GPS原理与应用复习重点

一、填空题1.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。2.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。3.主控站一个，设在美国本土科罗拉多.斯平士(ColoradoSprings)的联合空间执行中心。注入站现有3个，分别设在印度洋的狄哥•伽西亚(DiegoGarcia)、南大西洋的阿松森岛(Ascension)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。五个监测站除主控站和注入站外，还在夏威夷设立了一个监测站。4.在GPS信号接收机的分类中，按接收机的载波频率分类：单频接收机(SingleFrequencyReceiver)、双频接收机(DoubleFrequencyReceiver)、双系统接收机(GPS+GLONASS)；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；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；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.坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。6.坐标系统是由原点(origin)位置、坐标轴(CoordinateAxis)的指向和尺度(Scale)所定义的。在GPS测量中,坐标系的原点一般取地球的质心（themasscenteroftheearth)，而坐标轴的指向具有一定的选择性。为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系，通常称为协议坐标系(ConventionalCoordinateSystem)。7.测量时间，同样必须建立一个测量的基准，即时间的单位(尺度)和原点(起始历元)。其中时间的尺度是关键，而原点可以根据实际应用加以选定。8.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。9.为了研究工作和实际应用的方便，通常均把作用于卫星上的各种力，按其影响的大小分为两类：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；一类是摄动力，也称为非中心力。10.在摄动力作用下的卫星的运动称为受摄运动，由此所决定的卫星轨道称为卫星的受摄运动轨道。11.卫星的无摄运动，一般可通过一组适宜的参数来描述，但是，这组参数的选择并不是唯一的，其中一组应用广泛的参数，称为开普勒轨道参数，或称轨道根数。12.卫星星历的提供方式，一般有两种：预报星历(广播星历)和后处理星历（精密星历)。13.GPS用户通过卫星广播星历，可以获得的有关卫星星历参数共有16个，其中包括1个参考时刻、6个相应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。14.利用GPS进行定位的方法有多种，若按参考点的不同位置则可分为：绝对定位(或单点定位)、相对定位。15.GPS卫星信号中含有多种定位信息，根据不同的要求可以从中获得不同的观测量，目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即码相位观测量和载波相位观测量。16.载波相位测量的基本方程中包含了两种不同类型的未知参数：一种是必要参数，如测站坐标(X，Y，Z)等；另一种是多余参数，例如观测瞬间接收机钟的钟差，观测瞬间信号的电离层延迟(单频资料)等。17.载波相位差分观测值可以按测站、卫星和历元等三要素来产生，根据求差次数的多寡可分为单差观测值、双差观测值和三差观测值。18.GPS绝对定位方法的实质，即是空间距离后方交会。为此，在1个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与地面交线的交点。19.差分GPS可分为单基准站差分、多基站的局域差分和多基站的广域差分三种类型。20.单基准站差分GPS，根据差分GPS基准站发送的信息方式可分为四类，即位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分和相位差分。21.影响GPS定位的误差，可以分为四大类（见右图）：与卫星有关的误差，如卫星星历误差、卫星钟误差、相对论效应等；与传播路径有关的误差，如大气延迟误差、多路径效应等；与接收设备有关的误差，如接收机钟误差、天线高的量取误差等；其它误差，如地球自转等。22.对流层延迟由干气延迟和湿气延迟两部分组成。23.与接收机有关的误差，包括观测误差、接收机钟误差、天线相位中心位置误差、接收机位置误差、天线高量取误差等。24.GPS网的技术设计是GPS测量工作实施的第一步，是一项基础性工作。这项工作应根据网的用途和用户的要求来进行，其主要内容包括精度指标的确定，网的图形设计和网的基准设计。25.GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。方位基准一般以给定的起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由地面的电磁波测距确定，也可由两个以上的起算点间的距离确定，同时也可由GPS基线向量的距离确定。GPS网的位置基准，一般都是由给定的起算点坐标确定。因此，GPS网的基准设计，实质上主要是指确定网的位置基准问题。26.根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连接四种基本方式。27.对观测数据进行处理的基本过程大体分为：预处理，平差计算，坐标系统的转换和与已有地面网的联合平差。28.GPS网的无约束平差，目前广泛采用的平差方法，主要有经典自由网平差和非经典自由网平差，即秩亏自由网平差。经典自由网平差，或简称经典平差，是仅具有必要起始数据的平差方法。对于GPS网来说，即仅具有一个起始点，其坐标值在平差中保持不变。这时网的位置基准，由该起始点及其坐标值所规定。非经典自由网平差，也称为自由网平差或秩亏自由网平差，是一种没有必要起算数据的平差方法。29.衡量GPS网的可靠性有三个指标：即多余观测分量、内可靠性和外可靠性。二、名词解释1.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。2.间隙段：GPS卫星的上述分布，在个别地区仍可能在其一短时间内(例如数分钟)只能观测到4颗图形结构较差的卫星，而无法达到必要的定位精度。这种时间段称为间隙段。3.春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点。4.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轴指向春分点　，Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系统。5.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。6.儒略历：是公元前罗马皇帝儒略•凯撒所实行的一种历法。一个儒略世纪含有36525个儒略日。儒略日是从公元前4713年儒略历1月1日起算的连续天数。新标准历元J2000.0相应的儒略日为2451545.0。7.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。8.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。9.WGS-84大地坐标系：WGS-84(WorldGeodeticSystem，1984年)是美国国防部研制确定的大地坐标系，其坐标系的几何定义是：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。10.国际地球参考框架：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。11.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。12.预报星历：预报星历，是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫作广播星历。13.绝对定位(或单点定位)：即在地球协议坐标系统中，确定观测站相对地球质心的位置。这时，可认为参考点与地球质心相重合。14.码相位观测：所谓码相位观测，即测量GPS卫星发射的测距码信号(C/A码或P码)到达用户接收机天线(观测站)的传播时间，因此这种观测方法也称为时间延迟测量。15.载波相位观测值：测量接收机接收到的、具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。16.伪距：使用码相位观测和载波相位观测所确定的卫星至观测站的距离，都不可避免地含有卫星钟和接收机钟非同步误差的影响。为了与上述的几何距离相区别，这种含有钟差影响的距离通常均称为“伪距”。17.周跳：在观测过程中，如果卫星信号被阻挡或受到干扰，则接收机对卫星的跟踪便可能中断（失锁），而当卫星被重新锁定后，载波相位的小数部分是连续正确的，而这时整周数却不正确，这种现象称为周跳。18.局部区域GPS差分系统(LADGPS)：在局部区域中应用差分GPS技术，应该在区域中布设一个差分GPS网，该网由若干个差分GPS基准站组成，通常还包含一个或数个监控站。位于该局部区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数。这种差分GPS定位系统称为局部区域差分GPS系统，简称LADGPS。19.广域差分GPS系统(WADGPS)：为了在一个广阔的地区提供高精度的GPS差分服务，将多个基准站组网。各基站并不单独地将自己所求得的距离改正数播发给用户，而是将它们送住广域差分GPS网的数据处理中心进行统一处理，以便将卫星星历误差，大气传播延迟误差分离开来。然后再将各种误差估值播发给用户，由用户分别进行改正。这种差分GPS系统称为广域差分GPS系统，简称WADGPS。20.等效距离偏差：为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到观测站至卫星的距离上，以相应的距离误差表示，并称为等效距离偏差。21.多路径效应：在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的多路径误差。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。22.观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。23.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。24.同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。25.独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。26.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，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。三、简答题1、GPS相对于其它导航定位系统的特点？①全球地面连续覆盖。由于GPS卫星的数目较多且分布合理，所以地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星。从而保障了全球、全天候连续地实时导航与定位。②功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。随着GPS测量技术和数据处理技术的发展，其定位、测速与测时的精度将进一步提高。③实时定位速度快。利用全球定位系统一次定位和测量工作在一秒至数秒钟内便可完成(NNSS约需8～16分钟)，这对高动态用户来说尤为重要。④抗干扰性能好，保密性强。由于GPS采用数字通讯的特殊编码技术、采用伪随机噪声码技术，因此GPS卫星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性。2、GPS相对于经典大地测量的特点？①选点灵活，无需通视。GPS测量不要求观测站之间通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可减少测量工作的经费(30%~60%）和时间