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GPS测量原理及应用期末考试复习

第一章绪论

1.简述 GPS系统的特点有哪些①定位精度高②观测时间短③测

站间无需通视④可提供地心坐标⑤操作简便⑥全天候作业⑦功能

多、应用广

定位系统由哪几部分组成的各部分的作用是什么

整个 GPS系统，它包括三部分：

（ 1）空间部分— GPS卫星及其星座（ 2）地面控制部分—地面监控系统（ 3）用户设备部分— GPS信号接收机。作用：（ 1）①连续不断向地面发送 GPS导航和定位信号；

②接收地面站的指令，修正轨道偏差并启动备用设备；

③接收地面站发来的导航电文和其他信号；

（ 2）地面监测系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。

主控站：①收集数据：收集本站及各监测站获得的各种数据；

②处理数据：处理收集的数据，按一定格式编制成导航电文；③

监测协调：控制和协调监测站、注入站和卫星的工作；④控制卫

星：修正卫星的运行轨道，发送启动备用设备指令。

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：接收卫星信号，为主控站提供卫星的观测数据。

（ 3）捕获卫星信号，（计算出测站的三维位置，或三维速度和时间）达到导航和定位的目

的。第二章坐标系统和时间系统

定位对坐标系有何要求

（1）需把卫星与地面点的位置统一在一个坐标系内；

（2）需采用空间直角坐标系，以便于天球与地球坐标系进行转换；

（3）天球与地球坐标系的建立上应具有简便的变换关系。

2.定义一个空间直角坐标系条件有哪些

（1）坐标原点的位置（ 2）三个坐标轴的指向（ 3）长度单位

空间直角坐标系的几何定义

原点：地球的质心；

三轴指向： Z 轴——国际时间局（BIH ）定义的协议地球极（CTP， Conventional Terrestrial Pole ）方向；

X 轴——相应零子午面和赤道的交点（经度零点）；

Y轴——构成右手坐标系。

4、简述定义时间系统和时间尺度的条件分别是什么

定义时间系统的条件：尺度( 时间单位 ) ；原点 ( 历元 )

定义时间尺度的条件：周期运动；该周期是连续稳定的；该周期可被观测和实验复现。

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历

1、开普勒轨道 6 参数分别是什么各参数的作用

①轨道椭圆长半径a②轨道椭圆第一偏心率e； a ,e确定轨道椭圆形状和大小。

③升交点赤经：升交点与春分点所对应的地心夹角称升交点赤经Ω④ i 轨道面倾角：卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。Ω ,i 确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。

⑤ω近地点角距：在轨道平面上近地点与升交点所对应的地心夹角。

ω确定轨道椭圆在轨道平面上的定向。

⑥V 真近点角：卫星与近地点所对应地心夹角, 是时间的函数。 V

确定卫星在椭圆上瞬时位置。

第四章 GPS 卫星的导航电文和卫星信号

卫星信号的内容及其作用

GPS卫星播发的信号, 包括载波、测距码( 包括 P 码、 C/A 码) 、数据码 ( 导航电文 ) 等多种信号分量，以满足用户导航、定位等需要。

作用：加载和传送码信号，其本身也是重要的测量对象。

2.简述 GPS接收机由哪几个单元组成的各单元的作用

用于测绘的GPS接收机一般由天线单元、接收单元（主机）和辅助设备（电源）组成。

序号单元组成说明

天线接收卫星信号, 并将电磁波转化为相应的电流1天线单元

前置放大器将 GPS信号电流予以放大

变频器使 L 频段的射频信号变换成低频信号

信号通道

卫星信号经由天线进入接收机的“路径”。搜索 / 牵引 / 跟踪卫接收单元星；解调广播电文；进行站星距离测量

2

（主机）存储器存储卫星星历 / 历书 / 伪距 / 载波相位观测值等信息

微处理器指令协调整个接收机的工作并进行数据处理

显示器显示接收机工作状态、单点定位坐标等信息

3 辅助单元

电源为整个接收机的工作提供电力供应，分内/ 外电源采集器存贮器的外接记录器，通过它可实现人机对话

第五章 GPS 卫星定位基本原理

1.试述 GPS测距和单点定位原理写出方程式。

（ 1） GPS测距基本原理：设想在卫星上无线电信号发射机在卫星钟的控制下，按预定的方式发射测距信号，在地面待

定点上安置信号接受机，在接收机钟的控制下，测得信号到达接收机的时间差( t) ，进而求出站星之间的距离(ρ )：ρ =c·△ t（式中，c为电磁波传播速度）。

（2）单点定位原理：将卫星的瞬时空间位置作为已知点，采用空间后方距离交会，得到待定点的空间位置。

ρ12=（X P-X1）2+（Y P-Y 1）2+（Z P-Z 1）2

ρ22=（X P-X2）2+（Y P-Y 2）2+（Z P-Z 2）2

ρ32=（X P-X3）2+（Y P-Y 3）2+（Z P-Z 3）2

2.按不同分类标准 GPS定位可分为哪些

分类标准分类含义

按测距方法

伪距法定位测量卫星发射的测距码，确定站星距离

载波相位法定位测量卫星发射载波相位，确定站星距离

按接收机运动状态静态定位定位时，接收机处于静止状态动态定位定位时，接收机处于运动状态

按接收机数量

单点 ( 绝对 ) 定位定位时，采用 1 台 GPS接收机

相对定位定位时， 2 台或 2 台以上接收机同步观测相同的卫星

3.主动式测距和被动式测距的优缺点分别是什么

（1）主动式测距（如电磁波测距仪，测得往返双程距离）

优点：不要求仪器钟必须和某一时间系统保持一致。

缺点：用户要发射信号，对军事用户难以隐蔽自己。

（2）被动式测距（如 GPS测距，测得单程距离）

优点：用户无需发射信号，随时接收，因而便于隐蔽自己。

缺点：要求接收机钟和各卫星钟都要和GPS时间系统保持同步。

4.简述多普勒三次差分法中的一次差分在哪些观测值间求差并消除或减弱了哪些误差的影响

（1）①在卫星间求差分 ( 星际差分 ) ；②在观测站间求差分（站际差分）；③在历元间求差分（历元差分）。（2）①星际一次差分：消除了接收机钟差，也削弱电离层、对流层误差影响。②站际一次差分：消除了卫星钟差，同时也削弱了电离层、对流层误差影响。③历元间一次差分：消除了卫星和接收机钟差，同时也削弱了电离层、对流层误差影响。特别注意的是还消除了

初始整周未知数N0。

5.产生周跳的原因有哪些

如果在跟踪卫星过程，信号被阻挡暂时中断，或受其他信号干扰造成失锁，计数器计数不连续。当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但不到一个整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。

SA 和 AS 技术后对定位有何影响

和 AS技术的目的是什么实

施

技术内容目的

100m SA技术人为地将误差引入卫星钟和广播星历中降低C/A 码定位精度，20m降

到

Y 码， Y 码严格保密防止敌方使用P 码进行精密实时定位AS技术将 P 码与W码相加

成

SA和 AS技术后对定位的影响：

①降低单点定位的精度；②降低长距离相对定位的精度；③给整周未知数的确定带来不便。

7.图形强度因子可分为哪几类图形强度误差与何有关

序号分类含义公式

1 HDOP 评价平面位置精度M = HDOP·

H

2 VDOP 评价高程精度M V = VDOP·

3 PDOP 评价空间三维位置精度M = PDOP·

P

4 TDOP 评价时间精度M = TDOP ·

T

5 GDOP 综合评价三维位置和时间精度M = GDOP·

G

第六章、 GPS卫星导航

1.简述导航的三要素分别是什么

（1）起始点和目标点的位置（ 2）航行体的即时位置（ 3）航行体的瞬时速度、姿态等状态参数；

2.简述 GPS导航和惯性导航各自的优缺点

（1） GPS导航：

优点：全球性、全天候、高精度、三维实时

缺点：①星座不完善：卫星星座覆盖不完善，存在着“间隔区”；②受机动干

扰： GPS接收机的工作受飞行器机动的影响，会定位失锁；③数据更新

率低：高速飞行器，难以满足实时控制的要求。

（2）惯性导航：

优点①不依赖于外部信息②不向外部辐射能量( 隐蔽性好 ) ③不受外界干扰④可全天侯、全球性工作⑤连续性好且噪声低⑥数据更新率高、短期精度好

缺点①定位误差随时间而增大②初始化时间长③不能给出时间信息④设备昂贵

3.简述 GPS/惯导综合导航系统的优点

①克服了各自的缺点，导航精度高于两个系统单独工作的精度;

②有效地提高惯导系统的性能和精度;

③提高 GPS接收机跟踪卫星的能力及抗干扰性。

第七章、 GPS测量的误差来源及其影响

测量与卫星、信号传播、接收机有关的误差分别有哪些相应的消减措施有哪些

分类误差来源对等效距离的影响 (m) 卫星部分星历误差 / 钟误差 / 相对论效应～ 15

信号传播电离层折射 / 对流层折射 / 多路径误差～ 15

信号接收钟误差 / 位置误差 / 天线相位中心变化～ 5

其他影响地球潮汐 / 负荷潮

类型消减措施备注

①双频接收

②相对定位

电离层折射误差是系统误差, 必须电离层折射

采取有效措施予以消除。

③利用改正模型

④选择有利的观测时间

①模型改正随着同步观测站之间距离的增大，大气状况的相关性减弱。当距

对流层折射

离 >100km 时，对流层折射就成为

②相对定位

GPS 定位精度的重要制约因素。

①选择合适的站址

多路径误差②设置适宜的高度截止角

③对天线设置抑径板

①建立卫星跟踪网独立定轨

星历误差是 GPS 定位的重要误差卫星星历误差

来源之一。

②相对定位

①导航电文给出参数改正

卫星钟误差

②相对定位

事先将卫星钟的频率减小约

上述讨论是卫星在圆形轨道作匀。使

相对论效应其进入轨道受相对论效应影响速运动的情况。事实上相对论效应的影响并非常数。经改正后残差对

后，恰与标准频率相一致。

精密定位仍不可忽略。

①独立未知数法

接收机钟误差

②相对定位

在精密定位时，必须仔细操作，

以尽量减少这种误差的影响。在

天线安置误差

变形监测中，应采用有强制对中

装置的观测墩。

使用同一类型的天线同向安置同

天线相位中心位置步观测，在相距不远的测站间可

误差通过观测值求差来减弱相位偏移

的影响。

2.简述狭义相对论和广义相对论效应使卫星钟发生何种变化

狭义相对论效应使卫星钟比静止在地球上的同类钟走得慢了。

广义相对论效应使卫星钟比静止在地球上的同类钟走得快了。

（对 GPS 卫星而言，广义大于狭义相对论效应的影响）

第八、九章、 GPS测量的设计与实施

网基准设计的内容有哪些基准设计应注意的问题有哪些

（ 1）内容：方位基准：一般以给定的起算方位角值确定( 如 2 个起算点 );

尺度基准：一般由电磁波测距边确定也可由起算点间的距离确定;

位置基准：一般都是由给定的起算点坐标确定。

（ 2）问题：①起算点个数和精度要求：起算点个数一般要求 3 个，且使新建GPS网不受起算点精度较低的影响。

②起算点边长：起算点间要适当地构成长边图形。

③ GPS高程测量：网中1/3 点应联测水准高程，且应均匀分布

④独立坐标系测量：采用独立坐标系，还应该了解：参考椭球；中央子午线经度；坐标加常数;

坐标系投影面高程及测区平均高程异常值；起算点的坐标值等。

网形设计原则是什么

（1）便于常规测量应用： GPS网点间虽不要求相互通视，但要考虑到常规测量应用，因此一般要求每个点应有一个联

测通视方向。

（2）坐标系统一致性：充分利用测区原有控制点，使新建的坐标系统与原有坐标系统保持一致。

（3）构成闭合环路：由非同步观测边构成闭合或附和线路。

3.同步网间的连接方式有哪些各自的特点及适应的情况

连接方式特点

点连式

连接效率高，当接收机数目较少（2、 3 台），为推荐的

连接方式；但图形强度较弱，极少有非同步闭合条件。

边连式比点连接效率低，但可靠性高，在精确测量或接收机数较多（ 4 台以上）时，主要连接方式。

网连式

强度和可靠性高，但效率较低，接收机需 4 台以上，高精度测量使用。

边点混合连接式灵活、可靠性好，是理想的布网观测方案。三角锁（或多边形）连接

导线网形连接（环形图）

星形布设

4、 GPS数据处理的目的和特点

（1） GPS数据处理的目的：将野外采集的原始 GPS数据，以最佳的方法进行平差，归算到参考椭球面上，并投影到所

采用的平面（例如高斯平面），最终得到点所在坐标系的准确位置。

（2） GPS数据处理的特点：

①数据量大：按 15s 采集间隔计算， 1 台接收机观测 1h有 240 组数据，每组数据含有对若干颗卫星信号数据，定位时使用

多台接收机同步观测 ;

GPS原始数据到最终定位成果，需要对大量数据进行组织、检验、计算和分析处理，处理过程非

②处理过程复杂：从常

复杂 ;

③数学模型多样：GPS定位技术是新兴技术，对同一问题的处理方法也不尽相同，这就使得数据处理使用的数学模型和

算法具有多种形式;

④自动化程度高：鉴于以上特点，随着软件水平的不断提高，数据处理一般借助相应的软件完成，自动化程度越来越

高。

5. 简述南方南方测绘数据处理软件”数据处理过程

一、数据通讯：将接收机内采集的数据文件( 例传输在计算机内。

二. 运行数据处理软件

1.新建项目：给处理的数据起文件名。

2.增加观测数据文件：将待处理的观测数据文件读入软件系统中。

3.基线解算：解算所有基线向量，区分合格和不合格的基线，是数据处理的关键。

4.数据录入：输入已知点坐标，给定约束条件。

5.平差处理：进行网型无约束平差和通过已知点进行约束平差。

6.成果输出：将文件保存或打印输出计算成果。

三 . 精度评定

1）粗差或错误判断方法：已知点有三个，以二个作为起算，第三个作为检核，若满足精度，然后将第 3 个也作为已知点参与起算。

2）点位精度评定：在输出结果中以数字的形式显示点位中误差和基线边相对精度。

GPS点上数据采集质量好坏，也就是基线解算能否合格。）（结论：实践表明，GPS定位精度主要取决

与

6. 数据处理中基线不合格, 重新设置历元间隔和高度截止角的原则

1）历元间隔的设置原则：

①同步观测时间较短时, 可缩小历元间隔，反之，应增加历元间隔；

②数据周跳较多时，要增加历元间隔，跳过中断的数据继续解算。

2）高度截止角的设置原则：

①当卫星数目足够多时，增加高度截止角，屏蔽低空卫星数据参与解算;

②当卫星数目不多时，降低高度截止角, 让更多的卫星数据参与解算。

控制点的选点原则

1）点位应远离大功率的无线电发射台和高压输电线避免其磁场对卫星信号的干扰。其距离前者应大于200m，后者应大于50m；

2）点位附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射强烈的物体以减弱多路径效应的影响；

3）点位应设在便于安置接收设备且视场开阔的地方，在视场内周围障碍物的高度角根据情况一般应小于10°～ 15°4）点位应选在交通便利且有利于常规测量应用的地方。

8.拟定观测计划的主要依据

① GPS网的规模大小②点位精度要求③GPS卫星星座几何图形强度④参加作业的接收机数量⑤交通、通信及后勤保障。

9.观测计划的内容

（ 1）计划 GPS网与原地面网的联测方案（一般要求重合点不少于三个）；

（2）同步环组成及连接方式；

（3）根据连接方式选定连接点或连接边；

（4）同步观测的“采集间隔”和“高度截止角”大小的确定；

（5）同步观测的时间长度；

（6）观测区域的设计与划分（当GPS网规模较大，点数较多，接收机数量有限，可分区观测。测相邻分区应设置公共

观测点，且数量不少于 3 个）；

（7）编制作业调度计划和进度表等。

测量的作业模式有哪几种 RTK测量系统一般由哪三部分构成

（1）作业模式：

A 快速静态相对定位（主要应于用工程测量中）。

B准动态相对定位（要求保持对所测卫星连续跟踪，不常用）。

C动态相对定位（主要用于小区域精密导航中）。

（ 2）构成：GPS 接收机、数据传输系统和软件系统。

第十章、GPS应用

GPS可以应用在哪些方面

名词解释：

GPS时间系统（ GPST）：秒长采用原子时ATI 秒长，原点定义在UTC的 1980 年 1 月 6 日0 时（与协调世界时UTC对齐）。

春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时, 黄道与天球赤道的交点（从北向南的交点为秋分点)。

真近点角：卫星与近地点所对应地心夹角, 是时间的函数。

升交点赤经：升交点与春分点所对应的地心夹角称升交点赤经。

近地点角距：在轨道平面上近地点与升交点所对应的地心夹角。

卫星无摄运动：假设地球为匀质球体，其质量集中于球体的中心，这时由地球引力所决定的卫星运动，称为无摄运动。

卫星星历：描述卫星运行轨道和状态的各种参数值，是计算卫星瞬时位置的依据，实质就是赋值后的轨道参数。

广播星历：由接受导航电文获得的卫星星历, 也称作预报星历。

导航电文：是利用 GPS进行定位和导航的数据基础, 包含卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、卫星工作状态信息以及由 C/A 码捕获 P 码信息等。

伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得到的站星距离。

伪距测量：通过测定测距码得到站星距离的方法。

载波相位测量：原理：把测定载波传播的时间t ，转化为测定载波传播过程中经历的相位移Φ，通过时间和相位移之间的关系，最终达到测距目的。（结论：载波相位测量的关键在于确定整周数N0。）

绝对定位：又称单点定位，确定待定点在WGS-84坐标系中的绝对位置。

相对定位：定位时，采用 2 台或 2 台以上接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定接收机天线之间的相对位置。

静态定位：接收机天线处于静止状态下, 确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位。

动态定位：接收机天线处于运动状态下, 确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位。

基线：两测量点之间的连线，在此 2 点上同步接收相同的GPS卫星信号，并采集其观测数据。

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。

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。

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构成的闭合环，简称同步环。

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。

独立观测环：由独立观测（非同步观测）获得的基线向量构成的闭合环。