GPS测量原理知识点总结

简答题：1、1954年北京坐标系、2000国家大地坐标系、ITRF坐标框、WGS-84坐标系的定义，以及他们的区别和联系。P22—P26定义：北京54坐标系(BJZ54)，北京54坐标系为参心大地坐标系，大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。CGCS2000是右手地固直角坐标系。原点在地心，Z轴为国际地球旋转局（IERS）参考级（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。参考椭球采用2000参考椭球。ITRF框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系（含海洋和大气圈）的质心，以WGS-84椭球为参考椭球。WGS-84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系.坐标原点为地球质心,其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向,X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系。对应于WGS—84大地坐标系有WGS—84椭球。区别：1.北京54，CGCS2000，WGS84,ITRF坐标都是是大地坐标，也就是我们通常所说的经纬度坐标，但是它们基于的椭球体不同。2.1954年北京坐标系是采用常规的大地测量技术建立的二维参心坐标系。2000国家大地坐标系是三维地心坐标系统。国际地球参考框架ITRF是一个地心参考框架。WGS-84坐标系原点是地球的质心，它是一个地心地固坐标系。联系：坐标系统之间的转换包括不同参心大地坐标系统之间的转换、参心大地坐标系与地心大地坐标系之间的转换以及大地坐标与高斯平面坐标之间的转换等。所以1954年北京坐标系、2000国家大地坐标系、WGS-84坐标系之间是可以相互转换的。2、为什么说确定整周模糊度是载波相位测量中的重要问题？确定整周模糊度有哪些方法？P63—P64原因：整周模糊度（ambiguityofwholecycles）又称整周未知数，是在全球定位系统技术的载波相位测量时，载波相位与基准相位之间相位差的首观测值所对应的整周未知数。载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定的问题，使得结算过程变得比较复杂。方法：（1）伪距法（2）经典方法分整数解和实数解两种（3）多普勒法（三差法）（4）快速确定整周未知数法（5）动态初始化法3、GPS的误差来源？P100来源分为：（1）卫星部分：星历误差、钟误差、相对论效应（2）信号传播：电离层、对流层、多路径效应（3）信号接收：钟的误差、位置误差、天线相位中心变化（4）其他影响：地球潮汐、负荷潮4、GPS数据的处理流程是什么？P147—P1491、数据采集2、数据传输3、预处理4、基线解算5、GPS网平差。第一步数据采集的是GPS接收机野外观测记录的原始观测数据，野外观测记录的同时用随机软件解算出测站点的位置和运动速度，提供导航服务。数据传输至基线解算一般是用随机软件（后处理软件）将接收机记录的数据传输到计算机，在计算机上进行预处理和基线解算。GPS网平差包括GPS基线向量网平差、GPS网与地面网联合平差内容。整个数据处理过程可以建立数据库管理系统。5、全球正在使用的定位系统有哪些？他们的区别是什么？P2—P10全球正在使用的定位系统有:俄罗斯GLONASS系统、中国北斗星系统、欧洲伽利略系统、美国全球定位系统（GPS）。区别：美国的GPS全球定位系统：码分多址、保密性好、防干扰、限民用精度。苏联的GLONASS全球导航卫星系统：频分多址，多条通道，按频率多少分布，有规则可行，规定民用通道。欧盟的GALILEO全球导航卫星系统：定位精度高、提供多信号、具有全球搜救功能。我国的北斗导航定位系统：双星快速定位，卫星少，投资少；具备短信通信功能；不能覆盖两级地区，赤道附近定位精度差；高动态及保密性不好。6、为什么要消除钟差？怎么消除？P109—P113钟差包括卫星钟差和接收机钟差，它们属于系统误差。在GPS测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机钟保持严格同步。卫星钟差：GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间的误差。接收机钟差：接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。怎么消除：误差特性减弱措施星历误差在一定观测时间内呈系统性精密定轨；观测值求差星钟误差有系统性，也有随机性电文改正；观测值在接收机间求差相对论效应系统性生产时将钟频改变电离层与频率、电离层密度有关双频观测；模型改正；观测值求差对流层与卫星高度、与气象有关模型改正；观测值求差；测定气象多路径效应与卫星方向、反射物有关注意选点、改进天线接收机钟误差系统性作为未知数；观测值星间求差机位置误差偶然性精密对中天线中心误差系统性观测时天线同一方位安置地球自转系统性计算改正地球潮汐系统性计算改正7、开普勒轨道参数有哪些？他们的定义和作用是什么？P32—P33长半轴a、偏心率e、升交点赤经、近地点角距、轨道倾角、真近角点。定义：a为轨道的长半径。e为轨道椭圆偏心率。w为近地点角距：即在轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距。W为升交点赤经：即在地球赤道平面上，升交点N与春分点r之间的地心夹角。即当卫星由南向北运动时，其轨道与地球赤道面的一个交点。i为轨道倾角：即卫星给轨道平面与地球赤道面之间的夹角。f为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。作用：升交点赤经和轨道倾角唯一确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。近地点角距表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。长半轴偏心率和真近角点唯一确定了卫星轨道的形状、大小以及卫星在轨道上的瞬时位置。长半径和偏心率确定椭圆形状和大小。真近角点确定任意时刻卫星在轨道上的位置。8、周跳的定义，如何探测和处理？P64—P67周跳的定义：在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无限电信号干扰造成失锁。这样，计算器无法连续计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测仍是正确的。处理的方法：1、屏幕扫描法2、用高次差或多项式拟合法3、在卫星间求差法4、用双频观测值修复周跳5、根据平差后的残差发现和修复周跳变9、进行组合观测的原因是什么？有哪些线性组合的方式？（绘图表示）教材70-71原因：在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高相对定位的精度。设测站1和测站2分别在𝑡𝑖和𝑡𝑖+1时刻对卫星K，j进行了载波相位观测，𝑡𝑖时刻在测站1和测站2对K卫星的载波相位观测值为Φ1𝑘(𝑡1)，Φ2𝑘(𝑡𝑖)，对二者求差，得到接收机间对K卫星的一次差分观测值为：S𝐷12𝑘(𝑡𝑖)=Φ2𝑘(𝑡𝑖)−Φ1𝑘(𝑡1)。同样对j卫星，一次观测值为：S𝐷12𝑗(𝑡𝑖)=Φ2𝑗(𝑡𝑖)−Φ1𝑗(𝑡1)。二次差分即双差观测值为：D𝐷12𝑘𝑗(𝑡𝑖)=𝑆𝐷12𝑗(𝑡𝑖)−𝑆𝐷12𝑘(𝑡𝑖)=Φ2𝑗(𝑡𝑖)−Φ1𝑗(𝑡𝑖)−Φ2𝑘(𝑡𝑖)+Φ1𝑘(𝑡1)。三差观测值为：T𝐷12𝑘𝑗(𝑡𝑖,𝑡𝑖+1)=𝐷𝐷12𝑘𝑗(𝑡𝑖+1)−𝐷𝐷12𝑘𝑗(𝑡𝑖)10、第8章计算1题背公式。P116、P118、P144题目一、例：某GPS网由80个站组成，现准备用5台GPS接收机来进行观测，每站设站次数为4次，则观测时段数、总基线数、独立基线数、必要基线数和多余基线数分别是多少？n=80,N=5,m=4观测时段数：C=n×m÷N=80×4÷5=64总基线数：J总=C×N×(N-1)÷2=64×5×(5-1)÷2=640独立基线数：J独=C×(N-1)=64×(5-1)=256必要基线数：J必=n-1=80-1=79多余基线数：J多=J独-J必=256-79=177题目二、决定对某市的基础控制网进行维护，现处于技术设计阶段。根据实际情况，控制网采用三等GPS网，拟用10台仪器，采用点连式进行观测。布设37个GPSC级点。（第1，2问只用来知识拓展，只看第3问。）1、简述三等大地控制网的目的和技术要求。2、简述技术设计的目的和步骤。3、计算该网的总基线数、必要基线数、独立基线数和多余基线数。1、三等大地控制网布设的目的是建立和维持省级（或区域）大地控制网，满足国家基本比例尺测图的基本需要；结合水准测量、重力测量技术，精化省级（或区域）似大地水准面。三等大地控制网相邻点间基线水平分量的中误差应不大于±10mm,垂直分量的中误差不大于±20mm；各控制点的相对精度应不低于1×10-6，其点间平均距离不应超过20km。2、技术设计的目的是制定切实可行的技术方案，保证测绘产品符合相应的技术标准和要求，并获得最佳的社会效益和经济效益。一般步骤如下：（1）收集资料。收集测区有关资料，包括测区的自然地理和人文地理，交通运输，各种比例尺地形图、交通图，气象资料以及已有的大地测量成果资料，如点之记、成果表及技术总结等。对收集的资料加以分析和研究，选取可靠和有价值的部分作为设计时的参考。（2）实地踏勘。拟定布网方案和计划时，需要到测区进行必要的踏勘和调查，作为设计时的参考。•（3）图上设计。根据大地测量任务，按照有关规范和技术规定，在地形图上拟定出控制点的位置和网的图形结构，包括：控制网的精度、密度设计；控制网的基准设计；控制网的网形设计。•（4）编写技术设计书。按照编写设计书的要求编制技术设计书。•3、观测点数n=37个，重复点3个，每点平均设站数为m=（37+3）/37=1.08，N=10观测时段数：C=n×m÷N=37×1.08÷10=4总基线数：J总=C×N×(N-1)÷2=4×10×(10-1)÷2=180独立基线数：J独=C×(N-1)=4×(10-1)=36必要基线数：J必=n-1=37-1=36多余基线数：J多=J独-J必=36-36=0题目三、课堂例题求闭合差：11、对流层对导航、定位的影响是怎么回事？如何消除？它的气象学研究的现状、前景、意义。P103—P105影响：对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差。对流层折射误差是由于信号传播路径的弯曲和大气折射率的变化而使距离测量值产生的系统性偏差，当GPS发出的信号穿过大气层中的对流层时,会受到对流层大气的折射影响,信号要发生弯曲和延迟,其中信号的弯曲量很小,而信号的延迟量却很大，影响导航定位消除：（1）引用对流层模型加以改正，通过对流层延迟误差修正模型来消除对流层对导航定位的影响，其气象参数在测站直接测定。（2）引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中一并求得。（3）利用同步观测量求差。（4）利用水汽辐射计直接测定信号传播影像。意义：对流层改正一方面修正的模型精度不高，另一方面在组合观测值中不能有效消除，因此，在形变监测网的数据处理中，计算并削弱这种由对流层折射所引起的延迟，获得准确可靠的三维坐标，尤其是高程坐标是一个关键且迫切的任务准确计算出对流层延迟不仅对提高GPS定位精度有很大的意义，而且可以作为结果，校正InSAR，改善成像质量，还可以经过转换得到对流层中的水汽含量，为气象、交通等部门服务。现状：对对流层延迟的影响，尽管可以选择模型和弯曲函数加以改正，但是目前却只能达到厘米级的精度，主要原因是对流层中的水汽在时间和空间上呈现随机变化，这种变化靠建立一种数学模型来准确描述是困难的。理论分析与实践研究表明，目前采用的各种对流层模型，难以将对流层的影像减少至92%~95%.12、我国采用的高程系统是什么？大地高，正常高、正高之间的关系。（