GPS測量原理及應用考試重點

1、GPS測量原理及應用考試重點第一講：現(xiàn)有的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)包括哪些？GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)/GLONASS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)/伽利略GNSS系統(tǒng)/compass導航定位系統(tǒng)GPS全球定位系統(tǒng)的組成？3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)；用戶設(shè)備部分-GPS信號接收機。GPS全球定位系統(tǒng)的三大主要功能？定位、授時、測速。GPS應用軍事上的應用：協(xié)同作戰(zhàn)方面：GPS可為各級指揮系統(tǒng)提供各種目標及事件所發(fā)生的時間和地點；導彈的制導，提高命中目標的精度；搜索、救援人員野外定位。海陸空的導航應用：海洋運輸，利用GPS提供的位置信息，選擇最佳路徑，節(jié)省時間，燃料，并保障安全；陸地車輛導航

2、。定位：大地測量和工程測量的應用。授時：電力系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電。其他：農(nóng)業(yè)、氣象（預報）、休閑等，例如精細農(nóng)業(yè)。第二講：坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)描述衛(wèi)星和地面觀測站的空間位置，應分別采用何種坐標系？原因是什么？1， 描述衛(wèi)星的位置天球坐標系2， 描述地球上的點的位置地球坐標系3， 原因：P16GPS系統(tǒng)使用的是哪種坐標系統(tǒng)？WGS-84坐標系統(tǒng) P22目前使用的時間系統(tǒng)有哪些主要分類？恒星時和太陽時：地球的周期性自轉(zhuǎn)。歷書時：地球的周期性公轉(zhuǎn)。原子時：原子核外電子能級躍遷時輻射的電磁波的頻率。P28恒星時：選取春分點作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統(tǒng)。太陽時：選取太陽作為參考點，用

3、它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統(tǒng)。平太陽時：以平太陽的周日視運動為基礎(chǔ)建立的時間系統(tǒng)。第三講：衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星的受攝運動與無攝運動：P3236二體問題：P32二體問題：將地球和衛(wèi)星視為兩個質(zhì)點，僅考慮地球質(zhì)心引力研究衛(wèi)星運動規(guī)律。6個積分常數(shù)：a-為開普勒橢圓的長半徑 ；es 軌道橢圓的偏心率；i 軌道傾角，即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角； 升交點赤經(jīng)，即在地球赤道平面上升交點與春分點之間的地心夾角，它是衛(wèi)星由南向北運行時，其軌道通過赤道面的交點；ws 近地點角距，即在軌道平面上升交點與近地點之間的地心角距；fs 衛(wèi)星的真近點角，即在軌道平面上衛(wèi)星與近地點之間的

4、地心角距。衛(wèi)星的受攝運動在攝動力的影響下，衛(wèi)星偏離理想軌道的運動。地球的非中心引力地球的非球性及其質(zhì)量分布不均勻而引起的作用力。太陽的輻射壓力與衛(wèi)星、太陽、地球之間的相對位置有關(guān)，與衛(wèi)星的反射特性，衛(wèi)星的解面積質(zhì)量比有關(guān)。大氣阻力取決于大氣密度，衛(wèi)星的斷面與質(zhì)量比，衛(wèi)星的速度。磁力（衛(wèi)星在地球的磁場中運動產(chǎn)生的電磁力）?？紤]了攝動力后，衛(wèi)星的軌道參數(shù)隨時間變化，不再為常數(shù)。衛(wèi)星在地球質(zhì)心引力和各種攝動力總的影響下的軌道參數(shù)稱為瞬時軌道參數(shù)。衛(wèi)星運動的真實軌道稱為衛(wèi)星的攝動軌道或瞬時軌道。瞬時軌道不是橢圓，軌道平面在空間的方向也不是固定不變的。衛(wèi)星受到的攝動力：P36衛(wèi)星星歷的概念與分類：P39

5、衛(wèi)星星歷：一組對應某一時刻的軌道參數(shù)及其變率。由星歷可計算出任一時刻的衛(wèi)星位置及其速度。分類：預報星歷（廣播星歷）、后處理星歷（精密星歷）。第四講：GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號衛(wèi)星星歷、導航電文與衛(wèi)星信號的關(guān)系：衛(wèi)星信號：衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的調(diào)制波，包含載波；測距碼；數(shù)據(jù)碼。導航電文包括：衛(wèi)星星歷；時鐘改正；電離層時延改正；工作狀態(tài)信息；C/A碼轉(zhuǎn)換捕獲P嗎的信息等。衛(wèi)星星歷：描述衛(wèi)星運動軌道的信息(1)開普勒6參數(shù) (2)軌道攝動9參數(shù) (3)時間2參數(shù)星歷參考時刻 &星歷數(shù)據(jù)齡期。GPS衛(wèi)星信號主要由哪幾部分組成？它們相互之間有什么關(guān)系？GPS衛(wèi)星信號：是GPS衛(wèi)星向廣大用

6、戶發(fā)送的用于導航定位的調(diào)制波。包括： 1. 載波 2. 測距碼（C/A碼和P碼） 3. 數(shù)據(jù)碼（D碼，導航電文）測距碼作用：1給用戶傳送導航電文（D碼）；2用于測量信號接收天線和GPS衛(wèi)星之間的距離；3用于識別來自不同GPS衛(wèi)星而同時到達接收天線的GPS信號。GPS衛(wèi)星導航電文中主要包含哪些信息？衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、工作狀態(tài)信息、C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息、其它衛(wèi)星的星歷。使用L 波段的優(yōu)點：減少擁擠，避免“撞車” - 頻率占用率低適應擴頻，傳送寬帶信號；衛(wèi)星高軌運行能獲較大的多普勒頻移- 有利于測量用戶的行駛速度；大氣衰減小，有益于研制用戶設(shè)備 。第四講：GPS信號接收機G

7、PS信號接收機概念：一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星導航定位信號的無線電接收設(shè)備，既具有無線電接收設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理微弱的GPS衛(wèi)星信號的特性。GPS接收機的組成（三部分）：P53最下面一段。GPS接收機信號通道的類型：P53中間部分。按通道數(shù)分：多通道接收機：具有多個信號通道，每個通道只能連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號。序貫通道接收機：通常只有12個通道，在軟件控制下，按時序依次對衛(wèi)星信號進行跟蹤和量測。量測一個循環(huán)所需時間較長。多路多用通道接收機：通常只有12個通道，在軟件控制下，按時序依次對衛(wèi)星信號進行跟蹤和量測。量測一個循環(huán)所需時間較短。 GPS接收機的主要任務：當GPS

8、衛(wèi)星在用戶視界升起時，捕獲到待測衛(wèi)星，并能夠跟蹤這些衛(wèi)星的運行；對所接收到的GPS信號，具有變換、放大和處理的功能，測量出信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間；解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。GPS接收機的工作原理：碼相關(guān)技術(shù)、平方技術(shù)、綜合型技術(shù)。碼相關(guān)技術(shù)的特點：優(yōu)點： - 既可進行偽距測量，又可進行載波相位測量，并能獲得導航電文 - 良好的信噪比缺點：- 用戶須掌握偽隨機碼的結(jié)構(gòu)。但由于美國的SA政策，一般用戶無法采用碼相關(guān)技術(shù)獲得L2載波的觀測值，因而不能通過雙頻技術(shù)來減弱電離層折射的影響GPS信號接收機基本性能檢驗的方法：1. 零基線檢驗2

9、. 超短基線檢驗第五講：GPS衛(wèi)星定位基本原理（一）GPS衛(wèi)星定位的基本原理：P58 作業(yè)本。碼相關(guān)偽距測量的原理：衛(wèi)星依據(jù)自己的時鐘發(fā)出一個測距碼，經(jīng)過時間后到達接收機；接收機產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的復制碼，并通過時延器使其延遲時間；將兩組測距碼進行相關(guān)處理，直到兩組測距碼的自相關(guān)系數(shù) R()=1為止，此時，復制碼已和測距碼對齊，復制碼的延遲時間 就等于衛(wèi)星信號的傳播時間；將 乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機的偽距。偽距測量的原理：P59三種時間系統(tǒng)：各顆GPS衛(wèi)星的時間標準；各臺GPS信號接收機的時間標準；統(tǒng)一上述時間標準的GPS時間系統(tǒng)。 偽噪聲碼從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間： 偽噪聲碼從衛(wèi)

10、星到達接收天線的時元T 偽噪聲碼在其衛(wèi)星的發(fā)射時元tdt 衛(wèi)星時鐘相對于GPS時間系統(tǒng)的時間偏差（可根據(jù)導航電文求得）dT 接收機時鐘相對于GPS時間系統(tǒng)的時間偏差（接收機鐘差）根據(jù)圖示標出偽噪聲碼的真實傳播時間與觀測時間：偽噪聲碼的真實傳播時間：(tr-ts)衛(wèi)星到接收天線的真實距離：衛(wèi)星到接收天線的“偽距（pseudorange）”：考慮電離層/對流層影響的偽距值：C (dt dT ) 時鐘偏差引起的距離偏差；dion電離層效應引起的距離偏差；dtrop對流層引起的距離偏差。在載波相位測量中，確定整周未知數(shù)主要有哪些方法？P63偽距測量和載波相位測量的觀測方程中各項的意義，以及兩個觀測方程

11、的聯(lián)系？P61偽距測量的基本方程：上式中有4個未知數(shù)（用戶三維坐標和接收機的鐘差dT ）。這樣在任何一個觀測瞬間，用戶至少需要同時觀測4顆衛(wèi)星，以便解算4個未知數(shù)。載波相位測量的觀測方程：接收機 k 對衛(wèi)星 j 的載波相位測量的觀測方程： f：接收機產(chǎn)生的固定參考頻率 c: 光速 ：衛(wèi)星至接收機之間的距離（未知數(shù)） 1：電離層影響 2：對流層影響 ta ：衛(wèi)星鐘差 tb ：接收機鐘差（未知數(shù)）偽距測量與載波相位測量的觀測方程的聯(lián)系：由于l=c/f，則：所以，得：第五講：GPS衛(wèi)星定位基本原理（二）GPS絕對定位與相對定位的概念:GPS絕對定位：也叫單點定位，即直接確定用戶接收機天線在WGS-8

12、4坐標系中相對于坐標系原點地球質(zhì)心的絕對位置。GPS相對定位：用兩臺GPS接收機分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定兩臺接收機天線之間的相對位置（坐標差）。GPS絕對定位的精度：受衛(wèi)星軌道誤差、鐘差以及信號傳播誤差等影響，定位精度較低。- 靜態(tài)絕對定位精度約為米級 - 動態(tài)絕對定位精度為1040m。絕對定位精度的評價：1， 所測衛(wèi)星在空間的幾何分布。2， 觀測量的精度（在測量誤差一章中介紹）。3， 精度因子的值與所測衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)。4， 幾何精度因子與測站與4顆觀測衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體的體積成反比，即GDOP 1 / V 。5， 一般地，六面體體積越大，GDOP值越小。靜態(tài)

13、相對定位中觀測值的一次差、二次差、三次差：分別能消除什么？P71單差：站間差分。雙差：站間、星間二次差。三差：站間、星間、歷元間三差。DOP（精度因子）：精度因子（DOP，dilution of precision）：偽距解算時權(quán)系數(shù)陣中主對角線元素的函數(shù)。平面位置精度因子HDOP。高程精度因子VDOP。 空間位置精度因子PDOP。 接收機鐘差精度因子TDOP。 幾何精度因子GDOP(=(PDOP2+TDOP2)1/2)。第五講：GPS衛(wèi)星定位基本原理（三）差分GPS的原理：至少需兩臺接收機，分別在運動載體和基準站上。兩臺接收機同步觀測一組衛(wèi)星，基準接收機為動態(tài)接收機提供差分改正數(shù)（DGPS數(shù)

14、據(jù)），動態(tài)接收機根據(jù)自己的觀測值和差分改正數(shù)，精確解算用戶的三維坐標。查分GPS優(yōu)缺點：優(yōu)點： 實時消除誤差，實現(xiàn)精密定位。 缺點：需要額外的接收設(shè)備。DGPS有哪些分類？P77 作業(yè)本。差分GPS可分為單站差分（位置差分、偽距差分、載波相位差分）、具有多個基準站的局部區(qū)域差分、廣域差分。按數(shù)據(jù)處理方式：實時DGPS測量、后處理DGPS測量（如GPS航空攝影測量技術(shù)）DGPS數(shù)據(jù)鏈：基準接收機的DGPS數(shù)據(jù)無線電發(fā)送機，與動態(tài)接收機的DGPS數(shù)據(jù)無線電接收機，構(gòu)成了DGPS數(shù)據(jù)鏈。DGPS數(shù)據(jù)鏈的組成：調(diào)制解調(diào)器、無線電電臺、通過RS-232-C接口與信號接收機相連。偽距差分原理：根據(jù)基準站精

15、確坐標和測出的衛(wèi)星地心坐標，求出衛(wèi)星至基準站的真正距離，計算偽距改正數(shù)及其變化率；用戶根據(jù)偽距改正數(shù)及其變化率求出改正后的偽距，計算用戶接收機坐標。偽距差分定位精度高的原因：消除了GPS衛(wèi)星時鐘偏差的精度損失（用戶接收機計算出的偽距同偽距改正數(shù)中的鐘差相互抵消）能夠顯著減小甚至消除電離層/對流層效應和星歷誤差的精度損失。網(wǎng)絡(luò)RTK的原理、組成、功能：P82第六講：GPS衛(wèi)星定位基本原理GPS衛(wèi)星導航慣性參考系：牛頓第一定律：沒有受到外力作用的物體，保持勻速直線運動或靜止狀態(tài)不變，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。牛頓第二定律：物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向和力的方

16、向一致。慣性參考系：牛頓第一定律和第二定律都能成立的參考系。非慣性參考系：對慣性系作加速運動或轉(zhuǎn)動的參考系，牛頓運動定律不能成立。慣性導航系統(tǒng)（INS）基本工作原理：通過測量運動載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置信息等。P96（用GPS重調(diào)慣性導航）兩種方式的比較：短時間情況下，第二種方式精度較高；長時間工作時，由于慣導誤差隨時間增長，因此慣導輸出的加權(quán)減小，性能和第一種方式基本相同。ppp定位原理與誤差：在GPS定位中,主要的誤差來源于三類：軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時。只要給定衛(wèi)星的精密軌道和精密鐘差,采用精密的觀測模型,就能像偽距一樣,單站計算出接收機的精確位置、鐘差、模糊度以及對流層延時參數(shù)。采用雙頻接收機,可以利用LC相位組合,消除電離層延時的影響。第七講：GPS衛(wèi)星定位基本原理區(qū)分不同誤差，提出解決辦法:粗差的解決？盡量避免，粗差探測并修復。系統(tǒng)誤差的解決？分析它對觀測的影響規(guī)律，采取各種方法來消除系統(tǒng)誤差，或者減小它對觀測成果的影響。偶然誤差的解決？進行多余觀測，通過測量平差、數(shù)據(jù)處理理論，確定被認為是最可靠的結(jié)果。GPS測量的誤差來源及種類與信