GPS测量原理与应用复*要点

发布于:2021-09-13 12:01:25

GPS 测量原理与应用
第一章 1.GPS 系统组成 ①空间部分——GPS 卫星星座 由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座,记作(21+3)GPS 星座。24 颗在轨卫星均匀分布在 6 个轨道*面内,轨道倾角为 55°,各个轨道*面之间相距 60°。 在地球表面上任何地点任何时刻,在高度角 15°以上,*均可同时观测到 6 颗卫星,最多 可达 9 颗卫星。 GPS 卫星的作用:a、接受地面注入站发送的导航电文 b、接受地面主控站命令,适时改正运行偏差或启用备用时钟等 c、 连续地向用户发送 GPS 卫星导航定位系统, 并用电文的形式提供 卫星的现势位置与其他在轨卫星的概略位置。 d、GPS 卫星关键在于卫星的寿命要长,时间精度要高。 ②地面控制系统——地面监控系统 1 个主控站(美国科罗拉多)3 个注入站(阿森松岛,迪哥加西亚岛,卡瓦加兰)5 个 监控站(1+3+夏威夷) 地面监控系统的作用:a、提供每颗 GPS 卫星所播发的星历 b、 监测和控制卫星上各种设备是否正常工作, 以及卫星是否一 直沿着预定轨道运行 c、保持各种卫星处于同一时间标准——GPS 时间系统。 ③用户设备系统——GPS 信号接收机 接收机的任务: 接受 GPS 卫星发射的信号, 以及获得必要的导航和定位信息及观测量, 并经数据处理而完成导航和定位工作。 2.全球导航卫星系统 GNSS 美国 GPS 系统,俄罗斯 GLONASS 系统,欧盟伽利略 GALILEO 系统,中国北斗二号卫星导 航地位系统,日本 MSAS 系统 3.我国北斗二号卫星导航地位系统与其他定位系统的主要区别: 它不仅能使用户测定自己的点位坐标,而且还可以告诉别人自己处在什么点位。 4.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可提供三位坐标 ⑤操作简便 ⑥全天候作业 ⑦功能多,应用广 5.GPS 系统的应用前景 ①用于建立高精度的国家性大地测量控制网,测定全球性的地球动态参数 ②用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘 ③用于监测地球板块运动状态和地壳形变 ④用于工程测量,成为建立城市与工程控制网的主要手段 ⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置 第二章

1.完全定义一个空间直角坐标系必须明确:①坐标原点位置 ②三个坐标轴的指向 ③长度单位 2.参心坐标系和质心坐标系的定义: 参心是椭球的几何中心,质心是椭球的质量中心 3.WGS—84 坐标系的定义 原点位于地球质心,Z 轴指向 BIH1984.0 定义的协议地球极(CIP)方向,X 轴指向 BIH1984.0 的零子午面和 CIP 赤道的交点,Y 轴与 Z,X 轴构成右手坐标系。 4.我国目前常用的两个国家大地坐标系统 ①1954 年北京坐标系(参心坐标系) ②1980 年国家大地坐标系(参心坐标系,大地原点设在我国西部—陕西省泾阳县永乐 镇) 5.两个不同坐标系之间的坐标转换方法 需要求出坐标系统之间的转换参数, 转换参数一般式利用重合点的两套坐标值通过一定 的数学模型进行计算,当重合点数为三个以上时,可以用布尔萨七参数法进行转换。 6.GPS 时间系统如何定义? 采用原子时 ATI 秒长作为时间基准,时间起算的原点定在 1980 年 1 月 6 日 UTC 0 时。 第三章 1.二体问题:忽略所有的摄动力,仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动,在天 体力学中,称之为二体问题。 2.卫星的无摄运动(二体运动) : 只考虑地球质心引力作用的卫星运动。 3.开普勒轨道参数(轨道根数)有几个,各代表什麽含义? ①长半径 a ②扁心率 e(或短半径 b) ③真*点角 V(在轨道*面上卫星与*地点之间的地心角距) ④升交点半径 Ω(在赤道面上,升交点 N 与春分点 γ 之间的地心夹角) ⑤轨道面倾角 ?(卫星轨道*面与地球赤道面之间的夹角) ⑥*地点角距 ω(在轨道*面上*地点 A 与升交点 N 之间的地心角距) 注:确定椭圆的形状和大小需要两个参数①② 确定卫星在轨道上的位置需要一个参数③ ④⑤两个参数唯一确定了卫星轨道*面与地球体之间的相对定向 ⑥表达了开普勒椭圆在轨道*面上的定向 4.卫星的受摄运动 在摄动力的作用下, 卫星的运动将偏离二体问题的运动轨道, 通常称考虑了摄动力作用 的卫星运动为卫星的受摄运动。 5.卫星星历及其作用? 卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。 有了卫星星历就可以计算出任意 时刻的卫星位置及其速度。 6.GPS 卫星星历的分类: ①预报星历(广播星历) 通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数 ②后处理星历 是一些国家某些部门,根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对 GPS 卫星的精密观测资

料, 应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。 它可以向用户提供在用户观测时间 内的卫星星历,避免了星历外推的误差。 第四章 1.导航电文(卫星电文、数据码/D 码) : GPS 卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。 主要包括:卫星星历,时钟改正,电离层时延延正,工作状态信息以及 C/A 码转换到捕 获 P 码的信息。 卫星星历每小时更新一次,12.5min 播完一次。 2.描述卫星的运行需要几大类参数? ①开普勒六参数②轨道摄动九参数③时间二参数 3.GPS 卫星信号 是 GPS 卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波,它包含有:载波,测距码,数据码 4.GPS 使用 L1,L2 两种载波的目的: L1 波长 19.032cm,L2 波长 24.42cm 目的在于测量出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。 5.C/A 码和 P 码的含义? C/A 码是用于粗测距和捕获 GPS 卫星信号的伪随机码。 P 码是卫星的精测码。 6.GPS 接收机的分类: ①按用途:导航型、测地型、授时型接收机 ②按载波频率:单频和双频接收机 ③按通道数:多通道、序贯通道、多路多用通道接收机 ④按工作原理:码相关型、*方型、混合型、干涉型接收机 7.GPS 接收机的组成: 由 GPS 接收机天线单元,GPS 接收机天线主机单元和电源三部分组成。 前置放大器是将 GPS 信号电流放大。 第五章 1.GPS 定位原理: 设在时刻 t 在测站点 P 用 GPS 接收机同时测得 P 点至三颗卫星 S1,S2,S3 的距离 ρ1, ρ2,ρ3,通过 GPS 电文解译出该时刻三颗 GPS 卫星的三维坐标分别为(xi,yi,zi) ,i=1, 2,3。用距离交会法解算出 P 点的三维坐标(X,Y,Z)的观测方程为:

2.伪距的定义? ①伪距就是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出的量 测距离。 ②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的延迟, 实测出的 距离与几何距离有一定差值,因此成为伪距。 伪距法距离测量的原理: GPS 卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码, 该测距码经过 T 时间的传播后到达接

收机。 接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码—复制码, 并通过时延器 使其延迟时间 t 将这两组测距码进行相关处理,若自相关系数 R(t)≠1,则继续调整延迟 时间 t 直至自相关系数 R(t)=1 为止。 3.载波相位测量原理 载波相位测量的观测值是 GPS 接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的 相位数。 4.载波相位测量中如何确定整周未知数 N ? ①伪距法 ②将整周未知数当作*差中的待定参数—经典方法 ③多普勒法(三差法) ④快速确定整周未知数 5.整周跳变: 在跟踪过程中,由于某种原因造成卫星信号所锁,计数器无法连续计数。当信号重新 被跟踪后,整周计数就不正确,但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的,这种现象成为 整周跳变。 5.GPS 绝对定位(单点定位) : 利用 GPS 卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在 WGS—84 坐标 系中相对于坐标原点—地球质心的绝对位置。 ①静态绝对定位: 接收机天线处于静止状态下,确定观测站坐标的方法。 ②动态绝对定位: 接收机天线处于运动状态(或静止时间较短) 注:空间位置精度因子 PDOP<6 是最好的状态,<8 凑合。 6.GPS 相对定位 是至少两台 GPS 接收机, 同步观测相同的 GPS 卫星, 确定两台接收机天线之间的相对位 置(坐标差) 。 7.差分 GPS 定位技术 是将一台 GPS 接收机安置在基准站上进行观测。 根据基准站已知精密坐标, 计算出基准 站到卫星的距离改正数,并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行 GPS 观测的同时,也接收到基准站的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。 包括:基准站、卫星和接收机三部分 9.差分 GPS 可分为单基准站差分、多基准站局域差分和广域差分。 10.多基准站 RTK 技术 也叫网络 RTK,是对普通 RTK 方法的改进。它是一种基于多基准站网络的实时差分定位 系统,可克服常规 RTK 的缺陷,实现长距离(70-100km)RTK 定位。 第六章 1.GPS 用于测速、测时、测姿态 确定运动载体的实时位置,瞬时速度,精确地时间,姿态等 第七章 1.GPS 误差来源: ①卫星部分:a、星历误差 b、钟误差 c、相对论效应 ②信号部分: a、电离层 b、对流层 c、多路径效应

③接收部分: a、钟的误差 b、位置误差 c、天线相位中心的变化 2.减弱电离层影响的措施: 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 3.减弱对流层折射改正残差影响的主要措施: ①利用对流层改正模型加以修正 ②引用描述对流层影响的附加代估参数 ③利用同步观测值求差 ④利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响 4.消弱多路径误差的方法: ①选择合适的站址 远离大面积*静的水面、高层建筑物,不宜选在山坡、山谷和盆地中 ②对接收机天线的要求 在天线中设置抑径板,接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用 5.解决星历误差的方法: 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 第八章 1.GPS 网图形构成的几个基本概念: ①观测时段:测站上开始接收卫星信号到观测停止,连续观测的时段,简称时段。 ②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。 ③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所构成的闭合环, 简称同 步环。 ④独立同步环:由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环,简称独立环。 ⑤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。 ⑥独立基线:对于 N 台 GPS 接收机构成的同步观测环,有 J 条同步观测基线,其中独立基 线数为 N-1. 2.GPS 网的图形布设: ①点连式 ②边连式 ③网连式 ④边点混合连接式 ⑤三角锁(多边形)连接 ⑥导线网形连 接(环形图) ⑦星形布设 3.GPS 测量外业准备: 测区踏勘,资料收集,仪器筹备,观测计划拟定,GPS 仪器检校及设计书编写等工作。 拟定观测计划的主要依据:①GPS 网的规模大小 ②点位精度要求 ③GPS 卫星星座几何图形强度 ④参加作业的接收机数量 ⑤交通、通信及后勤保障 4.GPS 测量的外业实施: 包括:选埋、观测、数据传输及数据处理等工作 A.选点:①点位应设在易于安装接收机设备、视野开阔的较高点上

②点位目标要显著,视场周围 15°以上不应有* ③点位应远离高压电线 ④点位附*不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体, 以减弱 多路径效应的影响 ⑤点位应选在交通方便,有利于其他观测手段扩展与联测的地方 ⑥地基稳定,易于点的保存 B.标志埋设 C.观测工作:①观测工作主要依据的技术指标 ②天线安装 ③开机观测 ④观测记录 5.经典静态定位模式: ①作业方法: 采用两台 (或两台以上) 接受设备, 分别安置在一条或数条基线的两个端点, 同时观测四颗以上卫星,每时段长 45min 至 2h 或更多。 ②精度:5mm+1*(0.0000001)*D ,D 为基线长度(km). 6.快速静态定位: ①作业方法:在测区选择一个基准站,并安置一台接收设备连续跟踪所有可见卫星,另一 台接收机依次到各点流动设站,每点观测数分钟。 7.准动态定位(实时相对定位) : ①作业方法:在测区选择一个基准站,安置接收设备连续跟踪所有可见卫星,将另一台流 动接收机先置于 1 号站观测数分钟, 在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下, 将流动 接收机分别在 2、3、4……各点观测数秒钟。 ②注意事项: 应确保在观测时段上有 5 颗以上卫星可供观测; 流动站与基准站距离不超过 20km;观测过程中流动接收机不能失锁,否则应在失锁的流动站上延长观测时间 1~2min。 第九章 1.数据处理的基本流程: 数据采集→数据传输→预处理→基线解算→GPS 网*差 2.GPS 基线向量网*差的分类: ①经典的自由网*差,又叫无约束*差 ②非自由网*差,又叫约束*差 ③GPS 网与地面网联合*差 3.GPS 高程: 由 GPS 相对定位得到的三线基线向量,通过 GPS 网*差,可以得到高精度的大地高。 第十章 GPS—RTK 施工方样


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