GPS定位原理与应用练习

《GPS定位原理及应用》练习 第一章绪论

1、GPS的含义？与经典大地测量相比，GPS有何特点？

①选点灵活，无需通视。②定位精度高。③观测时间短。④提供三维坐标⑤操作简便⑥全天候作业。

2、GPS卫星的作用是什么？什么叫“定位星座”？什么叫“卫星星历”？

定位星座：在用ＧＰＳ卫星进行导航定位时，为了求得测站的三维位置，必须观测４颗ＧＰＳ卫星，称之为定位星座

所谓“卫星星历”是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。

3、GPS系统由哪几部分组成？地面监控系统由哪些部分组成？各部分的主要功能是什么？ GPS系统由GPS卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和GPS信号接收机（用户设备部分）等三部分组成

GPS工作卫星的地面系统，目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站。

主控站：收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传入到注入站。 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中。 监测站：为主控站提供卫星的观测数据。

4、什么是GPS信号接收机？其作用是什么？它由哪几部分组成？有哪几种分类方式？ GPS信号接收机：是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星信号的接收设备，称之为GPS信号接收机。

作用：①当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运动。②对所接收到的GPS信号具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发射的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，从而实现导航和定位。 组成部分：天线(前置放大器)；信号处理器；微处理器；用户信息传输；精密振荡器 1）按接收机的载波频率分类：单频接收机；双频接收机；双系统接收机

2）按接收机的用途分类：导航(Navigation)型接收机；测地(Survey)型接收机；授时(Time)型接收机

3）按接收机的通道数分类：多通道接收机；序贯通道接收机；多路复用通道接收机 4）按接收机的工作原理分类：码相关型接收机；平方型接收机；混合型接收机 5、接收机天线的作用是什么？对其有何要求？有哪几种类型？

1）天线的作用：把来自卫星信号的能量转化为相应的电流量，并经过前置放大器送入射频部分进行频率变换，以便接收机对信号进行跟踪、处理和量测

2）对天线的要求：◆天线与前置放大器一般应密封为一体，以保障在恶劣的气象环境下能正常工作，并减少信号损失；◆天线均应呈全圆极化。要求天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不产生死角，以保障能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；◆天线必须采取适当的防护与屏蔽措施(例如加一块基板)，以尽可能地减弱信号的多路径效应、防止信号的干扰；◆天线的相位中心与其几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。

3）天线的类型：◆单极或偶极天线；◆四线螺旋形或螺旋形结构天线；◆微波传输带型天线：常简称为微带天线；◆锥形天线；◆带扼流圈的振子天线：简称为扼流圈天线 6、我国北斗系统的星座是如何分布的？

北斗系统的星座分布：2颗地球静止同步卫星（800E和1400E，赤道角距约60°）和一颗在轨备份卫星（110.50E）

7、当前的卫星导航系统有哪些？我国的北斗卫星导航定位系统的发展和规划如何？

当前的卫星导航系统有：GLONASS全球卫星导航系统；伽利略全球卫星导航系统；北斗导航定位系统。

鉴于北斗一号的性能和技术指标方面的差距，我国正准备实施北斗二号卫星导航定位系统，系统卫星星座由5颗高轨地球同步卫星，约30颗中轨卫星及倾斜轨道同步卫星组成。 第二章坐标系统和时间系统

1、在GPS定位中，通常采用哪两种坐标系统？ 天球坐标系和地球坐标系

2、何为天球？天球上有哪些主要的点、线、面？

天球:是指以地球质心M为中心，半径r为任意长度的一个假想的球体。

3、天球空间直角坐标系和天球球面坐标系是如何定义的？二者间有何关系？ 1、天球空间直角坐标系:原点位于地球质心M,Z轴指向天球北极Pn，X轴指向春分点γ，Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系统。[X Y Z]

2、天球球面坐标系:原点位于地球质心M，赤经α为含天轴和春分点的天球子午面与过天体S的天球子午面之间的夹角；赤纬δ为原点M至天体S的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长度r为原点M至天体S的距离。(α，δ，r)。 4、什么叫岁差和章动？二者对北天极的运动有何影响？

岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在赤道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。

章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半径约为9.2\，周期约为18.6年。这种现象称为章动。 在岁差和章动的共同影响下，瞬时北天极绕北黄极旋转 5、为什么要定义协议天球坐标系？它是如何定义的？ 在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴指向是在不断地旋转。在这种非惯性坐标系统中，不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。

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。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

6、地心空间直角坐标系和地心大地坐标系是如何定义的？二者间有何联系？

1、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地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ 平面构成右手坐标系。

2、地心大地坐标系：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相合，大地纬度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（normal）至椭球面的距离。

7、何谓站心赤道直角坐标系、站心地平直角坐标系和站心地平极坐标系？

1、站心赤道直角坐标系：以 P1为原点建立与球心空间直角坐标系相应坐标轴平行的坐标系叫做站心赤道直角坐标系。显然，站心赤道直角坐标系与球心空间直角坐标系坐标系间有简单的平移关系。

2、站心地平直角坐标系以P1为原点，P1点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线

方向为x轴（向北为正），y轴与x、z轴垂直（向东为正）。

3、站心地平极坐标系以测站P1为原点，至卫星s的距离r、卫星的方位角A、卫星的高度角h可以建立站心地平极坐标系。

8、什么叫极移？协议地球坐标系是如何定义的？ 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。这种现象称为地极移动，简称极移。

协议地球坐标系：以协议地极为基准点的地球坐标系，称为协议地球坐标系 9、WGS-84坐标系是如何定义的？其主要参数是多少？ 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BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手系 长半轴a=6378137(+/-)2m 扁率f=1/298.257223563 椭球第一偏心率：e2=0.00669437999013

地球引力常数：GM=（3986005±0.6）×108（m3/s2）

正常化二阶带谐系数：J2=（–484.16685±1.30）×10–9（rad/s） 地球自转角速度：ω =（7292115±0.1500）×10–11（rad/s） 10、我国的1980年国家大地坐标系(简称C80)、1954年北京坐标系(简称P54)是如何定义的？新北京54坐标系与C80 有何联系，与P54有何区别和联系？

1980年国家大地坐标系：C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点JYD1968.0的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面，X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向，Y轴与Z、X轴成右手坐标系

1954年北京坐标系：建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954 年北京坐标系。我们称为旧1954年北京坐标系 新P54点坐标与旧P54点坐标接近，但其精度和C80坐标精度完全一样

11、我国的2000国家大地坐标系是如何定义的？北斗系统的时间系统和坐标系统是如何定义的？

2000国家大地坐标系：原点：包括海洋和大气的整个地球的质量中心； Z轴：由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转； X轴：由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点； Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系尺度：采用广义相对论意义下的尺度。 12、何谓ITRF坐标框架？

国际地球参考框架ITRF(InternationalTerreetrial Reference Frame的缩写)是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务IERS的地面参考框架。

13、在GPS定位中时间系统有何重要意义？确定时间的基准是什么？ 在GPS定位中，时间的重要意义：①GPS卫星作为一个高空观测目标，其位置是不断变化的。因此在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。；②GPS测量是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机(即观测站)至卫星的距离(或距离差)，进而确定观测站的位置。因此，准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间；③由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置是不断变化的 14、何为恒星时、世界时、原子时、协调世界时、GPS时？

恒星时(Sidereal Time —ST)：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间，称

为恒星时。

世界时(Universal Time —UT)：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时

原子时(Atomic Time——TA)：随着空间科学技术和现代天文学与大地测量学新技术的发展和应用，对时间准确度和稳定度的要求不断提高。以地球自转为基础的世界时系统，已难以满足要求。为此，人们从20世纪50年代，便建立了以物质内部原子运动的特征为基础的原子时间系统。

协调世界时：从1972年便采用了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，这种时间系统称为协调世界时(UTC)，或简称协调时。

GPS时（GPST)：为了精密导航和定位的需要，全球定位系统(GPS) 建立了专用的时间系统。该系统可简写为GPST，由GPS的主控站原子钟所控制。 15、GPS时和原子时、协调世界时有何关系？

GPS时属原子时系统，其秒长与原子时相同，但与国际原子时具有不同的起点

GPS时与协调时的时刻：规定于1980年1月6日0时相一致。其后随着时间的积累，两者之间的差别将表现为秒的整倍数。 第三章卫星运动基础及GPS卫星星历 1、何为卫星的轨道参数？

卫星在空间运行的轨迹称为轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数。 作用在卫星轨道上的力分为哪两类，相应的卫星运动轨道为何？

一类是假设地球为匀质球体的引力(质量集中于球体的中心)，称为中心力。它决定着卫星运动的基本规律和特征，此时卫星的运动称为无摄运动，由此所决定的卫星轨道可视为理想的轨道，又称卫星的无摄运动轨道。这是我们分析卫星实际轨道的基础。

一类是摄动力，也称为非中心力，它包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。摄动力的作用，是使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离上述的理想轨道，同时，这种偏离量的大小也随时间而改变。在摄动力作用下的卫星的运动称为受摄运动，由此所决定的卫星轨道称为卫星的受摄运动轨道。 研究卫星运行轨道的基本方法分为哪两个步骤？ 研究卫星运行的基本方法：首先，在上述理想的地球引力场中，只考虑地球质心引力的作用，来研究卫星的无摄运动规律，并描述卫星轨道的基本特征；其次，研究各种摄动力对卫星运动的影响，并对卫星的无摄轨道加以修正，从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。 何为开普勒三定律？其意义是什么?

开普勒第一定律:卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。 开普勒第二定律:卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。

开普勒第三定律:卫星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常量等于地球引力常数GM的倒数。

试绘图描述无摄卫星轨道，并阐明各参数的含义。 写出开普勒方程，并说明其意义。

卫星运动的摄动力有哪些？主要的摄动力是哪几项？

①地球体的非球形及其质量分布不均匀而引起的作用力，即地球的非中心引力Fnc；②太阳的引力Fs和月球的引力Fn ③太阳的直接与间接辐射压力Fr；④大气的阻力Fa；⑤地球潮汐的作用力；⑥磁力等。

卫星星历分为哪两种？广播星历中主要包括哪些参数？

卫星星历的提供方式，一般有两种：预报星历(广播星历)和后处理星历（精密星历)。

卫星广播星历星历参数共有17个，其中包括2个时间参数、6个相应参考时刻的开普勒轨

道参数和9个反映摄动力影响的参数

说明GPS卫星坐标计算的基本过程，并给出计算公式？ 1、计算卫星运行的平均速度n 2、计算归化时间tk

3、观测时刻卫星平近点角Mk的计算 4、采用迭代算法计算偏近点角Ek 5、计算真近点角Vk 6、计算升交距角Φk

7、计算摄动改正数δu、δr、δi

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Ωk

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 10、在广播星历中， t0e与t0c有何区别？

11、试述采用广播星历计算北斗卫星瞬时坐标的基本步骤。 第四章 GPS定位的基本原理

1、GPS定位的实质是什么？基本定位方法有哪些？

定位方法的分类：绝对定位(或单点定位)；相对定位；静态定位； 动态定位

GPS测量的基本观测量有哪两个，其测距精度是多少？

目前广泛采用的GPS测量基本观测量主要有两种：码相位观测量和载波相位观测量。 什么叫初始整周未知数（模糊度）？什么叫周跳（整周跳变、跳周）？什么叫信号失锁？ 周跳:在观测过程中，如果卫星信号被阻挡或受到干扰，则接收机对卫星的跟踪便可能中断（失锁），而当卫星被重新锁定后，载波相位的小数部分是连续正确的，而这时整周数却不正确，这种现象称为周跳。

写出伪距测量的基本观测方程并解释各参数的含义？

5、写出载波相位测量的基本观测方程并解释参数的含义？ 6、什么叫必要参数？什么叫多余参数？

7、载波相位差分观测值有哪几种？各差分观测值中主要消除或削弱了哪些因素的影响？ 载波相位差分观测值可以按测站、卫星和历元等三要素来产生，根据求差次数的多寡可分为单差观测值、双差观测值和三差观测值

在单差观测值中，已消除了卫星钟钟差的影响，当测站距离较近时（<20km），电离层、对流层的影响及卫星星历误差在很大程度上得到了削弱。

在测站和卫星的双差观测值中，接收机钟差、卫星钟差、卫地距变率的影响已基本消除，对流层和电离层的影响得到了进一步的削弱，其剩余残差对双差观测值将不会产生显著性的影响

8、根据载波相位的基本观测方程写出其单差和双差观测方程。 9、求差法和非差法相比有哪些优缺点？ 缺点：数据利用率较低；

在接收机间求差后，会引进基线矢量而不是原来的位置矢量作

为基本未知数，这是一个新的更为复杂的概念，特别是使用多台接收机进 行网定位时较难处理；

求差后会出现观测值间的相关性问题，增加了计算的工作量；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/543d.html