GPS定位原理与应用练习

1103打印室欢迎您的光临!《GPS定位原理及应用》练习第一章绪论1、GPS的含义？与经典大地测量相比，GPS有何特点？①选点灵活，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。2、GPS卫星的作用是什么？什么叫“定位星座”？什么叫“卫星星历”？定位星座：在用ＧＰＳ卫星进行导航定位时，为了求得测站的三维位置，必须观测４颗ＧＰＳ卫星，称之为定位星座所谓“卫星星历”是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。3、GPS系统由哪几部分组成？地面监控系统由哪些部分组成？各部分的主要功能是什么？GPS系统由GPS卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和GPS信号接收机（用户设备部分）等三部分组成GPS工作卫星的地面系统，目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站。主控站：收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传入到注入站。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中。监测站：为主控站提供卫星的观测数据。4、什么是GPS信号接收机？其作用是什么？它由哪几部分组成？有哪几种分类方式？GPS信号接收机：是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星信号的接收设备，称之为GPS信号接收机。作用：①当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运动。②对所接收到的GPS信号具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发射的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，从而实现导航和定位。组成部分：天线(前置放大器)；信号处理器；微处理器；用户信息传输；精密振荡器1）按接收机的载波频率分类：单频接收机；双频接收机；双系统接收机2103打印室欢迎您的光临!2）按接收机的用途分类：导航(Navigation)型接收机；测地(Survey)型接收机；授时(Time)型接收机3）按接收机的通道数分类：多通道接收机；序贯通道接收机；多路复用通道接收机4）按接收机的工作原理分类：码相关型接收机；平方型接收机；混合型接收机5、接收机天线的作用是什么？对其有何要求？有哪几种类型？1）天线的作用：把来自卫星信号的能量转化为相应的电流量，并经过前置放大器送入射频部分进行频率变换，以便接收机对信号进行跟踪、处理和量测2）对天线的要求：◆天线与前置放大器一般应密封为一体，以保障在恶劣的气象环境下能正常工作，并减少信号损失；◆天线均应呈全圆极化。要求天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不产生死角，以保障能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；◆天线必须采取适当的防护与屏蔽措施(例如加一块基板)，以尽可能地减弱信号的多路径效应、防止信号的干扰；◆天线的相位中心与其几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。3）天线的类型：◆单极或偶极天线；◆四线螺旋形或螺旋形结构天线；◆微波传输带型天线：常简称为微带天线；◆锥形天线；◆带扼流圈的振子天线：简称为扼流圈天线6、我国北斗系统的星座是如何分布的？北斗系统的星座分布：2颗地球静止同步卫星（800E和1400E，赤道角距约60°）和一颗在轨备份卫星（110.50E）7、当前的卫星导航系统有哪些？我国的北斗卫星导航定位系统的发展和规划如何？当前的卫星导航系统有：GLONASS全球卫星导航系统；伽利略全球卫星导航系统；北斗导航定位系统。鉴于北斗一号的性能和技术指标方面的差距，我国正准备实施北斗二号卫星导航定位系统，系统卫星星座由5颗高轨地球同步卫星，约30颗中轨卫星及倾斜轨道同步卫星组成。第二章坐标系统和时间系统1、在GPS定位中，通常采用哪两种坐标系统？天球坐标系和地球坐标系2、何为天球？天球上有哪些主要的点、线、面？天球:是指以地球质心M为中心，半径r为任意长度的一个假想的球体。3、天球空间直角坐标系和天球球面坐标系是如何定义的？二者间有何关系？1、天球空间直角坐标系:原点位于地球质心M,Z轴指向天球北极Pn，X轴指向春分3103打印室欢迎您的光临!点γ，Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系统。[XYZ]2、天球球面坐标系:原点位于地球质心M，赤经α为含天轴和春分点的天球子午面与过天体S的天球子午面之间的夹角；赤纬δ为原点M至天体S的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长度r为原点M至天体S的距离。(α，δ，r)。4、什么叫岁差和章动？二者对北天极的运动有何影响？岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在赤道上产生缓慢的西移，这种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，大致成椭圆形轨迹，其长半径约为9.2，周期约为18.6年。这种现象称为章动。在岁差和章动的共同影响下，瞬时北天极绕北黄极旋转5、为什么要定义协议天球坐标系？它是如何定义的？在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴指向是在不断地旋转。在这种非惯性坐标系统中，不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。为了建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系，人们通常选择某一时刻t0作为标准历元(epoch)，并将此时刻地球瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬时春分点的方向，经该时刻的岁差和章动改正后，分别作为Z轴和X轴的指向。由此所构成的空固坐标系，称为所取标推历元t0的平天球坐标系或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系6、地心空间直角坐标系和地心大地坐标系是如何定义的？二者间有何联系？1、地心空间直角坐标系：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。2、地心大地坐标系：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴相合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线（normal）至椭球面的距离。7、何谓站心赤道直角坐标系、站心地平直角坐标系和站心地平极坐标系？1、站心赤道直角坐标系：以P1为原点建立与球心空间直角坐标系相应坐标轴平行的坐标系叫做站心赤道直角坐标系。显然，站心赤道直角坐标系与球心空间直角坐标系坐标系间有简单的平移关系。2、站心地平直角坐标系以P1为原点，P1点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x、z轴垂直（向东为正）。3、站心地平极坐标系以测站P1为原点，至卫星s的距离r、卫星的方位角A、卫星的高度角h可以建立站心地平极坐标系。8、什么叫极移？协议地球坐标系是如何定义的？4103打印室欢迎您的光临!极移：地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，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。协议地球坐标系：以协议地极为基准点的地球坐标系，称为协议地球坐标系9、WGS-84坐标系是如何定义的？其主要参数是多少？WGS-84大地坐标系：原点在地球质心，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轴构成右手系长半轴a=6378137(+/-)2m扁率f=1/298.257223563椭球第一偏心率：e2=0.00669437999013地球引力常数：GM=（3986005±0.6）×108（m3/s2）正常化二阶带谐系数：J2=（–484.16685±1.30）×10–9（rad/s）地球自转角速度：ω=（7292115±0.1500）×10–11（rad/s）10、我国的1980年国家大地坐标系(简称C80)、1954年北京坐标系(简称P54)是如何定义的？新北京54坐标系与C80有何联系，与P54有何区别和联系？1980年国家大地坐标系：C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点JYD1968.0的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面，X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向，Y轴与Z、X轴成右手坐标系1954年北京坐标系：建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。我们称为旧1954年北京坐标系新P54点坐标与旧P54点坐标接近，但其精度和C80坐标精度完全一样11、我国的2000国家大地坐标系是如何定义的？北斗系统的时间系统和坐标系统是如何定义的？2000国家大地坐标系：原点：包括海洋和大气的整个地球的质量中心；Z轴：由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转；X轴：由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点；Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系尺度：采用广义相对论意义下的尺度。12、何谓ITRF坐标框架？国际地球参考框架ITRF(InternationalTerreetrialReferenceFrame的缩写)是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务IERS的地面参考框架。13、在GPS定位中时间系统有何重要意义？确定时间的基准是什么？5103打印室欢迎您的光临!在GPS定位中，时间的重要意义：①GPS卫星作为一个高空观测目标，其位置是不断变化的。因此在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。；②GPS测量是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机(即观测站)至卫星的距离(或距离差)，进而确定观测站的位置。因此，准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间；③由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置是不断变化的14、何为恒星时、世界时、原子时、协调世界时、GPS时？恒星时(SiderealTime—ST)：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间，称为恒星时。世界时(UniversalTime—UT)：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时原子时(AtomicTime——TA)：随着空间科学技术和现代天文学与大地测量学新技术的发展和应用，对时间准确度和稳定度的要求不断提高。以地球自转为基础的世界时系统，已难以满足要求。为此，人们从20世纪50年代，便建立了以物质内部原子运动的特征为基础的原子时间系统。协调世界时：从1972年便采用了一种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衷的时间系统，这种时间系统称为协调世界时(UTC)，或简称协调时。GPS时（GPST)：为了精密导航和定位的需要，全球定位系统(GPS)建立了专用的时间系统。该系统可简写为GPST，由GPS的主控站原子钟所控制。15、GPS时和原子时、协调世界时有何关系？GPS时属原子时系统，其秒长与原子时相同，但与国际原子时具有不同的起点GPS时与协调时的时刻：规定于1980年1月6日0时相一致。其后随着时间的积累，两者之间的差别将表现为秒的整倍数。第三章卫星运动基础及GPS卫星星历1、何为卫星的轨道参数？卫星在空间运行的轨迹称为轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数。2、作用在卫星轨道上的力分为哪两类，相应的卫星运动轨道为何？一类是假设地球为匀质球体的引力(质量集中于球体的中心)，称为中心力。它决定着卫星运动的基本规律和特征，此时卫星的运动称为无摄运动，由此所决定的卫星轨道可视为理想的轨道，又称卫星的无摄运动轨道。这是我们分析卫星实际轨道的基础。6103打印室欢迎您的光临!一类是摄动力，也称为非中心力，它包括地球