GPS原理及其应用
1、名词解释
1、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。 2、卫星星历：是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。
3、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。 4、春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点。
5、升交点赤经：在地球平面上，升交点与春分点之间的地心夹角。
6、近地点角距：在轨道平面上近地点与升交点之间的地心角距。
7、卫星无摄运动：仅考虑地球质心引力作用的卫星运动。
8、广播星历：预报星历，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参数。
9、导航电文：用户用来定位和导航的数据基础，包括卫星星历、时钟改正、电离层延时改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
10、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出的占星局。
11、伪距测量：通过测定测距码得到站星距离的方法。
12、载波相位测量：把测定载波传播时间t转化为测定载波传播过程中经历的向位移，通过时间和相位移之间的关系达到测距的目的。
13、基线：两测量点之间的连线，在这两点上同步接收相同的GPS卫星信号并采集观测数据。
14、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，简称时段。
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所构成的闭合环，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，则称该多边形环路为异步观测环，简称异步环。
独立观测环：由非同步观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。
15、卫星的轨道参数：描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数。
16、绝对定位(或单点定位)：根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。
相对定位：通过在多个测站上进行同步观测，测定测站之间相对位置的定位。
静态定位：在定位过程中，接收机天线的位置是固定的，处于静止状态时的定位方法。
动态定位（RTK）：在定位过程中，接收机天线处于运动状态的定位方法。
17、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。
18、信号失锁：接收机对卫星信号的跟踪被阻挡或受到干扰导致信号中断现象称为信号失锁。
19、整周模糊度（未知数）：又称整周未知数，是在全球定位系统技术的载波相位测量时，载波相位与基准相位之间相位差的首观测值所对应的整周未知数。
20、必要参数：解算载波相位测量的基本方程中必要的参数。
多余参数：用来求算更高精度的必要参数的参数。
22、星历误差：由星历计算的卫星位置与其实际位置之差，称为卫星星历误差。
23、多路径误差（效应）：在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号进入
接收机天线，这就和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生多路径误差。
24、GPS网的基准设计：在GPS网的技术设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。我们将这项工作称之为GPS网的基准设计。
25、相对效应：是由于卫星钟和接收机钟所处的状态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。
26、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。
27、章动：如果把观测时的北天极称为瞬时北天极(或称真北天极)，而与之相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点(或称真天球赤道和真春分点)，那么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。
28、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。
29、协议天球坐标系：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，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。
30、WGS-84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BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手系。
31、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。
32、恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间。
世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时的尺度基准相同，其差别仅在于起算点不同。
原子时：因为物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定性和复现性，所以由此而建立的原子时。
协调世界时：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：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。
33、后处理星历：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。
34、广域差分：基本思想是对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算的每一种误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户GPS定位误差加以改正，达到削弱这些误差源，改善用户GPS定位精度的目的。
二、填空题
1、GPS系统包括三大部分：空间部分（GPS卫星星座）；地面控制部分（地面监控系统）；用户部分（GPS信号接收机）。
2、GPS卫星位置采用 WGS-84 大地坐标系。
3、GPS卫星星座配置有 24 颗在轨卫星。
4、GPS系统是 测时测距系统 。
5、GPS卫星信号是由 载波 、 测距码 、和 导航电文 三部分组成的。
6、UTC是指 协调世界时 。
7、AS政策是指 反电子欺骗 。
8、GPS定位中，信号传播过程中引起的误差主要包括大气折射的影响和 多路径效应 影响。
9、双差观测方程可以消除 接收机钟差 的误差。
10、GPS定位的实质是 空间距离后方交会 。
11、根据GPS定位原理，至少需要接收到 4 颗卫星的信号才能定位。
12、 实时差分定位一般有分为：位置实时差分、伪距实时差分和 载波相位实时差分 。
13、在使用GPS软件进行平差计算时，需要选择 横轴墨卡托投影 投影方式。
14、GPS具有测量三维位置、三维速度和 导航定位 的功能。
15、广域差分主要是为了削弱大气延时误差、卫星钟误差和 星历误差 。
16、根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有 点连 式、 家庭视频电话边连 式、 网连 式及 内容审查程序边点混合连接 四种基本方式。
17、GPS卫星星历分为 预报星历光刻工艺(广播星历) 和 后处理星历（精密星历） 窑炉技术。
18、GPS接收机依据其用途可分为：导航型接收机、测地（量）型接收机和授时型接收机。
19、PDOP代表 空间位置图形强度因子 ；VDOP代表 垂直分量精度因子 ；HDOP代表 平面分量精度因子 。
20、根据测距的原理，可将GPS定位的方法分为 伪距法定位 、载波相位测量定位和 发热器差分GPS定位 三种。
21、广域差分可纠正的误差种类包括 星历误差 、 大气延时误差 和 卫星钟差误差 。
22、单站差分GPS按基准站发送的信息方式来分，可分为 位置差分 、 伪距差分 和 相位差分 。
23、GPS测量中，与卫星有关的误差包括 卫星星历误差 和 卫星钟的钟误差 和 相对论效应 。
24、测距方法分为 双程测距 和 单程测距 。
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25、 载波相位差分技术 是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。
26、GPS网技术设计的主要依据是 GPS测量规范 和 测量任务书 。
3、简答题
1、简述GPS系统的特点。
答：定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多，应用广。
2、简述接收机的主要任务。
答：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高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能；测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，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，甚至三维速度和时间。
3、简述无摄运动中开普勒轨道参数。
答：轨道椭圆的长半径；轨道椭圆偏心率；卫星的真近点角；升交点赤经；轨道面倾角；近地点角距。
4、什么是多路径误差？试述消弱多路径误差的方法。
答：在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线，这就和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生多路径误差。
消除多路径误差的方法:（1）选择合适的站址：测站应远离大面积平静地水面；测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中；测站应离开高层建筑物。（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、简述GPS卫星的主要作用。
答：接收地面注入站发送的导航电文和其它信号；接收地面主控站的命令，修正其在轨运行偏差及启用备件等；连续地向广大用户发送GPS导航定位信号，并用电文的形式提供卫星自身的现势位置与其它在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。
6、简述确定整周未知数的四种方法。
答：经典静态相对定位法；“动态”测量法；交换天线法；快速确定整周未知数法。
7、简述快速静态定位的作业方式。
答：在测区中部选择一个基准站，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。
