GNSS《GPS测量原理及应用》复习题集

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第一章绪论

1.简述全球定位系统的组成部分及各部分的作用？

2.简述全球定位系统的特点？

(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能：（6）抗干扰性能好、保密性强

3.简述双星导航定位系统的定位原理？

4.简述全球定位系统的国民经济建设中的应用及发展情况？

应用：

陆地应用：主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；
海洋应用：括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；
航空航天应用：括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

发展情况：

自80年代末我国引进GPS接收机以来，在理论研究、应用技术开发、接收机制造等方面不断取得发展。在“九五”期间，以GPS技术应用为代表的民用卫星导航、定位技术日趋成熟，已在各行业得到广泛应用，极大地提高了传统生产作业的效率与精度，解放了高强度的体力劳动。我国自主的导航定位系统整体方案已付诸实施，与国际先进系统相近的自主系统在理论、整体方案设计、关键技术上也有了长足的发展。

俄罗斯的GLONASS系统的运行和欧洲伽利略计划的开展实施，已引起我国有关主管部门与应用部门的关注，并开始筹划建设广域增强系统，跟踪研究双模式星座应用中的参考框架、不同类型的数据处理分析及兼容机的研制等问题。

5.目前GNSS系统包括哪些,比较这些系统的基本性能？

目前全球技术成熟的导航系统有GPS,伽俐略，格洛纳斯，北斗二代。其中美国的gps占主要市场，北斗二代系统后起之秀，发展迅猛，在亚太地区发展迅猛，其余两个系统由于资金投入不足，卫星更新慢，市场逐渐在萎缩。

6.GPS、GIS、RS、BDS、GLONASS、GALILEO、WAAS、EGNOS、CORS、IGS、LEO、MEO、GEO、IGSO中英文全称。

GPS:全球卫星定位系统(Global Positioning System)
GIS:地理信息系统(Geographic Information System)
RS:遥感(Remote Sensing)
BDS:北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System)
GLONASS:格洛纳斯卫星导航系统(GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)
WAAS:广域增强系统(Wide Area Augmentation System)
EGNOS:欧洲地球静止导航重叠服务(European Geostationary Navigation Overlay Service)
CORS:连续运行（卫星定位服务）参考站(Continuously Operating Reference Stations)
IGS:地质科学研究所(institute of geological science)
LEO:宇航近地轨道(low earth orbit)
MEO:中轨道地球(Medium Earth Orbit);中轨道地球卫星(Medium orbit earth satellite)
GEO:地球同步轨道(Geosynchronous Orbit);地球同步轨道卫星(Geostationary orbit satellite)
IGSO:倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit)

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第二章坐标系统和时间系统

1.名词解释：天球坐标系地球坐标系大地坐标系站心坐标系岁差章动 WGS-84大地坐标系 CGCS2000坐标系恒星时协调世界时 GPST时间系统

2.简述卫星测量中常用的坐标系以及它们之间的转换关系？

3.简述不同空间直角坐标系统之间的转换原理及方法(七参转换模型)？

进行两个不同空间直角坐标系统之间的坐标转换，需要求出坐标系统之间的转换参数。

4.GPS定位系统中涉及到那些时间概念,儒略日和GPST之间的换算？(年积日、GPS周、儒略日和GPST）

年积日：年积日是仅在一年中使用的连续计算日期的方法，是从当年1月1日起开始计算的天数。例如：每年的1月1日为第1日，2月1日为第32日，以此类推。平年的12月31日为第365日，闰年的12月31日为第366日。用它可以简便地求出一年内两个时刻间的时间间隔。通常在GPS测量中会用到此概念。
GPS周：GPS周（GPS Week）是GPS系统内部所采用的时间系统。时间零点定义的为：1980年1月5日夜晚与1980年1月6日凌晨之间0点。最大时间单位是周（一周：604800秒）。每1024周（即7168天）为一循环周期。第一个GPS周循环点为1999年8月22日0时0分0秒。即从这一刻起，周数重新从0开始算起。星期记数规则是：Sunday为0，Monday为1，以此类推，依次记作0~6，GPS周记数（GPS Week Number）为“GPS周星期记数”。
表示方法：从1980年1月6日0时开始起算的周数加上周内时间的秒数（从每周周六/周日之夜开始起算的秒数，例如：1980年1月6日0时0分0秒的GPS周：第0周，第0秒。
儒略日：儒略日（Julian Day）是在儒略周期内以连续的日数计算时间的计时法，主要是天文学家在使用。
- 儒略日数（Julian Day Number，JDN）的计算是从格林威治标准时间的中午开始，包含一个整天的时间，起点的时间（0日）回溯至儒略历的公元前4713年1月1日中午12点（在格里历是公元前4714年11月24日），这个日期是三种多年周期的共同起点，且是历史上最接近现代的一个起点。例如，2000年1月1日的UT12:00是儒略日2,451,545。
- 儒略日期（Julian date，JD）是以格林威治标准时中午12:00的儒略日加上那一天的瞬时时间的分数。儒略日期是儒略日添加小数部分所表示的儒略日数。例如，2013年1月1日00:30:00（UT）是儒略日期2,456,293.520833。
- 儒略周期（Julian Period）是开始于公元前4713年，长达7980年的纪年法，被用于历史上各种不同历法的日期转换。公元2018年是儒略周期的6731年，下一个儒略周期将开始于公元3268年。
GPST：GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布。
GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是1997.0。
儒略日和GPST之间的换算：

5.协议天球坐标系与协议地球坐标系之间的转换，需要经过哪些转换过程？

由于惯性系与地球自转无关，而地球坐标系与地球固联，它们的相互关系是时刻变化的，或者说它们的转换关系是时间的函数。假设(x, y ,z)CIS 、(x, y, z)Mt、(x, y ,z)ICS、(x, y, z)ITS 和 (x, y, z)CTS 分别表示卫星在J2000.0 协议天球坐标系、观测历元t 的瞬时平天球坐标系、观测历元t 的瞬时天球坐标系、观测历元t 的瞬时地球坐标系和协议地球坐标系中的坐标。则：

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第三章卫星定轨理论、GPS卫星信号与星历

1.名词解释：卫星的无摄运动卫星的受摄运动卫星历书广播星历精密星历

2.开普勒轨道六参数名称、定义

3.无摄运动和受摄运动的含义

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。

对于卫星精密定位来说，在只考虑地球质心引力情况下计算卫星的运动状态（即研究二体问题）是不能满足精度要求的。必须考虑地球引力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力、潮汐摄动力对卫星运动状态的影响。考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动。

4.了解：计算无摄运动时卫星的真近点角和瞬时位置？

详细计算过程见PPT文件

5.GPS卫星星历的分类和特点（即预报星历和精密星历——定义）

6.区别GPS卫星不同星历得到卫星坐标的方法。

广播星历下卫星位置计算

详细计算过程见PPT
精密星历的插值方法（拉格朗日插值）

详细解释见PPT

7.理解如何计算GPS卫星的坐标？

来源：《GPS测量原理及应用》P40

8.本机格式、RINEX格式和SP3精密星历数据格式

详细内容见PPT

9.述GPS卫星发射的三类信号。

10.GPS 载波信号有哪几种，频率和波长各是多少。

L1
- 频率：1575.43MHz
- 波长：19.03cm
L2
- 频率：1227.60MHZ
- 波长：24.42cm
L5
- 频率：1176.45MHz
- 波长：25.48cm

11.述随机噪声码和伪随机噪声码的性质。

随机噪声码
伪随机噪声码

详细内容见PPT

12.导航电文、卫星星历、用户差分距离误差、等效钟差改正、电离层垂直格网点误差。

导航电文：卫星导航电文是由导航卫星播发给用户的描述导航卫星运行状态参数的电文，包括系统时间、星历、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等内容。导航电文的参数给用户提供了时间信息，利用导航电文参数可以计算用户的位置坐标和速度。
卫星星历：卫星星历，又称为两行轨道数据（TLE，Two-Line Orbital Element），由美国celestrak发明创立，是用于描述太空飞行体位置和速度的表达式———两行式轨道数据系统。

卫星、航天器或飞行体一旦进入太空，即被列入NORAD卫星星历编号目录。列入NORAD卫星星历编号目录的太空飞行体将被终生跟踪。
卫星星历以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系确定飞行体的时间、坐标、方位、速度等各项参数，具有极高的精度。
卫星星历能精确计算、预测、描绘、跟踪卫星、飞行体的时间、位置、速度等运行状态；能表达天体、卫星、航天器、导弹、太空垃圾等飞行体的精确参数；能将飞行体置于三维的空间；用时间立体描绘天体的过去、现在和将来。
卫星星历的时间按世界标准时间（UTC）计算。
卫星星历定时更新。
用户差分距离误差：
等效钟差改正：
电离层垂直格网点误差：

来源：PPT和《GPS测量原理与应用》P43

工作原理：

1.接收机天线

接收机天线部分由天线和前置放大器组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波转化为相应的电流；前置放大器的作用则是将微弱的GPS信号电流进行相应放大。通常对天线部分有如下要求:

(1)天线与前置放大器密封为一体，保障天线部分能够正常工作，减少信号损失。

(2)能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生接收死角。

(3)拥有防护和屏蔽多路径效应的措施。

(4)天线的相位中心可保持高度的稳定，并与其几何中心尽量保持一致。

2.接收机主机

1)变频器

经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。

信号通道：信号通道是GPS接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路，不同类型的接收机其通道是不同的。GPS信号通道具有以下作用:

(1)搜索卫星，牵引并跟踪卫星。

(2)对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文。

(3)进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。

由于接收机接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩、解调才能得到导航电文，因此在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。

2)存储器

接收机内设有存储器或存储卡，以存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前GPS接收机都装有半导体存储器(简称内存)，接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存储器内还装有多种工作软件，如自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件等。

3)微处理器CPU

微处理是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的，其主要工作步骤为如下:

(1)接收机开机后，立即指示各个通道进行自检，实时地在视屏显示窗内展示各自的自检结果，并测定、校正和存储各个通道的时延值。

(2)接收机对卫星进行捕捉跟踪后，根据跟踪环路所输出的数据码，解译出GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算出测站的三维位置，并按照预置的位置数据更新率，不断地更新(计算)点的坐标。

(3)用己测得的点位坐标和GPS卫星历书，计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角，并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况，以便选用"健康”的且分布适宜的定位卫星，达到提高点位精度的目的。

(4)接收用户输入的信号，如测站名、测站号、天线高和气象参数等。

3.电源：

GPS接收机的电源包括内电源和外接电源。内电源采用锂电池，主要用于RAM存储器供电，以防止数据丢失。外接电源一般采用汽车电瓶或者随机配备的专用电源适配器。当用交流电时，要经过稳定电源或专用电流交换器。

综上所述，GPS信号接收机的任务：接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，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卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，基至三维速度和时间。

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第四章 GPS卫星定位基本原理

1.掌握观测量的误差源分类、其基本特性、影响程度及其消除方法。

改正措施：

2.重点掌握对流层折射误差、电离层折射误差、多路径传播效应、卫星钟差、卫星轨道误差（星历误差）影响程度及其削弱方法。

对流层折射误差
- 影响程度：对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度变化密切相关，这也使得对流层折射比电离层折射更复杂。对流层折射的影响与信号的高度角有关，当在天顶方向（高度角为90°），其影响达2.3m；当在地面方向（高度角为10°），其影响可达20m。
- 削弱方法：
电离层折射误差
- 影响程度：所谓电离层，之地球上空距地面高度在50~1000km之间的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时，如同其他电磁波一样,信号的路径会发生夸曲，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离.这种偏差叫电离层折射误差。电离层含有较高密度的电子,它属于弥散性介质,电磁波在这种介质内传播时,其速度与频率有关。
- 削弱方法：（1）利用双频观测；（2）利用电离层改正模型加以修正；（3）利用同步观测值求差
多路径传播效应
- 影响程度：在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称做多路径效应。多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源，将严重损害GPS测量的精度，严重时还将引起信号的失锁。
- 削弱方法：（1）选择合适的站址；（2）对接收机天线有合适的要求
卫星钟差
- 影响程度：卫星钟的钟差包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。在GPS测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机钟保持严格同步。尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟(铷钟和铯钟)，但与理想的GPS时之间仍存在着偏差或漂移。这些偏差的总量均在1ms以内，由此引起的等效距离误差约可达300km。
- 削弱方法：
卫星轨道误差（星历误差）
- 影响程度：由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差。由于卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响,而通过地面监测站又难以充分可靠地测定这些作用力并掌握它们的作用规律,因此在星历预报时会产生较大的误差。在一个观测时间段内星历误差属系统误差特性,是一种起算数据误差。它将严重影响单点定位的精度,也是精密相对定位中的重要误差源。
- 削弱方法：（1）建立自己的卫星跟踪网独立定轨；（2）轨道松弛法；（3）同步观测值求差

详细内容见《GPS测量原理及应用》P87

第五章 GPS卫星定位基本原理

1.名词解释：伪距钟差整周模糊度周跳静态绝对定位静态相对定位载波相位差分基线向量、粗差、常规RTK、网络RTK

2.简述GPS卫星定位的基本原理？

测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。通过接收机时钟得到时间差，从而知道四个信号从卫星到接收机的不准确距离（含同一个误差值，由接收机时钟误差造成），用这四个不准确距离和四个卫星的准确位置构建四个方程，解方程组就得到接收机位置

其他常用的线性组合

来源：PPT1、PPT2

6.简述常规RTK的工作原理及测量过程？

7.简述CORS（网络RTK）的工作原理及其外业实测过程？

原理：基本原理是在一个较大的区域内稀疏地、较均匀地布设多个基准站, 构成一个基准站网, 那么我们就能借鉴广域差分GPS和具有多个基准站的局域差分GPS 中的基本原理和方法来设法消除或削弱各种系统误差的影响, 获得高精度的定位结果。
网络RTK由基准站网、数据处理中心和数据通信线路组成，基准站网实时采集观测数据，并通过数据通信链将数据传送给数据处理中心；数据中心根据流动站的近似坐标判断流动站所在区域，然后将系统误差信息播发给流动站，流动站根据收到的误差信息修正观测数据，从而得到精确的观测数据。
测量过程：（1）架设基准站；（2）连接手簿；（3）新建工程；（4）采集坐标点

8.简述VRS技术的基本原理？

确定测站点；（2）架设仪器；（3）测量读数；（4）记录；（5）测站点检验及校核

7.简述CORS（网络RTK）的工作原理及其外业实测过程？

原理：基本原理是在一个较大的区域内稀疏地、较均匀地布设多个基准站, 构成一个基准站网, 那么我们就能借鉴广域差分GPS和具有多个基准站的局域差分GPS 中的基本原理和方法来设法消除或削弱各种系统误差的影响, 获得高精度的定位结果。
网络RTK由基准站网、数据处理中心和数据通信线路组成，基准站网实时采集观测数据，并通过数据通信链将数据传送给数据处理中心；数据中心根据流动站的近似坐标判断流动站所在区域，然后将系统误差信息播发给流动站，流动站根据收到的误差信息修正观测数据，从而得到精确的观测数据。
测量过程：（1）架设基准站；（2）连接手簿；（3）新建工程；（4）采集坐标点

8.简述VRS技术的基本原理？

工作原理是在某一大区域(或某一城市)内,建立若干个(3个以上)连续运行的GPS基准站;根据这些GPS基准站的观测值(由于GPS基准站有长时间的观测,故点位坐标精度很高),建立区域内GPS 主要误差模型(如电离层、对流层、卫星轨道等误差模型);系统运行时将这些误差从基准站的观测值中除去,形成“无误差”的观测值;一旦接收到移动站( 用户一一单台GPS接收机)的概略坐标，即在移动站附近(几米到几十米)建立起一个虚拟参考站;移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时RTK。

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