GPS原理與應(yīng)用復(fù)習(xí)題及參考答案分析

1、GPS原理與應(yīng)用 復(fù)習(xí)參考一、判斷題（本大題共5小題，每小題1分，共5分）（請(qǐng)?jiān)诖痤}紙上判斷題答題區(qū)域作答）1.（ ）對(duì)于GPS網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途和定位技術(shù)所能達(dá)到的精度。精度指標(biāo)通常是以相臨點(diǎn)間弦長的標(biāo)準(zhǔn)差來表示。2. （ ）GPS的測距碼（C/A碼和P碼）是偽隨機(jī)噪聲碼。3. （ ）電離層延遲的大小與載波頻率無關(guān)。4. （ ）GPS定位直接獲得的高程是似大地水準(zhǔn)面上的正常高。5. （ ）圖形強(qiáng)度因子是一個(gè)直接影響定位精度、但又獨(dú)立于觀測值和其它誤差之外的一個(gè)量。其值恒大于1，最大值可達(dá) 100，其大小隨時(shí)間和測站位置而變化。在GPS測量中，希望DOP越小越好。二、判斷題（本大

2、題共5小題，每小題1分，共5分）（請(qǐng)?jiān)诖痤}紙上判斷題答題區(qū)域作答）1.（ ）GPS測得的站星之間的偽距就是指GPS衛(wèi)星到地面測站之間的幾何距離。2.（ ）C/A碼的碼長較短，易于捕獲，但碼元寬度較大，測距精度較低，所以C/A碼又稱為捕獲碼或粗碼。3.（ ）GPS的空間部分（衛(wèi)星星座部分）由21顆工作衛(wèi)星、3顆備用衛(wèi)星組成，均勻分布在6個(gè)軌道上。4.（ ）GPS定位直接獲得的高程是似大地水準(zhǔn)面上的正常高。5.（ ）GPS靜態(tài)定位之所以需要觀測較長時(shí)間，其主要目的是為了削弱衛(wèi)星星歷誤差的影響。三、填空題（本題共15空，每空1分，共15分）（請(qǐng)?jiān)诖痤}紙上填空題答題區(qū)域作答）1. 按照規(guī)范規(guī)定，我國G

3、PS測量按其精度依次劃分為AA、A、B、C、D、E六級(jí)，其中C級(jí)網(wǎng)的相鄰點(diǎn)之間的平均距離為1510km，最大距離為 40 km。2. GPS定位系統(tǒng)包括 空間 部分、 地面控制 部分和 用戶設(shè)備 部分。3.從誤差來源分析，GPS測量誤差大體上可分為以下三類： 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 ，與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 和 與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 。4. 美國國防部制圖局（DMA）于1984年發(fā)展了一種新的世界大地坐標(biāo)系，稱之為美國國防部1984年世界大地坐標(biāo)系，簡稱 WGS-84 。5. 三臺(tái)或三臺(tái)以上接收機(jī)同步觀測所獲得的基線向量構(gòu)成的閉合環(huán)稱為 同步環(huán) 。6. 在定位工作中，可能由于衛(wèi)星信號(hào)被暫時(shí)阻擋，或受到

4、外界干擾影響，引起衛(wèi)星跟蹤的暫時(shí)中斷，使計(jì)數(shù)器無法累積計(jì)數(shù)，這種現(xiàn)象叫 周跳 。7. 在接收機(jī)和衛(wèi)星間求二次差，可消去兩測站接收機(jī)的 相對(duì)鐘差 改正。8. 利用GPS進(jìn)行定位有多種方式，如果就用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)而言，定位方式分為 靜態(tài) 定位和 動(dòng)態(tài) 定位；若按參考點(diǎn)的不同位置，又可分為 單點(diǎn) 定位和 相對(duì) 定位。9.GPS衛(wèi)星信號(hào)是由 載波 、 導(dǎo)航電文 、和 測距碼 三部分組成的。 10.對(duì)流層延遲改正模型中的大氣折射指數(shù)N與 溫度 、 氣壓 、 濕度 等因素有關(guān)。11.差分GPS按觀測值的類型可分為 偽距差分 和 相位差分 。 12.目前正在運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有 GPS 和

5、GLONASS 。我國組建的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)稱為 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ，歐盟計(jì)劃組建的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)稱為 Galileo 系統(tǒng) 。 13.在接收機(jī)間求一次差后可消除 衛(wèi)星鐘差 參數(shù)，繼續(xù)在衛(wèi)星間求二次差后可消除接收機(jī)間的相對(duì)鐘差 參數(shù)，再在歷元間求三次差后可消除 雙差 整周模糊度 參數(shù)。 四、名詞解釋1.導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它主要包括：衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延改正、工作狀態(tài)信息以及C/A碼轉(zhuǎn)換到捕捉P碼的信息。2.大地高 大地高是指從一地面點(diǎn)沿過此點(diǎn)的地球橢球面的法線到地球橢球面的距離3.靜態(tài)定位將GPS接收機(jī)靜置在固定測站上，觀測數(shù)分鐘至2小時(shí)或更長時(shí)

6、間，以確定測站位置的衛(wèi)星定位，是不考慮軌道的有無、決定點(diǎn)位置的定位應(yīng)用。4.差分GPS 差分GPS是指利用已知精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個(gè)修正量實(shí)時(shí)或事后發(fā)送給用戶，對(duì)用戶的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高GPS定位精度。5.相對(duì)論效應(yīng)由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的重力位不同，運(yùn)動(dòng)速度不同而引起兩臺(tái)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。 6.單點(diǎn)定位 單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式。 也稱為“絕對(duì)定位”。7.同步觀測環(huán) 三臺(tái)或三臺(tái)以上接收機(jī)同步觀測所獲得的基線向量構(gòu)成的閉合環(huán)。8.大地高 大地高是指從一地面點(diǎn)沿過此點(diǎn)的地球橢球面的法線到地球橢球面的

7、距離9.偽距 GPS定位采用的是被動(dòng)式單程測距。它的信號(hào)發(fā)射時(shí)刻是由衛(wèi)星鐘確定的，收到時(shí)刻則是由接收機(jī)鐘確定的，這就在測定的衛(wèi)星至接收機(jī)的距離中，不可避免地包含著兩臺(tái)鐘不同步的誤差影響，所以稱其為偽距。10.衛(wèi)星星歷誤差 由星歷所計(jì)算得到的衛(wèi)星的空間位置與實(shí)際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。四、綜合題1.什么叫多路徑誤差？在 GPS 測量中可采用哪些方法來消除或消弱多路徑誤差？（15分）經(jīng)測站附近的反射物反射后的衛(wèi)星信號(hào)若進(jìn)入GPS接收機(jī)就將與直接進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)產(chǎn)生干涉，從而使觀測值產(chǎn)生偏差，這就是所謂的多路徑誤差。多路徑誤差不僅與反射系數(shù)有關(guān)，也和反射物離測站的距離及衛(wèi)星信號(hào)方向有關(guān)，無法建立準(zhǔn)

8、確的誤差改正模型，只能恰當(dāng)?shù)剡x擇站址，避開信號(hào)反射物。例如：（1）選設(shè)點(diǎn)位時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離平靜的水面，地面有草叢、農(nóng)作物等植被時(shí)能較好吸收微波信號(hào)的能量，反射較弱，是較好的站址。（2）測站不宜選在山坡、山谷和盆地中。（3）測站附近不應(yīng)有高層建筑物，觀測時(shí)也不要在測站附近停放汽車。2.簡述GPS選點(diǎn)時(shí)對(duì)測站的基本要求。（15分）（1）點(diǎn)位的選擇應(yīng)符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，并有利于其它測量手段進(jìn)行擴(kuò)展與聯(lián)測；（2）點(diǎn)位的基礎(chǔ)應(yīng)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于長期保存，并應(yīng)有利于安全作業(yè)；（3）點(diǎn)位應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作，視野應(yīng)開闊，視場內(nèi)周圍障礙物的高度角一般應(yīng)小于15°；（4）點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、

9、微波站等），其距離不得小于200m，并應(yīng)遠(yuǎn)離高壓輸電線其距離不得小于50m，以避免周圍磁場對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的干擾；（5）點(diǎn)位附近不應(yīng)有對(duì)電磁波反射（或吸收）強(qiáng)烈的物體，以減少多路徑效應(yīng)的影響；（6）交通應(yīng)便于作業(yè)，以提高作業(yè)效率；（7）應(yīng)充分利用符合上述要求原有的控制點(diǎn)及其標(biāo)石，但利用舊點(diǎn)時(shí)應(yīng)檢查舊點(diǎn)的穩(wěn)定性、完好性，符合要求方可利用；（8）選好點(diǎn)后應(yīng)按合理的方法給GPS點(diǎn)編號(hào)。此外，有時(shí)還需考慮測區(qū)內(nèi)的通訊設(shè)施、電力供應(yīng)等情況，以便于各點(diǎn)之間的聯(lián)絡(luò)和設(shè)備用電或充電。綜上所述，結(jié)合測區(qū)的實(shí)際情況， GPS點(diǎn)宜布設(shè)在較高的永久性建筑物、山頂及其它符合要求的地方，或已成型的較寬的城市主干道、路口或其它較

10、開闊而又穩(wěn)固的建（構(gòu)）筑物上。3.試分別寫出測距碼偽距觀測方程和載波相位偽距觀測方程并標(biāo)明各個(gè)符號(hào)的含義。（15分）偽距和載波的觀測方程可表示為：式中：i表示測站，k表示衛(wèi)星，、分別表示偽距觀測值、載波觀測值，為測站到GPS衛(wèi)星之間的幾何距離，為地面GPS接收機(jī)鐘差，為GPS衛(wèi)星鐘差，為電離層延遲，為對(duì)流層延遲，為載波相位觀測值的波長，c為真空中的光速，和分別為偽距和載波的觀測噪聲以及多路徑效應(yīng)誤差，、分別表示接收機(jī)和衛(wèi)星的硬件延遲，表示載波觀測值的整周模糊度、天線相位轉(zhuǎn)繞，以及衛(wèi)星和接收機(jī)的硬件延遲。受硬件延遲的影響，該項(xiàng)不具有整數(shù)特性。 4.試述GPS在測繪行業(yè)中的應(yīng)用（15分）GPS在測

11、繪領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有：（1）建立和維持全球性的參考框架；（2）建立各級(jí)國家平面控制網(wǎng)；（3）布設(shè)城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進(jìn)行各種工程測量；（4）在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應(yīng)用已非常廣泛。5.試述GPS定位的誤差來源（15分）在GPS定位過程中，會(huì)受到各種因素的影響，從誤差源可以分為三類。這些因素主要影響電磁波傳播時(shí)間的測量和衛(wèi)星精確位置的獲得，誤差通過測量平差方程傳播給GPS定位結(jié)果。GPS中的精密定位，就是利用各種模型，估算出下面列出的各種誤差。1、與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差(1) 衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差根據(jù)GPS衛(wèi)星所計(jì)算出來的衛(wèi)星軌道與實(shí)際軌道的差別。(2) 衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘

12、差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。(3) 相對(duì)論效應(yīng)相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同(運(yùn)動(dòng)速度和重力位不同)而引起兩臺(tái)鐘之間發(fā)生相對(duì)鐘差的現(xiàn)象。(4) 衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。2.與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差(1) 電離層延遲 電離層是高度為50km-1000km間的大氣層，該區(qū)域內(nèi)的氣體分子和原子電離成自由電子和正離子，帶電粒子的存在GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，傳播路徑發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。測碼偽距觀測值和載波相位觀測值所受到的電離層延遲大小相同，

13、但符號(hào)相反。(2) 對(duì)流層延遲 對(duì)流層是高度為50km以下的大氣層。對(duì)流層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，傳播路徑發(fā)生變化，這種變化稱為對(duì)流層延遲。對(duì)流層對(duì)測碼偽距觀測值和載波相位觀測值的影響是相同的。(3) 多路徑誤差 接收機(jī)周圍的物體表面反射達(dá)到接收機(jī)的信號(hào)，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中還包含有反射和折射信號(hào)的影響，這就是所謂的多路徑誤差。3、與接收設(shè)備有關(guān)的誤差 (1) 接收機(jī)鐘差 與衛(wèi)星鐘一樣，接收機(jī)也有鐘差。接收機(jī)鐘差是GPS接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異。 (2) 接收機(jī)天線相位中心的偏差和變化GPS接收機(jī)天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)的相位中

14、心之間的差異為接收機(jī) 天線相位中心的偏差。(3) 接收機(jī)噪聲在用GPS接收機(jī)測量時(shí)，由于儀器以及外界環(huán)境的影響所帶來的誤差。4、其它誤差 這主要包括通道誤差、量測噪聲、電路噪聲和延遲等。這些誤差一般影響不大，且有些為隨機(jī)誤差可用建立數(shù)學(xué)模型的方法來消除。6.試述整周跳變定義，原因以及特點(diǎn)。（15分）在接收機(jī)跟蹤GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測的過程中，常常由于多種原因（例如接收機(jī)天線被阻擋、外界噪聲信號(hào)的干擾等），可能使載波相位觀測值中的整周數(shù)不正確，但其不足1整周的小數(shù)部分仍然是正確的，這種現(xiàn)象成為整周變跳，簡稱周跳。周跳產(chǎn)生的原因有：衛(wèi)星信號(hào)被某障礙物阻擋而無法到達(dá)接收機(jī)；由于外界干擾或接收機(jī)所處的動(dòng)態(tài)條件惡劣而引起衛(wèi)星信號(hào)的暫時(shí)失鎖等。周跳的特點(diǎn)為：載波相位觀測值中的整周數(shù)不正確，但其不足1整周的小數(shù)部分仍然是正確的。7.怎樣用雙頻觀測值來消除電離層延遲？（15分）常用的電離層延遲誤差的消除方法有：（1） Bent、IRI等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼ǎ?） 半和改正法（3） Klobuchar模型改正（4） 曲面擬合模型、球諧函數(shù)模型等數(shù)學(xué)擬合方法對(duì)于雙頻接收機(jī)，可以利用雙頻觀測值直接計(jì)算電離層延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量，這種改正效果是非常好的。另外可以利用實(shí)測雙頻觀測值建立局部或全球的TE