GPS基础知识一

GPS复习题一

1.GPS卫星定位技术的发展过程

推算定位-天文导航-惯性导航-无线电导航 2.GPS系统的组成

空间部分:24颗卫星 （21颗工作卫星+3颗备用卫星 ），6个近圆形轨道面，高度约20200km， 地面控制部分: 1个主控站、5个监测站、3个注入站

用户设备部分: 用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。 3.GPS系统特点定位精度高

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 4.名词解释

黄道 :地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测 者 所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角ε称为黄赤交角，约23.50。 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?。 岁差 : 春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。

章动 : 瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。这种现象称为章动。 极移 :地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。

历元: 在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。

5．什么是协议坐标系？建立方法，协议天球坐标系与协议地球坐标系的转换

坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来

确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。 RM ——极移改正

?X??X?RS —— GAST改正

???MSNP?Y?RRRRYRN ——章动改正 ??????RP ——岁差改正 ?Z??TRF?Z??CRF6．什么是WGS—84坐标系？WGS—84坐标系采用什么椭球体参数？

原点位于地球质心，z轴指向国际时间局1984年0时定义的BIH1984.0协议地球极方向，x轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z，X轴构成右手系坐标系。对应WGS84大地坐标系的参考椭球为WGS84椭球。

7．为什么说时间系统在GPS定位中具有重大意义？

GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.6 ?10-6s。 准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于3 ?10-11s

由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上点的位置是不断变化的，若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时间测定误差要小于2 ?10-5s。 8．叙述UT、ST、TA、GPS时的时间尺度和基准点？ ST： 基准点（春分点）时间尺度（恒星日）

Ut： 基准点（春分点）时间尺度（恒星日） TA: 基准点（春分点）时间尺度（恒星日）

GPS: 基准点（原子时）时间尺度（1980年1月6日UTC时）

1

9.名词解释

中心力:假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心），称为中心力。

摄动力:包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。

无摄运动 : 而理想状态的卫星轨道，相应称为无摄轨道。

受摄运动:在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道。 二体运动:来研究地球和卫星之间的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题。 开普勒轨道参数 : 卫星的无摄运动一般可通过一组适宜的参数来描述，但这组参数的选择并不唯一，其中应用最广泛的一组参数称为开普勒轨道参数或开普勒轨道根数。 10.叙述开普勒三大定律的具体内容

开普勒第一定律:卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合 开普勒第二定律: 卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。

开普勒第三定律: 卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，等于GM的倒数。

11.什么是伪随机码？有何作用？

GPS采用了一种伪随机噪声码简称伪随机码或伪码。

它的特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。

12.什么叫C/A码（粗码、捕获码）和P码（精码）？它们有什么不同之处？

C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。

P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。

区别：由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。

13.GPS卫星采用伪随机码扩频技术可起到什么作用？ 14.GPS卫星公共基准信号频率是多少？向地面发射哪两种频率的载波？其相应波长是多少？

GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生 L1载波 1575.42MHz

L2载波 1227.60MHz

15.简述导航电文的内容和作用？

导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码） 16.GPS接收机分为几种类型？各种类型又是如何划分的？

按工作原理划分：码相关型接收机 平方型接收机 混合型接收机 根据接收机信号通道类型划分:

多通道接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机

根据所接收的卫星信号频率划分:单频接收机（L1） 双频接收机（L1+L2） 按接收机用途划分:导航型 测量型接收机 授时型接收机

2

17.什么是GPS卫星星历？分为几种？其内容和作用是什么？

卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。 GPS卫星星历分为： 预报星历（广播星历）:预报星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，也称广播星历

后处理星历（精密星历）:后处理星历（精密星历）是某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历 18.简述GPS卫星定位的两种基本的观测量。 码相位观测量和载波相位观测量。 19.名词解释

整周模糊度:Nij(t0)一般是未知的，通常称为整周未知数（整周待定值或整周模糊度）。 周跳 : 在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象

多路径效应:多路径效应也称多路径误差,即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加，将引起测量参考点位置变化，使观测量产生误差。在一般反射环境下，对测码伪距的影响达米级，对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中，影响显著增大，且常常导致卫星失锁和产生周跳。 天线相位差: GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。实际上，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。 20.简述GPS卫星测量的主要误差来源。

卫星有关的误差: 卫星钟差 卫星轨道偏差 卫星信号传播误差

卫星信号传播误差 :(1)电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。(2) 对流层的影响 (3) 多路径效应

接收设备有关的误差: 主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波

相位观测的整周不确定性影响。 其它误差来源:地球自转影响 相对论效应

21.什么叫电离层折射误差？怎样消除电离层折射的影响？

电离层折射影响：主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量。 通常采取的措施:

利用双频观测：电离层影响是信号频率的函数，利用不同频率电磁波信号进行观测，可确定其影响大小，并对观测量加以修正。其有效性不低于95%.

利用电离层模型加以修正：对单频接收机，一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为75%，至今仍在完善中。

利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过10-6 22.什么叫对流层折射？怎样消除对流层折射的影响？

对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分干分量主要与大气温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。

对流层影响的处理方法：定位精度要求不高时，忽略不计。采用对流层模型加以改正。引入描述对流层的附加待估参数，在数据处理中求解。观测量求差。

3

23.简述美国对GPS采用的SA技术和AS技术。对GPS定位有何影响？

标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）,选择性可用（SA）政策——对（SPS）服务实施干扰,反电子欺骗技术(A-S)——对P码实施加密 24.名词解释

静态定位 :在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。 动态定位 : 在定位过程中，接收机天线处于运动状态

绝对定位 :在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。

相对定位 :在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。 单差 :在不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差 双差 :在不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差之差 三差 :于不同历元，同步观测同一组卫星，所得观测量的双差之差

整数解 :将平差计算所得的整周未知数取为相近的整数，并作为已知数代入原方程，重新解算其它待定参数。当观测误差和外界误差（或残差）对观测值影响较小时，该方法较有效，一般应用于基线较短的相对定位中。

实数解 :如果外界误差影响较大，求解的整周未知数精度较低(误差影响大于半个波长)，将其凑成正数，无助于提高解的精度。此时，不考虑整周未知数的整数性质，平差计算所得的整周未知数，不再进行凑整和重新计算。一般用于基线较长相对定位中。 25.为了评价GPS定位结果，在导航学中一般采用有关精度因子DOP(Dilution of Precision)的概念，其定义是什么？根据不同的要求，采用哪几种不同的精度评价模型和相应的精度因子?

DOP是权系数阵主对角线元素的函数，?0伪距测量中误差 平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP)：相应的平面位置精度 高程精度因子VDOP(Vertical DOP):相应的高程精度为：

空间位置精度因子PDOP(Position DOP)：相应的三维定位精度： 接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP)，钟差精度：

几何精度因子GDOP(Geometric DOP)，描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因 子，相应的中误差：

26.为何至少需要四颗卫星才能进行ＧＰＳ定位？

由于GPS采用单程测距原理，实际观测的站星距离均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响（伪距），卫星钟差可根据导航电文中给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差一般难以预料。通常将其作为一个未知参数，在数据处理中与观测站坐标一并求解。一个观测站实时求解4个未知数，至少需要4个同步伪距观测值，即4颗卫星。

4