Gps原理答案.doc

1、 GPS：GPS全球定位系统（ Global Positioning System - GPS ）是美国从20世纪 70 年代开始研制，历时 20 年，耗资200亿美元，于1994 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。该系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。 21+3（备用卫星）颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为 55 度。2、 GLONASS：作用类似于美国的GPS，最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。该系统的空间部分使用24颗高度约为1.9万的中轨道卫星组成卫星星座，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个圆形轨道面上，运行周期11小时15分钟，倾角64.8。3、 Galileo：Galileo卫星导航计划是由欧共体发起，并与欧洲空间局一起合作开发的卫星导航系统计划。该系统空间部分使用高度2.4万公里的中等高度轨道卫星组成卫星星座。运行周期约为14小时21分钟每个轨道面均匀分布10颗卫星，其中一颗备用，轨道面倾角为 56。4、 CNSS：北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统。中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和十六颗北斗导航卫星（其中，北斗-1A已经结束任务）。该系统的空间部分使用5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星（27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成）组成卫星星座。运行周期约为11小时5分钟。5、 相同点：均是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。均包括空间部分、地面控制部分和用户接收部分三大部分。等相同点。不同点：卫星覆盖数：北斗最多，伽利略次之，格洛纳斯和GPS最少。精度（民用）：伽利略最高，GPS次之，北斗较低，格洛纳斯最低。抗干扰能力：格洛纳斯最强，其他一般。卫星信号模式：格洛纳斯是FAMA，其他是CDMA。是否通讯功能：北斗和伽利略有，其他无。发射信号频率：北斗和伽利略高，其他较低。兼容性：北斗和伽利略能兼容，其他不能。6、 应用：军用功能：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航等武器装备上的导航。个人位置服务气象应用道路交通管理铁路智能交通海运和水运航空运输应急救援。7、.天球坐标系统受到哪些因素影响？规律如何？对主要影响因素，如何建立有效的天球坐标系统？答：岁差和章动等。在岁差影响下，平北天极绕北黄极的运动；在章动影响下，瞬时北天极绕平北天极顺时针的转动。用协议天球坐标系统和瞬时天球坐标系统来建立有效的天球坐标系统。8、不同时刻的天球坐标系统下的坐标，是否可以转化到同一时刻的天球坐标系统下？简述怎么转换？ 答：可以。首先将协议天球坐标系中的坐标，换算到观测瞬间的平天球坐标系下，然后再将瞬时平天球坐标系的坐标，转换到瞬时天球坐标系统。9、地球坐标系统受到哪些因素影响？规律如何？针对主要影响因素，如何建立有效的地球坐标系统？答：极移。地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，地极点在地球表面上的位置是随时间而变化的。以协议地球坐标系统和瞬时地球坐标系统来建立有效的地球坐标系统。10、不同时刻的地球坐标系统下的坐标，是否可以转化到同一时刻的地球坐标系统下？简述怎么转换？答：可以。如果以(X Y Z)CTS和(X Y Z)t分别表示协议地球空间直角坐标系和观测历元t的瞬时地球空间直角坐标系，那么其间的转换关系为： 其中11、协议地球坐标系与协议天球坐标系的关系答：根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义可知： 两坐标系的原点均位于地球的质心，故其原点位置相同； 瞬时天球坐标系的Z轴与瞬时地球坐标系的Z轴指向相同； 两瞬时坐标系的X轴的指向不同。12、地球和天球坐标系统是否可以转换？答：可以。协议天球坐标系平天球坐标系瞬时天球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系。在转换过程中，因两者的坐标原点一致，故只需多次转换坐标轴即可。协议天球坐标系：为了建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系，人们通常选择某一时刻t0作为标准历元(epoch)，并将此时刻地球瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬时春分点的方向，经该时刻的岁差和章动改正后，分别作为Z轴和X轴的指向。地球质心为原点。由此所构成的空固坐标系，称为所取标推历元t0的平天球坐标系或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系。13、 协议地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向CIO，x轴指向协议地球赤道面和包含CIO与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，y轴构成右手坐标系取向。14、 WGS-84大地坐标系：原点在地球质心，Z轴指向BIH 1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手系。15、16.根据上图，说明GPS时间与其他时间系统如何转换？答：1.GPS与TAI在任一瞬间均有一常量偏差TTAI-TGPS = 19s；2. GPS时与协调时之间关系TGPS=TUTC+ n-19s(n为跳秒的调整参数); TGPS+19s=TUT1+TS-0.0039s（TS地球自转速度季节变化改正数）。ST：恒星时。以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统为恒星时系统。MT:平太阳时。UT：世界时。以平子夜为零时起算的格林尼治太阳时定义为世界时UT。ATI：原子时。UTC：协调世界时。TUT=TGMT（格林尼治太阳时）+12hTUT1=TUTC+T(T=TUT1-TUTC)TTAI=TUT2-0.0039 s16、 卫星的无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动。17、 开普勒轨道参数：（a，e，V，i，）a：半长轴，确定轨道的大小；e:偏心率，定义轨道的形状；V:真近点角，在指定时间（历元）由近地点到卫星所在点的角度；：升交点赤经，从春分点到卫星轨道由南往北穿过赤道的那一点的角度；i：倾角，赤道平面与卫星轨道平面间的夹角；、i两个参数，唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。：近地点角距，在轨道平面内升交点到近地点的角度。e=0时，和V便失去意义。18、 卫星受摄运动：考虑了摄动力作用的卫星称为受摄运动。19、 瞬时轨道参数：卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为瞬时轨道参数。20、 卫星受到的作用力：地球引力（摄动力最大）、日、月引力、太阳辐射引力、地球潮汐作用力和大气阻力等。引起卫星位置变化和轨道参数的变化。21、 卫星星历的时间按世界标准时间（UTC）计算。卫星星历是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。GPS卫星星历分为预报星历（广播星历）和后处理星历（精密星历）。22、 预报星历：又叫广播星历。通常包括相对某一参考历元的开普勒参数和必要的轨道摄动改正项参数。23、 后处理星历：又叫精密星历。是一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。24、 两者异同点：发生时间：预报星历在观测前，后处理星历在观测后；传播途径：预报星历通过GPS导航电文传播，而后处理星历是通过磁带、电视、卫星通讯、电传等方式有偿地为所需要的用户服务。提供者：预报星历是美国地面控制中心提供，后处理星历是用户服务部门提供。25、 二体问题：忽略所有的摄动力,仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体问题。26、 GPS导航电文（简称卫星电文）是用来定位和导航的数据基础。主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。27、 卫星位置的计算：1、计算卫星运行的平均速度n根据开普勒第三定律，卫星运行的平均角速度n0可以用下式计算 ：n0=/()3式中，u为WGS-84坐标系中的地球引力常数,且u=3.986 0051014m3/s2。平均角速度n0加上导航电文中给出的摄动改正数n，便得到卫星运行的平均角速度n : n= n0+n2、计算归化时间tk首先对观测时刻t作卫星钟差改正t=t- tt=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2然后将观测时刻t归化到GPS时系tk=t- toe式中，tk称作相对于参考时刻t0e的归化时间。3、观测时刻卫星平近点角Mk的计算MK=M0+ntk式中M0是导航电文给出的参考时刻t0e的平近点角4、采用迭代算法计算偏近点角EkEk= MK +esinEK(EK, MK以弧度计) 书P485、计算真近点角Vk 6、计算升交距角k 7、计算摄动改正数u、r、i 8、计算经摄动改正后的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik 9、计算卫星在轨道平面坐标系中的坐标 10、计算观测时刻升交点经度k 11、计算卫星在地固坐标系中的空间直角坐标 12、计算卫星在协议地球坐标系中的空间直角坐标 28、 为什么要至少用四颗卫星定位?答: 由于在进行卫星测量定位时，每颗卫星的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卫星测量定位的计算中，再加上坐标三个未知数，所以至少需要4个观测值，即需要同时观测至少4颗GPS卫星。29、 伪距定位的观测方程：P6130、 接收机k对卫星j的载波相位测量的观测方程：P6331、 书P62，5-3图32.整周模糊度（ambiguity of whole cycles）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。33、载波相位测量：是通过测量GPS卫星发射的载波信号从GPS卫星发射到GPS接收机的传播路程上的相位变化，从而确定传播距离。因而又称为测相伪距测量。34、整周未知数N0 的确定，常用的方法：P63伪距法：在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到N0将整周未知数当作平差中的待定参数整数解实数解多普勒法（三差法）快速确定整周未知数法35、周跳：就是由于GPS接收机对于卫星信号的失锁，而导致GPS接收机中载波相位观测值中的整周计数所发生的突变。整周跳变的探测与修复常用的方法有：屏幕扫描法、用高次差或多项式拟合法、卫星间求差法。用双频观测值修复周跳、根据平差后的残差发现和修复整周跳变。36、伪距观测方程的线性化方式：P67等效距离误差37：DOP的相应精度可表示为Mx = DOP 0 平面位置精度因子HDOP及其相应的平面位置精度：P69高程精度因子VDOP及其相应的高程精度：空间位置精度因子PDOP及其相应的高程精度：接收机钟差精度因子TDOP及其相应的高程精度：几何精度因子GDOP及其三维位置和时间误差综合影响的中误差MG38、P71 图5-4 单差：将直接观测值相减，所获得的结果被当做虚拟观测值，称为载波相位观测值的单差。双差：在载波相位测量的一次求差基础上继续求差所获得的结果被当成虚拟观测值，称为双差。三次差；对二次差继续求差称为三次差。39各自特点：（1）在接收机间求一次差：可以消除卫星钟差；接收机钟差参数数量减少，但并不能消除接收机钟差；卫星星历误差、电离层误差、对流层延迟等的影响也可得以减弱。（2）在接收机和卫星间求二次差：卫星钟差被消去；接收机相对钟差也被消去；在每个历元中双差观测方程的数量均比单差观测方程少一个；参数较少用一般的计算机就可胜任数据处理工作。在卫星、接收机和历元间求三次差：在二次差的基础上进一步消去了整周模糊度参数，但这并没有多少实际意义；（3）三差解是一种浮点解；三差方程的几何强度较差。一般在GPS测量中广泛采用双差固定解而不采用三差解，通常仅被当做较好的初始值，或用于解决整周跳变的探测与修复、整周模糊度的确定等问题。各种差分观测值模型能够有效地消除各种偏差项。单差观测值中可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项。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。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。差分观测值模型是GPS测量应用中最广泛采用的平差模型。特别是双差。 为什么在一般的GPS定位中广泛采用双差观测值？答:由于双差观测存在以下的优点:消去了卫星钟差；接收机相对钟差也被消去；在每个历元中双差观测方程的数量均比单差观测方程少一个；参数大大减少,用一般的计算机就可胜任数据处理工作。为什么在静态相对定位载波测量中广泛采用求差法？答:在载波测量中,多余参数的数量往往非常多，这样数据处理的工作量十分庞大，对计算机及作业人员的素质也会提出较高的要求。此外，未知参数过多使得解的稳定性减弱。而通过观测值相减即求差法可消除多余观测数，从而大大降低了工作量。40、GPS测量误差的分类及对距离测量的影响误差来源卫星部分星历误差钟误差相对论效应相位中心误差信号传播电离层对流层多路径效应信号接收钟的误差位置误差天线相位中心变化其他影响地球潮汐负菏潮 42、GPS网图形构成的几个基本概念：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，简称时段。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测量。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所构成的闭合环，简称同步环。独立观测环：有独立观测所获得的基线向量所构成的闭合环，简称独立环。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。独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。非独立基线：除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。43、GPS网特征条件的计算观测时段数计算公式：C=nm/N 式中C为观测时段数，n为网点数，m为每点设站次数，N为接收机数。故在GPS网中：总基线数：J总 =CN（N-1）/2；必要基线数：J必=n-1；独立基线数：J独=C（N-1）；多余基线数：J多=C（N-1）-（n-1）。其它看书（书P118）。GPS网同步图形构成及独立边选择、GPS网形设计（P120）选点工作通常应遵守的原则是：1) 应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离一般不得小于200m2) 附近不应有大面积的水域或对电磁波反射(或吸收)强烈的物体，以减弱多路径效应的影响；3) 设在易于安置接收设备的地方，且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角，根据情况一般不应大于1015 ，以减弱多路径效应的影