GPS测量原理与应用

以下内容为本人本科期间整理，最终成绩 97′97^′97′，现分享出来，祝大家都能取得一个满意的成绩！

文章目录

名词解释
第一章绪论
第二章坐标系统和时间系统
第三章卫星运动基础及GPS卫星星历
第四章 GPS卫星信号和导航电文
第五章 GPS卫星定位基本原理
第七章 GPS测量的误差来源及其影响
第八章 GPS测量的设计与实施
第九章 GPS测量数据处理

名词解释

春分点： 当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时,黄道与天球赤道的交点（从北向南的交点为秋分点) 。
真近点角： 卫星与近地点所对应地心夹角,是时间的函数。
升交点赤经： 升交点与春分点所对应的地心夹角称升交点赤经。
近地点角距： 在轨道平面上近地点与升交点所对应的地心夹角。
卫星无摄运动： 假设地球为匀质球体，其质量集中于球体的中心，这时由地球引力所决定的卫星运动，称为无摄运动。
卫星受摄运动： 考虑了摄动力作用的卫星运动成称为卫星的受摄运动。
卫星星历： 描述卫星运行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： 由接受导航电文获得的卫星星历,也称作预报星历。
精密星历： 是一些国家某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料计算的卫星星历, 又称后处理星历。
导航电文： 是利用GPS进行定位和导航的数据基础,包含卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码信息等。
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到的站星距离。
伪距测量： 通过测定测距码得到站星距离的方法。
绝对定位： 又称单点定位，确定待定点在WGS-84坐标系中的绝对位置。
相对定位： 定位时，采用2台或2台以上接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定接收机天线之间的相对位置。
静态定位： 接收机天线处于静止状态下,确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位。
动态定位： 接收机天线处于运动状态下,确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位。
整周跳变： 如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如信号被阻挡暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁。这样，计数器计数不连续。因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但不到一个整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。
基线： 两测量点之间的连线，在此2点上同步接收相同的GPS卫星信号，并采集其观测数据。
观测时段： 测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段。
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： 三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量构成的闭合环，简称同步环。
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，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。
独立观测环： 由独立观测（非同步观测）获得的基线向量构成的闭合环。
相对论效应： 由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。
多路径误差： 由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
子午卫星导航系统： GPS前身

第一章绪论

1、四大全球卫星导航系统
中国的BDS（北斗），美国的GPS，俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯），欧洲的Galileo（伽利略）

2、GPS基本参数 P2
卫星颗数21+3（都是MEO<中高轨道卫星>，3颗是备用卫星），6个轨道面，卫星高度20200Km,轨道倾角55°，运行周期11 h 58 min

3、BDS基本参数
卫星颗数5（地球静止轨道-GEO）＋27（中高轨道卫星-MEO）＋3（倾斜轨道卫星-IGSO，8字形） 3轨道
4、四大系统参数表 P12

5、GPS系统三大部分 P13
空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机

6、GPS系统各部分的作用

GPS卫星的作用：P13
1）向用户发送导航定位信号；
2）接收由地面注入站发送到卫星的导航电文和其他有关信息；
3）接收主控站的调度命令，改正运行偏差或启用备用钟等。
地面监控系统组成及作用：P14
组成：包括1个主控站，3个注入站，5个监测站
主控站的作用：收集数据，处理数据，编制导航电文，监测调度，控制卫星；
注入站的作用：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器
监测站的作用：为主控站提供卫星的观测数据。
GPS信号接收机的作用：捕捉卫星信号，达到定位和导航的目的。

7、GPS系统的特点
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。

8、卫星信号→监测站→主控站产生导航电文→注入站→卫星

第二章坐标系统和时间系统

1、根据坐标轴指向的不同分为两类坐标系

天球坐标系
天球坐标系与地球自转无关，便于描述人造地球卫星的位置。
地球坐标系
地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标系，便于描述地面观测站的空间位置；

2、春分点： 当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点（从北向南的交点为秋分点）。

3、岁差： 回归年与恒星年的时间差。（长期）章动：月球引力导致地球在公转轨道上左右摆动。（短期）

4、极移： 地球瞬时自转轴在地球上随时间而变。

5、GPS单点定位的坐标以及相对定位中解算的基线向量属于WGS-84大地坐标系。

WGS-84大地坐标系（三维）的几何定义是：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。
1954年北京坐标系：采用克拉索夫斯基椭球元素，原点在普尔科沃；
1980国家大地坐标系，原点在陕西省泾阳县永乐镇。

6、时间系统与坐标系统一样，应有其尺度（时间单位）与原点（历元）。只有把尺度与原点结合起来，才能给出时刻的概念

7、卫星测量常用坐标系

瞬时极天球坐标系
瞬时极地球坐标系
固定极天球坐标系（平天球坐标系）
固定极地球坐标系（平地球坐标系）

8、坐标系按原点不同分为：

参心坐标系（以参考椭球中心为原点）：1954年北京坐标系，1980年国家大地坐标系
质心坐标系（以地球质心为原点）：WGS-84坐标系（GPS用），CGCS2000坐标系（北斗用），PZ-90坐标系（GLONASS用）

❀ 高斯平面直角坐标系是二维（x,y）平面坐标系，其他坐标系均为三维
❀ 两个二维坐标系转换，有4个参数，至少需要两个点（列4个方程）
❀ 两个三维坐标系转换，布尔莎七参数，至少需要3个起算点（可列9个方程）

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历

1、GPS卫星运动所受的摄动力有哪些？ P39
地球引力、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等。地球引力是主要的。
❀ 二体问题： 仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动 P39

2、考虑了摄动力作用的卫星运动为卫星的受摄运动。只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动。P39

3、无摄运动（即卫星理想状态）遵循开普勒三大天体运行规律：
1）卫星运动的轨道是一个椭圆，地球位于其一个焦点上
2）卫星地心向径r在相同的时间内所扫过的面积相等
3）卫星运动周期T的平方与轨道长半轴a的三次方之比为一常量，即K=T²/a³

4、开普勒轨道6参数是什么？各参数的作用？ P40
①椭圆长半轴a及其偏心率e：确定轨道椭圆的形状和大小；
②真近角点V：确定卫星在轨道上的瞬时位置；
③升交点的赤径Ω以及轨道面倾角i：唯一确定卫星轨道平面与地球体之间的相对定向；
④近地点角距ω：表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。

5、什么是GPS卫星星历？分类？ P47
卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，分为预报星历（也叫广播星历）和后处理星历（也叫精密星历）
❀广播星历和后处理星历的区别
广播星历：实时性，精度较低
后处理星历：不具实时性，精度高
❀GPS广播星历参数共有17个，其中2个参考时刻，6个对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。

6、名词解释

真近点角
升交点赤经
近地点角距
卫星的无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动
卫星的受摄运动：考虑了摄动力作用的卫星运动为卫星的受摄运动
卫星星历：卫星星历是描述卫星运动轨道的信息
广播星历：由接受导航电文获得的卫星星历,也称作预报星历。
后处理星历：是一些国家某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料计算的卫星星历, 又称后处理星历。

第四章 GPS卫星信号和导航电文

1、GPS卫星信号的内容及其作用 P51

内容：载波、测距码（又称P码（精码）和C/A码（粗码））和数据码（又导航电文或D码）
作用：
载波：加载和传送码信号，其本身也是重要的测量对象。
测距码：测定站星距离。
数据码：确定卫星的瞬时位置。
❀时钟基本频率为f0=10.23MHz。
L1载波：fL1=154f0=1575.42MHz，波长λ1=19.032cm；
L2载波：fL2=120f0=1227.6MHz，波长λ2=24.42cm； λf=c（3108m/s）
新增L5载波：fL5=115f0=1176.45MHz，波长λ5=25.48cm。
补：选择L1、L2载波，目的在于测量出或消除电离层延迟误差。
❀λ越小，测距精度越高

2、简述C/A码和P码各自特点？

C/A码码长很短，码元宽度较大，易于捕获。
P码码长较长，码元宽度较小，不易捕获。

3、GPS接收机由哪几个单元组成的？（P69）
GPS接收机一般由天线单元、接收单元（主机）和电源组成。

4、名词解释

调制信号：在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。（去掉调制信号的过程称为解调） P51
载波：加载和传送码信号，其本身也是重要的测量对象。
导航电文：是用户用户用来定位和导航的数据基础

5、m序列的特性
①均衡性②游程分布③移位相加特性④自相关

6、接收机分类：

7、导航电文的基本构成，其内容有哪些
导航电文是用户用户用来定位和导航的数据基础，他主要包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。

8、伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值为0和1的离散符号串。

第五章 GPS卫星定位基本原理

1、试述GPS测距和单点定位原理？写出方程式。

GPS测距基本原理：
测得卫星信号到达接收机的时间差(ΔtΔtΔt)，求出站星之间的距离ρ’=c⋅△tρ’=c·△tρ’=c⋅△t （式中，c为电磁波传播速度）则
ρ=c⋅△t+c(Vti−VT)ρ=c·△t+c(V_{ti}-V_T)ρ=c⋅△t+c(Vti−VT)
VtiV_{ti}Vti:卫星钟差，随导航电文得到。
VTV_TVT：接收机钟改正数，作为未知变量，定位时一并求解。
单点定位原理：将卫星的瞬时空间位置作为已知点，采用空间后方距离交会，得到待定点的空间位置。ρi2=(XP−Xi)2+(YP−Yi)2+(ZP−Zi)2，i＝1,2,3,4ρi^2=(X_P-X_i)^2+(Y_P-Y_i)^2+(Z_P-Z_i)^2，i＝1,2,3,4ρi2=(XP−Xi)2+(YP−Yi)2+(ZP−Zi)2，i＝1,2,3,4, 即
ρ12=（XP−X1)2+（YP−Y1)2+（ZP−Z1)2ρ_1^2=（X_P-X_1)^2+（Y_P-Y_1)^2+（Z_P-Z_1)^2 ρ12=（XP−X1)2+（YP−Y1)2+（ZP−Z1)2
ρ22=（XP−X2)2+（YP−Y2)2+（ZP−Z2)2ρ_2^2=（X_P-X_2)^2 +（Y_P-Y_2)^2+（Z_P-Z_2)^2ρ22=（XP−X2)2+（YP−Y2)2+（ZP−Z2)2
ρ32=（XP−X3)2+（YP−Y3)2+（ZP−Z3)2ρ_3^2=（X_P-X_3)^2+（Y_P-Y_3)^2+（Z_P-Z_3)^2ρ32=（XP−X3)2+（YP−Y3)2+（ZP−Z3)2
ρ42=（XP−X4)2+（YP−Y4)2+（ZP−Z4)2ρ_4^2=（X_P-X_4)^2+（Y_P-Y_4)^2+（Z_P-Z_4)^2 ρ42=（XP−X4)2+（YP−Y4)2+（ZP−Z4)2

坐标分别为待定点和卫星的地固空间直角坐标

2、按不同分类标准GPS定位可分为哪些？（P59）

3、GPS在导航和经典相对静态定位中测距方法分别是什么？
单点动态定位，采用伪距法测定站星距离，能实时地测得运动载体的位置和状态参数，是导航中应用的基本模式。
相对静态定位，采用载波相位法测定站星距离，得到两台接收机之间的相对位置，是当前精度最高的方法，是测绘中应用的基本模式。

4、主动式测距和被动式测距的优缺点
❀按是否发射电波分为主动式测距和被动式测距
主动式：如电磁波测距
优点：不要求仪器钟必须和某一时间系统保持一致
缺点：用户主动发射信号难以隐蔽自己。
被动式：如GPS测距
优点：不发射信号，只接收信号，可以隐蔽自己
缺点：要求接收机钟和卫星钟都要和GPS时间系统保持一致。

5、简述多普勒三次差分法中的一次差分在哪些观测值间求差？消除或减弱了哪些误差的影响？
（1）①在卫星间求差分(星际差分)；
②在观测站间求差分（站际差分）；
③在历元间求差分（历元差分）。
（2）①星际一次差分：消除了接收机钟差，也削弱电离层、对流层误差影响。
②站际一次差分：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N0

6、重建载波的两种方法？优缺点？
1）码相关法：可同时提取测距信号和导航电文，但必须知道测距码结构
2）平方法：无需知道测距码结构，但只能获得载波信号而无法获得测距码和导航电文

7、图形强度因子可分为哪几类？图形强度误差与何有关？并说明其关系。（P69）

（1）与所测卫星的几何分布图形有关，GDOP与体积V成反比。
（2）高度截止角越小，图形强度因子越小，但传播误差增大，对等效距离影响变大

8、GPS测距的两种方式
伪距法测量和载波相位测量

9、差分GPS可分为单基准站差分、局部区域差分和广域差分

10、名词解释
①伪距：由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离ρ’与卫星到接收机的几何距离ρ有一定的差值，该差值称为伪距。
②伪距测量：通过测定测距码得到站星距离的方法。
③绝对定位：又称单点定位，确定待定点在WGS-84坐标系中的绝对位置。
④相对定位：至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定接收机天线之间的相对位置
⑤静态定位：接收机天线处于静止状态下,确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位。
⑥动态定位：接收机天线处于运动状态下,确定观测站坐标的方法称为静态绝对定位。
⑦整周跳变：如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如信号被阻挡暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁。这样，计数器计数不连续。因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但不到一个整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。

❀GPS定位主要有绝对定位、相对定位和差分GPS定位等。
❀载波上调制了测距码和导航电文，
❀差分的目的：消除误差，提高定位精度
❀载波相位差分技术又称RTK技术

第七章 GPS测量的误差来源及其影响

1、GPS测量误差按来源可分为哪几类？

2、GPS测量误差按性质可分为哪几类？
系统误差：卫星轨道误差；卫星钟差；接收机钟差；大气层延迟（包括对流层折射和电离层折射）
偶然误差：多路径效应引起的误差；观测误差

3、GPS消除误差的措施
1）电离层折射：①双频观测②相对定位③利用改正模型④选择有利的观测时间
2）对流层折射：①模型改正②相对定位
3）多路径误差：①选择合适的站址（远离大面积平静水面；不宜选在山坡山谷盆地；远离高层建筑）②设置适宜的高度截止角③对天线设置抑径板④适当延长观测时间
4）卫星星历误差：①建立卫星跟踪网独立定轨②相对定位
5）卫星钟误差：①导航电文给出参数改正②相对定位
6）相对论效应：在制造卫星钟是预先把频率降低0.0045Hz
6）接收机钟误差：①独立未知数法 ②相对定位
7）天线相位中心位置误差：相对定位

4、名词解释

电离层折射误差：当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，由此引起的距离误差称为电离层折射误差。
对流层折射误差：当GPS信号通过电对流层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，由此引起的距离误差称为对流层折射误差。
卫星星历误差：由星历所给出的卫星空间位置与实际位置之差称为卫星星历误差
相对论效应：由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。
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被称作多路径效应。

❀载波相位观测值以相速在电离层中传播，调制码以群速在电离层中传播

第八章 GPS测量的设计与实施

1、GPS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：方位基准：一般以给定的起算方位角值确定(如2个起算点);
尺度基准：一般由电磁波测距边确定也可由起算点间的距离确定;
位置基准：一般都是由给定的起算点坐标确定。
问题：
①起算点个数和精度要求：起算点个数一般要求3个，且使新建GPS网不受起算点精度较低的影响。
②起算点边长：起算点间要适当地构成长边图形。
③GPS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：参考椭球；中央子午线经度；坐标加常数;坐标系投影面高程及测区平均高程异常值；起算点的坐标值等。

2、GPS网形设计原则是什么？
（1）便于常规测量应用：GPS网点间虽不要求相互通视，但要考虑到常规测量应用，因此一般要求每个点应有一个联测通视方向。
（2）坐标系统一致性：充分利用测区原有控制点，使新建的坐标系统与原有坐标系统保持一致。
（3）构成闭合环路：由非同步观测边构成闭合或附和线路。

3、同步环数： T=（N-1）（N-2）/2 N代表接收机数

4、同步观测中总基线数、独立基线数、必要基线数的计算公式？（P118）
J总=CN(N-1)/2 J独=C*(N-1) J必=n-1
C为观测时段数；n为网点数；m为每点设站次数；N为接收机数

5、同步网间的连接方式有哪些？各自的特点及适应的情况？

6、C002|163|1|STH 点号（必须四位）|年积日（一年第163天）|时段数|

7、实时动态RTK测量的基本思想是什么？
在基准站上安置一台GPS接收机，（1）对所有可见GPS卫星进行连续的观测。（2）并将其观测数据实时的发送给用户观测站。在用户站（移动站）上，GPS接收机（1）接收GPS卫星信号。（2）接受基准站传输的观测数据，实时计算并显示用户站的三维坐标及其精度。

8、GPS控制点的选点原则？
（1）点位应远离大功率的无线电发射台和高压输电线避免其磁场对卫星信号的干扰。其距离前者应大于200m，后者应大于50m；
（2）点位附近不应有大面积水域，或对电磁波反射强烈的物体以减弱多路径效应的影响；
（3）点位应设在便于安置接收设备且视场开阔的地方，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且有利于常规测量应用的地方。

❀实时动态（RTK）测量技术，是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS测量技术
❀RTK作业模式：1）快速静态测量2）准动态测量3）动态测量

第九章 GPS测量数据处理

1、GPS数据处理的目的：
将野外采集的原始GPS数据，以最佳的方法进行平差，归算到参考椭球面上，并投影到所采用的平面（例如高斯平面），最终得到点所在坐标系的准确位置。

2、GPS数据处理的特点：
①数据量大：②处理过程复杂：③数学模型多样：④自动化程度高

3、数据处理过程：
1）新建项目： 2）增加观测数据文件： 3）基线解算： 4）数据录入；5）平差处理：
6）成果输出：

水平有限，如发现错误，请雅正！

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GPS测量原理与应用_第四版_徐绍铨_武汉大学出版社_考试复习资料

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名词解释

第一章绪论

第二章坐标系统和时间系统

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历

第四章 GPS卫星信号和导航电文

第五章 GPS卫星定位基本原理

第七章 GPS测量的误差来源及其影响

第八章 GPS测量的设计与实施

第九章 GPS测量数据处理

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