GPS最全复习题答案

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试说明GPS全球定位系统的组成以及各个部分的作用。

1. 空间星座部分：GPS卫星星座由24颗（3颗备用）卫星组成，分布在6个轨道内，每个轨道4颗
1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。

2）利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。

3）通过星载的原子钟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用备用卫星。

2.地面监控部分：地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，包括5个监测站，1个主控站，3个信息注入站。

监测站：对GPS卫星进行连续观测，进行数据自动采集并监测卫星的工作状况。

主控站：协调和管理地面监控系统，主要任务：根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站；提供全球定位系统时间基准；各监测站和GPS卫星原子钟，均应与主控站原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行；启用备用卫星代替失效工作卫星。

注入站：在主控站控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

3. 用户设备部分：由GPS接收机硬件和数据处理软件以及微处理机和终
端设备组成。

GPS接收机硬件主要接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。

GPS软件主要对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。

试说明我国北斗导航卫星系统与GPS的区别
1）使用范围不同。

“北斗一号”是区域卫星导航系统，只能用于中国及其周边地区，而GPS 是全球导航定位系统，在全球的任何一点只要卫星信号未被遮蔽或干扰，都能接收到三维坐标数据。

2）卫星的数量和轨道是不同的。

“北斗一号”有3颗，位于高度近3.6万千米的地球同步轨道。

3）定位原理不同。

“北斗一号”是用户首先发射要求服务的信号，通过卫星转发至地面控制中心地面控制中心计算出用户机的位置后再通过卫星答复用户，而GPS只需要4个卫星的位置信息，由用户接收机解算出三维坐标，由于“北斗一号”本身是二维导航系统，仅靠2颗星的观测信号尚不能定位，观测信号的获得需要具转发或收发信号功能，而通信功能是GPS不具备的。

简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力
①地球引力场摄动力 :地球体的非球性及其质量分布不均匀而引起的作力
②日月引力:日月引力引进的卫星位置摄动主要表现为一各长周期摄动
③太阳光压力:卫星在运行中将直接或间接受太阳光辐射压力的影响而使轨道产生摄动
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④其他摄动力
a固体潮及海洋潮汐摄动:固体潮和海洋潮汐将改变地球重力位对卫星产生摄动加速度
卫星过近地点的时刻t0
试述伪随机噪声码测距原理
卫星发射的测距码信号经过t秒传播后到达接收机时，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码—复制码，并通过延时器使其延迟时间t’将这两组测距码进行相关处理直到自相关系数R（t’）=1,使接收机所产生的复制码与接收到的GPS卫星测距码完全对齐，此时t’=t.卫星至接收机的距离为t与c的积。

试述C/A码和P码的产生过程及特点
1）C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。

获码）；码元宽度较大，精度较底（粗捕获码）。

2）P码：产生的原理与C/A码相似，但更复杂。

发生电路采用的是两组各
由12级反馈移位寄存器构成。

和定位（精码）。

试述导航电文的组成格式
导航电文是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。

每帧电文含有1500 比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。

每帧导航电文含5子帧，每子帧含10字，每字30比特，每子帧300比特，播发时间6s。

子帧4、5各含25页。

子帧1、2、3和子帧4、5的每页构成一个主帧。

主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才更新
什么是预报星历?什么是后处理星历?
【6、什么是广播星历？什么是精密星历？两者区别是什么？】
预报星历：通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历（广播星历或参星历）。

后处理星历：一些国家某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法而计算的卫星星历，它不包括外推误差（精密星历）。

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1天球：以地球质心为中心，半径r为任意长的一个假想的球体。

大地经纬度：大地经度是指通过参考椭球面上某一点的大地子午面与本初子午面之间的二面角，大地纬度是指过参考椭球面上某一点的法线与赤道面的夹角
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天文经纬度：天文经度是指本初子午面与过观测点的子午面所夹的二面角，天文纬度是指过某点的铅垂线与赤道平面之间的夹角。

黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆即地球绕太阳公转时，地球上观测者所见到太阳在天球上运动的轨迹
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
赤经：从春分点沿着天赤道向东到天体时圈与天赤道的交点所夹的角度
赤纬：从天赤道沿着天体的时圈至天体的角度
岁差：在日月引力和其他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方向不再保持不变，使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象
章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北平天极将绕瞬时平北天极产生旋转，形成椭圆轨迹，其长半径约为9.2’’，周期约为18.6年的现象
极移：由于地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而地极点在地球表面上的位置是随时间而变化的，这种现象称为极移。

世界时系统：是以地球自转为基准的一种时间系统。

包括恒星时，平太阳时，世界时。

原子时：以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。

世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳称为世界时
原子时（AT）：1967年国际计量委员会决定采用铯原子零场在基态的两个超精细能级结构间跃迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为1秒，这样长度的秒，定义为原子时秒，以此为基准的时间系统，称为原子时。

力学时：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间称为力学时。

协调世界时：为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年起采用的一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷的时间系统。

（协调世界时的秒长等于原子时的秒长，当协调时与世界时的时刻差超过+/-0. 9秒（s）时便在协调时中引入一闰秒）
GPS时间系统：GPST，为精密导航和测量需要建立的专用时间系统，由GPS主控站的原子钟控制，属于原子时系统，其秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同IAT（国际原子时）-GPST=19S.
2 简述天球坐标系与地球坐标系的区别
天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。

地球坐标系则是与地球相关联的坐标系，用于描述地面点的位置。

二者区别：天球坐标是天文用的，地球坐标是地理用的;天球坐标能描述星体相对于地
球的角度位置，地球坐标只描述物体在地球表面的位置。

它们都是角坐标系，但是地球坐标是以地球表面为球面的，是有半径的；而天球坐标半径无关，只要是某一球面即可
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4简述国家坐标系与独立坐标系的不同
国家坐标系按规定进行投影分带，通常是是6︒带或3︒带，投影面为国家大地基准所确定的参考椭球面，投影带中央经线的投影为纵轴，赤道投影为横轴，它们的交点为原点。

独立坐标系不按国家坐标系方法进行定义。

（它分为地方坐标系和工程坐标系。

地方坐标系采用标准投影公式，投影中央经线根据具体要求人为指定，投影面为当地的平均高程面，工程坐标系的坐标原点和坐标轴的指向都根据具体要求人为指定，坐标归化到指定的高程面上。

）
6简述高斯平面直角坐标系与UTM坐标系之间的区别
1、从投影几何方式看，高斯-克吕格投影是“等角横切圆柱投影”，UTM投影是“等角横轴割圆柱投影”高斯投影带中中央经线保持长度不变，UTM投影带中有南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条割线上没有变形，中央经线上长度比 0.9996。

2、从分带方式看，两者的分带起点不同，高斯-克吕格投影自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为3°；UTM 投影自西经180°起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为-177°，因此高斯-克吕格投影的第1带是UTM的第31带4我国大于等于50万的大中比例尺地形图多采用六度带高斯-克吕格投影，三度带高斯-克吕格投影多用于大比例尺测图。

而卫星影像资料常采用UTM投影。

3、 UTM投影带内变形差异比高斯投影更小。

7简述GPS定位时间系统与协调世界时UTC之间的区别
⑴ U T C：原子时虽然是秒长均匀的，稳定度很高的时间系统，但其与地球自转无关。

世界时虽不均匀，但与地球自转紧密相关，原子时的秒长与世界时的秒长不相等，两者每年相差1秒，如此积累下去两者会愈差愈大。

为了协调原子时与世界时的关系，建立了一种折衷的时间系统称之为协调世界时U T C。

⑵ GPS定位时由GPS主控站的高精度原子钟守时与授时。

长采用原子时秒长。

起点：1980年1月6日0时。

表示方法：G P S周+一周内的秒数
⑶二者的关系：GPST = UTC + n×1–19 (s)
1980年1月6日0时,n =19,GPST与UTC时相一至
8简述恒星时，真太阳时与平太阳时的区别。

恒星时是以春分点为参考点，同春分点的周日视运动所确定的时间，春分点两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。

平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含24个平太阳时。

真太阳时以真正的太阳为参考点，太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔叫一个真太阳日，一个真太阳日分为24小时。

由于真太阳的运行速度和时角变化率不均匀，不适于作为计量均匀时间的基准。

一个恒星日=一个平太阳日-3’55.909’’。

真太阳时与平太阳时的时刻之差即为时差。

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2开普勒三定律
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开普勒第一定律:卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。

综合：
通过GPS 观测得到WGS84下的UTM 投影坐标，如何转换到北京54下的高斯克吕格投影坐标？分已知和未知转换参数两种情况讨论（可以画图表示）
1：已知参数的情况（B ，L ）wgs84[经纬度坐标]->（X,Y,Z ）wgs84[空间直角坐标]，带入已知参数->(X,Y,Z)bj54->(B,L)bj54,在通过高斯正算->(x,y)bj54[平面坐标]
2：未知参数的情况
利用bj54和wgs84下的4对控制点，利用最小二乘法迭代多次，求得布尔莎7参数，3个平移参数，3个旋转参数，1个缩放参数
然后同1
差分动态定位方式是用安设在一个运动载体的上GPS 信号接收机,及安设在一个基准点上的另一台GPS 信号接收机,联合测得该运动载体的实时位置,从而描绘出该运动载体的运行轨迹,故差分动态定位又称为相对动态定位。

试写出伪距观测量的表达式（顾及大气折射影响），并说明各项符号的意义？
1.测码伪距动态绝对定位法
如果于历元t 观测站至所测卫星之间的伪距已经经过卫星钟差改正：
其中,分别的意思是：卫星Sj 到测站Ti 间的几何距离，接收机钟与卫星钟之间相对钟差的等效距离误差。

电离层折射延迟等效距离误差和对流层折射延迟等效距离误差。

2.测相伪距动态绝对定位法
在协议地球坐标系中，测相伪距的观测方程为为：（GPS5，30，书上在p82，书上的具体） )()()(~t T t I t t c j
i g j i i j i j i ∆+∆++=δρρ
简述载波相位测量的原理，试述整周未知数的确定有哪几种方法？并简要说明各种方法的含义？
载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机产生的基准信号的相位差。

整周未知数的确定方法：
按解算时间长短划分：经典静态相对定位法和快速解算法。

经典静态相对定位法：将其作为待定量，在平差计算中求解，为提高解的可靠性，所需观测时间较长。

快速解算法包括：
交换天线法：在观测之前，先在基准站附近5-10m处选择一个天线交换点，将两台接收机天线分别安置在该基线两端，同步观测2-8个历元后，相互交换天线，并继续观测若干历元；最后将两天线恢复到原来位置。

此时固定站与天线交换点之间的基线向量视为起始基线向量，利用天线交换前后的同步观测量，求解基线向量，进而确定整周未知数。

P码双频技术;通过P码与载波相位观测量的综合处理来确定整周未知数的方法。

搜索法:以数理统计理论的参数估计和假设检验为基础，利用初始平差的解向量（点的坐标和整周未知数的实数解）及其精度信息（方差与协方差和单位权中误差），确定在某一置信区间整周未知数可能的整数解的组合，然后将整周未知数的每一组合作为已知值，重复进行
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平差计算，其中使估值的验后方差（或方差和）为最小的一组整周未知数就是所搜索的整周未知数的最佳估值。

滤波法、模糊函数法等，所需观测时间较短，一般为数分钟。

按接收机状态区分；静态法和动态法。

前述的快速算法，虽然观测时间很短，仍属静态法，动态法是在接收机载体的运动过程中确定整周未知数的方法
动态法：根据运动过程中GPS对卫星载波信号的短时间观测值与参考站的同步观测值一起，利用快速解算整周未知数技术确定初始整周未知数。

简述伪距差分和位置差分的概念，并说明其缺点或不足之处
伪距差分：利用基准站已知坐标求出测站至卫星的距离，将其与有误差的测量值比较，滤波后将所有卫星偏差值发送给用户，用户以此修正伪距，进而求出自身坐标。

随用户与基准站距离增大，精度降低。

位置差分：利用已知点GPS接收4颗或以上卫星信号，求出基准站坐标，将它与已知点坐标差值（改正数）发给用户，用户以此修正观测坐标。

要求基准站和用户同时观测相同卫星，难度大，且效果不如伪距差分。

试述载波相位差分的基本原理
在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电设备实时地将观测数据及测站坐标信息传送给用户，用户站一方面通过接收GPS卫星信号，另一方面通过无线电接收机设备接收基准站传送的信息，根据相对定位原理进行数据处理，实时地以厘米级的精
度给出用户站三维坐标。

（载波相位差分方法分为两类：修正法：基准站将载波相位的改正量发送给用户站并对用户站的载波相位进行改正实现定位。

求差法：将基准站的载波相位发送给用户站，并由用户站对观测值求差进行坐标解算。

）
什么是单差、双差、三差模型？并说明它们各自有哪些特点？
单差模型：在不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。

卫星钟差的影响已经消除同时削弱卫星星历误差，电离层对流层折射影响。

双差模型：在不同观测站同步观测同一组卫星所得单差之差。

消除了接收机钟差的影响但可能组成的双差观测方程数将进一步减少。

三差模型: 于不同历元同步观测同一组卫星所得观测量的双差之差。

消除了整周未知数的影响但使观测的方程的数量进一步减少。

试写出单差、双差、三差观测方程
单差：在不同观测站同步观测相同卫星所得观测量之差。

双差：在不同观测站同步观测
同一组卫星所得单差之差。

三差：于不同历元同步观测同一组卫星所得观
测量的双差之差。

试述RTK 的定位原理及RTK 系统的组成 RTK 测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS 测量技术。

在基准站再安置一台GPS 接收机对所有可见GPS 卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站。

在用)
()()(12t t t j j j ϕϕϕ-=∆[])()()()()()()(1212t t t t t t t j j k k j k k ϕϕϕϕϕϕϕ+--=∆-∆=∆∇[]
[])()()()()()()()()()()(111211122122212212t t t t t t t t t t t j j k k j j k k k k k ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕδ+---+--=∆∇-∆∇=∆∇
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户观测站上GPS接收机在接收卫星信号的同时通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据，对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

系统组成：GPS接收机（基准站接收机，用户接收机），数据传输系统，软件系统
试述GPS测量定位中误差的种类，并说明产生的原因
（1）误差来源：与卫星有关的误差（卫星轨道误差、卫星钟差、相对论效应）、与传播途径有关的误差（电离层延迟、对流层延迟、多路径效应）、与接收设备有关的误差（接收机天线相位中心的偏差和变化、接收机钟差、接收机内部噪声）。

（2）a.卫星星历误差：由星历所给出的卫星在空间中的位置与其实际位置之差。

b.卫星钟差：卫星钟读数与真实的GPS时间之差。

c.相对论效应：相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起卫星钟与接收机钟之间产生相对钟误差的现象。

d.电离层折射：当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。

e.对流层折射：当GPS信号通过对流层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得
到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫对流层折射误差。

f.多路径误差：在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与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”。

g.接收机钟误差：接收机钟读数与真实的GPS时间之差。

h.接收机的位置误差：特点–与对中、整平、量高有关。

i.天线相位中心的偏差与变化：天线相位中心与天线几何中心之间的差异。

j.其他误差：地球自转、地球潮汐
什么是多路径效应效应，如何消弱其对GPS测量定位的影响？
多路径效应：也称多路径误差，即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。

两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。

在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。

在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。

措施：（1）安置接收机天线的环境应避开较强发射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。

（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。

（3）适当延长观测时间，削弱周期性影响。

（4）改善接收机的电路设计。

试述GPS接收机的分类
（1）按工作原理：码相关型、平方型、混合型
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（2）据接收机信号通道类型：多通道、序贯通道、多路复用通道（3）据所接收的卫星信号频率：单频、双频
（4）按用途：导航型、测量型、授时型。

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GPS定位：即全球定位系统
GPS导航：实时测量运动载体位置、速度、方位和时间，引导后续预定目标位置。

3.绝对定位：绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。

作业仅需一台接收机工作，所以也成为单点定位。

绝对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。

相对定位：是指在协议地球坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。

动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。

静态绝对定位：接收机天线处于静止状态下确定观测站坐标的方法。

静态相对定位：利用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。

差分动态定位：利用基准站接收机和移动载体同步观测实时定位。

整周未知数：表示从某一起始观测历元至目标终止历元之间的载波相位整周数（已知量），由于它一般未知，故称整周未知数。

整周跳变：在跟踪卫星的过程中，由于某种原因如信号被挡或受无线电干扰造成失锁使计数器无法连续计数而失去一部分整数称为整周跳变。

几何分布精度因子：三维位置精度因子PDOP、钟差精度因子TDOP、
垂直分量精度因子VDOP、水平分量精度因子HDOP
3在静态单点定位中，若观测了一个小时（历元间隔15秒），试问可构成多少个伪距观测方程？并文字符号写出一个伪距观测方程。

由题可知有4个历元，又因为至少要测定4颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标，所以就设有四颗卫星，那观测方程就有16个。

观测方程见下：
4〉试写出单差、双差及三差的观测方程, 并说明各自的特点。

各观测方程见下图
1.单差的特点：
（1）消除了卫星钟误差的影响；
（2）大大削弱了卫星星历误差的影响；
（3）大大削弱了对流层折射和电离层折射的影响，在短距离内几乎可以完全消除其影响。

2.双差的特点：
（1）是不同观测站，同步观测的同一组卫星的单差观测量之差；
（2）双差观测值中可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项。

3.三差的特点：
（1）是不同历元，同步观测同一组卫星所得双差观测量之差；
（2）其观测方程中不存在整周未知数。

（3）三差观测值中可以消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度项N。

5〉试述确定整周未知数的几种方法, 并说明用载波相位观测量的高次差来分析整周跳变过程。

整周未知数确定：。