GPS卫星定位原理与方法

1、9. 预报星历 ：是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，也称广播星历。包括： 1）相对某一参考历元的开普勒轨道参数2）必要的轨道摄动项改正参数 3）参考星历18. 宽巷与窄巷定义 ：宽巷（ Wide-lane ）解：宽巷组合观测值窄巷（ Narrow-lane ）解：窄巷组合观测值。32. 协议天球坐标系 ：为建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系，通常选择某一时刻t0 作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁差和章动改正后，作为 z 轴和 x 轴。33. 协议地球坐标系 CTS：以协议地极为基准点的地球坐标系

2、称为协议地球坐标系34. 天球空间直角坐标系 ：原点位于地球的质心， z 轴指向天球的北极， x 轴指向春分点 ，y 轴与 x 、z 轴构成右手坐标系。35. 天球球面坐标系 ：原点位于地球的质心， 赤经 为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体 s 的天球子午面之间的交角， 赤纬 为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径 r 为原点至天体的距离。36. 地心空间直角坐标系 ：原点 O与地球质心重合， Z 轴指向地球北极， X 轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E，Y 轴垂直于 XOY平面构成右手坐标系。37. 地心大地坐标系 ：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度

3、B 为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度 L 为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H 为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。二、简答题4. 地面监控系统组成几个部分作用？ 主控站管理协调各部分作用，编制导航电文送往注入站 监测站伪距测量各卫星，记录气象元素传送给主控站 注入站向 GPS卫星输入导航电文和其他命令 通信和辅助系统数据传输和其他辅助服务7. 在协议地球坐标系中 GPS卫星位置的计算步骤：（1）计算真近点角 fs （ 2）计算升交距角及轨道摄动改正项（ 3）计算升交距角、卫星的地心距离及轨道倾角 （ 4）计算卫星在轨道坐标系中的坐标（5）计算升交点的

4、经度（ 6）计算在协议地球坐标系中的空间直角坐标。8. GPS 定位中误差的分类及消除方法（1）与卫星有关的误差： 1）卫星钟差 2）卫星星历误差 3） 相对论效应 星历误差消除方法：忽略轨道误差。采用轨道改进法处理观测数据。采用精密星历。同步观测值求差。（2）与信号传播有关的误差：1）电离层延迟。减弱方法：利用双频观测。利用电离层模型加以修正。利用同步观测值求差。2）对流层延迟。减弱方法：充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料。利用水汽辐射计，准确地测定电磁波 传播路径上的水汽积累量，以便精确的计算大气湿分量的改正项。当基线较短时 （20km） ，稳定的大气条件下，利用 差分法来减弱大气折射

5、的影响。完善对流层大气折射的改正模型。3）多路径效应。减弱方法：安置接收机天线的环境应避开较强发射面。选择造型适宜且屏蔽良好的天线。适 当延长观测时间，削弱周期性影响。改善接收机的电路设计。（3）与接收设备有关的误差1）接收机位置误差2）接收机钟差。减弱方法：作为未知数，在数据处理中求解。利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响。 定位精度要求较高时，可采用外接频标。3）接收机的测量噪声。减弱方法：观测足够长的时间后，测量噪声的影响可以忽略不计。9. GPS 定位方法分类1) 按参考点的不同位置 绝对定位(单点定位) ：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：在地球协议坐标

6、系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式：2) 按用户接收机作业时所处的状态划分： 静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。 动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。3) 按观测量性质划分：测码伪距：由码相位观测确定伪距 测相伪距：由载波相位观测确定伪距10. 测码伪距与测相伪距的定义、观测方程、及各符号含义。 上述通过码相位观测或载波相位观测所确定的站星距离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟非同步误差、电离层、对流层 等的影响，含钟差影响的距离通常称为伪距。(1) 测码伪距：由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距。公

7、式： ijtijc c ij c tijij c tij其中： tj = tj (GPS) +tj ， ti = ti (GPS) +titj(GPS) 为卫星 sj 发射信号时的理想 GPS时刻ti(GPS) 为接收机 Ti 收到该卫星信号时的理想 GPS时刻 tj 为卫星 sj 发射信号时的卫星钟时刻ti 为接收机 Ti 收到该卫星信号时的接收机钟时刻tij = titij tj = (ti (GPS) tj (GPS)+ ( ti - tj)tij 为卫星信号到达观测站的传播时间tj 为卫星钟相对理想 GPS时的钟差ti 为接收机钟相对理想 GPS时的钟差。2)测相伪距：由载波相位观测所

8、确定的伪距简称为测相伪距。公式：ij(t) ij(t) c ti(t) t j(t) jiI p(t)jiT(t) Nij(t0)为站星之间的几何距离， 为整周未知数11. 载波相位原始观测量的不同线性组合的主要优、缺点？(1) 可消除或减弱一些系统性误差影响，如卫星轨道误差、钟差和大气折射误差等；(2) 可减少平差计算中未知数的数量；(3) 原始的独立观测量，通过求差将引起差分量之间的相关性，平差中不可忽视；(4) 差分后将使观测方程的数据明显减少；(5) 在差分时，如果于某一历元，对参考站或参考卫星的观测量无法采用，则使观测量的差分产生困难，参加观测的接收 机越多情况越复杂。(6) 原始观

9、测量的非差模型日益受到重视。12. 单差、双差、三差的优点(1)单差：即在接收机之间求一次差j (t) 2j(t) 1j (t)优点：消除了卫星钟差，有效地减弱了卫星轨道误差和大气延迟误差。(2)双差：即在接收机和卫星间求二次差k(t)k(t)j(t) 2k (t) 1k (t) 2j(t) 1j(t)优点：消除了接收机钟差的影响(3)三差：在接收机、卫星和观测历元间求三次差k(t)k(t2)j(t1) 2k(t2) 1k(t2) 2j(t2) 1j (t2) 2k(t1) 1k(t1) 2j(t1) 1j (t1)优点：三差模型进一步消除了整周未知数的影响13. 整周模糊度及其确定方法？(

10、1 )定义：时刻载波在空间传输的整周期数它是一个无法通过观测获得的未知数因而也称为整周模糊度。 ( 2 )方法：立身以立学为先，立学以读书为本 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、 P 码双频技术、滤波法、搜索法和模糊函数法等，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。15. 在 GPS网中，确定出具体 GPS网图形结构的主要特征计算

11、：（ 1）总基线数： J 总 C N （N一 1）/2（ 2）必要基线数： J 必 n-1（ 3）独立基线数： J 独 C （N-1 ）（ 4）多余基线数： J多 C（N-1）-（n-1） 其中 C 为观测时段数； n 为网点数； m为每点平均设站次数； N 为接收机数。 17. 试写出卫星钟差改正模型并说明模型中各符号含义？tt j a0 a1（t t0c） a2（t t0c）2y（t）dt（ a0为t0时刻该钟的钟差， a1为t0时刻该钟的钟速 （频偏）， a2t0为t0 时刻该钟的加速度的一半。积分项为随机项）17.GPS控制网布网原则：将各同步环有机地连成一个整体，构成一定数量的同步观

12、测环和异步观测环 也可采用线路形式 以较好地满足精度、可靠性、经费、后勤等限制条件三、论述题1. GPS外业数据检核（ 1）数据剔除率：一段时间内观测值的剔除率不应超过10%（2）重复基线的长度差：进行 C、D、 E级极限处理及 B 级预处理后，若某基线向量被多次重复测量，则任意两个基线长 度之差 d s应满足： ds 2 2 （ 为相应级别所规定的精度 ）（ 3） 同步闭合环的检核 当环中各边为多台接收机同步观测时，由于各边是不独立的；所以其闭合差应恒为零但是由于模型误差和处理软伴的内 在缺陷，使得这种同步环的闲合差实际上仍可能不为零。这种闭合差一般数值根小，不至于对定位结果产生明显影响，所

13、 以也可把它作为成果质量的一种检核标准。对于三边同步环，其坐标分量闭合差应小于下列数值为相应级别规定的精度（按平均边长计算）4）异步环闭合差的检核无论采用单基线模式或多基线模式解算基线都应在整个GPS 网选取一组完全的独立基线构成独立环，各独立环的坐标分量闭台差和全长闭合差应符合下式（1） 任一点 i 的平面坐标 , 的高程异常表示为 i i（2） 二次多项式曲面拟合为 其中，22a0 a1x a2y a3x a4xy a5y当发现边闭合数据或环闭合数据超出上述规定时，应分析原因并对其中部分或全部成果重测。需要重测的边，应尽量安排在一起进行同步观测2. 多项式平面拟合法解算过程及注意事项( x

14、 i , y i )f ( xi, yi ) H i H i j 0，1，2， 5)为拟合f面(的x系,y数)。3）根a据j 至少 6个已知点 （已知大地高与相应的正常高 ）解出 a （ j 0，1， 5）4）再根据二次多项式解算未知点的高程异常差值，最后求出任一点的j正常高。要求：（1）已知高程异常点密度适当、尽量多；2）分布比较均匀。3）选取高精度 GPS点提高点位精度。注意事项： （1）适用范围：一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区（2）选择合适的高程异常已知点（3）高程异常已知点的数量（三个以上）（4）分区拟合法：若拟合区域较大，可采用分区拟合的方法，即将整个GPS 网划分为若干区域

15、，利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值，从而确定出它们的正常高。3. 重力场模型与 GPS水准相结合 基本思路是：在 GPS水准点上，将由 GPS大地高程和水准正常求得的高程异常与由重力场模型求得的高程异常进行比较， 求出该地面点的两种高程异常的差值 m 然后再采用曲面拟合方法，由公井点的平面坐标和 求其他点的 ；由此计算 GPS网中未测水准点的正常高程 实验表明：这种H 重r 力H场模型m与 GPS水准相结合的方法是提高高程精度的一条有效途径，适合于山区地带（水准点较少） 目的：改善精度（重力场方法的不足） ；改善空间分辨率（水准测量方法的不足）GPS测高：大地高

16、正常高，需要高程异常数据多项式平面拟合法 纯几何的方法，适用于高程异常变化较为平缓的地区 采用数量尽量多的已知点，它们应均匀分布，选取高精度GPS点。重力场模型与 GPS水准相结合物理大地测量方法，适合于山区地带（水准点较少）目的：改善精度（重力场方法的不足） ；改善空间分辨率（水准测量方法的不足）4. 静态相对定位分类及特点？ 经典静态相对定位：利用载波相位观测值为基本观测量特点：基线端点的接收机是固定不动，通过连续观测，取得充分的多余观测数据。准动态相对定位：利用起始基线向量确定初始整周未知数特点：必须保持对观测卫星的连续跟踪 快速静态相对定位：快速确定整周模糊度 特点：无须保持对观测卫星

17、的连续跟踪，只需在每一测站上观测数分钟。5. 动态相对定位 动态相对定位，是将一台接收机安设基准站上固定不动，另一台接收机安设在运动的载体上，两台接收机同步 观测相同的卫星，以确定运动点相对基准站的实时位置。动态相对定位中，有实时处理（RTK）和测后处理两种方式，实时处理必须在流动站与基准站之间传输数据。测码和测相两种方式，测码精度可达米级，测相精度可达12 厘米。（在静态定位中，通常为测相方式。）5. 差分 GPS?三种差分方式及其特点？根据基准站所提供的改正数的类型不同，差分 GPS 可以分为：位置差分、距离差分两种形式。根据用户惊醒数据处理的时间不同分为：实时差分和事后差分。根据观测值的类型不同分为：伪距差分、相位差分和相位平滑伪距差分。按其工 作原理及数学模型大体分为三类：单基准站差分GPS、局域差分 GPS、广域差分 GPS、局域增强型的差分 GPS、广域增强型的差分 GPS。单基准站差分 GPS:仅仅根据一个基准站所提供的差分改正信息进行改正的差分GPS技术特点：结构和算法简