GPS常识
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第一章 绪论
1、简述GPS系统的特点有哪些？
GPS在测绘工程中应用的优点 P13
●定位精度高 应用实践证明,相对静态定位1小时以上观测解,其平面位置：在300～1500m范围内,绝对误差小于1mm;50km以内相对误差可达10-6;100～500km可达10-7;1000km以上可达10-9。
●观测时间短 随着GPS技术不断完善,目前20km内的相对静态定位,仅需15～20分钟；快速相对静态定位在15km内,观测只需1～2分钟。
●测站间无需通视 GPS测量不要求测站点间互相通视,只需要测站上空开阔即可,因此可节省大量的造标费用。点位可根据需要灵活选定,也可以省去常规测量中过渡点的测量工作,为测绘工作带来极大方便。
●可提供地心坐标 GPS观测可得到地面的三维空间坐标,并得到地面点的地心坐标。
●操作简便 GPS观测自动化程度非常高,作业人员只限于安置仪器,开关仪器,量取仪器高度和监视工作状态,其余都由仪器自动完成。从而减轻测量工作者的劳动强度,使野外工作变得轻松愉快。///
●全天候作业 GPS观测不受时间、地点、气象条件限制,可在每天24小时内的任何时间进行,不受限制。
●功能多、应用广 GPS系统不仅可用于测量、导航,还可以用于测速、测时。就是应用于测绘工程中,也可以实现控制测量、碎部测量和施工放样等多种测绘任务,真正实现了一机多用。///
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GPS定位系统由哪几部分组成的？各部分的作用是什么？
整个GPS系统，它包括三部分：空间部分—GPS卫星及其星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。
●GPS卫星作用* P11
（1）接收地面站发来的导航电文和其他信号；
（2）接收地面站的指令,修正轨道偏差并启动备用设备；
（3）连续不断向地面发送GPS导航和定位信号。///
地面监测系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。
●主控站的作用
主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输等设备,其主要作用为： P12
（1）收集数据 收集本站及各监测站获得的各种数据；
（2）处理数据 处理收集的数据,按一定格式编制成导航电文；
（3）监测协调 控制和协调监测站、注入站和卫星的工作；
（4）控制卫星 修正卫星的运行轨道,发送启动备用设备指令。
●监测站的作用
监测站设有用户接收机、环境数据传感器、原子钟、计算机等。监控站的作用：P12
接收卫星信号,为主控站提供卫星的观测数据。
●注入站的作用
注入站设有3.66m 抛物面天线,固定电路C波段发射机和计算机。注入站主要作用： P12
将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。
●用户接收部分就是 GPS 信号接收机。包括接收机硬件和机内软件以及数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备。其作用如下：P12
捕获卫星信号,(计算出测站的三维位置,或三维速度和时间)达到导航和定位的目的。
第二章 坐标系统和时间系统
1、GPS 定位对坐标系有何要求？定义一个空间直角坐标系条件有哪些?
GPS 定位对坐标系的要求*
●需把卫星与地面点的位置统一在一个坐标系内；
●需采用空间直角坐标系,以便于天球与地球坐标系进行转换；
●天球与地球坐标系的建立上应具有简便的变换关系。///
定义一个空间直角坐标系的条件* P16
●坐标原点的位置；
●三个坐标轴的指向；
●长度单位。
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WGS-84空间直角坐标系的几何定义？
原点位于地球的质心,Z轴指向国际时间局(BIH) 1984.0定义的协议地球极(CTP,Conventional Terrestrial Pole)方向,X轴指向相应零子午面和赤道的交点(经度零点),Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。如图2-3所示。
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简述定义时间系统和时间尺度的条件分别是什么？
◆定义时间系统的条件*
●尺度(时间单位)
●原点(历元)
◆定义时间尺度的条件*
●周期运动；
●该周期是连续稳定的；
●该周期可被观测和实验复现。
第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历
1、开普勒轨道6参数分别是什么？各参数的作用？
● 轨道椭圆长半径a；
● 轨道椭圆第一偏心率e；
a ,e 确定轨道椭圆形状和大小。
●升交点赤经Ω 升交点与春分点所对应的地心夹角称升交点赤经。
卫星由南向北运行与地球赤道面的交点称升交点。///
●轨道面倾角i 卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角；//
Ω , i 确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。
●近地点角距ω 在轨道平面上近地点与升交点所对应的地心夹角。
ω确定轨道椭圆在轨道平面上的定向。
●真近点角V 卫星与近地点所对应地心夹角,是时间的函数。
v确定卫星在椭圆上瞬时位置。
结论：(a, e, Ω, i ,ω, V)称开普勒轨道参数(轨道根数）。除V外另5个参数均是常数,由卫星的发射条件决定的；给定6个轨道根数,即可确定任意时刻 t 的卫星位置及其运动速度。 ///
第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号
1、试述GPS卫星信号的内容及其作用？
GPS卫星播发的信号,包括载波、测距码(包括P码、C/A 码) 、数据码(导航电文)等多种信号分量,以满足用户导航、定位等需要。
载波和测距码是在卫星钟基本频率10.23MHz的控制下产生的;导航电文是接收地面注入站发来的。
载波含义：可运载调制信号的高频震荡波。在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上。
特点： ●所选择的频率有利于测定多普勒频移
●所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响
●选择两个频率可以较好的消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关）
作用 加载和传送码信号,其本身也是重要的测量对象。
测距码概述：现代数字通讯中,普遍使用二进制数(0和1)及其组合来表示各种信
息,称其为码。1位二进制数称1个码元或1比特(bit),每秒钟传输的比
特数称为数码率(波特率)。
测距码的作用：测定站星距离。
数据码,即导航电文,是由地面主控站编制发送给卫星,然后加载在载波上随同测距码一起发送给用户的,相关内容在下节介绍。//
2、C/A码和P码各自特点？
3、简述GPS接收机由哪几个单元组成的？各单元的作用？
用于测绘的GPS接收机一般由天线单元、接收单元(主机)和辅助设备组成,
4、GPS接收机按不同标准的分类有哪些？
第五章 GPS卫星定位基本原理
1、试述GPS测距和单点定位原理？写出方程式。
GPS测距基本原理
设想在卫星上无线电信号发射机在卫星钟的控制下,按预定的方式发射测距信号,在地面待定点上安置信号接受机,在接收机钟的控制下,测得信号到达接收机的时间差(Δt),进而求出站星之间的距离(ρ):
式中,vt为卫星钟差,随导航电文得到;vT为接收机钟改正数,作为未
知变量,定位时一并求解, c为电磁波传播速度。
GPS单点定位的基本原理
在待定点P 上安置GPS接收机,如果在某一时刻同时测得了四颗卫星
s1、s2、s3、s4到P点的距离 则有下式成立。
式中，坐标分别为待定点和卫星的地固空间直角坐标。求解该方程即可得到定点P 的坐标。///
2、按不同分类标准GPS定位可分为哪些？
3、主动式测距和被动式测距的优缺点分别是什么？
现代光电技术测距按是否发射电磁波分主动式和被动式两种方式。
1.主动式测距 如电磁波测距仪,测得往双程距离。
●优点:不要求仪器钟必须和某一时间系统保持一致。
●缺点:用户要发射信号,对军事用户难以隐蔽自己。
2.被动式测距 如GPS测距,测得单程距离。
●优点:用户无需发射信号,随时接收,因而便于隐蔽自己，
●缺点:要求接收机钟和各卫星钟都要和GPS时间系统保持同步。
4、简述多普勒三次差分法中的一次差分分别在哪些观测值间求差？并消除或减弱了哪些误差的影响？
●在卫星间求差分(星际差分)
在观测站k上,接收机同时对卫星S1和S2进行观测。///
结论:星际一次差分消除了接收机钟差, 也削弱电离层、对流层误差影响。
●在观测站间求差分(站际差分)
在测站k1和k2上,同步观测卫星Sj。
结论:站际一次差分消除了卫星钟差,同时也削弱了电离层、对流层误差影响。
●在历元间求差分(历元差分)
在测站k上,对卫星Sj进行ti和ti+1相邻2历元连续观测。///
结论:历元间一次差分消除了卫星和接收机钟差,同时也削弱了电离层、对流层误差影响。特别注意的是还消除了初始整周未知数N0。///
5、产生周跳的原因有哪些？
产生周跳的原因：
●信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪
●仪器故障，导致差频信号无法产生
●卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误
●卫星瞬时故障，无法产生信号
6、SA和AS技术的目的是什么？实施SA和AS技术后对定位有何影响？
SA和AS技术对定位的影响
●降低单点定位的精度； ●降低长距离相对定位的精度；
●给整周未知数的确定带来不便。
第六章、GPS卫星导航
1、 简述导航的三要素分别是什么？
● 起始点和目标点的位置
● 航行体的即时位置
● 航行体的瞬时速度、姿态等状态参数///
2、简述GPS导航和惯性导航各自的优缺点？
GPS导航的优缺点 P96
(1)优点 全球性、全天候、 高精度、三维实时等
(2)缺点
● 星座不完善 卫星星座覆盖不完善,存在着"间隔区"；
● 受机动干扰 GPS接收机的工作受飞行器机动的影响,会定位失锁；
●数据更新率低 高速飞行器,难以满足实时控制的要求。
结论：GPS导航在高可靠性领域,还不能作为唯一的导航设备使用。
惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)优缺点
(1)优点
●不依赖于外部信息； ●不向外部辐射能量(隐蔽性好)；
●不受外界干扰； ●可全天侯、全球性工作；
●连续性好且噪声低； ● 数据更新率高、短期精度好
(2)缺点
●定位误差随时间而增大； ●初始化时间长
●不能给出时间信息； ●设备昂贵
结论：能工作空中、陆地、水下,目前高可靠领域主要导航设备。///
3、简述GPS/惯导综合导航系统的优点？
GPS/惯性综合导航优点 P96
●克服了各自的缺点,导航精度高于两个系统单独工作的精度;
●有效地提高惯导系统的性能和精度;
●提高GPS接收机跟踪卫星的能力及抗干扰性。
结论：GPS/惯性综合,是目前导航技术发展的主要方向。 ///
第七章、GPS测量的误差来源及其影响
1、GPS测量与卫星、信号传播、接收机有关的误差分别有哪些？相应的消减措施有哪些？
与信号传播有关的误差
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电离层折射 P100/101
消减措施
●双频接收 电磁波通过电离层所产生的折射改正数与其频率的平方成反比,利用这一特性当采用双频接收机定位时可有效地减弱其影响。
●相对定位 当测站间的距离不太远(例如20km以内),两测站上空的电离层状况相似,采用差分定位,可以有效地减弱电离层折射影响。
●利用改正模型 建立电离层改正模型,进行修正。对于单频接收机一般采用导航电文提供的电离层模型加以改正。
●选择有利的观测时间 夜间电离层电离现象比白天要弱的多,所以在拟定作业计划时,可选择夜间进行观测。
二.对流层折射
减弱对流层影响的措施 P105
●模型改正 建立对流层模型,进行修正。由于大气的对流作用很强,大气状态变化复杂,所以其影响,难以准确地模型化。
●相对定位 当两观测站相距不太远时(例如<10km),信号通过对流层的路径大体相同,所以采用相对定位时可以明显地减弱其影响。
结论：随着同步观测站之间距离的增大,大气状况的相关性减弱。当距离>100km 时,对流层折射就成为 GPS 定位精度的重要制约因素。//
三.多路径误差 P105
减弱措施
●选择合适的站址 测站应远离大面积平静的水面;不宜选在山坡、山谷和盆地中;附近不应有高层建筑物。
●设置适宜的高度截止角 阻止来自高度截止角以下的信号。
●对天线设置抑径板 阻止来自地面反射的信号。
此外,观测时不要在测站附近停放汽车。地面有草丛、农作物等植被时能较好吸收微波信号的能量,反射较弱,是较好的站址。///
与卫星有关的误差
一.卫星星历误差 P107
减弱措施
●建立卫星跟踪网独立定轨 建立自己的 GPS 卫星跟踪网,进行独立定轨,得到较准确的后处理星历,供精确定位用。
●相对定位 星历误差对相距不太远的两个测站的影响基本相同,所以对于确定两个测站之间的相对位置，基本上不受星历误差的影响。
二.卫星钟误差 P109
消减措施
●导航电文给出参数改正 由主控站测定出钟参数,编入导航电文发布给用户。经钟差改正后, 引起的等效距离偏差不超过6m 。
●相对定位 经改正后的残差,在相对定位中可通过差分法得到消除。
三.相对论效应 P109
减弱措施 P97
事先将卫星钟的频率减小约 0.00455Hz。使其进入轨道受相对论效应影响后,恰与标准频率 10.23MHz 相一致。
与接收机有关的误差
一.接收机钟误差 P110
消减措施
●独立未知数法 通过观测多于3颗卫星信号,把接收机钟差当作独立的未知数,在数据处理中与观测站的坐标参数一并求解。
●相对定位 在卫星间求一次差,可以消除接收机钟差的影响。///
二.天线相位中心位置误差 P111
消减措施
使用同一类型的天线同向安置同步观测, 在相距不远的测站间可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响。
三.天线安置误差 P111
消减措施
在精密定位时,必须仔细操作,以尽量减少这种误差的影响。在变形监测中,应采用有强制对中装置的观测墩。///
2、简述狭义相对论和广义相对论效应使卫星钟发生何种变化？
2.影响
●狭义相对论效应
一个频率f 为的振荡器安装在速度为v的载体上,由于载体的运动,相对于静止的振荡器来说将产生频率变化,其改变量为：
结论:狭义相对论效应使卫星钟比静止在地球上的同类钟走得慢了。//
●广义相对论效应
处于不同重力等位面振荡器,其频率将由于重力位不同而发生变化。
卫星钟与地面钟相比处于较高的引力位,其改变量为:
结论:广义相对论效应使卫星钟比静止在地球上的同类钟走得快了。
●总影响
顾及r、R、v、 、f、c、GM 的具体数值,相对论效应总影响约为:
第八、九章、GPS测量的设计与实施
1、GPS网基准设计的内容有哪些?基准设计应注意的问题有哪些？
基准设计的内容
● 方位基准 一般以给定的起算方位角值确定(如2个起算点);
●尺度基准 一般由电磁波测距边确定,也可由起算点间的距离确定;
● 位置基准 一般都是由给定的起算点坐标确定。
结论:GPS网基准设计,实质上是给定GPS网起算数据,确定其坐标系统。
基准设计注意的问题
● 起算点个数和精度要求 起算点个数一般要求3个,且使新建的GPS网 不受起算点精度较低的影响。
● 起算点边长 起算点间要适当地构成长边图形。
● GPS高程测量 网中1/3点应联测水准高程,且应均匀分布。
● 独立坐标系测量 采用独立坐标系,还应该了解:参考椭球;中央子午 线经度;坐标加常数;坐标系投影面高程及测区平均高程异常值;起算点的坐标值等。 ///
2、GPS网形设计原则是什么？
布网设计的遵循的原则 P121
●便于常规测量应用 GPS网点间虽不要求相互通视,但要考虑到常规
测量应用,因此一般要求每个点应有一个联测通视方向。
●坐标系统一致性 充分利用测区原有控制点,使新建的坐标系统与原
有坐标系统保持一致。
●构成闭合环路 由非同步观测边构成闭合或附和线路。///
3、同步网间的连接方式有哪些？各自的特点及适应的情况？
同步环间的连接方式
●点连接 两个同步环之间只有一个共同点连接的异步环。
特点:连接效率高,当接收机数目较少(2、3台),为推荐的连接方式;但
图形强度较弱,极少有非同步闭合条件。
●边连接 两个同步网之间有一条公共基线边来连接的异步环。
特点:比点连接效率低,但可靠性高, 在精确测量或接收机数较多(4台
以上)时,主要连接方式。
●网连接 相邻同步环之间有2个以上公共点连接。
特点:强度和可靠性高,但效率较低,接收机需4台以上,高精度测量使用。
●边点混合连接 相邻同步环有的采用点连接,有的采用边连接。
特点:灵活、可靠性好,是理想的布网观测方案。
4、GPS数据处理的目的和特点？
数据处理的目的
将野外采集的原始GPS数据,以最佳的方法进行平差,归算到参考椭球面上,并投影到所采用的平面(例如高斯平面),最终得到点所在坐标系的准确位置。 ///
数据处理的特点
●数据量大 按15s采集间隔计算,1台接收机观测1h有240组数据,每组数据含有对若干颗卫星信号数据,定位时使用多台接收机同步观测;
●处理过程复杂 从GPS原始数据到最终定位成果,需要对大量数据进行组织、检验、计算和分析处理,处理过程非常复杂;
●数学模型多样 GPS定位技术是新兴技术, 对同一问题的处理方法也不尽相同,这就使得数据处理使用的数学模型和算法具有多种形式;
●自动化程度高 鉴于以上特点,随着软件水平的不断提高, 数据处理一般借助相应的软件完成,自动化程度越来越高。
5、简述南方测绘GPS4.4数据处理软件" 数据处理过程？
运行数据处理软件
1.新建项目
给处理的数据起文件名。
2.增加观测数据文件
将待处理的观测数据文件读入软件系统中。
3.基线解算
解算所有基线向量, 区分合格和不合格的基线,是数据处理的关键。
4.数据录入
输入已知点坐标,给定约束条件。
5.平差处理
进行网型无约束平差和通过已知点进行约束平差。
6.成果输出
将文件保存或打印输出计算成果。
6、数据处理中基线不合格,重新设置历元间隔和高度截止角的原则？
历元间隔的设置原则
●同步观测时间较短时,可缩小历元间隔,反之,应增加历元间隔；
●数据周跳较多时,要增加历元间隔,跳过中断的数据继续解算。///
高度截止角的设置原则
●当卫星数目足够多时,增加高度截止角,屏蔽低空卫星数据参与解算;
●当卫星数目不多时,降低高度截止角,让更多的卫星数据参与解算。///
第十章、GPS应用
GPS可以应用在哪些方面？
大地控制测量、精密工程测量及变形监测、航空摄影测量、线路勘测及隧道贯通测量、地形、地籍及房产测量、海洋测绘、智能交通系统、地球动力学及地震研究、气象信息测量、航海航空导航、农业领域、林业管理、旅游及野外考察。
名词解释：
春分点 当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时,黄道与天球赤道的交点 (从北向南的交点为秋分点)
真近点角 真近点角V 卫星与近地点所对应地心夹角,是时间的函数。
升交点赤经 升交点赤经Ω 升交点与春分点所对应的地心夹角称升交点赤经。 卫星由南向北运行与地球赤道面的交点称升交点。///
近地点角距 近地点角距ω 在轨道平面上近地点与升交点所对应的地心夹角。
卫星无摄运动 只考虑地球质心引力作用的卫星运动。
卫星星历 描述卫星运行轨道和状态的各种参数值,是计算卫星瞬时位置的依据,实质就是赋值后的轨道参数。
广播星历 由接收导航电文获得的卫星星历,也称作预报星历。
导航电文 是利用GPS进行定位和导航的数据基础,包含卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码信息等。
伪距 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到的站星距离。
伪距测量 通过测定测距码得到站星距离的方法。
载波相位测量
绝对定位 又称单点定位,确定待定点在WGS-84坐标系中的绝对位置。
相对定位 定位时,采用2台或2台以上接收机,同步观测相同的GPS卫星,确定接收机天线之间的相对位置。
静态定位
动态定位
基线 两测量点之间的连线,在此2点上同步接收相同的GPS卫星信号,并采集其观测数据。
观测时段 测站上开始接收卫星信号到观测停止,连续工作的时间段。
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。
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构成的闭合环,简称同步环。///
异步观测环 在构成多边形环路的所有基线中,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。
独立观测环 由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环。
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