GPS原理与应用考试专用

1、1.卫星定位基本原理:测距交会原理：利用三颗以上卫星的已知空间位置，测量之间的距离，可交会出地面未知点(用户接收机)的位置。2.GPS测量定位的类型:-依定位时接收机天线的运动状态: 静态定位: (在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。这种静止状态是相对的。在卫星大地测量学中，所谓静止状态，通常是指待定点的位置，相对其周围的点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内（数天或数星期）可以忽略。静态定位主要应用于测定板块运动、监测地壳形变、大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。) 动态定位 (在定位过程中，接收机天线处于运动状态。这种运动状态也是相对的，通常是指待定

2、点的位置，相对其周围的点位发生显著的变化，或针对所研究的问题和事物来说, 其状态在观测期内不能认为是静止的可以忽略。)-按参考点的不同位置划分 绝对定位 (又称单点定位，独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。由于目前GPS系统采用WGS-84系统，因而单点定位的结果也属该坐标系统。绝对定位的优点是一台接收机即可独立定位，但定位精度较差。该定位模式在船舶、飞机的导航，地质矿产勘探，暗礁定位，建立浮标，海洋捕鱼及低精度测量领域应用广泛。)（单点定位） 相对定位 (确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的方法。可以消除许多相同或相近的误差（如卫星钟、卫星星历、卫星信号传播误差等），定

3、位精度较高。但其缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内得到广泛的应用。)-依观测值类型 伪距测量（伪距法定位） (伪距法定位是由GPS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求定接收机天线所在点的三维坐标。)载波相位测量 (载波相位观测是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的 参考载波信号之间的相位差。)3. GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。4. 目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量。5. 码相位观测是测量GPS卫星发射的测距码

4、信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线（观测站）的传播时间。也称时间延迟 测量。6. 载波相位观测是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的 参考载波信号之间的相位差。7. 用测距码来测定伪距的特点（1）易于将微弱的卫星信号提取出来。（2）可提高测距精度 (3）便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理（4）便于对系统进行控制和管理8. 为什么载波重建?(由于GPS信号中已用相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续（凡是调制信号从0变1或从1变0时，载波的相位均要变化180）。所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制在

5、载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波，即所谓载波重建。)9. 重建载波的方法有a。码相关法（优点：可同时获得伪距观测值和导航电文，以便进行导航和实时定位；可获得全波长的载波； 由于是用信号强度很强的复制码去乘卫星信号，故结果的信噪比较好。 缺点： 采用这种方法时，用户必须知道测距码的结构。C/A码的结构是公开的，故可采用码相关法来恢复L1载波。但L2载波上只调制了Y码，不能用码相关法来恢复L2载波。）方法：将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。技术要点：卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。特点：限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质

6、量好（信噪比高）b。平方法。方法:将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。 Acos(Wt+)2.技术要点:卫星信号（弱）自乘。特点:优点：无需了解码的结构.缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）.C.互相关法（交叉相关）优点:可获得双频伪距观测值可获得全波长的L1载波和L2载波。可获得卫星的导航电文。缺点：由于是用十分微弱的卫星信号Y1与Y2相乘来去掉Y2的，故恢复的L2载波的信噪比较差。方法:在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差.技术要点:不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 特点:优点：无需了Y解

7、码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）.D. Z跟踪.方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。特点:优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）10. 载波相位测量的原理 :若卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接收机R处的相位为jR，在卫星S处的相位为jS。jR和S为从某一起始点开始计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计，均以周数为单位。若载波的波长

8、为l，则卫星S至接收机R间的距离： 载波相位测量的优点：精度高，测距精度可达0.1mm量级。难点：整周未知数问题整周跳变问题11. 在理想条件下，接收机在锁住卫星后可保持跟踪，从而测出包括整数 部分的相位变化量，因此每个历元的相位观测量与接收机到卫星的距离相差载波波长的一个 整数倍，它是一个固定不变的值，该整数被称为整周模糊度，在解算时与其他参数一起求出 。在实际观测条件下，接收机往往会由于某种原因(如卫星信号被挡住)对卫星短时间失去跟 踪，在失去跟踪时间内相位的变化就不能被测出，称为失周或失锁，也称为周跳。 12.两种距离测量方法比较：伪距测量：测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的

9、传播时间。利用C/A码和P码作为观测量进行定位测量。(基本原理：利用测距码与复制码的相关性，测出信号传播的时间，最终测出站星距离。)载波相位测量：测量具有载波GPS载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差；利用L1和L2测得载波相位伪距作为观测值进行定位测量。( 测量具有载波GPS载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差；)13. GPS定义：该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天侯、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。14. GPS卫星作用：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

10、。利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。向用户发送定位信息。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时钟。15. GPS主要设备：太阳能电池板，原子钟（2台铯钟、2台铷钟），信号生成与发射装置16. GPS系统组成：主控站：1个；监测站：5个 ；注入站：3个；通讯与辅助系统。17. 天球以地心为球心，以任意长为半径的球面。 天轴地球自转轴的延伸直线为天轴。 天极天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。 天球赤道面过球心且与天轴垂直的平面。 黄道面地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5。 春分点太阳从南半球向北半球运

11、行时，黄道与赤道的交点。黄极通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，其中靠近北天极的交点，称为北黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。18.产生岁差与章动的原因:在日、月和其他天体引力作用产生力矩。从而使地球自转轴的方向在惯性空间缓慢地移动。可以将运动分解为一个长周期变化和一系列短周期变化的叠加。地球自转轴的长周期变化约25800年绕黄极一周。使春分点产生每年约50.26的长期变化，称之为日月岁差。一系列短日、月周期变化中幅值最大的约为9.2，周期为18.6年，这些短周期变化统称为章动。(结果：自转轴绕着北黄极缓慢地旋转（天极运动）；春分点变化（黄道与赤道的交点）。天文学中把天极运动分解为

12、：一种长周期运动岁差；一种短周期运动章动。)19.高斯克吕格（Gauss-Kruger)投影 :设想用一个圆柱横切于球面上投影带的中央经线，按照投影带中央经线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，将中央经线两侧一定经差范围内的球面正形投影于圆柱面。然后将圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即获高斯-克吕格投影平面。20.高斯投影特征：中央经线和赤道投影为互相垂直的直线，且为投影的对称轴.投影后无角度变形，即保角投影 中央经线无长度变形 同一条经线上，纬度越低，变形越大，赤道处最大同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变

13、形不超过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影 . 在6带范围内，长度变形线最大不超过0.14%21. 恒星时:参考点：春分点.定义：春分点两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。真恒星时与平恒星时之分22. 平太阳时:参考点：平太阳（以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动）。定义：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。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。起算原点：以平太阳通过本地子午圈时刻；数值上：平太阳相对于本地子午圈的时角.有真太阳时

14、与平太阳时，真太阳日与平太阳日（平太阳 周年视运动的轨迹在赤道面上；运动角速度恒定，且等于真太阳的平均角速度。）23. 世界时:定义：以平子夜为零时的格林尼治平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时尺度相同，但起算点不同。通常将地球按子午线划分24个时区，每个时区以中央子午线的平太阳时为该区的区时。于是，零时区的平太阳时即为世界时。例如：北京-东8区 ，伦敦-0时区 ：所以北京时间比伦敦时间早8个小时。 (UT0：未经改正的世界时；UT1：引入极移改正的世界时；UT2：引入极移改正和地球自转速度的季节改正的世界时)24. GPS时:GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国

15、际原子时IAT相差19s。有关系式： IAT-GPST=19（s）1980年1月6日0h与UTC重合(为原点)。 25. 协调世界时:1972年，采用与原子时AT秒长相同；时刻接近世界时的折衷时间系统。因原子时比世界时每年约快1秒，对两者之差，采用通过跳（闰）秒与UT的差值保持在0.9秒内（通常在6月30日24h或12月31日24h进行跳秒）。为了使用世界时用户得到精度高的UT1时刻，时间服务部门在发播UTC时号的同时，还给出了与UTC差值的信息。26. 区别协议天球坐标系和地球坐标系，简述协议天球坐标系和协议地球坐标系的转换过程？在GPS测量中，为确定地面点的位置，需要将GPS卫星在协议天球

16、坐标系中的坐标转换为协议地球坐标系中的坐标，转换步骤为：协议天球坐标系瞬时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。 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)，并将标准历元的瞬时北天极和真春分点作章动改正，得z轴和x轴的指向。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。取平地极为原点，z轴指向CIO（国际协定原点），x轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点，y轴指向经度270度的方向，与xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系（又称协议地球坐标系）。34.固定极地球坐标系与平地球坐标系（1）

17、极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。产生原因：受到地球内质量不均匀影响而在地球体内部运动。（2）瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时极。（3）国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。地球坐标系:1地球直角坐标系:原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午面的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。2地球大地坐标系:地球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地球自转轴重合。空

18、间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。 35.瞬时极（真）天球坐标系与地球坐标系 瞬时极（真）天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。瞬时极（真）地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴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。36.如何描述北天极在天球上的运动通常均把这种复杂的运功，分解为两种规律的运动，首先是平北天极绕北黄极的运动，这就是上面介绍的岁差现象；其次是瞬时北天极绕平北天极顺时针的转功，即章动现象。在岁差和章动的共同影

19、响下，瞬时北天极绕北黄极旋转的轨迹，37.地心坐标系：就是一个将椭球中心与地球质心重合，且与全球大地水准面最为密合的旋转椭球。38.时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。39.周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。运动是连续的;运动的周期具有足够的稳定性；运动是可观测的。40.2000国家大地坐标系的意义:1. 科学意义，定义更加科学、原点位于地球质量中心的三维国家大地坐标系。 2. 采用2000国家大地坐标系可对国民经济建设、社会发展产

20、生巨大的社会效益;3. 采用2000国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在中国的广泛应用，发挥其在资源和生态环境动态监测方面的作用。4. 采用2000国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等安全的需要。5. 卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合，将会创造出更多新产品和新服务，市场前景更为看好41.2000国家大地坐标系的必要性:1.二维坐标系统。1980西安坐标系是经典大地测量成果的归算及其应用，它的表现形式为平面的二维坐标。高精度、三维与低精度、二维之间的矛盾是无法协调的。2.参考椭球参数。1980西安坐标系所采用的IAG1975椭球，其长半轴要比现在国际公认的WGS84椭球长半轴的值大3米左右，而这可能引起地表长度误差达10倍左右。 3. 随着经济建设的发展和科技的进步，维持非地心坐标系下的实际点位坐标不变的难度加大，维持非地心坐标系的技术也逐步被新技术所取代。4.椭球短半轴指向。1980西安坐标系采用指向JYD1968.0极原点，与国际上通用的地