GPS原理与应用期末复习整理配图.doc

第一章GPS相对于其他导航定位系统的特点：1）功能多，用途广；2) 定位精度高；3) 实时定位；GPS定位技术相对于常规测量技术的特点：1）测站间无需通视；2）定位精度高；3）观测时间短；4)提供三维坐标；5）操作简便；6）全天候作业。 回答：全能性、全球性、连续性和实时性的也各 1 分。GPS系统组成：空间星座部分：24颗卫星提供星历和时间信息；发射伪距和载波信号；提供其他辅助信息。地面监控部分：中心控制系统；实现时间同步；跟踪卫星进行定轨。用户设备部分：接收并观测卫星信号；记录和处理数据；提供导航定位信息。GPS 系统包括三大部分：空间部分GPS 卫星星座；地面控制部分地 面监控系统；用户部分GPS 接收机。空间部分：21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个近似圆形轨道上。地面监控系统：一个主控站、三个注入站和五个监测站。监测站：是在主控站直接控制下的数据自动采集中心；主控站主要协调和管理地面监控系统工作；注入站：主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、种差、导航电文和其他控制指令信息等，注入到相应卫星的存储系统，并能检测注入信息的正确性。 用户设备部分：主要任务是接收卫星发射的信息。GPS的应用前景：原理：在精密工程测量方面，利用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，应用：用于城市、矿区和油田地面沉降检测、大坝变形检测、高层建筑物变形检测、隧道贯通测量等精密工程。前景：亦可用于加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术测绘各种比例尺地形图和施工放样。第二章天球：是以地球质心M为中心，半径r为任意长的一个假象的球体。天球坐标系：是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。岁差：地球的形体接近一个赤道隆起的椭球体，在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不变，使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，在天文学中称为岁差。章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，形成椭圆轨迹，其长半径约为9.2，周期约为18.6年。极移：地球自转轴受到地球内部质量不均匀影响而在地球体内部运动，导致极移。地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而，地极点在地球表面上的位置是随时间而变化的。这种现象称为地极移动，简称极移。WGS-84坐标系如何建立：WGS-84坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向BIH1984.0定义的协议地极；X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与相应的赤道交点；轴垂直于平面，且与、轴构成右手坐标系。时间的概念：包含“时刻”和“时间间隔”时刻：发生某一现象的瞬间。时间间隔：发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。一般来说，任意一个周期运动现象，只要符合以下要求，即可以用来确定时间的基准：运动应是连续的，具有周期性的；运动的周期应具有充分的稳定性；运动的周期必须具有复现性。世界时：以平子夜为零时起算的格林威治平太阳时称为世界时。原子时：以物质内部原子运动的特征为基础；国际上大约有一百座原子钟，通过相互对比和经数据处理，推算出统一的原子时间系统，称为国际原子时。力学时：在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而计算的，而运动方程中所采用的独立变量是时间参数T，这个数学变量T被定义为力学时。协调世界时：为避免播发的原子时与世界时之间产生过大的偏差而给应用者带来不便，采用以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折中的时间系统。简称协调时。大地经纬度：大地精度与大地纬度的合称。黄道：地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆。春分点：当太阳在黄道上从太阳南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。赤经：从春分点沿着天赤道向东到天体时圈与天赤道的交点所夹的角度。第三章摄动力：也称非中心引力，它包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力及地球潮汐作用力等。二体问题：忽略所有的摄动力，仅考虑地球知心引力来研究卫星的运动，称为二体问题。意义：二体问题下的卫星运动虽然是一个近似描述，但它能得到卫星运动方程的严密解。其次，研究各种摄动力对卫星运动的影响量值，并对卫星的无摄轨道加以修正，从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。开普勒第一定律：卫星运动的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心重合。开普勒第二定律：卫星在过地球质心的平面内运动，其向径在相同的时间内所扫过的面积相等。开普勒第三定律：卫星运行周期的平方，同轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常量等于地球引力常数GM的倒数。开普勒轨道六参数：as轨道椭圆的长半轴、es轨道椭圆的偏心率、升交点的赤经、i轨道的倾角、ws近地点的角距、fs卫星的真近点角。地球引力场摄动力对卫星的运动有哪些影响卫星在运行中除了受地球中心引力Fs的作用外，还受以下各种摄动力的影响，因此必须使卫星轨道产生摄动。（1） 地球体的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力，即地球的非中心引力Fn（2） 太阳引力Fs和月球引力Fn（3） 太阳光的直射和间接辐射压力Fr（4） 大气阻力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导航电文：GPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。主要包括：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码转换到捕获P码的信息。导航电文的内容：1.遥测码：位于子帧的开头，用来表明卫星注入数据的状态。2.转换码：位于每个子帧的第二个字码。3.第一数据块：位于第1个子帧的第310字码，主要包括：标识码、时延差改正、星期序号、卫星的健康状况、数据龄期及卫星时钟改正系数等。时延差改正：就是载波L1、L2的电离层时延差。数据龄期AODC：是时钟改正数的外推时间间隔。4.第二数据块：导航电文的第2和第3子帧，内容为卫星星历，是主要电文，包括：开普勒轨道系数；轨道摄动9参数；时间参数。5.第三数据块：包括4、5两个子帧，内容包括GPS卫星的历书数据。GPS卫星信号组成：测距码信号，导航电文信号以及载波信号。跳变：在卫星信号中断时，将丢失In（）中的一部分整周数，称其为整周跳变，简称周跳。SA技术：它包括对信号基准频率的技术，对导航电文技术，对P码的加密技术。第四章 GPS绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。GPS绝对定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所处的位置。GPS绝对定位的实质是空间距离后方交会，在一个测站上，至少应有4个同步伪距观测量，即必须同步观测4颗以上卫星GPS动态相对定位：是用两台 GPS 接收机，其中一台接收机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，并在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的位置来实现的。这种定位方法亦可称为差分GPS定位。差分动态定位：由用户基准站发送的改正数，并对测量结果进行改正以获得精密定位的结果。简述单基准差分、区域差分、广域差分的优缺点。 单基准差分：Y 结构和算法比较简单 N该法前提是要求用户站误差和基准站误差有强相关性。因此定位精度将由用户站与基准展之间的距离而迅速降低。 区域差分：Y比单基可靠和精度均有提高；N只有用户站距离基准站不太远时，才能获得较好的精度。还有某些区域无法永久性设站的问题。 广域差分：Y主站、监测站与用户站从100KM到200KM，广域GPS网比区域GPS网需要的检测站数量少，投资小，精度分布均匀。覆盖区域广。N 广域差分GPS系统使用的硬件设备及通信工具昂贵，技术复杂运行和维持费用比区域差分GPS高得多。 实时动态差分有哪几种方法？并说明各自特点。（1） 测码伪距动态相对定位：可消除部分系统误差，可大大提高定位精度。（2） 测相伪距动态相对定位，快速且精度高。（3） 载波相位差分：伪距差分原理：利用基准站一直坐标求出测站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差，再将所有卫星的测距误差传给用户。用户利用测距误差来改正测量的伪距，进而利用改正后的伪距求出自身的坐标。位置差分原理：利用暗指在已知点上的GPS接受机，对四颗或四颗以上的卫星观测，求出基准站的坐标（X，Y，Z）。由于存在着卫星星历、时钟误差、大气折射等误差的影响，该坐标与已知坐标（X，Y，Z）不一致，必然存在误差。载波相位差分原理：在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电设备实时的将观测数据及测站坐标信息传送给用户，用户站一方面通过姐说GPS卫星信号，另一方面通过无线电设备接受基准站传送信息，根据相对定位原理进行数据处理，实时的以厘米级的精度给出用户站三维坐标。第五章试述GPS测量定位中误差的种类，并说明产生的原因：A）与GPS卫星有关的误差：GPS卫星星历误差：卫星在于兴中收到多种摄动力的影响，属于系统误差。1）星历误差的来源：广播星历和实测星历。2）星历误差对定位精度的影响：对单点定位的影响，对相对定位的影响。3）削弱星历误差的方法：建立卫星跟踪网独立测轨；采用轨道改进法（半短弧法、短弧法、同步求差法）。卫星钟误差：卫星的钟差不但包括钟差，频偏、频飘等误差，还包括钟内误差相对论效应：由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起的。B）与卫星信号传播有关的误差：电离层：电离层中气体分子受辐射影响，空气电离形成自由电子和正离子GPS信号路径。减弱电离层影响的措施：利用双频观测量；利用电离层改正模型；利用同步观测量求差；利用有利观测时段。对流层：湿分量的影响值较小，无法用地面观测站来确定传播路径上的大气参数。多路径效应：接收机天线除能直接姐说卫星的信号外，还可能接收到天线周围物体或地面反射的卫星信号。两种信号的叠加将引起天线相位中心位置的迁移，从而使观测量产生误差。而这种误差随天线周围反射面的性质而异，无法控制。削弱多路径效应的措施：1）选择合适的站址：测站应远离大面积平静的水面；测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中；测站应远离高层建筑物。2）对接收天线的要求：在天线中设置抑径板；接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用；长时间的观测。3）数据处理方面：加权法、滤波，在算法上可进行优化。C）与接收机有关的误差：主要包括观测误差、接收机钟误差、天线相位中心位置误差及载波相位观测的整周不稳定性影响。观测误差：信号分辨误差、接收机天线的安置误差。接收机钟误差：GPS接收机采用的高精度石英钟和卫星钟之间的同步差造成的天线相位中心位置偏差：天线的相位中心随着信号输入的强度和方向的不同有所变化。D）其他误差来源：地球自转的影响；地球潮汐改正。改正误差的通用措施：1） 模型法：建立系统误差模型，对观测量进行修正；2）参数法：引入相应的未知参数，在数据处理中同其他未知参数一并求解；3）将不同观测站对相同卫星进行的同步观测值求差。第六章各级GPS测量的用途：AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量。AA级、A级也是建立地心参考框架的基础。B级主要用于局部变形测量和各种精密工程测量。同时AA、A、B级也是建立国家空间大地测量控制网的基础。C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网。D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工控制测量等。GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。在基准设计中注意四个问题：（1）为求定GPS点再地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点用以坐标转换。（2）为确保GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，应对他们构成图形观测。（3）GPS网经平差计算后，即可得到GPS点在地面参照坐标中的大地高程，但要获得GPS点的正常高程，可根据具体情况联测高程控制点，联测的高程控制点均需均匀分布于网中。（4）新建GPS网的坐标系应尽量与测区已有的坐标系统一致。GPS网图形构成的几个基本概念：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所获得的基线向量构成的闭合环，简称同步环。独立基线：在N台GPS接收机构成的同步观测环中，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。GPS网的图形设计原则：（1）在GPS网中不应存在自由基线。（2）GPS网应按“每个观测站至少应独立设站观测两次”的原则进行布网。（3）GPS网中，某一闭合条件中基线类型不宜过多。（4）GPS网至少应与地面网有2个以上重合点。（5）GPS点应选在交通便利、视野开阔的地方。第七章CORS系统：外业：开机；连接蓝牙；端口设置；新建工程；坐标系编辑；测量；成果导出。内业：