东华理工GPS测量原理及应用复习题

一、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，黄道面与天球赤道的交点。真近点角：在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距．升交点赤经：在地球平面上，升交点与春分点之间的地心夹角．近地点角距：在轨道平面上近地点与升交点之间的地心角距．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：描述卫星运动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。信号通道：卫星信号经由天线进入接收机的路径伪距测量：通过测定测距码得到站星距离的方法．载波相位测量：把测定载波传播时间t转化为测定载波传播过程中经历的向位移，通过时间和相位移之间的关系达到测距的目的．绝对定位：单点定位，利用GPS卫星和用户接收机直接的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于地球质心的绝对位置．相对定位：用两台接收机分别安置置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线短点的相对位置或基线向量．静态定位：接收机静置在固定测站上，观测数分钟至2小时或更长时间，以确定测站位置的卫星定位。多路径效应：由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应。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．异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则称该多边形环路为异步观测环，简称异步环．独立观测环：由非同步观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环．2．GPS定位系统有哪几部分组成的？各部分的作用是什么？（1）GPS卫星星座1.接受地面站发来的导航电文和其他信号2.接受地面站的指令,修正轨道偏差并启动备用设备3.连续不断地向地面发送GPS导航和定位信号（2）地面监控系统主控站：收集数据；处理数据；监测协调；控制卫星注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器监测站：接收卫星信号，为主控站提供卫星的观测数据（3）GPS信号接收机捕获卫星信号，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4．试写出天球球面坐标与天球直角坐标的转换关系公式。{𝐗=𝐫𝐜𝐨𝐬𝛂𝐜𝐨𝐬𝛅𝐘=𝐫𝐬𝐢𝐧𝛂𝐜𝐨𝐬𝛅𝐙=𝐫𝐬𝐢𝐧𝛅{𝐫=√𝐗𝟐+𝐘𝟐+𝐙𝟐𝛂=𝐚𝐫𝐜𝐭𝐚𝐧(𝐘𝐗)𝛅=𝐚𝐫𝐜𝐭𝐚𝐧(𝐙√𝐗𝟐+𝐘𝟐)5．简述瞬时极天球坐标系与固定极天球坐标系的区别。瞬时极天球坐标系，即真天球坐标系，可以方便地与地球坐标系相互变换，但由于真天极和真春分点方向不断变化，时瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化，不是惯性坐标系。固定极天球坐标系是三轴指向不变的坐标系。6．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？要求：（1）需要卫星与地面点的位置统一在一个坐标系内（2）需要采用空间直角坐标系，以便于天球与地球坐标系进行转换（3）天球与地球坐标系的建立上拥有简便的变换关系定义一个空间直角坐标系条件：（1）坐标原点的位置；（2）三个坐标轴的指向；（3）长度单位．7．简述WGS-84，CGCS2000空间直角坐标系是如何建立的？WGS-84:原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z，X轴构成右手坐标系.CGCS2000:原点在地心，Z轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（IRP）方向，X轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。8．简述定义时间系统和时间尺度的条件分别是什么？时间系统：尺度；原点．时间尺度：周期运动；该周期是连续稳定的；该周期可观测和用实验复现．9．GPS时间系统是如何建立的？秒长采用原子时秒长，原点定义在UTC的1980年1月6日0时与协调世界时对齐。10．开普勒轨道6参数分别是什么？各参数作用？椭圆长半径a，偏心率e；真近点角V；升交点赤经Ω；轨道面的倾角i；近地点角距ω。作用：（1）a，e确定了卫星轨道的形状和大小（2）Ω，i确定了卫星轨道平面一地球体之间的相关位置（3）ω确定了轨道椭圆在轨道平面上的方位（4）V确定了卫星在轨道上的瞬时位置11．试述GPS卫星信号的内容及其作用？（1）载波——加载和传送码信号，其本身也是重要的测量对象（2）测距码——测定站星距离（3）数据码——确定卫星的瞬时位置12．简述C/A码和P码各自特点？C/A码:码元宽度较大，码长较短，易于捕获。结构公开，可供广大用户使用。P码：码元宽度较小，码长较长，不易捕获。结构不公开，供美军方及特权用户用。13．简述GPS接收机由哪几个单元组成的？信号通道作用？组成：GPS接收机天线单元、变频器及中频放大器和电源。作用：（1）搜索卫星并牵引跟踪卫星；（2）对广播电文数据信号实行接扩，解调出广播电文；（3）进行站星距离测量。15．试述GPS单点定位原理，写出定位方程式．就是将飞行卫星的瞬时位置作为已知点，采用空间后方距离交会，得到待定点的空间位置。ρ1=√(X−X1)2+(Y−Y1)2+(Z−Z1)2ρ2=√(X−X2)2+(Y−Y2)2+(Z−Z2)2ρ3=√(X−X3)2+(Y−Y3)2+(Z−Z3)216．按不同分类标准GPS定位可分为那些？按测距原理：伪距法定位，载波相位定位，差分GPS定位按待定点运动状态：静态定位，动态定位17．GPS在导航和经典相对静态定位中的测距方法分别是什么？测距码测距和载波相位测距19.简述多普勒三次差分中的一次差分分别在哪些观测值间求差？每次差分能消减那些误差的影响？试写出一次差分的方程式？一次差分:1在卫星间求差分（星际差分），星际一次差分消除了接收机钟差，也削弱了电离层、对流层误差影响；2在测站间求差分(站际差分)，站际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；3在历元间求差分（历元差分），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0N.20.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？目的:美国为防了防止未经许可的用户把GPS用于军事目的（进行高精度实时动态定位）。影响：降低单点定位的精度；降低长距离相对定位的精度；AS技术会对高精度相对定位数据处理，整周未知数的确定带来不便。21．图形强度因子可分为哪几类？图形强度误差与何有关？并说明原因分类：平面位置精度因子HDOP高程精度因子VDOP空间位置精度因子PDOP接收机钟差精度因子TDOP几何精度因子GDOP与等效距离误差σ0有关M_H=HDOP∙σ_0M_V=VDOP∙σ_0M_P=PDOP∙σ_0M_T=TDOP∙σ_0M_G=GDOP∙σ_0原因：精度因子的数值是有接收机与卫星在空间的几何图形分布决定的。高度截止角越小，六面体体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，图形强度因子越小，但传播误差增大，对等效距离影响越大，因此在测量定位中高度截止角一般定为。22.差分GPS可分为哪几类？各自的构成、特点和适应范围？单基准站差分：分为位置差分、伪距差分和载波相位差分；结构和算法简单，技术上较为成熟。主要用于小范围差分定位工作。局部区域差分：有多个基准站，每个基准站与用户之间均有无线电数据通信连；用户与基准站之间的距离一般在500km以内才能获得较好的精度，适用于较大范围差分定位工作。广域差分：对GPS观测量的误差源加以区分，表现在星历误差、大气延时误差和卫星钟差误差三方面。特点是大范围定位精度布均匀，覆盖区域广，硬件设备及通信工具昂贵。应用于一国或几个国家的广大区域（2000km）的差分定位。23．GPS测量与卫星、信号传播、接收机有关的误差分别有哪些？相应的削减措施有哪些？与卫星有关的误差：星历误差措施：建立自己的卫星跟踪网独立定轨，轨道松弛法，同步观测值求差。钟误差措施：导航电文给出参数改正，相对定位。相对论效应措施：在制造卫星钟时预先把频率将为0.00455Hz。与信号传播有关的误差：电离层措施：利用双频观测，利用电离层改正模型加以修正，利用同步观测值求差，选择有利的观测时间。对流层措施：采用相应的对流层模型加以改正，引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得，利用同步测量求差，利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。多路径效应措施：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，测站应离开高层建筑物；对接收机天线设置抑径板，而且对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用；设置适宜的高度截止角。与接收机有关的误差：钟的误差措施：独立未知数法，相对定位。位置误差措施：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，应采用强制对中装置的观测墩。天线相位中心变化措施：相对定位，同类天线同向安置。24．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？内容：位置基准、方位基准、尺度基准注意问题：1．起算点个数和精度要求：网内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。2．起算点边长：起算点要适当的构成长边图形．3．GPS高程测量：网中1/3点应联测水准高程，且应均匀分布．4．独立坐标系测量：采用独立坐标系，还应该了解以下参数：所采用的参考椭球，坐标系的中央子午线经度，纵横坐标加常数，坐标系投影面高程级测区平均高程异常值，起算点的坐标值．25．GPS控制点的选取原则和网形设计原则分别是什么？选点：点位应远离大功率无线电发射源，距离不小于200m，远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，距离不小于50m．以避免电磁场对GPS信号的干扰．点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星型号接受的物体，以减弱多路径效应的影响．点位应设在易于安装接受设备、视野开阔的较高点上．在视场内周围障碍物的高度角根据情况一般应小于10°-15°。点位应选在交通便利，有利于常规测量应用的地方。网形：1．为便于常规测量，每点应有一个以上通视方向。2．坐标系统一致性．3．构成闭合环路．26．观测计划拟订的依据和内容分别是什么？依据：1．GPS网的规模大小2．点位精度要求3．GPS卫星星座几何图形强度4．参加作业的接收机数量5．交通、通信及后勤保障内容：1．计划GPS网与原地面网的联测方案，重合点不少于三个2．同步环组成及连接方式3．根据连接方式选定连接点或连街边4．同步观测的采集间隔和高度截止角大小的确定5．同步观测时间的长度．27．同步网间的连接方式有哪些？各自的特点及适应的情况？点连式：连接效率高，当接收机数目较少时为推荐的连接方式，但图形强度较弱，极少有非同步闭合条件。边连式：比点连接效率低，但可靠性高；在接收机台数较多时的为主要连接方式。网连式：强度和可靠性高，效率低；需四台以上接收机，用于高精度控制测量．边点混合连接式：灵活，可靠性好．较理想的布网方法．28．同步观测环中总基线数、独立基线数、多余基线数的计算公式(实例)总基线数：J_总=N⋅(N-1)/2独立基线数：J_独=N-1多余基线数：J_多=(N-1)-(n-1)29．RTK测量的作业模式有哪几种？快速静态测量，准动态测量，动态测量．30．快速相对静态定位的原理是什么？基准站独立观测卫星信号，并将采集到的信号连续发给移动站，移动站在观测卫星信号的同时，接受基准站发来的信号，实现三次差分，得到站星距离，从而计算其在WGS-84坐标系的坐标．将基准站设在已知点上，或移动站在已知点上进行测量，就可以得到WGS-84坐标与我国坐标系的转换系数，设参数在一定范围内是相似的，移动站在得到转换参数后，就可以得到其所在坐标系内的坐标和高程，到达快速定位的目的。31．RTK测量系统一般由哪三部分构成？GPS接收机，数据传输系统和软件系统．32．GPS数据处理的目的和特点？目的：得到控制点坐标．特点：数据量大；处理过程复杂；数学模型多样；自动化程度高．33.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是什么？历元间隔设置