16《工程测量》第十六章--全球定位系统(GPS)简介作业与习题答案

第十六章全球定位系统（GPS）简介1．什么是全球定位系统？它主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？全球定位系统是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。全球定位系统（GPS）主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分共三大部分组成。空间星座部分的主要功能是：接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息；接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置。地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和监测站（MS）三种。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，其具体任务有：根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。注入站的主要任务是将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站的主要任务是连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。整个地面监控系统由主控站控制，地面站之间由现代化通信系统联系，无需人工操作，实现了高度自动化和标准化。GPS的用户设备部分的主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号；对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间；译出GPS卫星发射的导航电文，配以功能完善的软件，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。2．GPS接收机主要有哪几种类型？有什么不同？GPS的种类很多，按用途可分为：导航型接收机：一般采用伪距单点定位，定位精度较低，但体积小、价格低廉，故使用广泛。主要用于船舶、车辆、飞机等运动载体的实时定位及导航。按不同应用领域又分：手持型、车载型、航海型、航空型以及星载型。测地型接收机：主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度较高，一般相对精度可达±（5mm＋10-6×D）。这类仪器构造复杂，价格昂贵。主要用于精密大地测量、工程测量、地壳形变测量等领域。分为单频机和双频机两种：单频机只接收L1载波相位，它不能消除电离层的影响，只适用于15km以内的短基线；双频机可接收L1、L2载波相位，因而可以消除电离层的影响，精度较高，可适用于长基线。授时型接收机：主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台授时、电力系统、无线电通讯系统中的时间同步等。姿态测量型接收机：可提供载体的航偏角、俯仰角和滚动角，主要用于船舶、飞机及卫星的姿态测量。3．什么是伪距测量？简述用伪距法单点定位的原理。在待测点上安置GPS接收机天线，通过测定某颗卫星发送信号的时刻到接收机天线接收到该信号的时刻Δt，就可以求得卫星到接收机天线的空间距离。由于卫星和接收机的时钟均有误差，电磁波经过电离层和对流层时将产生传播延迟，因此，Δt乘上空中电磁波传播的速度c得到的距离，不是接收机到卫星的几何距离，故称为伪距，以ρ~来表示。ct⋅Δ=ρ若用δt、δT表示卫星和接收机时钟相对于GPS时间的误差改正数，δI表示信号在大气中传播的延迟改正数，则其中，卫星钟误差改正数δt可由卫星发出的导航电文给出，δI可采用数学模型计算出来，δT为未知数，ρ为接收机至卫星的几何距离。设r=（XS，YS，ZS）为卫星在世界大地坐标系中的位置矢量，可由卫星发出的导航电文计算得到，R=（X，Y，Z）为接收机天线（待测点）在大地坐标系中的位置矢量，是待求的未知量。则上式中的ρ可表示为结合式（16-4）和（16-5）可知，每一个伪距观测方程中仅含有X，Y，Z和δT四个未知数。如图16-8所示，在任一测站只要同时对四颗卫星进行观测，取得四个伪距观测值ρ~，即可解算出四个未知数，从而求出待测点的坐标（X，Y，Z）。当同时观测的卫星多于四颗时，可用最小二乘法进行平差处理。4．在一个测站上至少要接收几颗卫星的信号才能确定该点在世界大地坐标系中的三维坐标？为什么？在待测点上安置GPS接收机天线，通过测定某颗卫星发送信号的时刻到接收机天线接收到该信号的时刻Δt，就可以求得卫星到接收机天线的空间距离。由于卫星和接收机的时钟均有误差，电磁波经过电离层和对流层时将产生传播延迟，因此，Δt乘上空中电磁波传播的速度c得到的距离，不是接收机到卫星的几何距离，故称为伪距，以ρ~来表示。若用δt、δT表示卫星和接收机时钟相对于GPS时间的误差改正数，δI表示信号在大气中传播的延迟改正数，则其中，卫星钟误差改正数δt可由卫星发出的导航电文给出，δI可采用数学模型计算出来，δT为未知数，ρ为接收机至卫星的几何距离。设r=（XS，YS，ZS）为卫星在世界大地坐标系中的位置矢量，可由卫星发出的导航电文计算得到，R=（X，Y，Z）为接收机天线（待测点）在大地坐标系中的位置矢量，是待求的未知量。则上式中的ρ可表示为结合式（16-4）和（16-5）可知，每一个伪距观测方程中仅含有X，Y，Z和δT四个未知数。如图16-8所示，在任一测站只要同时对四颗卫星进行观测，取得四个伪距观测值ρ~，即可解算出四个未知数，从而求出待测点的坐标（X，Y，Z）。当同时观测的卫星多于四颗时，可用最小二乘法进行平差处理。5．载波相位测量的观测值是什么？简述用载波相位进行相对定位的原理。载波相位测量是利用GPS卫星发射的载波为测距信号。由于载波的波长比测距码波长要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。在任一时刻t可以测定卫星载波信号在卫星处某时刻的相位sϕ与该信号到达待测点天线时刻的相位rϕ间的相位差，即式中：N为信号的整周期数，δϕ为不足整周期的相位差。由于相位和时间之间有一定的换算公222)()()(ZZYYXXsss−+−+−=ρITtcδδδρρ+++=)(~ct⋅Δ=ρ222)()()(ZZYYXXsss−+−+−=ρITtcδδδρρ+++=)(~式，卫星与待测点天线间的距离可由相位差表示为：考虑到卫星和接收机的时钟误差、电离层和对流层对信号传播的影响，上式又可写成：或写为式中πδϕϕ2/=Δ为相位差不足一周的小数部分。6．什么是静态定位和动态定位？静态定位，即在定位过程中，接收机天线（待测点）的位置相对于周围地面点而言，处于静止状态；动态定位，即在定位过程中，接收机天线（待测点）的位置相对于周围地面点而言，处于运动状态，也就是说定位结果是连续变化的，如用于飞机、轮船导航定位的方法。7．什么是绝对定位和相对定位？各适用于什么场合？绝对定位，又称单点定位。是在一个待测点上，用一台接收机独立跟踪GPS卫星，测定待测点的绝对坐标。单点定位一般采用伪距测量。相对定位，是用两台接收机在两个测站上同步跟踪相同的卫星信号，求定两台接收机之间相对位置的方法。绝对定位一般多用于船舶、飞机、勘探、海洋作业等方面。相对定位一般用于控制测量、工程测量和变形观测等精密定位。8．差分定位技术的特点是什么？为什么能取得高精度的结果？一次差分：两台接收机的公共项，即卫星时钟误差的影响被消除。卫星轨道误差、大气传播误差对两个测站同步观测的影响因具有相关性将被明显减弱，尤其当基线较短时，这种有效性更为显著。二次差分：除了消除了卫星时钟误差的影响外，还消去了接收机时钟误差的影响。这是双差模型的主要优点，同时也大大减小了其它误差的影响。二次差分是GPS向量解算中常用的一种形式。9．GPS实时动态差分定位的主要方法有哪些？各有什么特点？GPS动态差分有多种方法：（1）位置差分是将基准站GPS接收机伪距单点定位得到的坐标值与已知坐标作差分，无线电传送的是坐标修正值，流动站用坐标修正值对其坐标进行修正。位置差分精度可达5m～10m。但是位置差分要求流动台接收机单点定位所用的卫星，与基准台求修正值时所用的卫星完全一致。若有一颗卫星不一样就可能产生45m以上的误差。（2）伪距差分（RTD）利用基准站已知坐标和卫星星历求卫星到基准站的几何距离，作为距离精确值。将此值与基准站所测伪距值求差，作为差分修正值，通过数据链传给流动台。流动台接收差分信号后，对所接收的每颗卫星伪距观测值进行修正，然后再进行单点定位。由于伪距差分是对每颗卫星伪距观测值进行修正，所以不要求基准站和流动台接收的卫星完全一致，只要有4颗以上相同卫星即可。其差分精度取决于差分卫星个数、卫星空中分布状况及差分修正值延迟时间，伪距差分精度为3m～10m。基准站距流动台距离可达200km～300km。近年来又发展了利用相位观测值精化伪距值以提高差分精度，称为相位平滑伪距差分，其差分精度可达到1m。（3）载波相位实时差分（RTK）)2(2πδϕπϕρ+==NfcfcITtcNfcδδδπδϕρ++++=)()2(NfcfTtI−+−−=Δ)()(δδδρϕ由于载波相位观测值精度高，若通过数据链将基准站载波相位观测值传送到流动台，在流动台进行实时载波相位数据处理，其定位精度可达到1cm～2cm。RTK差分距离不可太远，目前最远可到30km。此外，流动台是否能进行RTK差分，取决于数据通讯的可靠性和流动台载波相位观测值是否失锁。目前在城市测量中因受周围环境影响，实时动态RTK还很难使用，但在空旷地区、海上应用较多。4．广域差分广域差分是利用大范围内建立的卫星跟踪网跟踪卫星信号。利用跟踪网已知坐标和原子钟，求每颗卫星的星历改正值、卫星钟改正值及电离层改正参数，并通过无线电台向用户流动台发送。流动台接收这些修正信息后对观测值进行修正。差分修正后的精度可达到1m～3m，差分范围可达到1000km。10．为什么说GPS定位技术有广阔的应用领域？由于GPS是一种全天候、高精度的连续定位系统，并且具有定位速度快、费用低、方法灵活多样和操作简便等特点，所以它在测量学、导航学及其相关学科领域，获得了极其广泛的应用。