GPS测量原理与应用复习参考Word文档格式.docx
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5.后处理星历：
一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪占所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算
三、简答（每题6分，共36）
1.简述GPS系统的特点
1）定位精度高（1分）
2）观测时间短（1分）
3）测站间无需通视（1分）
4）可提供三维坐标（1分）
5）操作简便（0.5分）
6）全天候作业（1分）
7）功能多，应用广（0.5分）
8）回答：
全能性、全球性、连续性和实时性的也各1分。
2.简述接收机的主要任务。
当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行（2分）；
对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能（2分）；
测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，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分）。
3．简述无摄运动中开普勒轨道参数。
轨道椭圆的长半径；
（a）（1分）
轨道椭圆偏心率（e）（或轨道椭圆的短半径）；
（1分）
卫星的真近点角；
（V）（1分）
升交点赤经；
（Ω）（1分）
轨道面倾角；
（i）（1分）
近地点角距。
（ω）（1分）
5.减弱电离层影响的措施。
利用双频观测;
（2分）
利用电离层改正模型加以改正;
利用同步观测值求差。
（2分）
6.简述快速静态定位的作业方式。
在测区中部选择一个基准站，并安置一台接收设备连续跟踪所有可见卫星（3分）；
另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测数分钟（3分）。
四、论述（共23分）
1.什么是伪距单点定位？
说明用户在使用GPS接收机进行伪距单点定位时，为何需要同时观测至少4颗GPS卫星？
（13分）
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单点定位，也叫绝对定位。
（5分）
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。
（4分）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。
（4分）
2、什么是多路径误差?
试述消弱多路径误差的方法。
（10分）
在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线，这就和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生多路径误差。
消多路径误差的方法:
（1）选择合适的站址
a、测站应远离大面积平静地水面;
b、测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中;
（1分）
c、测站应离开高层建筑物.（1分）
（2）对接收机天线的要求
a、在天线中设置抑径板（1分）
b、接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。
1.WGS-84大地坐标系：
原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0定义的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。
2.GPS绝对定位:
也叫单点定位，即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对坐标系原点的决对位置.
3.广域差分:
基本思想是对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算的每一种误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户GPS定位误差加以改正，达到削弱这些误差源，改善用户GPS定位精度的目的。
4.同步观测:
同步观测是指两台或两台以上接收机同时对一组卫星进行的观测.
5.异步观测环:
在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该改多边形环路叫异步观测环。
6.整周跳变：
在定位过程中，卫星信号可能被暂时阻挡，或受外界干扰影响，引起卫星跟踪的暂时中断，使计数器无法累计计数，出现信号失锁，使其后的相位观测值均含有同样的整周误差，这种现象叫整周跳变，简称周跳。
7.三、简答（每题6分，共36）
8.1、简述美国GPS卫星的主要参数。
9.GPS系统的空间部分由21颗工作卫星及3颗备用卫星组成（2分），它们均匀分布在6相对与赤道的倾角为55°
的近似圆形轨道上，它们距地面的平均高度为20200Km，运行周期为11小时58分（2分）。
载波频率为1575.42MHz和1227.60MHz（2分）。
10.2、简述卫星的受摄运动及其主要摄动力。
11.考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动（2分）。
主要的摄动力有：
日月引力（1分）；
地球潮汐作用力（1分）；
太阳辐射压力（1分）；
大气阻力（1分）。
12.3、简述动态定位的作业方法
13.建立一个基准站安置接收机连续跟踪所有可见卫星（2分）；
流动站接收机先在出发点上静态观测数分钟，然后流动站接收机从出发点开始连续运动（2分）；
按指定的时间和间隔自动测定运动载体的实体位置（2分）。
14.4、如何减弱GPS接收机钟差。
15.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。
16.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。
17.通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。
18.5、试说明载波相位观测值的组成部分。
19.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
（2分），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
（2分），以及接收机所能测定的载波相位差非整周的小数部分
（2分）。
20.6、简述GPS卫星的主要作用。
21.接收地面注入站发送的导航电文和其它信号；
22.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；
23.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。
24.
25.四、论述（每题10分，共20分）
26.1、如何重建载波？
其方法和作用如何？
27.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（3分）。
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（3分）。
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（4分）。
28.2、简述GPS网的布网原则。
29.答：
为了用户的利益，GPS网图形设计时应遵循以下原则：
30.
（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。
31.
（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。
32.（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。
33.（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。
34.（5）GPS网点，应利用已有水准点联测高程。
GPS测量原理与应用
第一章
1．GPS系统组成
①空间部分——GPS卫星星座
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。
24颗在轨卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°
，各个轨道平面之间相距60°
。
在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°
以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。
GPS卫星的作用：
a、接受地面注入站发送的导航电文b、接受地面主控站命令，适时改正运行偏差或启用备用时钟等c、连续地向用户发送GPS卫星导航定位系统，并用电文的形式提供卫星的现势位置与其他在轨卫星的概略位置。
d、GPS卫星关键在于卫星的寿命要长，时间精度要高。
②地面控制系统——地面监控系统
1个主控站（美国科罗拉多）3个注入站（阿森松岛,迪哥加西亚岛，卡瓦加兰）5个监控站（1+3+夏威夷）
地面监控系统的作用：
a、提供每颗GPS卫星所播发的星历b、监测和控制卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行c、保持各种卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。
③用户设备系统——GPS信号接收机
接收机的任务：
接受GPS卫星发射的信号，以及获得必要的导航和定位信息及观测量，并经数据处理而完成导航和定位工作。
2．全球导航卫星系统GNSS，美国GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，欧盟伽利略GALILEO系统，中国北斗二号卫星导航地位系统，日本MSAS系统
3．我国北斗二号卫星导航地位系统与其他定位系统的主要区别：
它不仅能使用户测定自己的点位坐标，而且还可以告诉别人自己处在什么点位。
4．GPS系统的特点：
①定位精度高
②观测时间短
③测站间无需通视
④可提供三位坐标
⑤操作简便
⑥全天候作业
⑦功能多，应用广
5．GPS系统的应用前景
①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数
②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘
③用于监测地球板块运动状态和地壳形变
④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段
⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置
第二章
1.完全定义一个空间直角坐标系必须明确：
①坐标原点位置②三个坐标轴的指向③长度单位
2.参心坐标系和质心坐标系的定义：
参心是椭球的几何中心，质心是椭球的质量中心
3.WGS—84坐标系的定义：
原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CIP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CIP赤道的交点，Y轴与Z,X轴构成右手坐标系。
4.我国目前常用的两个国家大地坐标系统
①1954年北京坐标系（参心坐标系）
②1980年国家大地坐标系（参心坐标系，大地原点设在我国西部—陕西省泾阳县永乐镇）
5.两个不同坐标系之间的坐标转换方法
需要求出坐标系统之间的转换参数，转换参数一般式利用重合点的两套坐标值通过一定的数学模型进行计算，当重合点数为三个以上时，可以用布尔萨七参数法进行转换。
6.GPS时间系统如何定义？
采用原子时ATI秒长作为时间基准，时间起算的原点定在1980年1月6日UTC0时。
第三章
1．二体问题：
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，称之为二体问题。
2．卫星的无摄运动（二体运动）：
只考虑地球质心引力作用的卫星运动。
3．开普勒轨道参数（轨道根数）有几个，各代表什麽含义？
①长半径a②扁心率e（或短半径b）
③真近点角V（在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距）
④升交点半径Ω（在赤道面上，升交点N与春分点γ之间的地心夹角）
⑤轨道面倾角ί（卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角）
⑥近地点角距ω（在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距）
注：
确定椭圆的形状和大小需要两个参数①②
确定卫星在轨道上的位置需要一个参数③
④⑤两个参数唯一确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向
⑥表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向
4．卫星的受摄运动
在摄动力的作用下，卫星的运动将偏离二体问题的运动轨道，通常称考虑了摄动力作用的卫星运动为卫星的受摄运动。
5．卫星星历及其作用？
卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。
有了卫星星历就可以计算出任意时刻的卫星位置及其速度。
6．GPS卫星星历的分类：
①预报星历（广播星历）
通常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
②后处理星历
是一些国家某些部门，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，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。
它可以向用户提供在用户观测时间内的卫星星历，避免了星历外推的误差。
第四章
1．导航电文（卫星电文、数据码/D码）：
GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。
主要包括：
卫星星历，时钟改正，电离层时延延正，工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
卫星星历每小时更新一次，12.5min播完一次。
2.描述卫星的运行需要几大类参数？
①开普勒六参数②轨道摄动九参数③时间二参数
3.GPS卫星信号
是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：
载波，测距码，数据码
4.GPS使用L1,L2两种载波的目的：
L1波长19.032cm，L2波长24.42cm目的在于测量出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。
5.C/A码和P码的含义？
C/A码是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。
P码是卫星的精测码。
6.GPS接收机的分类：
①按用途：
导航型、测地型、授时型接收机
②按载波频率：
单频和双频接收机
③按通道数：
多通道、序贯通道、多路多用通道接收机
④按工作原理：
码相关型、平方型、混合型、干涉型接收机
7.GPS接收机的组成：
由GPS接收机天线单元，GPS接收机天线主机单元和电源三部分组成。
前置放大器是将GPS信号电流放大。
第五章
1．GPS定位原理：
设在时刻t在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗卫星S1，S2，S3的距离ρ1，ρ2，ρ3，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为（xi，yi，zi），i=1，2，3。
用距离交会法解算出P点的三维坐标（X,Y,Z）的观测方程为：
2．伪距的定义？
①伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。
②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的延迟，实测出的距离与几何距离有一定差值，因此成为伪距。
伪距法距离测量的原理：
GPS卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码经过T时间的传播后到达接收机。
接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码—复制码，并通过时延器使其延迟时间t将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数R（t）≠1，则继续调整延迟时间t直至自相关系数R（t）=1为止。
3.载波相位测量原理：
载波相位测量的观测值是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位数。
4.载波相位测量中如何确定整周未知数N?
①伪距法
②将整周未知数当作平差中的待定参数—经典方法
③多普勒法（三差法）
④快速确定整周未知数
5．整周跳变：
在跟踪过程中，由于某种原因造成卫星信号所锁，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，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这种现象成为整周跳变。
5．GPS绝对定位（单点定位）：
利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS—84坐标系中相对于坐标原点—地球质心的绝对位置。
①静态绝对定位：
接收机天线处于静止状态下，确定观测站坐标的方法。
②动态绝对定位：
接收机天线处于运动状态（或静止时间较短）
空间位置精度因子PDOP＜6是最好的状态，＜8凑合。
6．GPS相对定位：
是至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置（坐标差）。
7．差分GPS定位技术：
是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。
根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。
用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。
包括：
基准站、卫星和接收机三部分
9．差分GPS可分为单基准站差分、多基准站局域差分和广域差分。
10．多基准站RTK技术，也叫网络RTK，是对普通RTK方法的改进。
它是一种基于多基准站网络的实时差分定位系统，可克服常规RTK的缺陷，实现长距离（70-100km）RTK定位。
第七章
1．GPS误差来源：
①卫星部分：
a、星历误差b、钟误差c、相对论效应
②信号部分:
a、电离层b、对流层c、多路径效应
③接收部分:
a、钟的误差b、位置误差c、天线相位中心的变化
2．减弱电离层影响的措施：
①利用双频观测
②利用电离层改正模型加以修正
③利用同步观测值求差
3．减弱对流层折射改正残差影响的主要措施：
①利用对流层改正模型加以修正
②引用描述对流层影响的附加代估参数
④利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响
4．消弱多路径误差的方法：
①选择合适的站址
远离大面积平静的水面、高层建筑物，不宜选在山坡、山谷和盆地中
②对接收机天线的要求
在天线中设置抑径板，接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用
5．解决星历误差的方法：
①建立自己的卫星跟踪网独立定轨
②轨道松弛法
③同步观测值求差
第八章
1．GPS网图形构成的几个基本概念：
①观测时段：
测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续观测的时段，简称时段。
②同步观测：
两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
③同步观测环：
三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。
④独立同步环：
由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。
⑤异步观测环：
在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。
⑥独立基线：
对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1.
2．GPS网的图形布设：
①点连式②边连式③网连式④边点混合连接式⑤三角锁（多边形）连接⑥导线网形连接（环形图）⑦星形布设
3．GPS测量外业准备：
测区踏勘，资料收集，仪器筹备，观测计划拟定，GPS仪器检校及设计书编写等工作。
拟定观测计划的主要依据：
①GPS网的规模大小
②点位精度要求
③GPS卫星星座几何图形强度
④参加作业的接收机数量
⑤交通、通信及后勤保障
4．GPS测量的外业实施：
包括：
选埋、观测、数据传输及数据处理等工作
A．选点：
①点位应设在易于安装接收机设备、视野开阔的较高点上
②点位目标要显著，视场周围15°
以上不应有障碍物
③点位应远离高压电线
④点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响
⑤点位应选在交通方便，有利于其他观测手段扩展与联测的地方
⑥地基稳定，易于点的保存
B．标志埋设
C．观测工作：
①观测工作主要依据的技术指标②天线安装③开机观测④观测记录
5．经典静态定位模式：
①作业方法：
采用两台（或两台以上）接受设备，分别安置在一条或数条基线的两个端点，同时观测四颗以上卫星，每时段长45min至2h或更多。
②精度：
5mm+1*（0.0000001）*D，D为基线长度（km）.
6.快速静态定位：
在测区选择一个基准站，并安置一台接收设备连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测数分钟。
7.准动态定位（实时相对定位）：
在测区选择一个基准站，安置接收设备连续跟踪所有可见卫星，将另一台流动接收机先置于1号站观测数分钟，在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，将流动接收机分别在2、3、4……各点观测数秒钟。
②注意事项：
应确保在观测时段上有5颗以上卫星可供观测；
流动站与基准站距离不超过20km；
观测过程中流动接收机不能失锁，否则应在失锁的流动站上延长观测时间1~2min。
武汉大学2009～2010学年下学期
《GPS原理及其应用》试卷（B）
一、填空（每空1分，共25分）
1.
GPS采用交会进行定位，至少需要颗卫星才能进行定位计算。
2.
卫星导航定位系统的发展经历了、、三个阶段。
3.
目前，GPS卫星发送两种频率的载波信号，其目的是为了。
4.
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