GPS重要知识点

中文名称：GPSM理及其应用英文名称：The Principle and Application of GPS一、教学目的和要求通过本课程的学习，使学生既要掌握 GPS勺理论基础知识，了解 GPSW产生、优点和广泛用途，掌握GPSB勺组成及信号结构，GPSt位中的误差源，距离测量和定位方法；又 要熟悉GPS勺实际操作与应用，具备独立运用 GPSK术进行科研和生产实践的能力。三、课程重点、难点及解决办法1 .课程的重点子午卫星系统的局限性，美国政府的GPS政策，GPS系统的组成及信号结构，电离层延迟，对流层延迟及多路径误差，如何用测距码来测定伪距，载波相位测量，观测值的线性组合，周跳的探测及修复，整周模糊度的确定，单点定位，相对定位，差分GPS。2 .课程难点GPS卫星的信号结构，利用测距码进行伪距测量，载波相位测量，观测值的线性组合，周跳的探测及修复，整周模糊度的确定。3 .解决办法 由于学生此前对扩频技术，码分多址技术，卫星星历，码相关技术等并不了解， 因而在上课时必须适当补充一些必要的背景知识。 运用多媒体、录像资料，交互式软件等多种教学手段，通过较为形象和直观的 方法，使学生理解一些难懂的原理和复杂的过程。 课堂上进行深入浅出的讲解，课后再通过作业和实习等手段来加深学生对难点 问题的理解。四、实践教学的设计思想与效果1、实践教学的设计思想GPS原理及其应用是测绘类专业的一门应用型专业基础课程，也是一门实践性很强的课程， 实践教学是该课程的重要教学环节，其重点在于培养学生的实际动手能力和理论联系实际的能力。通过实践教学环节，不但能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和GPS测量项目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。理论和实践的紧密结合和相互渗透，是本课程的特色之一。2、实践教学效果（ 1）实践教学具备的平台通过重点学科建设和 211 工程的资金以及国内外各大接收机生产厂商的捐助， 学校拥有供课程组使用的各种类型的 GPS 接收机近 50 台，并且配备了几乎所有主流的 GPS数据处理软件。 课程组编写了实习教材和实习教学大纲。 实习指导教师为每一期实习编写了详细的实习任务指导书， 并制作了相关的教学课件。 这些都为本课程的实践教学提供了良好的平台。（ 2）实践教学的环节实践教学的环节包括课间实习和集中实习两部分。课间实习穿插于课堂教学之中，通过教师对有关仪器、 软件等的讲解与演示， 帮助学生理解课堂教学所学的理论知识。 如：通过GPS接收机操作的演示，让学生了解相关的仪器设备；通过进行卫星可见性预报和观测时段表编制等，深化学生对GPS 卫星星座的认识；通过数据处理软件的使用，加深学生对GPS 定位原理的理解等。集中实习安排在学生完成理论课学习之后，具体内容和过程完全按照 GPS 测量工程的要求进行，分为设计、观测、处理和总结等四个阶段。通过集中实习，使学生系统地掌握GPS 测量作业的流程，并将理论课上所学的知识用于解决在实习中所遇到的具体问题。（ 3）实践教学效果多年的实践教学表明，实践教学不仅有助于学生深入理解课堂所学的基本理论和方法，掌握 GPS 测量的基本技能，而且激发了学生的学习热情和积极性，明显提高了教学质量， 是培养知识面宽、 动手能力强、 能很快适应社会需求的高素质学生的有效途径。以下各知识点非常重要第一章、绪论内容1.1 全球定位系统的产生、发展及前景：子午卫星系统及其局限性，GPSI勺产生、发展及前景1.2 GPSft各领域中的应用：GPSft军事、交通运输、测量和其他领域中的应用，GPS在我国的应用状况1.3 美国政府的GPSt策：SA政策，AS政策，美国政府 GPSft策的新变化重点讲授：子午卫星系统及其局限性、GPS的产生与发展、GPSft各领域中的应用状况、美国政府的GPSft策及其新变化第二章、全球定位系统的组成及信号结构 内容 2.1 定位系统的组成：空间部分、地面监控部分、用户部分；GPSS收机、天线、天线平均相位中心偏差及其改正方法、天线高、接收通道 2.2 卫星的信号结构：载波、测距码、导航电文、卫星信号的调制方法重点讲授：GPSW组成，天线平均相位中心偏差，接收通道第三章、GPSt位中的误差源内容 3.1 概述 ：误差分类、消除和消弱上述误差影响的方法和措施 3.2 钟误差：卫星钟和接收机钟的钟误差及其改正方法 3.3 相对论效应：相对论效应产生的原因及消除方法，近似方法和严格方法 3.4 卫星星历误差：广播星历和精密星历，星历误差对定位的影响，消除和消弱星历误差影响的方法 3.5 电离层延迟：电离层的概况、双频改正模型 3.6 对流层延迟：对流层概况、常用的对流层延迟模型、提高对流层延迟精度的方法 3.7 多路径误差：反射波、载波相位测量中的多路径误差，消除和消弱多路径误差的方法和措施重点讲授： 3.8 误差分类、消除和消弱上述误差影响的方法和措施 3.9 钟误差及其改正方法 3.10 相对论效应及其改正方法 3.11 卫星星历误差及其改正方法 3.12 电离层延迟，双频改正法 3.13 对流层延迟及其改正方法 3.14 多路径误差及其改正方法第四章距离测量与GPS定位内容 4.1 利用测距码测定卫地距：用测距码测定伪距的方法、 测距码测定伪距的优点、观测方程 4.2 载波相位测量：进行载波相位测量的原因、重建载波、载波相位测量原理、载波相位测量的实际观测值、观测方程 4.3 观测值的线性组合：同类型同频率观测值的线性组合、必要参数和多余参数、单差、双差、三差、同类而不同频率观测值的线性组合、组合标准；常用的线性组合：宽巷观测值和无电离层延迟观测值 4.4 周跳的探测及修复： 产生周跳的原因 周跳的探测及修复 高次差值 多项式拟合法 其他方法 4.5 整周模糊度的确定静态定位 动态定位 准动态定位中常用的模糊度确定方法：整数解和实数解 已知基线法交换天线法go and stop 法 OTF 法的基本概念 4.6 单点定位 坐标系 用测码伪距进行单点定位精密单点定位的基本干概念 4.7 相对定位：基本术语静态相对定位动态相对定位准动态相对定位 4.8 GPS 差分的产生、原理；单基准站差分 GPS具有多个基准站的局域差分GPS广域差分GPSW新进展重点讲授： 4.9 测距码测定伪距的方法、优点 4.10 载波相位测量原理及实际观测值、整周计数和整周模糊度 4.11 单差、双差、三差， 求差法的优点和缺点，观测值的线性组合 4.12 产生周跳的原因及探测修复周跳的方法 4.13 整周模糊度的确定方法 4.14 用测码伪距进行单点定位 4.15 静态相对定位和动态相对定位 4.16 PS理、分类，单站差分和广域差分gps习题第一讲参考习题内容提要： 本讲主要教授全球定位系统的产生、发展及前景和 GPS 的应用。与GPS 的产生背景有关部分， 重点介绍第一代卫星导航定位系统 子午卫星系统的原理及其局限性。与 GPS 应用有关的部分，重点介绍 GPS 在军事、交通运输、及测量等领域中的应用。习题：1、举例说明 GPS 在测量领域中的应用。答：（1）用GPS建立和维持全球性的参考框架；（ 2）建立各级国家平面控制网；（ 3）布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量；（ 4）在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用。（GPS 测量与数据处理，P7)2、 “Transi你统是一个连续、独立的卫星导航系统”这种说法正确吗，为什么？答：这种说法不正确。子午卫星系统（ Transit）中没有采用频分、码分、时分等多路接 收技术。接收机在某一时刻只能接收一个卫星信号，这就意味着子午卫星星座中所含的 卫星数不能太多。为防止在高纬度地区的视场中同时出现两颗子午卫星从而造成信号相 互干扰的可能性，子午卫星星座中的卫星一般不超过 6颗，从而使中低纬度地区两次卫星通过的平均间隔达1.5h左右。由于各卫星轨道面进动的大小和方向不一，最终造成各轨道面之间的间隔疏密不一。 相邻轨道面过密时会导致两颗卫星同时进入用户视场，造 成信号相互干扰，此时控制中心不得不暂时关闭一颗卫星使其停止工作。轨道面过疏时 用户的等待时间有可能长达 810h。导航定位的不连续性使子午卫星系统无法称为一种 独立的导航定位系统，而只能成为一种辅助系统。（GPS测量与数据处理，P3）3、名词解释：多普勒计数答：若接收机产生一个频率为 1的本振信号，并与接收到的频率为 人的卫星信号混频， 然后将差频信号（1 -力）在时间段科，匕间进行积分，则积分值”二入5 一%助 N称为多普勒计数。第二讲参考习题内容提要：本讲主要讲授 GPS各部分，包括空间部分、地面监控部分和用户部分的组 成与功能。在用户部分中，重点介绍与GPS接收机有关的基本概念，例如天线平均相位中心偏差，接收通道等。习题：1、GPS系统由哪几部分组成，并说明其作用？ 答：GPS系统由三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分。各部分作用如下：(1) GPS卫星可连续向用户播发用于进行导航定位的测距信号和导航电文，并接收来 自地面监控系统的各种信息和命令以维持正常运转。(2)地面监控系统的主要功能是：跟踪GPS卫星，确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数，进行预报后再按规定格式编制成导航电文，并通过注入站送往卫星。地面监控系统 还能通过注入站向卫星发布各种指令，调整卫星的轨道及时钟读数，修复故障或启用备用件等。(3)用户则用GPS接收机来测定从接收机至 GPS卫星的距离，并根据卫星星历所给出 的观测瞬间卫星在空间的位置等信息求出自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参 数。2、GPS系统中卫星的广播星历是由()编制的：答案： BA卫星上的处理器B主控站C监测立6 D注入站3、GPS测量中，如何消除天线平均相位中心偏差的影响？答：由于天线平均相位中心偏差的存在，GPS测量所得的位置并非标石中心的位置。解决这个问题的一般方法有：(1)归心改正法。进行 GPS测量时若将接收机天线指标线指北，则有瑞石中心二 乂平勒相任中心rcos| Y Y rsin峰石中心,平珈相位中心当基线两端使用不同类型的 GPS接收机天线时，可用上述方法分别进行改正，将成果 归算至标石中心。(2)消去法。在相对定位时，若使用的均是同一类型的GPS接收天线，将各站的天线指标线指北即可。4、什么是接收通道？序贯通道与多路复用通道的工作原理有何区别?答：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬 件和专用软件所组成， 称为接收通道。 一个通道在一个时刻只能跟踪一个卫星某一频率的信号。序贯通道的循环周期大于20ms；多路复用通道的循环周期小于或等于20ms。由于导航电文中每个比特持续的时间为 20ms， 故多路复用通道可同时采集到各卫星的导航电文，而序贯通道则不能（必须通过其他渠道获得导航电文）。5、名词解释：天线的平均相位中心偏差，天线高答： GPS 测量中，天线对中是以接收机天线的几何中心（位于天线纵轴的中心线）为准的，而测量的却是平均相位中心的位置。由于天线结构方面的原因，平均相位中心和几何中心往往不重合，两者之差称为平均相位中心偏差，其值由生产厂商给出。天线平均相位中心至标石中心的垂直距离H 称为天线高。第三讲参考习题内容提要：本讲主要讲授GPS各部分，包括空间部分、地面监控部分和用户部分的组成与功能。在用户部分中，重点介绍与GPS 接收机有关的基本概念，例如天线平均相位中心偏差，接收通道等。习题：1、 GPS 系统由哪几部分组成，并说明其作用？答：GPS系统由三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分。各部分作用如下：（1） GPS卫星可连续向用户播发用于进行导航定位的测距信号和导航电文，并接收来自地面监控系统的各种信息和命令以维持正常运转。（2）地面监控系统的主要功能是：跟踪 GPS卫星，确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数，进行预报后再按规定格式编制成导航电文，并通过注入站送往卫星。地面监控系统还能通过注入站向卫星发布各种指令，调整卫星的轨道及时钟读数，修复故障或启用备用件等。(3)用户则用GPS接收机来测定从接收机至 GPS卫星的距离，并根据卫星星历所给出 的观测瞬间卫星在空间的位置等信息求出自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参 数。2、GPS系统中卫星的广播星历是由()编制的：答案： BA卫星上的处理器B主控站C监测立6 D注入站3、GPS测量中，如何消除天线平均相位中心偏差的影响？答：由于天线平均相位中心偏差的存在，GPS测量所得的位置并非标石中心的位置。解决这个问题的一般方法有：(1)归心改正法。进行 GPS测量时若将接收机天线指标线指北，则有瑞君中心二X平也相授中心rc口sL 4石中心=Y平期相也中心sin当基线两端使用不同类型的 GPS接收机天线时，可用上述方法分别进行改正，将成果 归算至标石中心。(2)消去法。在相对定位时，若使用的均是同一类型的GPS接收天线，将各站的天线指标线指北即可。4、什么是接收通道？序贯通道与多路复用通道的工作原理有何区别？答：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成，称为接收通道。一个通道在一个时刻只能跟踪一个卫星某一频率 的信号。序贯通道的循环周期大于 20ms；多路复用通道的循环周期小于或等于20ms。由于导航电文中每个比特持续的时间为 20ms,故多路复用通道可同时采集到各卫星的导航电文， 而序贯通道则不能（必须通过其他渠道获得导航电文）。5、名词解释：天线的平均相位中心偏差，天线高答：GPS测量中，天线对中是以接收机天线的几何中心（位于天线纵轴的中心线）为准 的，而测量的却是平均相位中心的位置。由于天线结构方面的原因，平均相位中心和几 何中心往往不重合，两者之差称为平均相位中心偏差，其值由生产厂商给出。天线平均相位中心至标石中心的垂直距离H称为天线高。第四讲参考习题内容提要：本讲主要讲授 GPS卫星的信号结构。包括载波、测距码与导航电文各部分的功能与结构。重点教授载波的频率特性、测距码的分类、导航电文三个数据块的基本构成以及GPS信号调制的模式。习题：1、GPS卫星信号由哪几部分组成？答：GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。其中：（1）可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS卫星所用的载波有两个：Li（工二 1575.42耀）和 L2 J = 12276加出）；（2）测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码，包括 C/A码和P码。（3）导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。2、GPS导航电文包含以下哪些内容：答案：ABCA. 卫星星历B. 卫星钟改正数C. 电离层延迟改正参数D. C/A码距离观测值3、对于GPS卫星导航电文的第二数据块，下列那些说法正确？答案：ACDA. 由第二、三子帧中的内容构成B. 包含该卫星钟的改正参数C. 包含该卫星的广播星历参数D. 包含该卫星星历的数据龄期4、试对课本上P33页的图29进行说明。答：图2 9为GPS卫星信号构成示意图。图中说明卫星发射的所有信号分量都是根据 同一基准频率F经倍频或分频后产生的。 这些信号分量包括L1载波、L2载波、C/A码、 p码和数据码。经卫星天线发射出去的信号包括c/a码信号、卜码信号和匕- P码信号。实施SA政策时基准频率F中将加入快速抖动自信号。实施AS政策时P码将和 W码进行模二相加，形成保密的 Y码。5、测距码调制到载波上的基本原理是怎样的？答：GPS卫星信号采用的是二进制相位调制法。其基本原理是先将导航电文调制在测距码上，然后再将组合码调制到载波上。6、名词解释：导航电文答：导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的工作状态、 卫星钟的修正参数、 电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码， 也称数据码（ D码）。它是用户利用 GPS 进行导航定位时一组比不可少的数据。第五讲参考习题内容提要：本讲主要讲授第三章“GPSt位中的误差源”的前三节。首先对 GPS误差源进行概述， 包括与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差和与接收机有关的误差三大类。对每类误差产生的原理、性质进行综述。对消除和削弱这些误差影响的主要方法进行介绍。在此基础上，对两类误差包括钟误差和相对论效应进行了重点介绍。习题：1. 与卫星有关的误差包括哪几类？答：与卫星有关的误差包括：卫星星历误差；卫星钟的钟误差；相对论效应。2. 总体而言，消除和减弱各种误差影响的方法有哪些？答：消除和减弱各种误差影响的主要方法有：（ 1）模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。所针对的误差源：相对论效应，电离层延迟，对流层延迟，卫星钟差。限制：有些误差难以模型化。（ 2）求差法原理： 通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相 似的误差影响。适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性 所针对的误差源：对流层延迟、电离层延迟、卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差。限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱。(3)参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来。适用情况：几乎适用于任何的情况。限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计。(4)选择较好且适用的软硬件和选择合适的测量地点与方法。3.用广播星历钟的卫星钟差改正数进行改正后，卫星钟差残余量在什么量级？进一步 进行改正的方法有哪些？答：用广播星历的卫星钟差改正数改正后，卫星钟差残余量为510ns,对测距的影响为1.53.0m。为了适应更高精度的应用，进一步的改进方法有：1 .利用测码伪距单点定位方法来确定接收机钟的钟差，精度估计可以达到0.10.2郎。2 .通过各种渠道获得精确的卫星钟钟差值，一般IGS是比较好的数据来源，目前IGS给出的卫星钟差的精度可以达到 0.1ns。3通过观测值相减来消除公共的钟差项。4 .为什么GPS测量中必须仔细地消除钟误差？答：在GPS测量中我们是以及卫星信号的传播时间人二4 一4来确定从卫星至接收机的距离的。其中“为卫星钟所测定的信号离开卫星的时刻，士为接收机钟所测定的信号到达接收机的时刻。若信号理论卫星时卫星钟相对于标准的GPS时的钟差为 2j,信号到达接收机时接收机钟相对于标准的GPS时的钟差为% ,那么上述钟误差对测距所造成的影响为 加二(怅一说由于信号的传播速度 c的值很大，因此在GPS测量中必 须十分仔细地消除钟误差。5 .相对论效应的影响下，卫星钟频率是变快还是变慢？如何改正？答：相对论效应的影响下，卫星钟频率变快。解决方法是在地面上生产原子钟时将钟的频率降低445，：1叫，f为卫星的真近点角。另外为了求得相对论效应的精确值，用=一区里c户还需加上一项改正：由于卫星钟的频率误差 A/而引起的卫星信号传播时间的误差 A/和测距误差Ap为：M - 2290g sin E(ns)户=686 42 sin 国楙)其中e为卫星轨道的偏心率，E为偏近点角。6.名词解释：物理同步误差，数学同步误差答：由GPS卫星上的卫星钟所直接给出的时间与标准的GPS时之差称为卫星钟的物理同步误差。顾及改正数 卜后的卫星钟读数与标准的 GPS时间之差称为卫星钟的数学同步误差，其中&二豌+哦-4)+硕一4)。数学同步误差是由卫星导航电文中所给出的钟差参 i数。*1，0的预报误差以及被略去的随机项 琳 引起的。第六讲参考习题内容提要：本讲主要讲授第三章 定位中的误差源”的第四、五节。在卫星星历误差部分，重点从星历获取的来源、星历的精度等角度对广播星历与精密星历进行比较，分析星历误差对相 对定位的影响，提出减弱星历误差的相应措施。在电离层部分，重点讲授电离层误差的 产生原理与双频改正模型。习题：1 .试对广播星历与精密星历进行比较。答：卫星的广播星历是由全球定位系统的地面控制部分所确定和提供的，经卫星向全球 所有用户公开播发的一种预报星历，其精度较差。SA政策取消后，广播星历与IGS精密星历之差一般在10m以内。精密星历则是为满足大地测量、地区动力学研究等精密应用领域的需要而生产的一种 高精度的后处理星历（目前IGS也开始提供精密预报星历， 以满足高精度实时定位用户 的需要）。目前的精密星历主要有两种：由美国国防制图局（ DMA ）生产的精密星历 以及由国际服务（IGS）生产的精密星历。前者的星历精度约为2m；后者的精度则优于5cm。IGS是一个非军方的估计协作组织，其开放性也高。2 .在相对定位中，对于 20km长的基线，100m的星历误差对基线的精度影响最大有多 大？答：卫星星历误差对相对定位结果的影响一般可用下式来估计：,式中，状为卫星星历误差,Ab为卫星星历误差所引起的基线误差， b为基线长，。为 接收机至卫星的距离。1.影响TEC的因素有哪些？答：1 .电离层TEC随电离层的高度不同而变化。2 .随地方时的不同而变化，一般而言，白天的电子含量最高，黑夜的电子含量最低。3 .受到太阳活动的影响4 .随季节不同而变化，如 7月份和11月份的电子含量相差4倍。5 .受到地磁场变化的影响。6 .随着测站位置的不同而变化。2 .列出必要公式来说明怎样利用双频观测值来消除电离层的误差根据所学知识，相位观测值的电离层改正量为：d* =-驾TEC伪距观测值的电离层改正量403 dr-TEC 对于载波相位观测量，消除一阶电离层影响的两种有效组合形式为：* = 77% 一 段3” 2 54573 % 一 L98368 %中=炉 一号一升之=* 一 0箱以2争*J 对于双频伪距观测值，消除一阶电离层影响的两种有效组合形式为：P二蔡 P看匹=2.5457 斜-1.54572Q =凸-4臼=Q（力922Ji3.单频用户可以采用什么方式减弱电离层影响？答：对于单频载波相位测量而言，电离层效应距离偏差改正方法主要有相对定位，模型改正，半和改正法。距离较短时可用相对定位法，距离较远或者电离层非常活跃时应该用模型改正或半和改正。根据不同的情况选择合适的方法！4名词解释：色散效应，电离层改正答：复合光通过三棱镜等分光器由于波长频率的不同被分解为各种单色光的现象， 叫做光的色散。电磁波信号（卫星所发射的信号）在穿过电离层时，其传播速度会发生变化，变化程度主要取决于电离层中的电子密度和信号频率； 其传播路径也会略微弯曲，从而使得用信号的传播时间乘上真空中的光速c 后所得到的距离不等于从信号源至接收机的几何距离，对这种误差进行的改正称为电离层改正。第七讲参考习题主要内容主要介绍：对流层的概况、常用的对流层延迟改正模型、提高对流层延迟改正精度的方法； GPS 信号反射波的性质、 多路径误差的概念、 消除和消弱多路径误差的方法和措施；简要介绍：地球自转改正、天线相位中心改正重点讲授 ：对流层延迟及其改正方法；多路径误差及其改正方法1、 什么叫多路径误差？在GPS 测量中可采用哪些方法来消除或削弱多路径误差？答： 在 GPS 测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差” 。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称做多路径效应。多路径效应将严重损害GPS测量的精度，严重时还将引起信号的失锁，是 GPS测量中的一种重要的误差源。要消除或削弱多路径误差影响可采取的方法和措施有：）选择合适的测站 1、避免临近水域；2、不宜选择山坡上；3、注意离开高层建筑二）选择合适的 GPS 接收机1、在天线下设置抑径板或抑径圈；2、接收机天线对极化方向相反的反射信号应有较强的抑制能力；3、改进接收机的软、硬件三）适当延长观测时间2、 什么叫 GPS 接收天线相位中心偏差？在GPS 测量中可用哪些方法来消除其影响？答：GPS测量和定位时，天线对中是以接收机天线的几何中心为准的，天线的相位中心与其几何中心在理论应保持一致。然而，天线的相位中心实际上是随信号输入的强度和方向不同而变化的，即观测时相位中心的瞬时位置（一般称相位中心）与理论上的相位中心将不一致， 这种偏差称为天线相位中心偏差。 亦可以将天线相位中心偏差分成两部分考虑：平均相位中心与天线几何中心的偏差和瞬时相位中心与平均相位中心的偏差。对于前者的改正可以通过： 1 ）采用归心改正的方法，这种方法主要用于进行高精度单点定位以及采用不同类型的接收机天线进行相对定位时； 2）对于采用同一类型的接收机天线进行相对定位时，则可通过天线指北的方法来予以消除。而瞬时相位中心与平均相位中心的差异是随着卫星高度角的不同而变化， 且主要表现在高程方向上，平面上一般忽略不计，它的差异值一般均由接收机生产厂家直接给出，以方便用户使用。第八讲参考习题主要内容首先介绍用测距码测定伪距的方法，引述测距码测定伪距的优点，推导出 GPS 伪距测量观测方程； 然后介绍进行载波相位测量的原因， 重建载波的方法和载波相位测量原理，详细阐述载波相位测量的实际观测值并推导出载波相位测量的观测方程重点讲授 ：4.1 测距码测定伪距的方法、优点、GPS伪距测量观测方程4.2 载波相位测量原理及实际观测值、载波相位测量的观测方程1. 在 GPS 系统是如何用测距码来测定伪距的？答： 测距码是用以测定从卫星至地面测站间距离的一种二进制码序列。 利用测距码测定伪距，首先假设卫星钟和接收机钟均无误差，都能与标准的 GPS 时间保持严格同步。在某一时刻 t 卫星在卫星钟的控制下发出某一结构的测距码，与此同时接收机则在接收机钟的控制下产生或者说复制出结构完全相同的测距码（简称复制码）。由卫星所产生的测距码经 t时间的传播后到达接收机并被接收机所接收。由接收机所产生的复制码则经过一个时间延迟器延迟时间。后与接收到的危险能够信号进行比对。如果这两个信号尚未对齐，就调整延迟时间T,直至这两个信号对齐为止。此时复制码的延迟时间T就等于卫星信号的传播时间t,将其乘以真空中的光速C后即可得卫星至地面的距离p：p=p C=c。由于卫星钟与接收机钟不同步，以及信号在传播过程中受到大气层的影响 使得VWC,所以求得的距离P并不等于卫星到地面测站的实际距离，故将其称为伪距。2. 在全球定位系统中为何要用测距码来测定伪距？答：全球定位系统采用测距码来进行伪距测量，而不采用其他手段（如脉冲法），这是因为用测距码来测定伪距具有以下几个优点：1）易于将微弱的卫星信号提取出来。卫星信号的发射功率有限，很容易被一些干扰 信号（如电视台、移动电话台、微波中继站等）所掩盖，卫星信号的强度一般只有这些噪声信号强度的万分之一或更低。只有依据伪距码的独特结构，才能将卫星信号从噪声中提取出来；2）可提高测距精度。用测距码进行相关处理所获得的伪距观测值可以视为用积分间 隔中的每个码分别测距， 然后将测得的结果取平均后所获得的均值，其精度显然要高于 脉冲法测距的精度；3）便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理。接收机接受信号时，卫星信号 会连同噪声一起进入每个通道。但接收机在每个通道都规定了所观测卫星的PRN号，因此相应通道只产生相对应卫星的复制码，而其他卫星的测距码及噪声与该复制码可视为相互正交，相关系数的影响趋于零。这样就可以将其他卫星信号及噪声分离出去。因 此让每个通道皆产生与需要观测的卫星相同的测距码，就能同时对视场中的n颗卫星分别进行伪距观测，从而方便地实现对卫星信号的识别和处理；4）便于对系统进行控制和管理。采用测距码后，美国国防部可以通过公开某种码的 结构或对某种码结构进行保密来对用户使用该系统的程度加以控制。3 .写出伪距测量的观测方程并详细阐述方程中各项的含义。答：伪距测量观测方程工9二声斗傲如+如0。匕十小吃其中：P :真实的卫地几何距离p :伪距观测值物*电离层延迟改正我何 ：对流层延ifi改正“卫星钟改正数.：接收机钟改正数C-真空中的光速4 .载波相位测量的实际观测值是什么?答:进行载波相位观测时，GPS接收机实际能量测、提供给用户如下的观测值：1)跟踪到卫星信号后的首次量测值，不足一周的部分Fr ()2)其余各次观测值整周计数 Int ()第九讲参考习题主要内容首先介绍同类型同频率观测值的线性组合，解释必要参数和多余参数的概念，详细阐述 单差、双差、三差观测值；然后介绍同类型而不同频率观测值的线性组合，提出组合标 准，主要解释常用的两个线性组合观测值：宽巷观测值和无电离层延迟观测值重点讲授：单差、双差、三差，求差法的优点和缺点，宽巷观测值和无电离层延迟观测值 习题:1 .静态相对定位中，在卫星之间求一次差可有效消除或削弱的误差项为：AA.卫星钟差B.电离层延迟误差C.星历误差D.接收机钟差2 .什么是单差、双差和三差，它们各有什么特点？答：将直接观测值相减，所获得的结果被当做虚拟观测值，称为载波相位观测值的单差。包括在卫星间求一次差，在接收机间求一次差，在不同历元间求一次差三种求差法。在载波相位测量的一次求差基础上继续求差所获得的结果被当成虚拟观测值，称为双差。 常见的二次求差也有三种：在接收机和卫星间求二次差；在接收机和历元间求二次差； 在卫星和历元间求二次差。二次差仍可继续求差，称为求三次差。只有一种三次差，即 在卫星、接收机和历元间求三次差。考虑到GPS定位的误差源，实际上广为采用的求差法有三种：在接收机间求一次差，在接收机和卫星间求二次差，在卫星、接收机和历元间求三次差。他们各自的特点分别是：1）在接收机间求一次差： 可以消除卫星钟差；接收机钟差参数数量减少，但并不能消除接收机钟差；卫星星历误差、电离层误差、对流层延迟等的影响也可得以减弱。2）在接收机和卫星间求二次差： 卫星钟差被消去；接收机相对钟差也被消去；在每个 历元中双差观测方程的数量均比单差观测方程少一个；参数较少用一般的计算机就可胜任数据处理工作。3）在卫星、接收机和历元间求三次差：在二次差的基础上进一步消去了整周模糊度参数，但这并没有多少实际意义；三差解是一种浮点解；三差方程的几何强度较差。一般 在GPS测量中广泛采用双差固定解而不采用三差解，通常仅被当做较好的初始值，或 用于解决整周跳变的探测与修复、整周模糊度的确定等问题。3 .为什么在一般的 GPS定位中广泛采用双差观测值？答:由于双差观测存在以下的优点：消去了卫星钟差；接收机相对钟差也被消去；在每个 历元中双差观测方程的数量均比单差观测方程少一个；参数大大减少，用一般的计算机就可胜任数据处理工作。4 .为什么在静态相对定位载波测量中广泛采用求差法？答:在载波测量中，多余参数的数量往往非常多，这样数据处理的工作量十分庞大，对计算机及作业人员的素质也会提出较高的要求。止匕外，未知参数过多使得解的稳定性减弱。而通过观测值相减即求差法可消除多余观测数，从而大大降低了工作量。5 .什么是宽巷观测值？如何利用宽巷观测值？答:宽巷观测值 /眼迹为两个不同频率的载波（LJ2）相位观测值间的一种线性组合，即5V缸蜘-虹1 %。其对应的频率为J34782M1L ,对应的波长为 如.二环19cm ,对应的整周模糊度为 心曲加 二%.生。由于宽巷观测值的波长达86cm,利用它可以很容易准确确定其整周模糊度，进而准确确定N1和N2。第十讲参考习题主要内容首先介绍产生周跳的原因，提出周跳的探测及修复方法：高次差值法、多项式拟 合法、其他方法等；然后介绍静态定位、动态定位、准动态定位中常用的模糊度 确定方法：已知基线法、交换天线法、go and stop法、OTF法等，详细阐述整数 解和实数解的概念重点讲授：探测修复周跳的方法；整周模糊度的确定方法习题：1 . 什么叫整周跳变？在 GPS测量中应如何来解决整周周跳问题？答：如果由于某种原因使计数器在某段时间内的累计工作产生中断， 那么恢复累 计后的所有计数中都含有同一偏差， 该偏差为中断期间所丢失的整周数。 对于不 足一周部分而言，由于接收机的正常工作，仍然是正确的，这种整周计数出现错 误而不足一周部分仍然正确的现象称为整周跳变，简称周跳。周跳会影响结果精度，应该进行探测和修复。主要有高次差法，多项式拟 合法，用双频P码探测修复以及三次差法。2 .详细介绍用高次差法或多项式拟合法修复整周跳变的算法。(仅选一种介绍)答:(1)高次差法对于一组不含整周跳变的实测数据，在相邻的两个观测值间依次求差而求得一次差，由于一次差实际上就是相邻两个观测万元卫星至接收机的距离之差，也等于两个万元间卫星的径向速度的平均值与采样间隔的乘积。因此径向的变化在求一次差后就要平缓得多。同样，在两个相邻的一次差问继续求差就得二次差。二次差为卫星的径向加速度的均值与采样间隔乘积，变化更加平缓。采用同样的办法求至四次差时，其值已趋于零，其残余误差已呈现偶然特性。对于存在周跳的实测数据，如果从某个观测值开始有100周的周跳，就将使各 次差产生相应的误差，而且误差的量会逐次放大，根据这一原理可探测出周跳发 生的位置及其大小。(2)多项式拟合法:将m个无周跳的载波相位观测值代入下式，进行多项式拟合:(i=1,2,.京=闻+01出+31Kti 也广,m;mn+1)用最小二乘法求得式中的多项式系数a0,a1,.,an,并根据拟合后的参差计算出中误差.用求得的多项式系数来外推下一万元的载波相位观测值并与实际 观测值进行比较，当两者之差小于3倍中误差时，认为该观测值无周跳.去掉最早 的一个观测值，假如上述无周跳的实际观测值后2Bi续上述过程进行多项式拟合.当外推值与实际观测值之差大于等于3倍中误差时，认为实际观测值有周跳.此时应采用外推的整周计数去取代有周跳的实际观测值中的整周计数，但不足一周的部分Fr()仍保持不动.然后继续上述过程，直至最后一个观测值为止。3 .在基线解算时，求解整周未知数的常用方法有哪些？答：取整法；置信区间法；模糊度函数法；整数解和实数解4 .为什么说准确确定整周未知数是载波相位测量中的关键问题？答：（1）精确的1（4及修复周跳后的整周计数只有与正确的 N配合使用才有意 义，N出错将严重损害定位精度和可靠性。（2）在一般的GPS测量中，定位所需的时间即为确定模糊度所需的时间，快速确定N对提高GPS定位速度，提高作业效率具有重要作用。5 .为什么在短基线GPS测量时一般都采用双差固定解？答：在短基线测量中，由于测站间所受到的误差相关性好， 利用双差法就能较完 善地将这些误差消除，因而通常都能获得固定解。在中长基线测量中，误差的相 将性将减弱，初始解的误差将随之增大，从而使模糊度参数很难固定。6 .何谓基线解算中的整数解（固定解）？简要说明其计算方法及优点？答：当整周模糊度参数取整数时所求得的基线向量解称为整数解，也称为固定解。 计算步骤如下：1）求初始解。用修复周跳、剔除粗差后的载波相位观测值进行基线向量 的解算，求得基线向量及整周模糊度参数， 这种解称为初始解。由于各种误差的 影响，初始解中的模糊度参数一般为实数。2）将整周模糊度固定为整数。采用取整法、置信区问法或其他方法，非 常有把握将上述模糊度参数一一固定为整数。3）求固定解。将上述固定为整数的模糊度参数作为已知值代回法方程式，重新求解基线向量，从而获得固定解整数解是在模糊度参数已被恢复为真值的基础上求得的， 是与一组不受误差影响的、正确的、模糊度参数相对应的解，所以精度较高。第十一讲参考习题主要内容首先介绍单点定位所用的坐标系，阐述用测码伪距进行单点定位的方法，精密单点定位的基本概念；然后详细解释三个基本概念：静态相对定位、动态相对定位、准动态相对定位重点讲授：用测码伪距进行单点定位；静态相对定位和动态相对定位习题：1.什么是伪距单点定位？说明用户在使用GPS接收机进行伪距单点定位时，为何需要同时观测至少4颗GPS卫星？答：根据GPS卫星星历和一台GPS接收机的伪距测量观测值来直接独立确定用户接收机天线在 WGS-84 坐标系中的绝对坐标的方法叫伪距单点定位， 也叫绝对定位。 由于进行伪距单点定位时， 每颗卫星的伪距测量观测值中都包含有接收机钟差这一误差， 造成距离测量观测值很不准确。 需要将接收机钟差作为一个未知数加入到伪距单点定位的计算中，再加上接收机天线坐标三个未知数，为了不造成方程秩亏无法求解，就至少需要4 个伪距观测值，即需要同时观测至少4 颗 GPS 卫星。2 . 什么是静态相对定位载波测量？答： 如果待定点在地固坐标中的位置近似为固定不变，通过载波测量确定这些待定点间的相对位置成为载波相对定位。3 .简述go and stop法的基本原理，以及该方法的适用范围。答： 保持连续跟踪的所有载波相位观测值中都有相同的整周未知数，只要首先设法确定这些整周未知数， 并在以后的迁站中保持继续保持对卫星的跟踪，当接收机到达新的测站点就不需要再确定整周未知数了。这样在新点上只需要1 2分钟的观测就可以精确确定基线向量。走走停停法从形式上看类似于动态定位，因为接收机在迁站过程中仍需开机观测， 保持对卫星的连续跟踪。 但这种跟踪的目的不是为了确定接收机的运动轨迹而是为了传递整周模糊度， 以便达到定点后可实现快速定位。 该方法通常是采用已知基线法和交换天线法来快速确定整周模糊度的（这一过程也被称为 “初始化 ”）。这种方法只在开阔地区适用， 在一般地区，常因为各种遮挡在迁站过程中失锁而无法传递整周模糊度！第十二讲参考习题主要内容首先介绍差分GPS的产生及原理；然后介绍差分GPS分类（根据差分GPS基准站发送的信息方式的不同）：位置差分、伪距差分、相位差分；提出差分GPS 网的分类方法：单基准站差分GPS、 具有多个基准站的局域差分GPS、 广域差分 GPS， 最后介绍广域差分 GPS 的新进展。重点讲授：差分GPS原理、分类，单站差分和广域差分gps习题：1请简述差分 GPS 的基本原理。何为位置差分？何为距离差分？答：利用误差的空间相关性以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性， 从而定位结果也有一定的空间相关性。差分 GPS 的基本原理：利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果差分改正数的类型：距离改正数： 利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离， 计算距离减去观测距离即为距离改正数。这种方法称为距离差分。位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS 卫星进行观测，确定出测站的观测坐标， 测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。 这种方法称为位置差分。2 .什么是广域差分GPS及其组成？答：在一个相当大的区域中，较为均匀的布设少量的基准站组成一个系数的差分GPS网， 各基准站独立进行观测并将求得的距离差分改正数传送给数据处理中心，由数据处理中心进行统一处理，以便将各种误差分离开来，然后再将卫星星历改正数、卫星钟差改正数以及大气延迟模型等播发给用户，这种差分系统称为广域差分系统。广域差分系统主要由基准站、数据处理中心、数据通信链、监测站及用户等部分组成。基准站的数量视覆盖面积及用途而定，广域差分GPS 系统（ WAAS ）的数据通信链包括两个部分：一是基准站，监测站，数据处理中心等固定站间的数据通信链；二是系统与用户之间的数据通信链。