GPS考试试题

1，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）是一种空间无线电定位系统，包括一个或多个卫星星座，为支持预定的活动需要而加以扩大，可为地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供24小时三维位置、速率和时间信息。其突出优点是经济实用。 2，卫星导航系统有两个核心组成部分：

（1），全球定位系统（由美国运行管理）*研究重点*

（2），全球轨道导航卫星系统即轨道导航系统（俄罗斯联邦运行管理)。 补充：建设中的伽利略；中国的“beidou 1 2” 3，衡量一个卫星导航定位系统性能优劣的四项技术指标： ?可用性（availability）：用户使用该系统作导航定位的正常运行时间；

?精度（accuracy）：该系统用于测得的运动载体在航位置与??? 其真实位置的差异性；?完好性（integraty）：该系统不能用于导航定位的告警能力；???连续性（continuity）：该系统在一个导航周期内出现间断导航的概率。4，接收机利用相关分析原理测定调制码由卫星传播至接收机的时间，再乘上电磁波传播的速度便得距离，由于所测距离受大气延迟和接收机时钟与卫星时钟不同步的影响，它不是几何距离，故称之为“伪距”

5，GPS定位原理：GPS定位时，把卫星看成是“飞行”的已知控制点，利用测量的距离进行空间后方交会，便得到接收机的位置。卫星的瞬时坐标可以利用卫星的轨道参数计算。

GPS定位包括 单点定位 和 相对定位 两种方式

影响GPS定位的精度有两个因素：一个是观测误差； 一个是定位几何因素。 6，GPS特点： 同其它导航系统相比：

(1)，全球地面（范围内）连续覆盖 (2)，功能多，精度高 (3)，实时定位速度快 (4)，抗干扰性能好，保密性强 (5)，静态定位观测效率高，应用广泛 相对于经典测量技术：

(1)，观测站之间无需通视，但其上空仰角范围内不能有障碍物 (2)，定位精度高

(3)，提供三维坐标（注意平面和高程精度不一样啊！） (4)，观测时间短，效率高 (5)，操作简便，自动化程度高 (6)，成本低，经济效益高 (7)，全天候作业

7，美国政府的限制性政策:

(1)对不同的GPS用户，分别提供两种不同精度的定位服务 (2)实施选择可用性政策，即SA政策(于2000年5月1日取消) (3)实施反电子欺骗防护措施，即A-S措施 限制性政策下非特许用户的应对策略： 一、建立独立的GPS测轨系统

二、研究、开发差分GPS(DGPS--Differential GPS)定位系统 三、建立独立的导航定位系统

四、开发GPS与GLONASS兼容接收机；开发GPS、GLONASS与Galileo相兼容接收机

8，讨论：（1）SA政策取消的原因

（2）GPS、GLONASS、GALILEO和北斗导航（双星导航）将来的发展谁

主沉浮？？

（3）GPS能否代替常规仪器

9，GPS组成：由三部分组成，空间部分；地面部分；用户部分

10，GPS卫星星座：设计星座：21+3；21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星；6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ?，周期11 58（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系 每天提前4min重复一次）；保证在24小时，在高度角15?以上，能够同时观测到4至8颗卫星 11，地面部分：

组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个）

作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间等。

h

min

12，地面监控系统工作流程：

13，开普勒轨道6参数或开普勒轨道6根数： 它们的大小取决于卫星的发射条件

as 为轨道椭圆长半轴

es 为轨道椭圆偏心率，这两个确定了开普勒椭圆的形状和大小

i为轨道面倾角

Ω为升交点赤经，这两个唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向 ?s为近地点角距，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向 Fs为卫星的真近点角 14，导航电文的主要内容：

它包含该卫星的星历(Satellite Vehicle Ephemeris)，卫星工作状况(Satellite Vehicle Heath)，系统时间(System Time)，时钟改正(Clock Correction Parameters) ，轨道摄动改正(Perturbed Orbit Correction Parameters)，电离层时延改正即电离层折射参数(Ionospheric Delay Model Parameters)，大气折射改正，由C/A码捕获P码的信息，卫星的概略星历等导航信息。

载波相位测量的基本观测方程：设在标准时间为?a，卫星钟读数为ta的瞬间，卫星发出的载波信号相位为?（ta），该信号在标准时间?b到达接收机。根据波动方程，其相位应保持不变，即在标准时间?b，读数为tb ，接收机接收到的

来自卫星的载波信号的相位为?（ta），由接收机所产生的基准信号的相位为?（tb），于是得：

? =?(R)-?(S) =?(ta)-?(tb) ta =τa- vta tb =τb-v tb经过振荡器产生的信号的相位满足：?（t+Δt）=?（t）+fΔt①，?（tb）=?（ta）+f（tb-ta）②，将②带入①得?（tb）=?（ta）+f（tb-ta）-?（ta）= f（tb-ta）=?~+N0 即?~= f（tb-ta）-N0 ③，考虑大气改正带入整理得： ?~=f/c（ρ-δρion-δρtrop）+fvta- fvtb - N0 ④ 即为载波相位测量的基本观测方程。

线性化：ρ是站星坐标的函数，设τa时刻卫星坐标为（x，y，z），τb时刻接收机坐标为（X,Y,Z），则站星的几何距离为：ρ=[(x-X)2+(y-Y)2+(z-Z)2]? 引入近似值：X=X0+VX Y=Y0+VY Z=Z0+VZ,将在出用泰勒级数展开整理得： ρ=ρ0- (X-X0)/ρ0vx-(Y-Y0)/ρ0vy-(Z-Z0)/ρ0vz ⑤ 带入④得： f/c (X-X0)/ρ0vx+ f/c (Y-Y0)/ρ0vy+ f/c (Z-Z0)/ρ0vz-fvta+ fvtb + N0 =f/c（ρ-δρion-δρtrop）-?0

上式中：等号左边为未知参数，右边的各项均为已知值 基本观测方程及线性组合形式

单差：在接收机间求一次差；消除了卫星钟差的影响

单差优点：①消除卫星钟差的影响；②大大减弱星历误差及电离层、对流层折射的影响

双差：在接收机、卫星间求二次差（单差之差）；消去了接收机钟差的影响。 三差：在接收机、卫星、历元间求差（双差之差）。消去了整周未知数； 2.优点：

1）消除或减弱时钟、星历和大气折射误 差 的影响； 2）减少平差中不必要未知数的数量，减少法方程的阶数；

整周跳变（周跳）：Inti(?)是t0-ti时段的整周计数，如因某种原因使计数中断，则恢复计数后的观测值都包含有同一偏差，即中断期间丢失的整周数，这种现象，称为整周跳变，简称周跳。

产生原因：①信号受阻（如树下观测）；②仪器线路故障，无法正确计数； ③外界条件恶劣，无法锁定信号（失锁）。

周跳的探测与修复：探测出何时发生周跳及丢失的整周数，对中断后的计数进行改正，将其恢复为正确计数，则观测值仍可应用。这一工作称为周跳的探测与修复。常用方法：①高次差法；②在卫星间求差：对小周跳可继续采用此法。③从残差的分析中发现周跳

2.RTK系统的组成：主要由一个基准站，若干个流动站、基准站和流动站间的通讯系统（数据链）及软件系统四部分组成。

RTK的基本工作原理：是在两台接收机间加上一套无线电通讯系统，将相对独立的接收机连成一个有机的整体；基准站把接收到的伪距、载波相位观测值和基准站的一些信息（如基准站的坐标和天线高等）都通过通讯系统传送到流动站； 流动站在接收卫星信号的同时，也接受基准站传送来的数据并进行处理：将基准站的载波信号与接收到的载波信号进行差分处理，即可实时求解出两站间的基线值，同时输入相应的坐标，转换参数和投影参数，即可求得实用的未知点坐标。 RTK优点：①能在现场实时求解流动站的实用坐标，在20公里内定位精度达厘米级，且能实时知道定位的精度；② 一个基准站可支持多个流动站同时工作，每个流动站仅需1人操作，大大提高了工作效率；③用于放样异常便捷，且精度高。

应用:①控制测量的加密网：如一、二级导线及图根测量，高效、经济、高精度地建立或改善城市和工程控制网；②各种工程测量，如地形测量、道路测设等； ③局部地区较高精度的实时导航定位，如船舶进港、飞机进场等。 RTK技术有着一定局限性，使得其在应用中受到限制，主要表现为： ①用户需要架设固定的参考站 ①误差随距离的增加而增大——

③误差增长使流动站和参考站距离受到限制(<15KM) ④可靠性和可行性随距离增长而降低.

而VRS技术它将克服以上的局限性，扩展RTK的作业距离。

RTK系统的技术关键：RTK系统之所以得以实现，其关键技术是：快速准确的求解整周未知数及数据传输技术。

GPS网的连接方式有：点连接、边连接、边点混合连接、网连接等。 1.点连接：相邻同步环间仅有一个点相连接而构成的异步网图；

2.边连接：相邻同步环间由一条边相连接而构成的异步环网图； 3.边点混合连接：既有点连接又有边连接的GPS网；

1动态已知点的学说，○2全球覆盖，○3被动式定NNSS的优点和局限性：优点：○

位。局限性：信号覆盖的区域有限；电磁波传播受大气影响，定位精度不够；技

术滞后和设备陈旧。难以适应现代航海、航空和陆地车辆的导航定位需要 WGS-84坐标系定义：原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴X轴构成右手坐标系。对应于WGS-84大地坐标系有WGS-84椭球。

定位星座：用GPS进行导航定位时，为了获得地面点的三维坐标，所必需观测的4颗卫星。

间隙段：某时某地虽可观测四颗卫星，但是用其定位时，精度要比平时差，甚至不能解算该点的三维坐标，这个时间段为间隙段。 GPS的编号方式：

1顺序编号：按照GPS卫星发射时间的先后顺序对卫星进行编号 ○

2PRN编号：根据GPS所采用的伪随机噪声码（PRN码）对卫星编号 ○

3IRON编号：内部距离操作码，美国和加拿大组成的北美空军指挥部对卫星的○编号

4NASA编号：美国航天局在文件中对GPS卫星的编号 ○

5国际识别号：第一部分为发射年代，第二部分为发射卫星的序列号 ○

导航电文的内容：

卫星的星历，卫星工作状况，系统时间，时钟改正，轨道摄动改正，电离层时延改正即电离层折射参数，大气折射改正，由C/A码捕获P码的信息，卫星的概略星历等导航信息。

广播星历：通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户的，用户接收机接收到这些信息，经过解码便可获得所需要的卫星星历。

精密星历:一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测数据，用于确定预报星历相似的方法计算的卫星星历，是哦后向用户提供在用户观测时间内的卫星精密轨信息，避免了预报星历外推的误差 时间延迟τ的测定：

卫星-自己时钟-发出某一结构的测距码-经?t 时间-接收机； b）接收机-自己的时钟-产生一组结构完全相同的测距码（复制码）-时延器-延迟时间τ；

c）两组测距码-相关处理-自相关系数 R(t) = 1（两组对齐）- τ（复制码的延迟时间）= ?t（卫星信号的传播时间）； d）?t*c=卫星至接收机的伪距。 确定N0方法的分类：

1.按解算所需时间的长短区别a。经典静态相对定位法b.快速结算模糊度法：滤波法，交换天线法，p码双频法，FARA模糊度函数法2.确定模糊度时接收机的运动状态：静态：整周未知数的平差待定参数法、三差法（多普勒法）：连续跟踪载波相位观测值（历元之间），由于其含有相同的整周未知数，求差后方程会不再含有整周未知参数，因此可直接解出坐标参数。交换无线法、FARA法，动态（OTF）：最小二乘搜索法、模糊度函数法、综合法

FARA主要思想：以数理统计理论假设检验为基础，利用初次平差提供的所有信息，包括解向量.相应的协因数阵和单位权中误差，确定在某一置信区间整周未知数一切可能的整数解得组合，并依次将该整周未知数的组合作为以知值代入方程通过平差进行搜索，寻求平差后方差和最小的一组整周未知数作为最优解。

GPS定位的最基本原理： 将卫星是为飞行的控制点，在已知其瞬间坐标的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离作为观测量，进行空间后方交会，确定用户接收机天线的位置 GPS定位的最基本原理-----需解决的两个关键问题1.确定卫星的位置2.测量出站星距离.

即已知控制点、瞬间位置, 距离（距离差）观测量，交会

静态定位的四种基本观测量1、测码伪距2、载波相位观测得出的伪距3、由积分多普勒计数得出的伪距差4、由卫星射电干涉测量得出的时间延迟

整周跳变：在载波相位测量中，若由于仪器线路的瞬间故障、卫星信号被障碍物阻挡、载波锁相环路的短暂失锁等原因而引起累积工作中断，则当信号恢复跟踪后整周计数将会丢失ΔN的现象称整周跳变

周跳产生的原因：信号被遮挡，仪器线路：基准和卫星信号无法混频；差频信号，无法计数 外界干扰或动态环境，（DLL）失锁

常用处理方法屏幕扫描法，高次差法/多项式拟合法，简单的高次差，星间差分的高次差，在卫星间求差，残差法，一组观测值中，周跳出现频繁与否，与GPS接收机的质量和野外观测环境密切相关。为了取得优良的成果，必须选择质量好的接收机、组织观测、选择良好的观测站和观测星座－环境(这些内容将在后边讨论)。切不可认为，在数据后处理中可以修复周跳而放宽对它们的要求，因为一组频繁发生周跳的观测值是难以通过内业数据处理获得好的测量成果的。 实时定位方法：

单点动态定位（绝对动态定位）:安设运动载体上GPS，测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹

实时差分动态定位（相对动态定位）:安设在运动载体上的GPS接收机和安设在

基准点上的另一台GPS，联合测得该运动载体的实时位置，描绘出运动载体的运行轨迹。

后处理差分定位:与2）的主要差别是：在运动载体和基准点之间无线电数据传输，而在定位观测后，进行测后的联合处理，测得载体的实时位置

伪距差分动态定位

差分动态定位(DGPS)：两台接收机-两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的信号，用以联合测得动态用户的精确位置。其中，位于已知点（基准点）接收机，叫做基准接收机。另一个接收机，流动站接收机。两者同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。

基准站：测三维位置与已知值进行比较，获得校正值。 假定：共视卫星相同

流动站：实时接受差分信息的（实时差分动态定位）否则：后处理差分动态定位。 RTK（原理）：－在两台静态型测量仪器间加上一套无线电数据通讯系统(也称数据链),将相对独立的GPS信号接收系统连成一个有机整体。－基准站把接收到的所有卫星信息(包括伪距和载波相位观测值)和基准站的一些信息，如基准站的坐标、天线高等)都通过通讯系统传送到流动站。－流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的卫星数据，在流动站完成初始化后，并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理（基线），同时输入相应的坐标，转换参数和投影参数，即可实时求得实用的未知坐标。

RTK（核心部分）：快速准确地求解整周模糊度及数据传输：1.运动中快速求解整周模糊度算法——OTF (on the fly)利用载波相位观测值进行GPS测量，在整周模糊度求出后，只需观测少数几个历元的数据就可以达到很高的观测精度。在较短时间内解求出整周模糊度的值，否则就达不到快速定位的目的，有两种方法：①模糊度函数法 ②最小二乘搜索法，2.数据传输（RTCM协议和VHF电磁波！！） 误差的分类：1.与卫星有关的误差。1）卫星星历误差2）SA政策3）卫星钟误差4）卫星天线相位中心偏差5）相对论效应2.与信号传播有关的误差1）电离层折射2）对流层折射3）多路径误差3.与接收机有关的误差1）接收机的钟误差2）接收机的位置误差3）天线相位中心误差

改善接收机天线：1.在天线下设置抑径板2.接收机天线对极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用

技术设计书的编写：1任务来源及工作量2测区概概况3布网方案4选点与埋标5外业观测6精度和可靠性估算7数据处理8完成任务的措施 观测时段：测站上开始接收卫星信号从进行观测到观测停止，所连续观测的时间间隔

同步观测：两台或两台以上接收机同时对卫星进行的连续观测

基线向量：对两接收机的观测数据进行解算所得到的相应两测站的三位坐标差 同步基线：采用相同的处理模型和处理方案，用相同的基线解算软件对两台或多台接收机的同步观测数据进行解算所获得的基线向量

同步环：由三条或三条以上的同步基线构成的多边形闭合环路 异步环：含有异步基线的多边形闭合环路

独立环：由独立观测获得的基线向量所构成的多边形环路

GPS数据处理具有的特点：1数据量大2处理过程复杂3处理方法形式多4自动化程度高

预处理的目的：1对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，删除无效无用数据；2统一数据文件格式，将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标注化文件；3gps卫星的轨道方程的标准化，一般用一多项式拟合观测时段内的星历数据；4诊断整周跳变点，发现并恢复整周跳变，使观测值进行各种模型改正，最常见的是大气折射模型改正。

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