GPS测量原理及应用复习题

GPS 测量原理及应用 贺照明2011 年 12 月 18 日 1 GPSGPS 测量原理及应用测量原理及应用 一 名词解释 一 名词解释 春分点春分点 当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时 黄道面与天球赤道的交点 真近点角真近点角 在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距 升交点赤经升交点赤经 在地球平面上 升交点与春分点之间的地心夹角 近地点角距近地点角距 在轨道平面上近地点与升交点之间的地心角距 卫星无摄运动卫星无摄运动 只考虑地球质心引力作用的卫星运动 卫星星历卫星星历 描述卫星运动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 广播星历广播星历 由接受导航电文获得的卫星星历 导航电文导航电文 用户用来定位和导航的数据基础 包括卫星星历 时钟改正 电离层延时改正 工作状态信息以及 C A 码转换到捕获 P 码的信息 信号通道信号通道 卫星信号经由天线进入接收机的路径 伪距伪距 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出的占星距离 伪距测量伪距测量 通过测定测距码得到站星距离的方法 载波相位测量载波相位测量 把测定载波传播时间 t 转化为测定载波传播过程中经历的向位移 通过时 间和相位移之间的关系达到测距的目的 绝对定位绝对定位 单点定位 利用 GPS 卫星和用户接收机直接的距离观测值直接确定用户接收机 天线在 WGS 84 坐标系中相对于地球质心的绝对位置 相对定位相对定位 用两台接收机分别安置置在基线的两端 同步观测相同的 GPS 卫星 以确定基 线短点的相对位置或基线向量 静态定位静态定位 接收机静置在固定测站上 观测数分钟至 2 小时或更长时间 以确定测站位置 的卫星定位 多路径效应多路径效应 由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应 同步观测同步观测 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 异步观测环异步观测环 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 则称该 多边形环路为异步观测环 简称异步环 独立观测环独立观测环 由非同步观测所获得的基线向量构成的闭合环 简称独立环 二 简答 1 1 简述 简述 GPSGPS 在测绘工程中应用的优点有哪些 在测绘工程中应用的优点有哪些 1 定位精度高 2 观测时间短 3 测站间无需通视 4 可提供三维坐标 5 操作简便 6 全天候作业 7 功能多 应用广 2 2 GPSGPS 定位系统有哪几部分组成的 各部分的作用是什么 定位系统有哪几部分组成的 各部分的作用是什么 1 GPS 卫星星座 1 接受地面站发来的导航电文和其他信号 2 接受地面站的指令 修正轨道偏差并启动备用设备 3 连续不断地向地面发送 GPS 导航和定位信号 2 地面监控系统 主控站 收集数据 处理数据 监测协调 控制卫星 GPS 测量原理及应用 贺照明2011 年 12 月 18 日 2 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 监测站 接收卫星信号 为主控站提供卫星的观测数据 3 GPS 信号接收机 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 3 3 天球直角坐标系是如何建立的 天球球面坐标系如何表示空间点的位置 天球直角坐标系是如何建立的 天球球面坐标系如何表示空间点的位置 球面坐标系原点与直角坐标系原点重合 位于地球质心 O 以原点 O 至空间点 P 的距离 r 作为第一参数 以 OP 与 OZ 轴的夹角 作为第二参数 在实际工作中常以 90 代替 作为第二参数 第三参数 为 ZOX 平面与 ZOP 平面的夹角 自 ZOX 平面起 算右旋为正 4 4 试写出天球球面坐标与天球直角坐标的转换关系公式 试写出天球球面坐标与天球直角坐标的转换关系公式 cos cos sin cos sin 2 2 2 tan tan 2 2 5 5 简述瞬时极天球坐标系与固定极天球坐标系的区别 简述瞬时极天球坐标系与固定极天球坐标系的区别 瞬时极天球坐标系 即真天球坐标系 可以方便地与地球坐标系相互变换 但由于真天 极和真春分点方向不断变化 时瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化 不是惯性坐 标系 固定极天球坐标系是三轴指向不变的坐标系 6 6 GPSGPS 定位对坐标系有何要求 定义一个空间直角坐标系条件有哪些 定位对坐标系有何要求 定义一个空间直角坐标系条件有哪些 要求 1 需要卫星与地面点的位置统一在一个坐标系内 2 需要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拥有简便的变换关系 定义一个空间直角坐标系条件 1 坐标原点的位置 2 三个坐标轴的指向 3 长度单位 7 7 简述 简述 WGS 84WGS 84 CGCS2000CGCS2000 空间直角坐标系是如何建立的 空间直角坐标系是如何建立的 WGS 84 原点位于地球质心 Z 轴指向 BIH1984 0 定义的协议地球极 CTP 方向 X 轴 指向 BIH1984 0 的零子午面和 CTP 赤道的交点 Y 轴与 Z X 轴构成右手坐标系 CGCS2000 原点在地心 Z 轴为国际地球旋转局 IERS 参考极 IRP 方向 X 轴为 IERS 的参考子午面 IRM 与垂直于 Z 轴的赤道面的交线 Y 轴与 Z 轴和 X 轴构成右手 正交坐标系 8 8 简述定义时间系统和时间尺度的条件分别是什么 简述定义时间系统和时间尺度的条件分别是什么 时间系统 尺度 原点 时间尺度 周期运动 该周期是连续稳定的 该周期可观测和用实验复现 9 9 GPSGPS 时间系统是如何建立的 时间系统是如何建立的 秒长采用原子时秒长 原点定义在 UTC 的 1980 年 1 月 6 日 0 时与协调世界时对齐 1010 开普勒轨道 开普勒轨道 6 6 参数分别是什么 各参数作用 参数分别是什么 各参数作用 参数 椭圆长半径 a 偏心率 e 真近点角 V 升交点赤经 轨道面的倾角 i 近地 点角距 作用 1 a e 确定了卫星轨道的形状和大小 2 i 确定了卫星轨道平面一地球体之间的相关位置 3 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 1111 试述 试述 GPSGPS 卫星信号的内容及其作用 卫星信号的内容及其作用 GPS 测量原理及应用 贺照明2011 年 12 月 18 日 3 1 载波 加载和传送码信号 其本身也是重要的测量对象 2 测距码 测定站星距离 3 数据码 确定卫星的瞬时位置 1212 简述 简述 C AC A 码和码和 P P 码各自特点 码各自特点 C A 码 码元宽度较大 码长较短 易于捕获 结构公开 可供广大用户使用 P 码 码元宽度较小 码长较长 不易捕获 结构不公开 供美军方及特权用户用 1313 简述 简述 GPSGPS 接收机由哪几个单元组成的 信号通道作用 接收机由哪几个单元组成的 信号通道作用 组成 GPS 接收机天线单元 变频器及中频放大器和电源 作用 1 搜索卫星并牵引跟踪卫星 2 对广播电文数据信号实行接扩 解调出广播电文 3 进行站星距离测量 1414 GPSGPS 接收机按不同标准分类有哪些 接收机按不同标准分类有哪些 1 按用途分类 1 导航型接收机 2 测地型接收机 3 授时型接收机 2 按载波频率分类 1 单频接收机 2 双频接收机 3 按通道数分类 1 多通道接收机 2 序贯通道接收机 3 多路多用通道接收机 4 按工作原理分类 1 码相关型接收机 2 平方型接收机 3 混合型接收机 4 干涉型接收 1515 试述 试述 GPSGPS 单点定位原理 写出定位方程式单点定位原理 写出定位方程式 就是将飞行卫星的瞬时位置作为已知点 采用空间后方距离交会 得到待定点的空间位置 1 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 2 3 2 3 2 1616 按不同分类标准 按不同分类标准 GPSGPS 定位可分为那些 定位可分为那些 按测距原理 伪距法定位 载波相位定位 差分 GPS 定位 按待定点运动状态 静态定位 动态定位 1717 GPSGPS 在导航和经典相对静态定位中的测距方法分别是什么 在导航和经典相对静态定位中的测距方法分别是什么 测距码测距 和 载波相位测距 18 18 重建载波的方法有哪两种 其优缺点分别是什么 重建载波的方法有哪两种 其优缺点分别是什么 方法 码相关法和平方法 GPS 测量原理及应用 贺照明2011 年 12 月 18 日 4 优缺点 采用前者 用户可同时提取测距信号和卫星电文 但用户必须知道测距吗的结构 采用后者 用户无须掌握测距吗的结构 但只能获得载波信号而无法获得测距码和卫星电 文 19 19 简述多普勒三次差分中的一次差分分别在哪些观测值间求差 每次差分能消减那些误差简述多普勒三次差分中的一次差分分别在哪些观测值间求差 每次差分能消减那些误差 的影响 试写出一次差分的方程式 的影响 试写出一次差分的方程式 一次差分 1 在卫星间求差分 星际差分 星际一次差分消除了接收机钟差 也削弱了电离层 对流层误差影响 2 在测站间求差分 站际差分 站际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 在历元间求差分 历元差分 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 0 N 方程式 20 SA20 SA 和和 ASAS 技术的目的是什么技术的目的是什么 实施实施 SASA 和和 ASAS 技术后对定位有何影响 技术后对定位有何影响 目的 美国为防了防止未经许可的用户把 GPS 用于军事目的 进行高精度实时动态定位 影响 降低单点定位的精度 降低长距离相对定位的精度 AS 技术会对高精度相对定位 数据处理 整周未知数的确定带来不便 2121 图形强度因子可分为哪几类 图形强度误差与何有关 并说明原因 图形强度因子可分为哪几类 图形强度误差与何有关 并说明原因 分类 平面位置精度因子 HDOP 高程精度因子 VDOP 空间位置精度因子 PDOP 接收机钟差精度因子 TDOP 几何精度因子 GDOP 与等效距离误差 0有关 0 0 0 0 0 原因 精度因子的数值是有接收机与卫星在空间的几何图形分布决定的 高度截止角越 小 六面体体积越大 所测卫星在空间的分布范围也越大 图形强度因子越小 但传播 误差增大 对等效距离影响越大 因此在测量定位中高度截止角一般定为 158 22 22 差分差分 GPSGPS 可分为哪几类 各自的构成 特点和适应范围 可分为哪几类 各自的构成 特点和适应范围 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 2323 GPSGPS 测量与卫星 信号传播 接收机有关的误差分别有哪些 相应的削减措施有哪些 测量与卫星 信号传播 接收机有关的误差分别有哪些 相应的削减措施有哪些 GPS 测量原理及应用 贺照明2011 年 12 月 18 日 5 与卫星有关的误差 1 星历误差 措施 建立自己的卫星跟踪网独立定轨 轨道松弛法 同步观测值求差 2 钟误差 措施 导航电文给出参数改正 相对定位 3 相对论效应 措施 在制造卫星钟时预先把频率将为 0 00455Hz 与信号传播有关的误差 1 电离层 措施 利用双频观测 利用电离层改正模型加以修正 利用同步观测值求 差 选择有利的观测时间 2 对流层 措施 采用相应的对流层模型加以改正 引入描述对流层影响的附加待估 参数 在数据处理中一并求得 利用同步测量求差 利用水汽辐射计直接测定信号 传播的影响 3 多路径效应 措施 选择合适的站址 测站应远离大面积平静的水面 测站不宜选 择在山坡 山谷和盆地中 测站应离开高层建筑物 对接收机天线设置抑径板 而 且对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用 设置适宜的高度截止角 与接收机有关的误差 1 钟的误差 措施 独立未知数法 相对定位 2 位置误差 措施 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 变形监测中 应采用强制对中装置的观测墩 3 天线相位中心变化 措施 相对定位 同类天线同向安置 2424 GPSGPS 网基准设计的内容有哪些 基准设计应注意的问题有哪些 网基准设计的内容有哪些 基准设计应注意的问题有哪些 内容 位置基准 方位基准 尺度基准 注意问题 1 起算点个数和精度要求 网内起算点个数一般要求 3 个 且使新建的 GPS 网不受起算 点精度较低的影响 2 起算点边长 起算点要适当的构成长边图形 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 还应该了解以下参数 所采用的参考椭球 坐标 系的中央子午线经度 纵横坐标加常数 坐标系投影面高程级测区平均高程异常值 起 算点的坐标值 2525 GPSGPS 控制点的选取原则和网形设计原则分别是什么 控制点的选取原则和网形设计原则分别是什么 选点 1 点位应远离大功率无线电发射源 距离不小于 200m 远离高压输电线和微波无线电 信号传送通道 距离不小于 50m 以避免电磁场对 GPS 信号的干扰 2 点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星型号接受的物体 以减弱多路径 效应的影响 3 点位应设在易于安装接受设备 视野开阔的较高点上 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 有利于常规测量应用的地方 网形 1 为便于常规测量 每点应有一个以上通视方向 2 坐标系统一致性 3 构成闭合环路 2626 观测计划拟订的依据和内容分别是什么 观测计划拟订的依据和内容分别是什么 GPS 测量原理及应用 贺照明2011 年 12 月 18 日 6 依据 1 GPS 网 的规模大小 2 点位精度要求 3 GPS 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 内容 1 计划 GPS 网与原地面网的联测方案 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街边 4 同步观测的采集间隔和高度截止角大小的确定 5 同步观测时间的长度 2727 同步网间的连接方式有哪些 各自的特点及适应的情况 同步网间的连接方式有哪些 各自的特点及适应的情况 1 点连式 连接效率高 当接收机数目较少时为推荐的连接方式 但图形强度较弱 极少有非同步闭合条件 2 边连式 比点连接效率低 但可靠性高 在接收机台数较多时的为主要连接方式 3 网连式 强度和可靠性高 效率低 需四台以上接收机 用于高精度控制测量 4 边点混合连接式 灵活 可靠性好 较理想的布网方法 2828 同步观测环中总基线数 独立基线数 多余基线数的计算公式 同步观测环中总基线数 独立基线数 多余基线数的计算公式 实例实例 总基线数 J 总 N N 1 2 独立基线数 J 独 N 1 多余基线数 J 多 N 1 n 1 2929 RTKRTK 测量的作业模式有哪几种 测量的作业模式有哪几种 快速静态测量 准动态测量 动态测量 3030 快速相对静态定位的原理是什么 快速相对静态定位的原理是什么 基准站独立观测