GPS定位原理与应用练习

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《GPS定位原理及应用》练习

第一章 绪论

1、GPS的含义？与经典大地测量相比，GPS有何特点？

①选点灵活，无需通视。②定位精度高。③观测时间短。④提供三维坐标⑤操作简便⑥全天候作业。

2、GPS卫星的作用是什么？什么叫“定位星座”？什么叫“卫星星历”？

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

所谓“卫星星历”是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。

3、GPS系统由哪几部分组成？地面监控系统由哪些部分组成？各部分的主要功能是什么？

GPS系统由GPS卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和GPS信号接收机（用户设备部分）等三部分组成

GPS工作卫星的地面系统，目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站。

主控站：收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传入到注入站。

注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。 监测站：为主控站提供卫星的观测数据。

4、什么是GPS信号接收机？其作用是什么？它由哪几部分组成？有哪几种分类方式？ 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。

作用：①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截止高度角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运动。②对所接收到的GPS信号具有变换、放大和处理的功能，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卫星所发射的导航电文，实时地计算出测 站的三维位置，甚至三维速度和时间，从而实现导航和定位。

组成部分：天线(前置放大器)；信号处理器；微处理器；用户信息传输；精密振荡器

1）按接收机的载波频率分类：单频接收机；双频接收机；双系统接收机 103打印室欢迎您的光临!

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2）按接收机的用途分类：导航(Navigation)型接收机；测地(Survey)型接收机；授时(Time)型接收机

3）按接收机的通道数分类：多通道接收机；序贯通道接收机；多路复用通道接收机 4）按接收机的工作原理分类：码相关型接收机；平方型接收机；混合型接收机 5、接收机天线的作用是什么？对其有何要求？有哪几种类型？

1）天线的作用：把来自卫星信号的能量转化为相应的电流量，并经过前置放大器送入射频部分进行频率变换，以便接收机对信号进行跟踪、处理和量测

2）对天线的要求：◆天线与前置放大器一般应密封为一体，以保障在恶劣的气象环境下能正常工作，并减少信号损失；◆天线均应呈全圆极化。要求天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不产生死角，以保障能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；◆天线必须采取适当的防护与屏蔽措施(例如加一块基板)，以尽可能地减弱信号的多路径效应、防止信号的干扰；◆天线的相位中心与其几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。

3）天线的类型 ：◆单极或偶极天线；◆四线螺旋形或螺旋形结构天线；◆微波传输带型天线：常简 称为微带天线；◆锥形天线；◆带扼流圈的振子天线：简称为扼流圈天线

6、我国北斗系统的星座是如何分布的？

北斗系统的星座分布：2颗地球静止同步卫星（800E和1400E，赤道角距约60°）和一颗在轨备份卫星（110.50E）

7、当前的卫星导航系统有哪些？我国的北斗卫星导航定位系统的发展和规划如何？ 当前的卫星导航系统有：GLONASS全球卫星导航系统；伽利略全球卫星导航系统；北斗导航定位系统。

鉴于北斗一号的性能和技术指标方面的差距，我国正准备实施北斗二号卫星导航定位系统，系统卫星星座由5颗高轨地球同步卫星，约30颗中轨卫星及倾斜轨道同步卫星组成。

第二章 坐标系统和时间系统

1、在GPS定位中，通常采用哪两种坐标系统？ 天球坐标系和地球坐标系

2、何为天球？天球上有哪些主要的点、线、面？

天球:是指以地 球质心M为中心， 半径r为任意长度的 一个假想的球体。 3、天球空间直角坐标系和天球球面坐标系是如何定义的？二者间有何关系？ 1、天球空间直角坐标系:原点位于地球质心M,Z轴指向天球北极Pn，X轴指向春分103打印室欢迎您的光临!

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点γ，Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构 成右手坐标系统。[X Y Z]

2、天球球面坐标系:原点位于地球质心M，赤经α为含天轴和春分点的天球子午面与过天体S的天球子午面之间的夹角；赤纬δ为原点M至天体S的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长 度r为原点M至天体S的距离。(α，δ，r)。 4、什么叫岁差和章动？二者对北天极的运动有何影响？

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，这种现象在天文学中称为岁差。

章动：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。 这种现象称为章动。 在岁差和章动的共同影响下，瞬时北天极绕北黄极旋转 5、为什么要定义协议天球坐标系？它是如何定义的？

在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴指 向是在不断地旋转。在这种非惯性坐标系统中，不能直接 根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。

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(epoch)，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 6、地心空间直角坐标系和地心大地坐标系是如何定义的？二者间有何联系？ 1、地心空间直角坐标系：原点O与地球质心重合， Z轴指向地球北极，X轴指向 格林尼治平子午面与地球赤 道的交点E，Y轴垂直于XOZ 平面构成右手坐标系。 2、地心大地坐标系：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地 球自转轴相合，大地纬度B 为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度 L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线（normal）至 椭球面的距离。

7、何谓站心赤道直角坐标系、站心地平直角坐标系和站心地平极坐标系 ？

1、站心赤道直角坐标系：以 P1为原点建立与球心空间直角坐标系相应坐标轴平行的坐标系叫做站心赤道直角坐标系。显然，站心赤道直角坐标系 与球心空间直角坐标系坐标系间有简单的平移关系。

2、站心地平直角坐标系 以P1为原点，P1点的法线为z轴（指向天 顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正 ），y轴与x、z轴垂直（向东为正）。

3、站心地平极坐标系 以测站P1为原点，至卫星s的距离r、 卫星的方位角A、卫星的高度角h可以建 立站心地平极坐标系。 8、什么叫极移？协议地球坐标系是如何定义的？ 103打印室欢迎您的光临!

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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。

协议地球坐标系：以协议地极为基准点的地球坐标系，称为协议地球坐标系 9、WGS-84坐标系是如何定义的？其主要参数是多少？

WGS-84大地坐标系：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 长半轴a=6378137(+/-)2m 扁率f=1/298.257223563 椭球第一偏心率：e2=0.00669437999013

地球引力常数：GM=（3986005±0.6）×108（m3/s2）

正常化二阶带谐系数：J2=（–484.16685±1.30）×10–9（rad/s） 地球自转角速度：ω =（7292115±0.1500）×10–11（rad/s）

10、我国的1980年国家大地坐标系(简称C80)、1954年北京坐标系(简称P54)是如何定义的？新北京54坐标系与C80 有何联系，与P54有何区别和联系？

1980年国家大地坐标系：C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指 向地极原点JYD1968.0的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平 均天文台子午面，X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方 向，Y轴与Z、X轴成右手坐标系 1954年北京坐标系：建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时 的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东 北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954 年北京坐标系。我们称为旧1954年北京坐标系

新P54点坐标与旧P54点坐标接近，但其精度和C80坐标精度完全一样

11、我国的2000国家大地坐标系是如何定义的？北斗系统的时间系统和坐标系统是如何定义的？

2000国家大地坐标系：原点：包括海洋和大气的整个地球的质量中心； Z轴：由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向， 该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转； X轴：由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道 面（历元2000.0）的交点； Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系 尺度：采用广义相对论意义下的尺度。 12、何谓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。

13、在GPS定位中时间系统有何重要意义？确定时间的基准是什么？ 103打印室欢迎您的光临!