GPS原理與應(yīng)用考試專用

1、.1.衛(wèi)星定位基本原理:測距交會原理：利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置，測量之間的距離，可交會出地面未知點(用戶接收機)的位置。2.GPS測量定位的類型:-依定位時接收機天線的運動狀態(tài): 靜態(tài)定位: (在定位過程中，接收機的位置是固定的，處于靜止狀態(tài)。這種靜止狀態(tài)是相對的。在衛(wèi)星大地測量學(xué)中，所謂靜止狀態(tài)，通常是指待定點的位置，相對其周圍的點位沒有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內(nèi)（數(shù)天或數(shù)星期）可以忽略。靜態(tài)定位主要應(yīng)用于測定板塊運動、監(jiān)測地殼形變、大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)及地震監(jiān)測等領(lǐng)域。) 動態(tài)定位 (在定位過程中，接收機天線處于運動狀態(tài)。這種運動狀態(tài)也是相對的，通常是指待

2、定點的位置，相對其周圍的點位發(fā)生顯著的變化，或針對所研究的問題和事物來說, 其狀態(tài)在觀測期內(nèi)不能認為是靜止的可以忽略。)-按參考點的不同位置劃分 絕對定位 (又稱單點定位，獨立確定待定點在坐標系中的絕對位置。由于目前GPS系統(tǒng)采用WGS-84系統(tǒng)，因而單點定位的結(jié)果也屬該坐標系統(tǒng)。絕對定位的優(yōu)點是一臺接收機即可獨立定位，但定位精度較差。該定位模式在船舶、飛機的導(dǎo)航，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探，暗礁定位，建立浮標，海洋捕魚及低精度測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。)（單點定位） 相對定位 (確定同步跟蹤相同的GPS信號的若干臺接收機之間的相對位置的方法?？梢韵S多相同或相近的誤差（如衛(wèi)星鐘、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星信號傳播誤差等），

3、定位精度較高。但其缺點是外業(yè)組織實施較為困難，數(shù)據(jù)處理更為煩瑣。在大地測量、工程測量、地殼形變監(jiān)測等精密定位領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。)-依觀測值類型 偽距測量（偽距法定位） (偽距法定位是由GPS接收機在某一時刻測出得到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會的方法求定接收機天線所在點的三維坐標。)載波相位測量 (載波相位觀測是測量接收機接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機產(chǎn)生的 參考載波信號之間的相位差。)3. GPS衛(wèi)星信號包含三種信號分量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。4. 目前廣泛應(yīng)用的基本觀測量主要有碼相位觀測量和載波相位觀測量。5. 碼相位觀測是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距

4、碼信號（C/A碼或P碼）到達用戶接收機天線（觀測站）的傳播時間。也稱時間延遲 測量。6. 載波相位觀測是測量接收機接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機產(chǎn)生的 參考載波信號之間的相位差。7. 用測距碼來測定偽距的特點（1）易于將微弱的衛(wèi)星信號提取出來。（2）可提高測距精度 (3）便于用碼分多址技術(shù)對衛(wèi)星信號進行識別和處理（4）便于對系統(tǒng)進行控制和管理8. 為什么載波重建?(由于GPS信號中已用相位調(diào)制的方法在載波上調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)（凡是調(diào)制信號從0變1或從1變0時，載波的相位均要變化180°）。所以在進行載波相位測量之前，首先要進行解調(diào)工作

5、，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文去掉，重新獲得載波，即所謂載波重建。)9. 重建載波的方法有a。碼相關(guān)法（優(yōu)點：可同時獲得偽距觀測值和導(dǎo)航電文，以便進行導(dǎo)航和實時定位；可獲得全波長的載波； 由于是用信號強度很強的復(fù)制碼去乘衛(wèi)星信號，故結(jié)果的信噪比較好。 缺點： 采用這種方法時，用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)。C/A碼的結(jié)構(gòu)是公開的，故可采用碼相關(guān)法來恢復(fù)L1載波。但L2載波上只調(diào)制了Y碼，不能用碼相關(guān)法來恢復(fù)L2載波。）方法：將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘。技術(shù)要點：衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）相乘。特點：限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長

6、的載波，信號質(zhì)量好（信噪比高）b。平方法。方法:將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）自乘。 ±Acos(Wt+)2.技術(shù)要點:衛(wèi)星信號（弱）自乘。特點:優(yōu)點：無需了解碼的結(jié)構(gòu).缺點：無法獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質(zhì)量較差（信噪比低，降低了30dB）.C.互相關(guān)法（交叉相關(guān)）優(yōu)點:可獲得雙頻偽距觀測值可獲得全波長的L1載波和L2載波?？色@得衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。缺點：由于是用十分微弱的衛(wèi)星信號Y1與Y2相乘來去掉Y2的，故恢復(fù)的L2載波的信噪比較差。方法:在不同頻率的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）進行相關(guān)處理，獲取兩個頻率間的偽距差和相位差.技術(shù)要點:不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進行相關(guān)

7、。 特點:優(yōu)點：無需了Y解碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了27dB）.D. Z跟蹤.方法：將衛(wèi)星信號在一個W碼碼元內(nèi)與接收機復(fù)制出的P碼進行相關(guān)處理。在一個W碼碼元內(nèi)進行衛(wèi)星信號（弱）與復(fù)制信號（強）進行相關(guān)。特點:優(yōu)點：無需了解Y碼結(jié)構(gòu)，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了14dB）10. 載波相位測量的原理 :若衛(wèi)星S發(fā)出一載波信號，該信號向各處傳播。設(shè)某一瞬間，該信號在接收機R處的相位為jR，在衛(wèi)星S處的相位為jS。jR和S為從某一起始點開始計算的包括整周數(shù)在內(nèi)的載波相位，為方便計，均

8、以周數(shù)為單位。若載波的波長為l，則衛(wèi)星S至接收機R間的距離： 載波相位測量的優(yōu)點：精度高，測距精度可達0.1mm量級。難點：整周未知數(shù)問題整周跳變問題11. 在理想條件下，接收機在鎖住衛(wèi)星后可保持跟蹤，從而測出包括整數(shù) 部分的相位變化量，因此每個歷元的相位觀測量與接收機到衛(wèi)星的距離相差載波波長的一個 整數(shù)倍，它是一個固定不變的值，該整數(shù)被稱為整周模糊度，在解算時與其他參數(shù)一起求出 。在實際觀測條件下，接收機往往會由于某種原因(如衛(wèi)星信號被擋住)對衛(wèi)星短時間失去跟 蹤，在失去跟蹤時間內(nèi)相位的變化就不能被測出，稱為失周或失鎖，也稱為周跳。 12.兩種距離測量方法比較：偽距測量：測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的

9、測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間。利用C/A碼和P碼作為觀測量進行定位測量。(基本原理：利用測距碼與復(fù)制碼的相關(guān)性，測出信號傳播的時間，最終測出站星距離。)載波相位測量：測量具有載波GPS載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差；利用L1和L2測得載波相位偽距作為觀測值進行定位測量。( 測量具有載波GPS載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差；)13. GPS定義：該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天侯、連續(xù)性和實時性的導(dǎo)航、定位和定時的功能。能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。14. GPS衛(wèi)星作用：接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，

10、接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。利用衛(wèi)星上的微處理機，對部分必要的數(shù)據(jù)進行處理。通過星載的原子鐘提供精密的時間標準。向用戶發(fā)送定位信息。在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘。15. GPS主要設(shè)備：太陽能電池板，原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘），信號生成與發(fā)射裝置16. GPS系統(tǒng)組成：主控站：1個；監(jiān)測站：5個 ；注入站：3個；通訊與輔助系統(tǒng)。17. 天球以地心為球心，以任意長為半徑的球面。 天軸地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸。 天極天軸與天球的交點Pn(北天極)Ps(南天極)稱為天極。 天球赤道面過球心且與天軸垂直的平面。 黃道面地球公轉(zhuǎn)軌道所在平面，與赤道面夾角為23.5

11、76;。 春分點太陽從南半球向北半球運行時，黃道與赤道的交點。黃極通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點，其中靠近北天極的交點，稱為北黃極，靠近南天極的交點稱為南黃極。18.產(chǎn)生歲差與章動的原因:在日、月和其他天體引力作用產(chǎn)生力矩。從而使地球自轉(zhuǎn)軸的方向在慣性空間緩慢地移動?？梢詫⑦\動分解為一個長周期變化和一系列短周期變化的疊加。地球自轉(zhuǎn)軸的長周期變化約25800年繞黃極一周。使春分點產(chǎn)生每年約50.26"的長期變化，稱之為日月歲差。一系列短日、月周期變化中幅值最大的約為9.2"，周期為18.6年，這些短周期變化統(tǒng)稱為章動。(結(jié)果：自轉(zhuǎn)軸繞著北黃極緩慢地旋轉(zhuǎn)（天極運

12、動）；春分點變化（黃道與赤道的交點）。天文學(xué)中把天極運動分解為：一種長周期運動歲差；一種短周期運動章動。)19.高斯克呂格（Gauss-Kruger)投影 :設(shè)想用一個圓柱橫切于球面上投影帶的中央經(jīng)線，按照投影帶中央經(jīng)線投影為直線且長度不變和赤道投影為直線的條件，將中央經(jīng)線兩側(cè)一定經(jīng)差范圍內(nèi)的球面正形投影于圓柱面。然后將圓柱面沿過南北極的母線剪開展平，即獲高斯-克呂格投影平面。20.高斯投影特征：中央經(jīng)線和赤道投影為互相垂直的直線，且為投影的對稱軸.投影后無角度變形，即保角投影 中央經(jīng)線無長度變形 同一條經(jīng)線上，緯度越低，變形越大，赤道處最大同一條緯線上，離中央經(jīng)線越遠，變形越大；為了保證地圖

13、的精度，采用分帶投影方法，即將投影范圍的東西界加以限制，使其變形不超過一定的限度，這樣把許多帶結(jié)合起來，可成為整個區(qū)域的投影 . 在6°帶范圍內(nèi)，長度變形線最大不超過0.14%21. 恒星時:參考點：春分點.定義：春分點兩次經(jīng)過地方上子午圈的時間間隔為一恒星日。并由此派生出“時”、“分”、“秒”等單位；屬于地方時。數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。真恒星時與平恒星時之分22. 平太陽時:參考點：平太陽（以真太陽周年運動的平均速度在天球赤道上作周年視運動）。定義：平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一平太陽日。并由此派生出“時”、“分”、“秒”等單位；屬于地方時。起算原點：以

14、平太陽通過本地子午圈時刻；數(shù)值上：平太陽相對于本地子午圈的時角.有真太陽時與平太陽時，真太陽日與平太陽日（平太陽 周年視運動的軌跡在赤道面上；運動角速度恒定，且等于真太陽的平均角速度。）23. 世界時:定義：以平子夜為零時的格林尼治平太陽時稱為世界時。世界時與平太陽時尺度相同，但起算點不同。通常將地球按子午線劃分24個時區(qū)，每個時區(qū)以中央子午線的平太陽時為該區(qū)的區(qū)時。于是，零時區(qū)的平太陽時即為世界時。例如：北京-東8區(qū) ，倫敦-0時區(qū) ：所以北京時間比倫敦時間早8個小時。 (UT0：未經(jīng)改正的世界時；UT1：引入極移改正的世界時；UT2：引入極移改正和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)改正的世界時)24. G

15、PS時:GPST屬于原子時系統(tǒng)，它的秒長即為原子時秒長，GPST的原點與國際原子時IAT相差19s。有關(guān)系式： IAT-GPST=19（s）1980年1月6日0h與UTC重合(為原點)。 25. 協(xié)調(diào)世界時:1972年，采用與原子時AT秒長相同；時刻接近世界時的折衷時間系統(tǒng)。因原子時比世界時每年約快1秒，對兩者之差，采用通過跳（閏）秒與UT的差值保持在0.9秒內(nèi)（通常在6月30日24h或12月31日24h進行跳秒）。為了使用世界時用戶得到精度高的UT1時刻，時間服務(wù)部門在發(fā)播UTC時號的同時，還給出了與UTC差值的信息。26. 區(qū)別協(xié)議天球坐標系和地球坐標系，簡述協(xié)議天球坐標系和協(xié)議地球坐標系

16、的轉(zhuǎn)換過程？在GPS測量中，為確定地面點的位置，需要將GPS衛(wèi)星在協(xié)議天球坐標系中的坐標轉(zhuǎn)換為協(xié)議地球坐標系中的坐標，轉(zhuǎn)換步驟為：協(xié)議天球坐標系瞬時平天球坐標系瞬時天球坐標系瞬時地球坐標系協(xié)議地球坐標系。 為了建立一個與慣性坐標系相接近的坐標系，人們通常選擇某一時刻t0作為標準歷元(epoch)，并將標準歷元的瞬時北天極和真春分點作章動改正，得z軸和x軸的指向。由此所構(gòu)成的空固坐標系，稱為所取標推歷元t0的平天球坐標系或協(xié)議天球坐標系。取平地極為原點，z軸指向CIO（國際協(xié)定原點），x軸指向協(xié)定赤道面與格林尼治子午線的交點，y軸指向經(jīng)度270度的方向，與xoz構(gòu)成右手系統(tǒng)而成的坐標系統(tǒng)稱為平地

17、球坐標系（又稱協(xié)議地球坐標系）。34.固定極地球坐標系與平地球坐標系（1）極移：地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時間而變，稱為地極移動，簡稱極移。產(chǎn)生原因：受到地球內(nèi)質(zhì)量不均勻影響而在地球體內(nèi)部運動。（2）瞬時極：與觀測瞬間相對應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時的地球極軸，相應(yīng)的極點稱為瞬時極。（3）國際協(xié)定原點CIO：采用國際上5個緯度服務(wù)站的資料，以1900.00至1905.05年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIO。地球坐標系:1地球直角坐標系:原點O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午面的交點，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標系。2

18、地球大地坐標系:地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。空間點位置在該坐標系中表述為（L，B，H）。 35.瞬時極（真）天球坐標系與地球坐標系 瞬時極（真）天球坐標系：原點位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)方向（真天極），x軸指向瞬時春分點（真春分點），y軸按構(gòu)成右手坐標系取向。瞬時極（真）地球坐標系：原點位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸方向，x軸指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉(zhuǎn)軸與平均天文臺赤道參考點的子午面之交點，y軸構(gòu)成右手坐標系取向。36.如何描述北天極在天球上的運動通常均把這種復(fù)雜的運功，分解為兩種規(guī)律的運動，首先是平北天極繞北黃極的運動，這就是上面介紹的歲差現(xiàn)象

19、；其次是瞬時北天極繞平北天極順時針的轉(zhuǎn)功，即章動現(xiàn)象。在歲差和章動的共同影響下，瞬時北天極繞北黃極旋轉(zhuǎn)的軌跡，37.地心坐標系：就是一個將橢球中心與地球質(zhì)心重合，且與全球大地水準面最為密合的旋轉(zhuǎn)橢球。38.時間的描述包括時間原點、單位（尺度）兩大要素。時間是物質(zhì)運動過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測量時間單位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運動。時間的特點是連續(xù)、均勻，故一種物質(zhì)的運動也應(yīng)該連續(xù)、均勻。39.周期運動滿足如下三項要求，可以作為計量時間的方法。運動是連續(xù)的;運動的周期具有足夠的穩(wěn)定性；運動是可觀測的。40.2000國家大地坐標系的意義:1. 科學(xué)意義，定義更加科學(xué)、原點位于地球質(zhì)量中心的三維國家

20、大地坐標系。 2. 采用2000國家大地坐標系可對國民經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展產(chǎn)生巨大的社會效益;3. 采用2000國家大地坐標系將進一步促進遙感技術(shù)在中國的廣泛應(yīng)用，發(fā)揮其在資源和生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方面的作用。4. 采用2000國家大地坐標系也是保障交通運輸、航海等安全的需要。5. 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與通信、遙感和電子消費產(chǎn)品不斷融合，將會創(chuàng)造出更多新產(chǎn)品和新服務(wù)，市場前景更為看好41.2000國家大地坐標系的必要性:1.二維坐標系統(tǒng)。1980西安坐標系是經(jīng)典大地測量成果的歸算及其應(yīng)用，它的表現(xiàn)形式為平面的二維坐標。高精度、三維與低精度、二維之間的矛盾是無法協(xié)調(diào)的。2.參考橢球參數(shù)。1980西安坐標系所采用的IAG1975橢球，其長半軸要比現(xiàn)在國際公認的WGS84橢球長半軸的值大3米左右，而這可能引起地表長度誤差達10倍左右。 3. 隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和科技的進步，維持非地心坐標系下的實際點位坐標不變的難度加大，維持非地心坐標系的技術(shù)也逐步被新技術(shù)所取代。4.橢球短半軸指向。1980西安坐標系采用指向JYD1968.0極原點，與國際上通用的地面坐