GPS原理與應(yīng)用期末復(fù)習(xí)整理配圖

1、第一章GPS相對(duì)于其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)的特點(diǎn)：1）功能多，用途廣；2) 定位精度高；3) 實(shí)時(shí)定位；GPS定位技術(shù)相對(duì)于常規(guī)測量技術(shù)的特點(diǎn)：1）測站間無需通視；2）定位精度高；3）觀測時(shí)間短；4)提供三維坐標(biāo)；5）操作簡便；6）全天候作業(yè)。 回答：全能性、全球性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的也各 1 分。GPS系統(tǒng)組成：空間星座部分：24顆衛(wèi)星提供星歷和時(shí)間信息；發(fā)射偽距和載波信號(hào)；提供其他輔助信息。地面監(jiān)控部分：中心控制系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步；跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌。用戶設(shè)備部分：接收并觀測衛(wèi)星信號(hào)；記錄和處理數(shù)據(jù)；提供導(dǎo)航定位信息。GPS 系統(tǒng)包括三大部分：空間部分GPS 衛(wèi)星星座；地面控制部分地 面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶

2、部分GPS 接收機(jī)?？臻g部分：21顆工作衛(wèi)星及3顆備用衛(wèi)星組成，它們均勻分布在6個(gè)近似圓形軌道上。地面監(jiān)控系統(tǒng)：一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站。監(jiān)測站：是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心；主控站主要協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)工作；注入站：主要任務(wù)是在主控站的控制下將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、種差、導(dǎo)航電文和其他控制指令信息等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并能檢測注入信息的正確性。 用戶設(shè)備部分：主要任務(wù)是接收衛(wèi)星發(fā)射的信息。GPS的應(yīng)用前景：原理：在精密工程測量方面，利用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，布設(shè)精密工程控制網(wǎng)，應(yīng)用：用于城市、礦區(qū)和油田地面沉降檢測、大壩變形檢測、高層建筑物變形檢測、隧

3、道貫通測量等精密工程。前景：亦可用于加密測圖控制點(diǎn)，應(yīng)用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)測繪各種比例尺地形圖和施工放樣。第二章天球：是以地球質(zhì)心M為中心，半徑r為任意長的一個(gè)假象的球體。天球坐標(biāo)系：是一種慣性坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)及各坐標(biāo)軸指向在空間保持不變，用于描述衛(wèi)星運(yùn)行位置和狀態(tài)。歲差：地球的形體接近一個(gè)赤道隆起的橢球體，在日月引力和其他天體引力對(duì)地球隆起部分的作用下，地球自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移現(xiàn)象，在天文學(xué)中稱為歲差。章動(dòng)：在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，形成橢圓軌跡，其長半徑約為9.2，周期約為18.6年。極移：地球自轉(zhuǎn)軸受到地球內(nèi)部質(zhì)

4、量不均勻影響而在地球體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致極移。地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)地球體的位置并不是固定的，因而，地極點(diǎn)在地球表面上的位置是隨時(shí)間而變化的。這種現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)，簡稱極移。WGS-84坐標(biāo)系如何建立：WGS-84坐標(biāo)系的原點(diǎn)為地球質(zhì)心M；Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極；X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與相應(yīng)的赤道交點(diǎn)；軸垂直于平面，且與、軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。時(shí)間的概念：包含“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”時(shí)刻：發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。時(shí)間間隔：發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時(shí)刻之差。一般來說，任意一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，只要符合以下要求，即可以用來確定時(shí)間的基準(zhǔn)：運(yùn)動(dòng)應(yīng)是連續(xù)的，具有周期性的；運(yùn)

5、動(dòng)的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性；運(yùn)動(dòng)的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性。世界時(shí)：以平子夜為零時(shí)起算的格林威治平太陽時(shí)稱為世界時(shí)。原子時(shí)：以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的特征為基礎(chǔ)；國際上大約有一百座原子鐘，通過相互對(duì)比和經(jīng)數(shù)據(jù)處理，推算出統(tǒng)一的原子時(shí)間系統(tǒng)，稱為國際原子時(shí)。力學(xué)時(shí)：在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體動(dòng)力學(xué)理論建立的運(yùn)動(dòng)方程而計(jì)算的，而運(yùn)動(dòng)方程中所采用的獨(dú)立變量是時(shí)間參數(shù)T，這個(gè)數(shù)學(xué)變量T被定義為力學(xué)時(shí)。協(xié)調(diào)世界時(shí)：為避免播發(fā)的原子時(shí)與世界時(shí)之間產(chǎn)生過大的偏差而給應(yīng)用者帶來不便，采用以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)的一種折中的時(shí)間系統(tǒng)。簡稱協(xié)調(diào)時(shí)。大地經(jīng)緯度：大地精度與大地緯度的合稱。黃道：地球繞太

6、陽公轉(zhuǎn)的軌道平面與天球相交的大圓。春分點(diǎn)：當(dāng)太陽在黃道上從太陽南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)。赤經(jīng)：從春分點(diǎn)沿著天赤道向東到天體時(shí)圈與天赤道的交點(diǎn)所夾的角度。第三章攝動(dòng)力：也稱非中心引力，它包括地球非球形對(duì)稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力及地球潮汐作用力等。二體問題：忽略所有的攝動(dòng)力，僅考慮地球知心引力來研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，稱為二體問題。意義：二體問題下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)雖然是一個(gè)近似描述，但它能得到衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程的嚴(yán)密解。其次，研究各種攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響量值，并對(duì)衛(wèi)星的無攝軌道加以修正，從而確定衛(wèi)星受攝運(yùn)動(dòng)軌道的瞬時(shí)特征。開普勒第一定律：衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓，而該橢圓的一個(gè)焦

7、點(diǎn)與地球的質(zhì)心重合。開普勒第二定律：衛(wèi)星在過地球質(zhì)心的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其向徑在相同的時(shí)間內(nèi)所掃過的面積相等。開普勒第三定律：衛(wèi)星運(yùn)行周期的平方，同軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量，而該常量等于地球引力常數(shù)GM的倒數(shù)。開普勒軌道六參數(shù)：as軌道橢圓的長半軸、es軌道橢圓的偏心率、升交點(diǎn)的赤經(jīng)、i軌道的傾角、ws近地點(diǎn)的角距、fs衛(wèi)星的真近點(diǎn)角。地球引力場攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)有哪些影響衛(wèi)星在運(yùn)行中除了受地球中心引力Fs的作用外，還受以下各種攝動(dòng)力的影響，因此必須使衛(wèi)星軌道產(chǎn)生攝動(dòng)。（1） 地球體的非球性及其質(zhì)量分布不均勻而引起的作用力，即地球的非中心引力Fn（2） 太陽引力Fs和月球引力Fn（3） 太陽

8、光的直射和間接輻射壓力Fr（4） 大氣阻力Fa（5） 地球潮汐的作用力（包括海洋潮汐和地球潮汐所引起的作用力）（6） 磁力及其他作用力GPS導(dǎo)航電文：GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要包括：衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正，電離層延遲改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)信息以及由C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息。導(dǎo)航電文的內(nèi)容：1.遙測碼：位于子幀的開頭，用來表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)。2.轉(zhuǎn)換碼：位于每個(gè)子幀的第二個(gè)字碼。3.第一數(shù)據(jù)塊：位于第1個(gè)子幀的第310字碼，主要包括：標(biāo)識(shí)碼、時(shí)延差改正、星期序號(hào)、衛(wèi)星的健康狀況、數(shù)據(jù)齡期及衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)等。時(shí)延差改正：就是載波L1、L2的電離層時(shí)延差。數(shù)據(jù)齡期AOD

9、C：是時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔。4.第二數(shù)據(jù)塊：導(dǎo)航電文的第2和第3子幀，內(nèi)容為衛(wèi)星星歷，是主要電文，包括：開普勒軌道系數(shù)；軌道攝動(dòng)9參數(shù)；時(shí)間參數(shù)。5.第三數(shù)據(jù)塊：包括4、5兩個(gè)子幀，內(nèi)容包括GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。GPS衛(wèi)星信號(hào)組成：測距碼信號(hào)，導(dǎo)航電文信號(hào)以及載波信號(hào)。跳變：在衛(wèi)星信號(hào)中斷時(shí)，將丟失In（）中的一部分整周數(shù)，稱其為整周跳變，簡稱周跳。SA技術(shù)：它包括對(duì)信號(hào)基準(zhǔn)頻率的技術(shù)，對(duì)導(dǎo)航電文技術(shù)，對(duì)P碼的加密技術(shù)。第四章 GPS絕對(duì)定位是以地球質(zhì)心為參考點(diǎn)，確定接收機(jī)天線在WGS-84坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。GPS絕對(duì)定位的基本原理是：以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離觀測量為基準(zhǔn)，

10、根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來確定用戶接收天線所處的位置。GPS絕對(duì)定位的實(shí)質(zhì)是空間距離后方交會(huì)，在一個(gè)測站上，至少應(yīng)有4個(gè)同步偽距觀測量，即必須同步觀測4顆以上衛(wèi)星GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位：是用兩臺(tái) GPS 接收機(jī)，其中一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上固定不動(dòng)，另一臺(tái)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上，兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測相同的衛(wèi)星，并在觀測值之間求差，以消除具有相關(guān)性的誤差，提高定位精度。而運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位置是通過確定該點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)站的位置來實(shí)現(xiàn)的。這種定位方法亦可稱為差分GPS定位。差分動(dòng)態(tài)定位：由用戶基準(zhǔn)站發(fā)送的改正數(shù)，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行改正以獲得精密定位的結(jié)果。簡述單基準(zhǔn)差分、區(qū)域差分、廣域差分的優(yōu)缺點(diǎn)。 單基準(zhǔn)差分：Y 結(jié)

11、構(gòu)和算法比較簡單 N該法前提是要求用戶站誤差和基準(zhǔn)站誤差有強(qiáng)相關(guān)性。因此定位精度將由用戶站與基準(zhǔn)展之間的距離而迅速降低。 區(qū)域差分：Y比單基可靠和精度均有提高；N只有用戶站距離基準(zhǔn)站不太遠(yuǎn)時(shí)，才能獲得較好的精度。還有某些區(qū)域無法永久性設(shè)站的問題。 廣域差分：Y主站、監(jiān)測站與用戶站從100KM到200KM，廣域GPS網(wǎng)比區(qū)域GPS網(wǎng)需要的檢測站數(shù)量少，投資小，精度分布均勻。覆蓋區(qū)域廣。N 廣域差分GPS系統(tǒng)使用的硬件設(shè)備及通信工具昂貴，技術(shù)復(fù)雜運(yùn)行和維持費(fèi)用比區(qū)域差分GPS高得多。 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分有哪幾種方法？并說明各自特點(diǎn)。（1） 測碼偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位：可消除部分系統(tǒng)誤差，可大大提高定位精度。（

12、2） 測相偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，快速且精度高。（3） 載波相位差分：偽距差分原理：利用基準(zhǔn)站一直坐標(biāo)求出測站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測量距離比較，然后利用一個(gè)濾波器將此差值濾波并求出其偏差，再將所有衛(wèi)星的測距誤差傳給用戶。用戶利用測距誤差來改正測量的偽距，進(jìn)而利用改正后的偽距求出自身的坐標(biāo)。位置差分原理：利用暗指在已知點(diǎn)上的GPS接受機(jī)，對(duì)四顆或四顆以上的衛(wèi)星觀測，求出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)（X，Y，Z）。由于存在著衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘誤差、大氣折射等誤差的影響，該坐標(biāo)與已知坐標(biāo)（X，Y，Z）不一致，必然存在誤差。載波相位差分原理：在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并通過無線電設(shè)備實(shí)時(shí)的

13、將觀測數(shù)據(jù)及測站坐標(biāo)信息傳送給用戶，用戶站一方面通過姐說GPS衛(wèi)星信號(hào)，另一方面通過無線電設(shè)備接受基準(zhǔn)站傳送信息，根據(jù)相對(duì)定位原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)的以厘米級(jí)的精度給出用戶站三維坐標(biāo)。第五章試述GPS測量定位中誤差的種類，并說明產(chǎn)生的原因：A）與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差：GPS衛(wèi)星星歷誤差：衛(wèi)星在于興中收到多種攝動(dòng)力的影響，屬于系統(tǒng)誤差。1）星歷誤差的來源：廣播星歷和實(shí)測星歷。2）星歷誤差對(duì)定位精度的影響：對(duì)單點(diǎn)定位的影響，對(duì)相對(duì)定位的影響。3）削弱星歷誤差的方法：建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立測軌；采用軌道改進(jìn)法（半短弧法、短弧法、同步求差法）。衛(wèi)星鐘誤差：衛(wèi)星的鐘差不但包括鐘差，頻偏、頻飄等誤差，還包括鐘

14、內(nèi)誤差相對(duì)論效應(yīng)：由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)不同而引起的。B）與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差：電離層：電離層中氣體分子受輻射影響，空氣電離形成自由電子和正離子GPS信號(hào)路徑。減弱電離層影響的措施：利用雙頻觀測量；利用電離層改正模型；利用同步觀測量求差；利用有利觀測時(shí)段。對(duì)流層：濕分量的影響值較小，無法用地面觀測站來確定傳播路徑上的大氣參數(shù)。多路徑效應(yīng)：接收機(jī)天線除能直接姐說衛(wèi)星的信號(hào)外，還可能接收到天線周圍物體或地面反射的衛(wèi)星信號(hào)。兩種信號(hào)的疊加將引起天線相位中心位置的遷移，從而使觀測量產(chǎn)生誤差。而這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，無法控制。削弱多路徑效應(yīng)的措施：1）選擇合適的站址：測站應(yīng)遠(yuǎn)離

15、大面積平靜的水面；測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中；測站應(yīng)遠(yuǎn)離高層建筑物。2）對(duì)接收天線的要求：在天線中設(shè)置抑徑板；接收天線對(duì)于極化特性不同的反射信號(hào)應(yīng)該有較強(qiáng)的抑制作用；長時(shí)間的觀測。3）數(shù)據(jù)處理方面：加權(quán)法、濾波，在算法上可進(jìn)行優(yōu)化。C）與接收機(jī)有關(guān)的誤差：主要包括觀測誤差、接收機(jī)鐘誤差、天線相位中心位置誤差及載波相位觀測的整周不穩(wěn)定性影響。觀測誤差：信號(hào)分辨誤差、接收機(jī)天線的安置誤差。接收機(jī)鐘誤差：GPS接收機(jī)采用的高精度石英鐘和衛(wèi)星鐘之間的同步差造成的天線相位中心位置偏差：天線的相位中心隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向的不同有所變化。D）其他誤差來源：地球自轉(zhuǎn)的影響；地球潮汐改正。改正誤差的通

16、用措施：1） 模型法：建立系統(tǒng)誤差模型，對(duì)觀測量進(jìn)行修正；2）參數(shù)法：引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中同其他未知參數(shù)一并求解；3）將不同觀測站對(duì)相同衛(wèi)星進(jìn)行的同步觀測值求差。第六章各級(jí)GPS測量的用途：AA級(jí)主要用于全球性的地球動(dòng)力學(xué)研究、地殼形變測量和精密定軌；A級(jí)主要用于區(qū)域性的地球動(dòng)力學(xué)研究和地殼形變測量。AA級(jí)、A級(jí)也是建立地心參考框架的基礎(chǔ)。B級(jí)主要用于局部變形測量和各種精密工程測量。同時(shí)AA、A、B級(jí)也是建立國家空間大地測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)。C級(jí)主要用于大、中城市及工程測量的基本控制網(wǎng)。D、E級(jí)主要用于中、小城市、城鎮(zhèn)及測圖、地籍、土地信息、房產(chǎn)、物探、勘測、建筑施工控制測量等。GPS

17、網(wǎng)的基準(zhǔn)包括位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。在基準(zhǔn)設(shè)計(jì)中注意四個(gè)問題：（1）為求定GPS點(diǎn)再地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，應(yīng)在地面坐標(biāo)系中選定起算數(shù)據(jù)和聯(lián)測原有地方控制點(diǎn)用以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。（2）為確保GPS網(wǎng)進(jìn)行約束平差后坐標(biāo)精度的均勻性以及減少尺度比誤差影響，對(duì)GPS網(wǎng)內(nèi)重合的高等級(jí)國家點(diǎn)或原城市等級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)，應(yīng)對(duì)他們構(gòu)成圖形觀測。（3）GPS網(wǎng)經(jīng)平差計(jì)算后，即可得到GPS點(diǎn)在地面參照坐標(biāo)中的大地高程，但要獲得GPS點(diǎn)的正常高程，可根據(jù)具體情況聯(lián)測高程控制點(diǎn)，聯(lián)測的高程控制點(diǎn)均需均勻分布于網(wǎng)中。（4）新建GPS網(wǎng)的坐標(biāo)系應(yīng)盡量與測區(qū)已有的坐標(biāo)系統(tǒng)一致。GPS網(wǎng)圖形構(gòu)成的幾個(gè)基本概念：同步觀測：兩臺(tái)或兩臺(tái)以上接收機(jī)同時(shí)對(duì)同一組衛(wèi)星進(jìn)行的觀測。同步