边构成的多边形网，称为GPS网的图形设计。

（1）点连式：

相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。

（2）边连式：

同步图形之间由一条公共基线连接。

（3）网连式：

指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接。

（4）边点混合连接式：

把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网的方式。

33.GPS网的布网原则

（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，GPS网成果的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。

（2）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

34.简述GPS在农业领域中的应用

土壤养分的分布调查

监测作物产量

合理施肥，精确农业管理

35.简述GPS在林业管理的应用

GPS技术确定林区面积，估算木材量，对森林火边进行调查，精确测定森林位置和面积，绘制精确的森林分布图。

测定森林分布区域；GPS用于森林防火。

36.整周未知数N0的确定

常用以下方法：

伪距法

将整周未知数当作平差中的待定参数-经典方法

多谱勒法

快速确定整周未知数法

37.简述GPS现代化计划

主要包括

增加民用信号，

改善现有信号，

克服大气效应，

改善地面设施以及开发第三代GPS卫星等。

38.针对SA和AS政策的对策

采用一下对策：

应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术

研制能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机

发展DGPS和WADGPS差分GPS系统

建立独立的GPS卫星测轨系统

建立独立的卫星导航与定位系统。

39.简述RTKGPS的系统构成及其定位原理

RTKGPS测量系统主要由GPS接收机、数据传输系统、软件系统三部分组成。

实时动态测量的基本思想是：

在基准站上安置一台GPS接收机，对所有的可见GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。

在用户站上，GPS接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。

三、论述题

1.GPS在各个领域中的应用

GPS在军事中的应用

GPS在交通运输业中的应用

全球定位系统在海洋渔业资源开发中的应用

GPS在测量中的应用

GPS在其他领域中的应用

•精细农业

•遥感

•卫星定轨

•资源勘探

•个人旅游及野外探险

•电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递

2.根据下面表中第一代卫星导航系统－子午卫星导航系统（TRANSIT系统）和第二代卫星导航系统－GPS系统的相关系统参数，说明子午卫星导航系统的局限性和GPS系统的优越性。

从表中的参数比较可知：

•

（1）TRANSIT系统采用的是多普勒定位方法，所以卫星数不能太多，只有6颗。

由于所有的卫星都属于极地轨道，各卫星的进动大小和方向不一，同时出现两颗卫星又会造成相互干扰，导致系统在有些地区长时间观测不到卫星信号。

虽然每次只需要也只能观测一颗卫星，但进行导航定位时需观测一次完整的卫星通过（一般为8－18min），观测时间和间隔时间长，无法提供实时和连续的导航定位服务。

而GPS系统卫星多，卫星之间又采用了码分多址的技术，可以保证在全球任何一个位置都观测到4颗卫星，只进行一个历元的观测就可获得结果，能提供实时和连续的导航定位服务。

•

（2）TRANSIT系统的卫星轨道低，难以进行精密定轨。

而GPS系统的卫星属于高轨卫星，容易获得精度高的卫星轨道信息；TRANSIT系统相比GPS系统，卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响。

这些都导致TRANSIT系统的导航定位精度低。

而GPS系统的导航定位精度则可以满足绝大多数用户的需要。

3.GPS系统由哪几部分组成？

并说明各自作用？

GPS系统由三个部分组成：

空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分。

各部分作用：

（1）GPS卫星可连续向用户播发用于进行导航定位的测距信号和导航电文，并接收来自地面监控系统的各种信息和命令以维持正常运转。

（2）地面监控系统的主要功能是：

跟踪GPS卫星，确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数，进行预报后