GPS复习资料资料

GPS复习资料

一、名词解释

1.GNSS: GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。中文译名应为全球导航卫星系

统。目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统、中国的Compass(北斗)。它不是单一导航卫星系统，而是一个综合导航卫星系统，

它体现了卫星导航的优越性。

2.天球：以地球质心为中心，以无穷大为半径的假想球体称为天球。为建立球面坐标系统，

必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。

3.春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。

4.岁差：地球绕地轴旋转，由于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓

慢旋转，形成一个倒圆锥体，锥角等于黄赤交角，旋转周期为26000年，这种运

动称为岁差。

5.章动：月球引力产生的转矩大小和方向不断变化，从而导致地球旋转轴在岁差的基础上叠

加18.6年的短周期圆周运动，振幅为9.21秒，这种现象称为章动。

6.极移：地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，因而地极点在地球表面的位置是随时

间而变化的，这种现象称为极移。

7.历元：在天文学和卫星定位中与所获取数据对应的时刻称为历元。

8.绝对定位：也叫单点定位，即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用

户接收机天线在WGS-84坐标系中相对坐标系原点的绝对位置。

9.相对定位：用至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之

间的相对位置。有静态相对定位和动态相对定位之分。

10.伪距：是由GPS观测得到的GPS观测站到卫星的距离。由于尚未对“卫星时钟与接收机

时钟同步误差”所造成的影响加以改正，在所测距离中包含着时钟误差因素，故

称“伪距”。

11.周跳：在卫星跟踪过程中，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰

造成失锁，这样计数器就无法连续计数。当信号被重新跟踪后，整周计数就不正

确，但是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。

12.整周模糊度：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。正确地确定它，是全球定

位系统载波相位测量中非常重要且必须解决的问题之一。

13.卫星轨道误差：也是卫星的星历误差，由星历计算得到的卫星轨道空间位置与实际轨道

位置之差称为卫星轨道误差。

14.同步观测:同步观测是指两台或两台以上接收机同时对一组卫星进行的观测。

15.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，则该改

多边形环路叫异步观测环。

二、填空题

1.GPS全球定位系统组成包括三大部分：①空间部分——GPS卫星星座；

②地面监控部分——地面监控系统；

③用户部分——GPS接收机。

2.GPS系统的空间部分由21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个近似

圆形轨道上。

3.地面监控部分部分由主控站、监测站、注入站、通信和辅助系统组成。

4.GPS中的时间系统包括：恒星时、原子时、动力学时。

5.GPS专用时间系统是：原子时ATI。

6.卫星的运动：①无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动。

②受摄运动：考虑摄动力作用的卫星运动。

7．开普勒轨道6参数（卫星的无摄运动）

参数：椭圆长半径a，偏心率e ；真近点角V；

升交点赤经Ω；轨道面的倾角i；近地点角距ω

8. GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文组成。

9.差分GPS的分类

差分GPS按用户进行数据处理的时间的不同可分为实时差分和事后差分。

差分GPS按观测值的类型可分为伪距差分和相位差分。

差分GPS按其工作原理及数学模型大体可分为三种类型：单基准站差分、具有多个基准站

的局部区域差分和广域差分。

10.完全定义一个空间直角坐标系统必须明确：坐标原点的位置；三个坐标轴的指向；长度

单位

11.载波相位定位需解决的问题：整周未知数（整周模糊度）的确定。

12.接收机钟误差的消除方法：①参数法；②模型改正法；③求差法。

13.消除或减弱各种误差影响的方法（了解）

①模型改正法；

利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。（改正后的观测值＝原始观测值＋模型改正）

适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。

误差源：相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差。

限制：有些误差难以模型化。

②求差法；

通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。

适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。

误差源：电离层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差等。

限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱。

③参数法；

采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来。

适用情况：几乎适用于任何的情况

限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计。

④回避法。

选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响。

适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。

误差源：电磁波干扰、多路径效应。

限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性。

14.GPS网的图形设计：三角形网、多边形网、附合导线网、星形网。

三、简答题

1.GPS全球定位系统组成及其各自的作用？

答：①空间部分——GPS卫星星座，GPS的空间卫星星座由24颗卫星组成。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上均匀分布有4颗卫星。GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点，任何时刻，至少有4颗卫星被同时观测，且卫星信号的传播和接受不受天气的影响。

作用：

1.接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制命令

2.借助于卫星上设有的微型处理机进行必要的数据处理

3.提供精密的时间标准

4.向用户发送定位信息

5.在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启动备用卫星

②地面监控部分——地面监控系统，地面控制部分包括1个主控站，3个信息注入站和

5个卫星监测站。

作用：

1.监视卫星的运行

2. 确定GPS的时间系统

3. 跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态

4. 向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据

③用户部分——GPS接收机，还包括了天线单元和接收单元。

作用：接收并跟踪卫星信号、记录处理数据、达到导航和定位的目的。

2.卫星定位技术发展简史？

答：卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。20世纪50年代末期，美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测速，定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统（NNSS）。多普勒定位具有经济快速，精度均匀，不受时间和天气的限制等优点。

以此同时前苏联也开始建立了一个卫星导航系统，叫做CICADA。由于发展的需要美国于1973年研制新建了GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性，全球性，全天性，联系性和实时性的导航，定位和定时的功能。能为用户提供精密的三维坐标，速度和时间。GPS计划经历了方案论证，系统论证，生产试验三个阶段。

再后来的30多年中全球又建立了GLONASS全球定位系统（俄罗斯），伽利略（GALILEO）全球定位系统(欧盟)；北斗导航定位系统（中国）。

不久的将来，它们将共同组成全球导航卫星系统GNSS，到那时全球导航卫星将有一百多颗，定位精度和定位速度都将大大提高。

3.GPS卫星定位技术相对传统定位系统有什么特点？（优缺点）

答：GPS卫星定位技术的特点：定位精度高；观测时间短；测站间无需通视；可提供三维坐标；操作简便；全天候作业；功能多，应用广。（也可考填空）

4.GPS专用时间系统是什么？时间是如何定义的？

答：GPS时间系统是测时测距系统。时间在GPS测量中是一个基本的观测量。卫星的信号，卫星的运动，卫星的坐标都与时间密切相关。对时间的要求既要稳定又要连续。为此，

GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统——GPS专用原子时ATI。

定义：由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一种原子时基准，与国际原子时保持有19s的常数差，采用原子时ATI秒长作为时间基准，起算的原点定义在 1980.

年1月6日零时，在起始时刻，与UTC保持一致。

5.GPS信号的组成、特点。

答：GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文组成。

（1）载波除了能很好地传送测距码和导航电文这些有用的信息之外，在载波相位测量中它又被当作一种测距信号来使用。其测距精度比伪距测量的精度高2~3个数量级。因此，载波相位测量在高精度定位中得到了广泛的应用。

特点：所选择的频率有利于测定多普勒频移

所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响

选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号

的频率有关）

（2）、在GPS卫星发射的测距码信号中，包含了C/A码和P码两种伪随机噪声码信号。

C/A码的特点：1、C/A码的码长较短，易于捕获，而通过捕获C/A码所得到的信息，

又可以方便地捕获P码，所以，通常称C/A码为捕获码。

2、C/A码的码元宽度较大。由于其精度较低，所以称C/A码为粗精

度码。

P码的特点：1、P码的码长较长，一般是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的相关信息，再捕获P码。

2、P码的码元宽度为C/A码的1/10，可用于较精密的导航和定位，称为

精码。

（3）、卫星导航电文是包含卫星的星历、工作状态等导航信息的数据码，是利用GPS进行定位的数据基地。

6.载波差分模型（单差、双差、三差）的特点。

答：单差,双差,三差。

单差：在接收机间求一次差；消除了卫星钟差的影响

单差优点：①消除卫星钟差的影响；②大大减弱星历误差及电离层、对流层折射的影响

双差：在接收机、卫星间求二次差（单差之差）；消去了接收机钟差的影响。

三差：在接收机、卫星、历元间求差（双差之差）。消去了整周未知数；

优点：①消除或减弱时钟、星历和大气折射误差的影响；

②减少平差中不必要未知数的数量，减少法方程的阶数；

7.如何区分卫星信号？

答：要区分卫星信号，需要运用码分多址技术。即给不同的卫星指配不同结构的伪随机码，利用伪随机码可以区分24颗卫星信号。伪随机码是由二进制码组成的具有非随机序列自相关特性的有周期性序列。组成一组二进制码序列时，每一位数到底是取0还是1完全是随机的。两信号码相除为1，信号完全相同；两信号码相除为-1，信号完全相反，我们更注重信号相同。利用这种伪随机码，我们可以识别不同的卫星，从而区分卫星信号。

8.GPS定位为什么必须接收多于四颗以上卫星。

答：由于进行伪距单点定位时，每颗卫星的伪距测量观测值中都包含有接收机钟差这一误差，

造成距离测量观测值很不准确。需要将接收机钟差作为一个未知数加入到伪距单点定位的计算中，再加上坐标三个未知数，所以至少需要4个伪距观测值，即需要同时观测至少4颗GPS卫星。

9.什么是多路径误差?试述消弱多路径误差的方法。

在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线，

这就和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生多路径误差。

消多路径误差的方法:

（1）选择合适的站址

a、测站应远离大面积平静地水面；

b、测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中；

c、测站应离开高层建筑物。

（2）对接收机天线的要求

a、在天线中设置抑径板

b、接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。

10.周跳的探测及修复。

答：周跳的探测及修复方法：（1）高次差法；（2）多项式拟合法；（3）用在卫星间求差后的单差观测值来探测修复周跳；（4）用双频P码伪距观测值来探测、修复周跳；（5）三次差法：根据三差观测方程中的常数项来探测和修复周跳，或用观测值的残差来探测和修复周跳。

11.GPS数据解算流程。

答：GPS的数据处理基本流程包括：数据采集、数据传输、数据预处理、基线结算、GPS 网平差。

12.GPS网布设的基本流程。

答：GPS网建立过程分为3个阶段：设计阶段，施工作业和数据处理。

（1）设计阶段进行的工作：项目规划；技术设计；资料搜集整理；仪器检验检定；踏勘、选点和埋石。

（2）测量实施阶段工作：实地了解测区情况；卫星状况预报；确定作业方案；基线解算及其质量控制等。

（3）数据处理阶段工作：网平差及其质量监控；技术总结；成果验收。

13.简述GPS网的布网原则。

答：为了用户的利益，GPS网图形设计时应遵循以下原则：

1.GPS网的布设应视其目的，作业时卫星状况，预期达到的精度，成果的可靠性以及工

作效率，按照优化设计原则进行。

2.GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形。例如一个或若干个独立观测环或者附

合路线形式，以增加检核条件，提高网的可靠性。

3.GPS网内点与点之间虽不要求通视，但应有利于按常规测量方法进行加密控制时应用。

4.可能条件下，新布设的GPS网应与附近已有的GPS点进行联测，新布设的GPS网点

应尽量与地面原有控制网点相联接，联接处的重合点数不应少于三个，且分布均匀，以便可靠地确定GPS网与原有网之间的转换参数。

四、论述题

1.GPS测量中为什么采用两类坐标系，两类坐标系是如何定义的？

答：GPS测量中的两类坐标系包括地球坐标系和天球坐标系。之所以采用两类坐标系是因为：地球坐标系随同地球自转，可看做是地球上固定的坐标系，也称为地固坐标系，它便于描述物体在地球上的位置或在近地空间的位置；而天球坐标系与地球的自转无关，它便于描述人造地球卫星的位置。

地球坐标系定义：以地球的质心为坐标原点O，其Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治子午面圈与地球赤道面的交点E，Y轴垂直于XOZ平面并构成右手坐标系。

天球坐标系定义：以地球的质心为坐标原点O，其Z轴指向北天极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面并构成右手坐标系。

2.开普勒轨道6参数分别是什么？各参数作用？

答：参数：椭圆长半径a，偏心率e ；真近点角V；

升交点赤经Ω；轨道面的倾角i；近地点角距ω。

作用：（1）a，e确定了卫星轨道的形状和大小

（2）Ω，i确定了卫星轨道平面一地球体之间的相关位置

（3）ω确定了轨道椭圆在轨道平面上的方位

（4）V确定了卫星在轨道上的瞬时位置

3. 卫星无摄运动与受摄运动参数的意义？

答：卫星的运动：①无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动。

②受摄运动：考虑摄动力作用的卫星运动。

无摄运动：卫星在地球的引力场中做无摄运动，也称开普勒运动，其规律可以通过开普勒定律来描述。主要涉及开普勒轨道6参数（见上）。（a,e,V, Ω, ｉ, ω）称为开普勒轨道参数，或称轨道根数。

受摄运动：摄动力所产生的加速度分解为互相垂直的三个分量S,T,W。

S——沿卫星矢经方向的分量。

T——在轨道平面上垂直于矢经方向并指向卫星运动的分量。

W——沿轨道平面法线并按S,T,W组成右手坐标系取向的分量。

4．误差源的分类，每种误差的定义、影响、特点、消除方法.

答：（1）与卫星有关的误差：

卫星星历误差、卫星钟误差、相对论效应的影响

a卫星星历误差：由星历计算得到的卫星的空间位置与实际位置之差称为卫星星历误差。

影响：1.对单点定位的影响 2.对相对定位的影响

消除办法：

1 建立区域性卫星跟踪网

2 轨道松弛法

b卫星钟误差：包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差。卫星钟，是用卫星上的信号作为统一的时间标准来定义的一种时间计时装置。由于在不同的接收地点，卫星信

号的传输距离是不一样的，随着接收点的地理位置不同和不同的接收设备而

存在不同的信号处理差别，自然就存在钟误差了。

消除办法：得出偏差的数学表达式，利用求差的方法消除误差。

c相对论效应的影响：：由于卫星钟和接收机所处的状态不同而引起卫星钟和接收机钟之间

相对钟误差的现象。

消除办法：在制造卫星时，就预先把时钟的频率降低。

（2）与信号传播有关的误差

电离层延迟误差，对流层延迟误差，多路径效应误差

a电离层延迟误差：GPS在穿过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，所以传播时间和真空中的光速的乘积并不等于卫星至接收机的几何距离。

减弱方法：

1.双屏观测

2.利用电离层改正模型加以改正

3.利用同步观测值求差

b对流层折射误差：GPS信号通过对流层时，传播路径发生弯曲，而使得测量距离产生偏差。减弱方法：

1.直接在测站测定气象参数，用于对流层折射改正模型

2.引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中求得

3.利用同步观测值求差

c多路径效应误差：在接收机周围的高大建筑或者水面，对电磁波有强反射作用，由此产生的反射波进入接收机天线时会与来自卫星的信号产生干涉，从而使得观测值偏离真实值，产生误差。

减弱方法：

①观测上：选择合适的测站，避开易产生多路径的环境（如水域、山坡、高大建筑物等）。

②硬件上：采用抗多路径误差的仪器设备。抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线；抗多路径的接收机：窄相关技术等。

③适当延长观测时间。

（3）与接收机有关的误差

接收机钟误差，接收机位置误差，天线相位中心位置误差

a接收机钟误差

减弱方法：

①作为未知数与测站位置一并求解。

②把接收机的钟误差表示为时间的多项式进行求解。

③通过卫星间求一次差。

b接收机位置误差：接收机天线相位中心相对于测站标石中心位置的偏差。

减弱方法：①正确的对中整平。②采用强制对中装置（变形监测时）

c天线相位中心位置偏差：观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心不一致，这种偏差叫做天线纤维中心位置偏差

减弱方法：①使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）。②归心改正法：主要用于进行高精度单点定位以及采用不同类型的接收机天线进行相对定位。

5．GPS卫星定位基本原理（2种定位原理）

答：1.伪距测量定位原理：伪距法定位是由GPS卫星接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法来求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是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出的量测距离。其观测值为 C/A 码伪距、P 码伪距，具有定位精度低、定位速度快（实时定位）的特点。

2.载波相位测量定位原理：利用载波信号是周期正弦信号，通过载波测量卫星与接收

机间的距离，交会出接收机的空间位置。载波相位的观测量是GPS 接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以()k j

k t ?表示k 接收机在接收机钟面时刻k t 时所接收到的j 卫星载波信号的相位值，

()k k t ?表示k 接收机在钟面时刻k t 时所产生的本地参考信号的相位值，则k 接收机在接收机钟面时刻k t 时观测j 卫星所

取得的相位观测量可写为：()=k j k t φ()k k t ?— ()k j k t ?

6.差分GPS 可分为哪几类？各自的构成、特点和适应范围。

答：单基准站差分：分为位置差分、伪距差分和载波相位差分。

结构和算法简单，技术上较为成熟。主要用于小范围差分定位工作。

局部区域差分：有多个基准站，每个基准站与用户之间均有无线电数据通信连用户与基准站之间的距离一般在500km 以内才能获得较好的精度适用于较大范围差分定位工作。

广域差分：对GPS 观测量的误差源加以区分，表现在星历误差、大气延时误差和卫星钟差误差三方面。特点是大范围定位精度布均匀，覆盖区域广，硬件设备及通信工具昂贵。应用于一国或几个国家的广大区域，2000km 的差分定位。

7.位置差分原理。

答：这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS 接收机均可改装和组成这种差分系统。

安装在基准站上的GPS 接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA 影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。

最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA 影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km 以内的情况。

8.伪距单点定位为什么线性化会出现截止高度角？

答：截止高度角定义：为了屏蔽遮挡物及多路径效应的影响所限定的接收数据的卫星最低

高度角。线性化时为了去除多路径效应，因此出现了截止高度角，低于此角视空域的卫星不予跟踪。

高度截止角：1.当卫星数目足够时,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。

9.请画出示意图说明为什么量取天线高。

答：天线高可以直接影响到坐标，天线高是在站心坐标系中的坐标，x 、y 坐标为零，天线高为z 坐标，转换到84坐标系中影响到三个方向。从理论上分析GPS 天线高对静态GPS 基线解算和无约束平差及约束平差的坐标影响均不大,但对点位误差的影响均较大。所以有的时候我们必须要量取天线高。以Leica GPS 天线高测量方法为例。

（1）有三角架并且用测高尺量天线垂高时：

d为垂直偏差,固定值 0.36 m

e为天线垂高读数

（2）RTK测量时,用在流动站上

d为天线垂高读数

五、 计算题（P205）

1. GPS 网精度指标：()2

2bd a +=σ σ为基线向量的弦长中误差，单位为mm ；

a 为固定误差，单位为mm

b 为比例误差系数，单位为6101-? d 为相邻点的距离，单位为Km （计算时化单位）

例如：对于在C 级网，规范要求mm a 10≤，5≤b ，当基线边长为10Km 时， ()mm 99.50101010510662=???+=-σ