GPS原理與應(yīng)用復(fù)習(xí)題及參考答案

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）（請在答題紙上判斷題答題區(qū)域作答）1.（ ）對于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. （ ）圖形強度因子是一個直接影響定位精度、但又獨立于觀測值和其它誤差之外的一個量。其值恒大于1，最大值可達(dá) 100，其大小隨時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）（請在答題紙上判斷題答題區(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）（請在答題紙上填空題答題區(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，其中C級網(wǎng)的相鄰點之間的平均距離為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. 三臺或三臺以上接收機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)星信號被暫時阻擋，或受到

4、外界干擾影響，引起衛(wèi)星跟蹤的暫時中斷，使計數(shù)器無法累積計數(shù)，這種現(xiàn)象叫 周跳 。7. 在接收機和衛(wèi)星間求二次差，可消去兩測站接收機的 相對鐘差 改正。8. 利用GPS進(jìn)行定位有多種方式，如果就用戶接收機天線所處的狀態(tài)而言，定位方式分為 靜態(tài) 定位和 動態(tài) 定位；若按參考點的不同位置，又可分為 單點 定位和 相對 定位。9.GPS衛(wèi)星信號是由 載波 、 導(dǎo)航電文 、和 測距碼 三部分組成的。 10.對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間的相對鐘差 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、時鐘改正、電離層時延改正、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沿過此點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接收機靜置在固定測站上，觀測數(shù)分鐘至2小時或更長時

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，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個修正量實時或事后發(fā)送給用戶，對用戶的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高GPS定位精度。5.相對論效應(yīng)由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的重力位不同，運動速度不同而引起兩臺鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的現(xiàn)象。 6.單點定位 單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式。 也稱為“絕對定位”。7.同步觀測環(huán) 三臺或三臺以上接收機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沿過此點的地球橢球面的法線到地球橢球面的

7、距離9.偽距 GPS定位采用的是被動式單程測距。它的信號發(fā)射時刻是由衛(wèi)星鐘確定的，收到時刻則是由接收機鐘確定的，這就在測定的衛(wèi)星至接收機的距離中，不可避免地包含著兩臺鐘不同步的誤差影響，所以稱其為偽距。10.衛(wèi)星星歷誤差 由星歷所計算得到的衛(wèi)星的空間位置與實際位置之差稱為衛(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)星信號若進(jìn)入GPS接收機就將與直接進(jìn)入接收機的信號產(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，避開信號反射物。例如：（1）選設(shè)點位時應(yīng)遠(yuǎn)離平靜的水面，地面有草叢、農(nóng)作物等植被時能較好吸收微波信號的能量，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，觀測時也不要在測站附近停放汽車。2.簡述GPS選點時對測站的基本要求。（15分）（1）點位的選擇應(yīng)符合技術(shù)設(shè)計要求，并有利于其它測量手段進(jìn)行擴展與聯(lián)測；（2）點位的基礎(chǔ)應(yīng)堅實穩(wěn)定，易于長期保存，并應(yīng)有利于安全作業(yè)；（3）點位應(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）點位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、

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，以避免周圍磁場對衛(wèi)星信號的干擾；（5）點位附近不應(yīng)有對電磁波反射（或吸收）強烈的物體，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及其標(biāo)石，但利用舊點時應(yīng)檢查舊點的穩(wěn)定性、完好性，符合要求方可利用；（8）選好點后應(yīng)按合理的方法給GPS點編號。此外，有時還需考慮測區(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)的實際情況， GPS點宜布設(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)明各個符號的含義。（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接收機鐘差，為GPS衛(wèi)星鐘差，為電離層延遲，為對流層延遲，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)星和接收機的硬件延遲。受硬件延遲的影響，該項不具有整數(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)星所計算出來的衛(wèi)星軌道與實際軌道的差別。(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與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的誤差。(3) 相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機鐘所處的狀態(tài)不同(運動速度和重力位不同)而引起兩臺鐘之間發(fā)生相對鐘差的現(xiàn)象。(4) 衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實相位中心之間的差異。2.與信號傳播有關(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、但符號相反。(2) 對流層延遲 對流層是高度為50km以下的大氣層。對流層對電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號的傳播速度發(fā)生變化，傳播路徑發(fā)生變化，這種變化稱為對流層延遲。對流層對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 接收機周圍的物體表面反射達(dá)到接收機的信號，使得接收機所接收到的衛(wèi)星信號中還包含有反射和折射信號的影響，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) 接收機鐘差 與衛(wèi)星鐘一樣，接收機也有鐘差。接收機鐘差是GPS接收機所使用的鐘的鐘面時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時之間的差異。 (2) 接收機天線相位中心的偏差和變化GPS接收機天線的標(biāo)稱相位中心與其真實的相位中

14、心之間的差異為接收機 天線相位中心的偏差。(3) 接收機噪聲在用GPS接收機測量時，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。（15分）在接收機跟蹤GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測的過程中，常常由于多種原因（例如接收機天線被阻擋、外界噪聲信號的干擾等），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)星信號被某障礙物阻擋而無法到達(dá)接收機；由于外界干擾或接收機所處的動態(tài)條件惡劣而引起衛(wèi)星信號的暫時失鎖等。周跳的特點為：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?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)擬合方法對于雙頻接收機，可以利用雙頻觀測值直接計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。另外可以利用實測雙頻觀測值建立局部或全球的TE