GPS測(cè)量原理及應(yīng)用復(fù)習(xí)重點(diǎn)(成都理工大學(xué))

1、1. GPS衛(wèi)星定位測(cè)量的優(yōu)點(diǎn) ：a，提供全天候、全球性的導(dǎo)航、定位服務(wù)。b，可進(jìn)行高精度、高速度的實(shí)時(shí)精密導(dǎo)航和定位。c，用途廣泛，操作簡單。2. GPS 衛(wèi)星的 3 個(gè)基本功能 ： a，執(zhí)行地面監(jiān)控站的指令，接收和儲(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息。 b ，向 GPS用戶播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)航和定位信息。c，通過高精度衛(wèi)星鐘向用戶提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。3.主控站的作用： a，把衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差、大氣層修正參數(shù)等數(shù)據(jù)傳送到注入站。b ，提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。c，調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。d，啟用備用衛(wèi)星以取代失效的工作衛(wèi)星。注入站的作用：將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的

2、存儲(chǔ)器。監(jiān)控站的作用：接收衛(wèi)星信號(hào)，為主控站提供衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)4. 用戶設(shè)備部分包括 ： GPS接收機(jī)硬件、相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件、微處理機(jī)。GPS接收機(jī)硬件包括接收機(jī)主機(jī)、天線、電源。主要功能是接收 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測(cè)量，并經(jīng)過簡單數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位。5. 天球 ：以地球質(zhì)心為中心，半徑無窮大的球體。6. 黃道 ：地球繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)的軌道平面和天球表面相交的大圓。黃赤交角=23.5°7. 春分點(diǎn) ：太陽由南半天球向北半天球運(yùn)動(dòng)時(shí)，所經(jīng)過的天球黃道和天球赤道的交點(diǎn)。8. 歲差 :平北天極以北黃極為中心，以黃赤交角為半徑的一種順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)。9.

3、章動(dòng) ：真北天極繞平北天極所作的順時(shí)針橢圓運(yùn)動(dòng)。10. 極移 ：地級(jí)在地球表面上的位置隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。11. WGS 84 大地坐標(biāo)系 ：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心， Z 軸指向 BIH1984.0 定義的協(xié)議地球極 （CIP）方向，X 軸指向 BIH1984.0 的零子午面和 CIP赤道的交點(diǎn)， Y 軸與 Z,X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。12. 恒心時(shí) ：以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間。具有地方性。13. 太陽時(shí) ：包括真太陽時(shí)和平太陽時(shí)。以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)的參考點(diǎn)，由真太陽的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間為真太陽時(shí)。 假設(shè)某個(gè)參考點(diǎn)的視運(yùn)動(dòng)速度等于真太陽周年的平均速度，且在天球赤道上作

4、周年視運(yùn)動(dòng)，這個(gè)假設(shè)的參考點(diǎn)在天文學(xué)中稱為平太陽。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子無午圈的時(shí)間間隔，為一個(gè)平太陽日。具有地方性。14. 世界時(shí) ：以平子夜為零點(diǎn)起算的格林威治平太陽時(shí)稱為世界時(shí)（UT）。15. 二體問題 ：忽略所有的攝動(dòng)力，僅考慮地球質(zhì)心引力研究衛(wèi)星相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)，在天體力學(xué)中，稱之為二體問題。16.開普勒 6 軌道參數(shù) ：軌道平面參數(shù)：軌道平面傾角 i，升交點(diǎn)赤經(jīng)；軌道橢圓形狀參數(shù)：軌道橢圓長半徑 a，軌道橢圓離心率 e；軌道橢圓定向參數(shù)：近地點(diǎn)角距；時(shí)間參數(shù)：衛(wèi)星通過近地點(diǎn)的時(shí)刻t。17. 受攝運(yùn)動(dòng) ：在考慮中心引力的同時(shí)，考慮攝動(dòng)力的影響來研究地球的運(yùn)動(dòng)。1. 偽隨機(jī)噪聲碼的特

5、點(diǎn) ：良好的自相關(guān)性、 確定的編碼規(guī)則、 周期性的、 可復(fù)制的碼序列。2. P 碼和 / 碼 都是偽隨機(jī)噪聲碼。/ 由兩個(gè) 10 級(jí)反饋移位寄存器相組合產(chǎn)生，由兩個(gè)具有相同碼長的數(shù)碼率但結(jié)構(gòu)不同的 m 序列相乘得到的組合碼。也稱捕獲碼、粗碼。 / 特點(diǎn)：碼長很短易于捕獲；碼長寬度較大、精度較低。P 碼由兩組各有12 級(jí)反饋移位寄存器的電路產(chǎn)生。也稱精碼。P 碼特點(diǎn)：用于較精密的導(dǎo)航和定位；保密，不供民用。a，一般先捕獲/ 碼，后根據(jù)導(dǎo)航電文中的有關(guān)信息，可容易捕獲P 碼； b，碼相關(guān)法偽距測(cè)量是通過調(diào)整自相關(guān)函數(shù)，測(cè)定測(cè)距碼信號(hào)由衛(wèi)星到達(dá)測(cè)站的傳播時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。3.偽距測(cè)量原理：當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距

6、碼信號(hào)經(jīng)過t 秒傳播時(shí)間后到達(dá)接收機(jī)，接收機(jī)立刻產(chǎn)生一個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼序列，并在時(shí)延器的控制下不斷調(diào)整T，直到 R（ t） =1為止。這時(shí)有T=t，信號(hào)傳播時(shí)間t 乘以光速c，得到站星距離。由于其中包含衛(wèi)星鐘和接收機(jī)的不同步誤差，因此稱為偽距。4. 導(dǎo)航電文 （或數(shù)據(jù)碼或 D 碼）包括：衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)信息、 / 捕獲 P 碼的信息。5.導(dǎo)航電文的內(nèi)容：遙測(cè)字、交接字、數(shù)據(jù)塊I、數(shù)據(jù)塊II、數(shù)據(jù)塊III。6. GPS衛(wèi)星星歷 ：描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息，對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的軌道參數(shù)及其速率。7. 預(yù)報(bào)星歷 ：通過導(dǎo)航電文中的數(shù)據(jù)塊 II 直接發(fā)射給用戶接收機(jī)，又稱

7、廣播星歷。內(nèi)容包括開普勒軌道6 參數(shù)、反映攝動(dòng)力影響的9 參數(shù)、參考時(shí)刻參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)齡期共計(jì)17個(gè)參數(shù)。包含外推誤差。8. 后處理星歷 ：由 GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控站通過媒介傳向用戶提供。不包含外推誤差。向用戶提供觀測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星精密星歷。9.解調(diào)： 從接收到的已調(diào)波中分理出測(cè)距碼信號(hào)、導(dǎo)航電文信號(hào)和載波信號(hào)。兩種解調(diào)方法：碼相關(guān)解調(diào)技術(shù)、平方解調(diào)技術(shù)。10. 整周未知數(shù) ：載波相位在起始時(shí)刻沿傳播路徑延遲的整周數(shù)。11. 整周跳變 ：由于儀器線路的瞬時(shí)故障，衛(wèi)星信號(hào)被障礙物暫時(shí)阻斷等因素影響，引起計(jì)數(shù)器在某一個(gè)時(shí)間無法連續(xù)計(jì)數(shù)的現(xiàn)象。12. GPS接收天線的基本要求 ：天線與前置放大器應(yīng)密封為

8、一體，以保障惡劣氣象環(huán)境也能工作，并減少信號(hào)損失；天線的作用范圍應(yīng)為整個(gè)上半天球，天頂處無死角，保障接收到來自天空任何方向的衛(wèi)星信號(hào)；天線須有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和屏蔽措施，以盡可能減少來自各個(gè)方向的反射信號(hào)的干擾；天線相位中心和幾何中心應(yīng)保持在同一豎直線上。13. GPS信號(hào)接收機(jī)分類 ：I，按工作原理： 碼相關(guān)型接收機(jī)、平方型、 混合型； II，按用途：導(dǎo)航型、測(cè)量型、授時(shí)型；III。按衛(wèi)星信號(hào)頻率：單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)；IV 按通道數(shù)目：多通道接收機(jī)、序貫通道接收機(jī)、多路復(fù)用接收機(jī)。14. DGPS定位 ：即差分 GPS定位。在進(jìn)行 DGPS定位時(shí)，一臺(tái)接收機(jī)被安置在參考點(diǎn)上周固定不動(dòng)，其余接收

9、機(jī)則分別安置在需要定位的運(yùn)動(dòng)載體上。根據(jù)參考點(diǎn)的已知坐標(biāo)，計(jì)算出定位結(jié)果的坐標(biāo)改正數(shù)或距離改正數(shù)，并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)射給流動(dòng)用戶，以改進(jìn)流動(dòng)站定位結(jié)果的精度。是建立在C/A 碼偽距測(cè)量基礎(chǔ)上的一種實(shí)時(shí)定位技術(shù)。15.RTK：實(shí)時(shí)定位技術(shù)中的一種。 采用載波相位觀測(cè)量作為基本觀測(cè)量。在 RTKGPS測(cè)量作業(yè)模式下， 位于參考站的GPS接收機(jī)， 通過數(shù)據(jù)鏈將參考點(diǎn)的已知坐標(biāo)和載波相位的觀測(cè)量一起傳輸給流動(dòng)站的GPS接收機(jī)。流動(dòng)站的 GPS接收機(jī)根據(jù)參考點(diǎn)傳遞的定位信息和自己的測(cè)量結(jié)果， 組成差分模式并進(jìn)行基線向量的實(shí)時(shí)解算，得到厘米級(jí)精度的結(jié)果。16.GPS測(cè)量誤差 ：I，與 GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差：衛(wèi)

10、星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差；II，與 GPS衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差：電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、多路徑誤差；III，與 GPS信號(hào)接收機(jī)有關(guān)的誤差：分辨率誤差、接收機(jī)的時(shí)鐘誤差、接收機(jī)天線相位中心的位置偏差； IV，地球自轉(zhuǎn)影響和相對(duì)論效應(yīng)。17. 衛(wèi)星星歷誤差 ：衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置的偏差。處理方法：軌道改正法、同步觀測(cè)求值、建立自己的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)定軌、當(dāng)精度要求不高時(shí)，忽略不計(jì)。18. 衛(wèi)星鐘誤差處理方法 ：忽略不計(jì)、采用模型改正、同步觀測(cè)求值（相對(duì)定位）減弱。19. 電離層對(duì)流層誤差處理方法 ：忽略不計(jì)、 采用電離層 / 對(duì)流層模型改正、 同步觀測(cè)求值。20. 多路徑效

11、應(yīng) ：接收機(jī)天線出直接收到衛(wèi)星信號(hào)外，尚可能收到經(jīng)天線周圍物體反射的衛(wèi)星信號(hào)。減弱方法：將天線安裝在避開較強(qiáng)反射面的位置、選擇造型良好的天線并擴(kuò)大天線盤，使之帶有抑徑板、采用較長觀測(cè)數(shù)據(jù)取平均值。21.接收機(jī)時(shí)鐘誤差 ：接收機(jī)內(nèi)部安裝的高精度石英鐘的時(shí)間相對(duì)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差。 處理方法：作為未知數(shù)求解、同步觀測(cè)求值、建立鐘差模型、采用高精度的外接頻標(biāo)。22.靜態(tài)絕對(duì)定位 ：接收機(jī)天線案處于靜止?fàn)顟B(tài)下，確定測(cè)站的三維地心坐標(biāo)。 （站星偽距）23. 靜態(tài)相對(duì)性定位 ：用兩臺(tái)接收機(jī)分別安置在基線多的兩端點(diǎn)，其位置靜止不動(dòng)，同步觀測(cè)相同的 4 顆以上的 GPS衛(wèi)星，確定基線兩端點(diǎn)的相對(duì)位置。優(yōu)點(diǎn)：

12、 以載波相位觀測(cè)量作為基本觀測(cè)量，由于載波波長短，精度高于碼相關(guān)偽距測(cè)量；采用不同載波相位觀測(cè)量的線性組合，有效的消除了衛(wèi)星星歷誤差、信號(hào)傳播誤差和接收機(jī)鐘差；天線長時(shí)間固定在基線兩端點(diǎn)，保證足夠多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確確定整周未知數(shù)N。 缺點(diǎn)： 定位觀測(cè)時(shí)間長。處理方法：整周未知數(shù)快速逼近技術(shù)。24. 位置差分原理 ：安置在已知點(diǎn)上的基準(zhǔn)站 GPS接收機(jī)， 經(jīng)過對(duì) 4 顆及 4 顆以上的衛(wèi)星觀測(cè)即可定位，求出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，由于存在衛(wèi)星星歷誤差、時(shí)鐘誤差、大氣折射誤差的影響，所求坐標(biāo)與已知坐標(biāo)不一樣，因而求出改正數(shù)。基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將坐標(biāo)改正數(shù)發(fā)送給用戶站，用戶站用接收到的改正數(shù)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行改正。

13、 優(yōu)點(diǎn)： 需要傳輸?shù)牟罘指恼龜?shù)較少，計(jì)算方法簡單，任何一種 GPS接收機(jī)均可改裝成這種差分系統(tǒng)。 缺點(diǎn)： 要求基準(zhǔn)站和用戶必須保持觀測(cè)同一組衛(wèi)星，位置差分效果沒有偽距差分好。25. 偽距差分原理 ：在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出站星距離，然后將其與接收機(jī)測(cè)定的含有各種誤差的偽距進(jìn)行比較， 并利用一個(gè)濾波器對(duì)所獲得的差分進(jìn)行濾波求出其偽距改正數(shù)，最后將所有衛(wèi)星的偽距改正數(shù)傳輸給用戶站，用戶站利用此偽距改正數(shù)改正所有測(cè)量的偽距，求出用戶自身的坐標(biāo)。26. 載波相位測(cè)量： 利用接收機(jī)測(cè)定載波相位觀測(cè)值或其差分觀測(cè)值，經(jīng)基線向量解算以獲得兩個(gè)同步觀測(cè)站之間的基線向量坐標(biāo)差的技術(shù)和方法。27. GPS 選點(diǎn)

14、要求： I，點(diǎn)位應(yīng)緊扣測(cè)量目的布設(shè)； II，應(yīng)便于其他測(cè)量手段聯(lián)測(cè)和擴(kuò)展，最好能與相鄰 1 至 2 點(diǎn)通視； III，點(diǎn)應(yīng)選在交通方便、便于到達(dá)的地方，便于安置接收設(shè)備； IV，點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線；V，點(diǎn)位附近不應(yīng)有對(duì)電磁波反射強(qiáng)烈的物體；VI，點(diǎn)位應(yīng)選在地面基礎(chǔ)堅(jiān)固的地方；VII，點(diǎn)位選定后，均應(yīng)按規(guī)定繪制點(diǎn)之記。28. GPS 控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)原則： I， GPS網(wǎng)中不應(yīng)存在自由基線； II， GPS 網(wǎng)中的閉合條件中基線數(shù)目不可過多； III，GPS網(wǎng)應(yīng)以 “每個(gè)點(diǎn)至少獨(dú)立設(shè)站觀測(cè)兩次”的原則布網(wǎng)； IV，GPS網(wǎng)至少應(yīng)與地面網(wǎng)有兩個(gè)重合點(diǎn)； V，GPS點(diǎn)應(yīng)選在交通便

15、利、 視野開闊、便于到達(dá)的地方。29.高程系統(tǒng) ： I，大地高程系統(tǒng)：以參考橢圓面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)； II，正高系統(tǒng)：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)； III，正常高，以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)。30. 偽距：通過碼相關(guān)觀測(cè)或載波相位觀測(cè)所確定的站星距離都不可能避免含有衛(wèi)星鐘與接收中非同步的誤差影響。含鐘差影響的距離稱為偽距。31. 升交點(diǎn)： 衛(wèi)星由南半球運(yùn)行至北半球時(shí)，衛(wèi)星與天球赤道的交點(diǎn)。32. 升交點(diǎn)赤經(jīng)： 春分點(diǎn)至升交點(diǎn)的角距。33. 如何重建載波？其方法和作用如何？在 GPS信號(hào)中由于已用相位調(diào)整的方法在載波上調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不在連續(xù)，所以在進(jìn)行載波

16、相位測(cè)量之前，首先要進(jìn)行解調(diào)工作，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲取載波 。重建載波一般可采用兩種方法：一是碼相關(guān)法，另一種是平方法。采用前者，用戶可同時(shí)提取測(cè)距信號(hào)和衛(wèi)星電文，但用戶必須知道測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)；采用后者，用戶無須掌握測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)，但只能獲得載波信號(hào)而無法獲得測(cè)距碼和衛(wèi)星電文。34. 什么是偽距單點(diǎn)定位？說明用戶在使用 GPS接收機(jī)進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位時(shí)， 為何需要同時(shí)觀測(cè)至少 4 顆 GPS衛(wèi)星？ 根據(jù) GPS衛(wèi)星星歷和一臺(tái) GPS接收機(jī)的偽距測(cè)量觀測(cè)值來直接獨(dú)立確定用戶接收機(jī)天線在 WGS-84 坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)的方法叫單點(diǎn)定位，也叫絕對(duì)定位。由于進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位時(shí)

17、，每顆衛(wèi)星的偽距測(cè)量觀測(cè)值中都包含有接收機(jī)鐘差這一誤差，造成距離測(cè)量觀測(cè)值很不準(zhǔn)確。需要將接收機(jī)鐘差作為一個(gè)未知數(shù)加入到偽距單點(diǎn)定位的計(jì)算中，再加上坐標(biāo)三個(gè)未知數(shù)，所以至少需要同時(shí)觀測(cè)至少 4 顆 GPS衛(wèi)星。4 個(gè)偽距觀測(cè)值，即需要35. 試說明載波相位觀測(cè)值的組成部分。完整的載波相位觀測(cè)值是由三部分組成的：即載波相位在起始時(shí)刻沿傳播路徑延遲的整周數(shù)N 0 ，和從某一起始時(shí)刻至觀測(cè)時(shí)刻之間載波相位變化的整周數(shù)Int ( ) ，以及接收機(jī)所能測(cè)定的載波相位差非整周的小數(shù)部分Fr ( ) 。36. 簡述動(dòng)態(tài)定位的作業(yè)方法：流動(dòng)站建立一個(gè)基準(zhǔn)站安置接收機(jī)連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星；接收機(jī)先在出發(fā)點(diǎn)上靜態(tài)觀測(cè)數(shù)分鐘，然后流動(dòng)站接收機(jī)從出發(fā)點(diǎn)開始連續(xù)運(yùn)動(dòng)；按指定的時(shí)間和間隔自動(dòng)測(cè)定運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)體位置。37. 廣域差分 :基本思想是對(duì) GPS 觀測(cè)量的誤差源加以區(qū)分，并單獨(dú)對(duì)每一種誤