《GPS原理与应用》复习与思考(附答案).docx
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《全球定位系统原理与应用》复习与思考
1、了解美国60年代初期研制的子午卫星导航系统组成
①卫星星座:
由六颗独立轨道的极轨卫星组成。
(i=90°;T=107m;H=1075km)
②地面设有:
4个卫星跟踪站;1个计算中心;1个控制中心;2个注入站;海军天文台(负责卫星钟差、钟频改正)
2、了解美国90年代初期建成全球定位系统(GPS)的系统组成
⑴卫星星座:
由6个轨道,24颗卫星组成(卫星寿命7.5年)。
(i=55°;T=11h58m;H=20200km)
⑵地面设有:
①5个监测站:
负责监测卫星的轨道数据、大气数据,经初处理后储存和传送到主控站;②1个主控站:
根据各监测站资料,推算预报各卫星的星历、钟差和大气修正参数编制导航电文;对监测站的钟差、偏轨或失效卫星实行调控和调配。
将电文、指令传送到注入站;③3个注入站:
将导航电文、控制指令注入相应的卫星。
3、了解我国的北斗一号导航系统的组成,定位精度如何
系统组成:
①卫星星座:
由3颗同步静止卫星组成(其中1颗在轨备用)。
(i=0°;T=24h恒星时;H=36000km)。
②地面仅有:
一个中心站:
负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。
定位精度:
平面精度±20m;垂直精度±10m。
4、GPS卫星的测距码(C/A码)如何产生有何作用
产生:
测距码(C/A码)由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0降频10倍产生,即fC=f0÷10=1.023MHz。
作用:
测距码(C/A码)是普通用户用以测定测站到卫星距离的一种主要的信号。
5、掌握二进数列的模二和或者波形积的运算法则及其简单运算
模二和(不进位的加法运算):
运算法则:
1⊕1=0;1⊕0=1;0⊕1=1;0⊕0=0
波形积:
运算法则:
(-1)×(-1)=1;1×1=1;(-1)×1=-1;1×(-1)=-1
6、认知和掌握两个结构相同m序列模二和后,在码相同步以及码相不同步时的自相关系数学表达的差异
自相关函数:
R(t)=(L-Y)/(L+Y)
码相同步时:
R(t)=-1/N=-1/(2n-1)
码相不同步时:
R(t)=L/L=N/N=1
7、记忆卫星轨道开普勒六根数为的名称及代号
①轨道椭圆的长半轴a;②轨道椭圆的偏心率e;③升交点的赤经Ω;④轨道面倾角i;⑤近地点角距ω;⑥卫星的真近点角V。
8、导航型GPS接收机可分为哪几种类型
船载型、车载型、机载型、星载型
9、测地型GPS接收机可分为哪几种类型
单站差分型、局域差分型、广域差分型
10、了解重建载波信号的方法和原理
方法:
①相关法:
通过码相关同步乘法装置获得载波信号和D码混合的解调信号,读解D码后可恢复载波信号;②平方法:
接收机将收到的调制信号在相同步的情况下自乘恢复载波信号。
原理:
将调制在载波信号上的测距码、数据码去掉,恢复载波信号的过程。
11、了解GPS接收机微处理器(CPU)的工作程序
①开机自检,测定各通道时延值;②搜索锁定卫星信号,解译导航电文;③结合星历、伪码或载波观测量计算站点坐标;④通过站点坐标、星历计算可见卫星的方位、高度角;⑤计算导航参数(须有明确目标)。
12、用什么方法可以求解整周未知数(整周模糊度)
①已知点坐标法;②多普勒法;③伪距法;④经典方法:
将N当作整数解,将N当作实数解。
13、用什么方法可以测定整周计数Intφ?
由于多普勒效应通过混频器对本振信号与卫星信号的对比可以获得多普勒计数从而推算整周计数Intφ。
14、了解GPS接收机载波相位测定时,产生周跳原因的各种原因
①卫星信号被遮挡暂时阻断;②外界干扰或动态环境恶劣,导致环路跟踪失锁;③对混频器产生的频差信号无法正确解读整周计数;由于石英振荡器频率不稳定使整周计数Intφ错误。
15、了解整周跳变探测修复的各种方法
①屏幕扫描探测法;②高次差探测法;③多项式拟合法;④在卫星间求差法,⑤用双频观测值修复周跳。
16、了解美国GPS政策以及对付美国GPS政策的方法
美国GPS政策:
①对不同的GPS用户提供不同的服务方式;②选择性可用政策(SA)——对(SPS)用户实施干扰;③反电子欺骗技术(A-S)——用W码对P码实施加密。
对付美国GPS政策的方法:
①建立独立的卫星导航定位系统;②建立独立的卫星轨道精密测量系统;③增加接收机的兼容性和接收通道;④利用差分技术提高定位精度。
17、哪些GPS测量误差可通过差分技术消除?
哪些GPS测量误差不能通过差分技术消除
可通过差分技术消除:
卫星钟差、星历误差、本机钟差。
不能通过差分技术消除:
电离层误差、对流层误差、多路径反射、通道误差。
18、比较局域差分和广域差分的定位原理和定位精度方面的差异
局域差分原理:
①由多个基准站构成GPS差分网络;②差分数据通过网平差后提高改正参数精度;③将改正参数发送用户。
广域差分的原理:
①主控站对各种定位误差独立解算——用户分别修正;②卫星星历:
用多站解算的精密星历代替广播星历;③卫星钟差:
用多站解算的卫星钟差代替广播钟差;④大气延时:
发布网格参数,由客户内插截取后用模型修正。
定位精度方面的差异:
局域差分基准站对软硬件要求不高,维持费用低;比单基准站差分精度稍高范围稍广;相对基准站距离越远精度越低;要大面积覆盖,必须布控大量基准站。
广域差分差分精度与相对距离无关;不必大量兴建监测站节省费用;利于大面积无人区的定位导航;监测站、主控站对软硬件要求高,维持费用高。
19、了解位置差分的条件、原理和优缺点
条件:
①基准站与用户必须观测同一组卫星,故范围在100km内;②已知基准站的GWS-84精密坐标(X0,Y0,Z0)。
原理:
①基准站通过GPS卫星,实时(t0)测定本站坐标(X,Y,Z);②计算坐标改正数及其时间导数;③将改正参数发送用户(P),修正实测(t0)坐标(X,P,Y,P,Z,P)。
优点:
计算简单,适用于各种GPS定位仪。
缺点:
用户接收机通道越少或定位相对距离越远精度越低(<50km为宜)。
20、了解伪距差分的条件、原理和优缺点
条件:
①基准站与用户至少有4颗相同的观测卫星;②已知基准站的GWS-84精密坐标(X0,Y0,Z0)。
原理:
①基准站通过卫星(i)星历坐标(Xi,Yi,Zi),实时(t0)计算站星几何距离(Di);②基准站测定卫星(i)t0时刻的伪距(D,i);③计算t0时刻的伪距改正数及其时间导数;④将改正参数发送用户P,修正t0时实测伪距,计算即时(t)P点坐标(XP,YP,ZP)。
优点:
计算简单,适用于各种GPS定位仪,用户接收通道数与定位精度关联不大。
缺点:
定位相对距离越远精度越低(<100km)。
21、了解单点定位几何精度(GDOP)的涵义
由GPS卫星与接收机作顶点构成的多面体的体积V决定的测量精度。
体积V越大→GDOP值越小,定位精度越高,接收机显示的GDOP值的范围:
2.0~6.0。
22、理解GPS的绝对定位和相对定位的涵义和原理
绝对定位:
①涵义:
用单台GPS定位仪独立测量、解算未知点坐标的过程。
②原理:
同时接收三颗GPS卫星信号可解算测点的二维坐标;接收四颗以上GPS卫星信号可解算测点的三维坐标。
相对定位:
①涵义:
在一定距离内,用两台以上GPS定位仪同时测定站星距离,通过求差的方法解算测点间基线向量的过程。
②原理:
至少知道一个已知点的三维坐标(GWS-84);通过求差的方法可以最大限度消除或削弱各种测量误差的影响,大大提高测量精度。
23、了解同步环、异步环、独立环、独立基线、非独立基线的涵义及其作用,如果只观测一个时段如何确定独立基线数和基线总数?
同步环:
①涵义:
三台以上接收机同步观测所得的基线闭合环。
②作用:
同步环可提高测量点的解算精度。
异步环:
①涵义:
含有非同步观测基线的闭合环。
②作用:
起发现粗差、检测精度的作用。
独立环:
①涵义:
各边均由独立观测基线构成的闭合环。
②作用:
独立基线:
①涵义:
N台接收机同步观测,可得N-1条独立基线。
②作用:
构成解算同步观测点的最起码条件。
非独立基线:
①涵义:
在同步环中除了独立基线之外的基线。
②作用:
与独立基线构成最少(T)个的同步环,T=J-(N-1)=(N-1)(N-2)/2。
只观测一个时段,独立基线数:
J独=C(N-1);基线总数:
J总=CN(N-1)/2。
其中N为接收机数,C为观测时段数。
24、了解GPS网测量过程的各种连接方式及其特点
⑴星形连接
特点:
①GPS仪一台固定,另一台跑点;②基线无构成任何闭合图形的,无法检测精度;③星形连接只用于低精度工程碎部测量。
⑵点连式
特点:
①各时段转点只保留一台GPS定位仪不动;②无复测基线边,各同步图形以点连接,几何强度很弱;③无或少异步环(异步检测条件)可靠性差。
⑶边连式图形
特点:
①各时段转点至少保留两台GPS定位仪不动;②各同步图形以复测边连接,几何强度及异步检测条件较好;③观测工作量较点连式大。
⑷边点混合连接式
特点:
①作业方式与点连式同;②同步环点、边连接皆有,以提高几何强度;③尽量创造异步检测条件提高可靠性。
⑸网连式
特点:
①各时段转点至少保留两台GPS定位仪不动;②各同步图形均以复测边连接,适用于高精度控制测量;③观测工作量较点连式大比混连式小。
⑹三角锁连接
特点:
①作业方式与混连式同,适用狭长区域;②同步环点、边连接皆有,以提高几何强度。
25、简述子午卫星导航定位原理
在已知子午卫星空间坐标前提下,利用一颗卫星信号的多普勒效应,测定该卫星四个时段相对观察者的视向位移,通过布列四个双曲线方程求解出测站坐标。
26、简述GPS卫星导航定位原理
GPS接收机(P)利用码分多址技术与码相关锁相放大技术,同时对4颗以上的卫星(R)进行伪距测定,再通过修正后的站星几何距离解算站位坐标。
27、简述我国双星卫星(北斗1号)导航系统定位原理
地面中心站通过2颗静止卫星传送测距信号,根据用户的应答信号时差计算星户距及求出用户坐标,再用地面数字高程模型读出用户高程,让卫星转告用户。
28、试述我国自主知识产权《北斗导航定位系统》的发展阶段
①第一阶段:
2003年建成两颗静止卫星的局域有源定位系统;②第二阶段:
2012年建成亚太地区的局域无源定位系统;③第三阶段:
2020年建成覆盖全球无源定位系统,并兼有短报文服务;其开放服务和授权服务的精度都比目前GPS系统高。
29、试述GPS测量控制网的设计原则与要求(课件PPT228页)
①通视原则:
GPS网点至少要有一个方向通视;②开阔原则:
网点地平15°以上的天区不能有遮挡;③便利原则:
测站应选在交通便利、上点方便且站标易于保存的地方;④防止干扰:
在测站200米范围内不能有强电磁波干扰源(包括高压电线);⑤防止反射:
测站应远离对电磁波反射强烈的高层建筑、成片水体等地物;⑥利用旧站标原则:
在不违反原则前提下尽量利用旧站标;⑦异步环检测原则:
为了检验观测精度的可靠,异步环或附合线路的边数不能超过国家规定;⑧复测原则:
各网点至少独立观测两个时段,增加复测基线。
30、试述GPS在航空遥感中的应用
(1)各历元机载GPS天线相位中心的确定:
①机载天线相位中心是通过GPS动态差分(RTK)技术确定的;
②地面基准站与遥感飞机通过无线电链接差分信号;
③遥感飞机利用整周模糊度航测解算OTF软件,解决了传统动态测量的长时间静态初始化问题;
④可以快速读出飞行状态各历元机载GPS天线相位中心。
(2)曝光时刻机载GPS天线相位中心的内插:
①由于曝光时刻与确定机载GPS天线相位中心的时刻不重合,故曝光时刻的天线相位中心必须内插获得;
②遥感曝光瞬间通过TTL电平脉冲在GPS数据流中打上标记;
③如果计时精度±2μs航速200m/s,内插精度可达0.4mm
(3)将内插的WGS-84坐标转换为国家地理坐标系:
①首先地面基准站GPS天线相位中心要有明确的双重坐标系;
②其次航拍时附近地面还要有另一个具有双重坐标的联测点;
③这样航拍曝光的内插相位中心,就可以通过有约束平差实现成果转换获得——国家地理坐标系。
31、试述RTK的工作原理及其在地籍房产中的应用
工作原理:
①基准站(已知点)将GPS差分数据,利用无线电通信链实时转达GPS流动站,实施定位差分修正以提高测量精度;②当流动站捕获4颗以上卫星并确定整周模糊度后,流动站可以厘米级精度快速测定动点坐标。
应用:
①可以简易快捷地确定每宗房地产土地易权归属地的边界测定和面积量算(国外根据土地使用性质和面积纳土地税);②可以简易快捷地实现土地易权归属地——从图纸到实地的边界放样;③RTK技术能保证精度的前提下,省时省工实现土地动态监测管理,保证了土地利用状况调查的快速精准。
32、试述测量韶大E级大地测量工程网外业和内业的工作过程
(1)做好测量前的准备工作:
①布点规划:
在地形图上根据控制点的几何关系,大致作出测量控制点的规划,再到实地勘察落实是否满足观测条件;
②标志埋设:
在测量点上的基岩或水泥混凝土上,按国家《规范》埋设金属标志,并在旁边刻上待测点的点号;
③转点设计:
在地形图上根据待测控制点的几何关系以及运筹学的方法,确认各时段测量的顺序和转点方案;
④时间同步:
各测量点测站在对中整平、天线斜高测定输入数据后后,用手机相互通知做到同步开机和各时段测量完毕同步关机。
(2)GPS测量仪器的架设:
①为了避免路过车辆及行人的影响,仪器接收天线尽量架高;
②一般以水平调整气泡略低于站立观察者水平视线为宜;
③然后大致对中后即可调整水平,再通过观察镜精确对中;
④对中整平完成后就锁定水平移动螺母,天线定向开机待测。
(3)GPS测量仪器的开启和设置:
①轻按接收机电源开关以及遥控器电源开关自动连接接收机;
②在遥控器选择“采集设置”项,正确输入数据;
③必须输入:
站名、天线斜高、时段,按Enter键发送接收机;
④每时段观测时间约为45min~60min
33、试举例说明GPS在海洋测绘中的应用
(1)利用GPS进行高精度海洋定位:
①利用岸基多个基准站进行海洋物探定位和钻井平台定位;
②用两艘具有高精度GPS定位的物探船只对人工地震波接收的时间差,可以推断海底地质构造达到找油找矿的目的;
③在钻井平台四角装上高精度GPS定位仪,通过解算岸基的差分信号可以获得平台的平移、倾斜、旋转等精确状态数据。
(2)中国沿海RBN/DGPS系统:
①该系统的全称为“中国沿海无线电指向标差分GPS(RBN/DGPS)系统1997年布控完毕;
②从南到北由20个基准站组成,主要为我国沿海口岸、重要水域、狭窄水道提供精准的差分定位导航服务;
③已在导航定位、海图测量、港口航道测量、岸线地形修侧、航标定位、近海工程、近海抢险和紧急救援等发挥作用。
(3)GPS技术用于建立海洋大地控制网
①海洋大地控制网——是由布控在岛屿、暗礁和海底的大地控制点组成的,海底控制点由固定标志和水声应答器构成;
②海底控制点的测量——测量船通过声纳对海底控制点定位的瞬间,测量船的精确位置可以通过岸基差分GPS确定;
③1994年我国在西沙南沙的岛屿和暗礁布设了GPS控制网,平均边长相对中误差为1/387万;点位中误差为±13cm;
④海洋大地控制网已在海底地形测绘、海洋资源开发、海洋工程建设、海底运动监测、船舶导航等方面发挥重要作用。
34、试举例说明GPS在交通系统中的应用
(1)车辆自主导航定位系统:
①车载导航是通过GPS动态伪码测距定位(精度10m左右),然后可将汽车运动的方向矢展示在电子地图上;
②GPS车载导航应具有的基本功能包括:
GPS卫星导航定位、电子地图浏览查询、智能的路线规划、全程的语音提示;
③车载导航系统是有车一族以及物流驾驶员的得力领航助手;
④我国2006年搭载导航功能的车载影音系统需求量约14.7万台、预计2013年将增长到174.3万台;
⑤2000年世界车辆导航的总投资已达到30亿美元;
⑥GPS车载导航系统还衍生出许多附带产业链。
(2)车辆跟踪、调度、监控定位系统:
①车载部分主要功能:
a、定位信息的发送(未差分处理)和接收(差分处理)功能
b、在电子地图上实时显示本车的经纬度、车速、航向
c、接受监控中心的调度命令——通过文字显示或语音传达
d、出现紧急情况可启动报警功能,报告实时车况
②监控部分主要功能:
a、实时差分功能:
能对各路车辆的定位信号作出差分纠正
b、数据跟踪功能:
实时显示车号、经纬度、速度、航向等信息
c、决策指挥功能:
对天气、路况、行进路径作出最优选择
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