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> GPS相位观测值中周跳的探测与修复GPS相位观测值中周跳的探测与修复更新：&&&&编辑：心迹&&&&来源：互联网&&&&人气：加载中...&&&&字号：|标签：&&&&&&&&&&&&
　　1 引 言　　在利用GPS载波进行定位时，要达到高精度，必须保证数据中无载波周跳，因此正确检测与周跳是GPS数据处理中的一个关键。周跳与的基本思路是通过合理的数据处理，得出精确反映周跳变化的检测量序列，从检测量序列中出周跳发生的位置和大小并修复，最后将周跳改正后的数据序列参与解算。目前已有的检测周方法主要有差分法、多普勒频移法、伪距相位组合法、电离层残差法、卡尔曼滤波法和站间或站星间差分法。这几种方法各有特点，但也都有其局限性：差分法主要用于探测较大的周跳，因为差分法在放大周同时也放大了噪声；多普勒频移探测周跳时，必须保证至少前四个时元的载波相位值没有周跳，继而用他们来探测和修复第五个时元的载波相位观测值的周跳，另外以上两种方法在动态情况下不能探测出小周跳；伪距相位组合法周跳的探测能力倚赖于伪距观测量的精度，一般需要接收机能够输出P码伪距，对单频接收机不适用；电离层残差法是目前效果最好的周跳探测方法之一，但也不能应用于单频接收机；卡尔曼滤波法在当运动载体机动加速度较大时不能有效探测和修复周跳。　　本文提出一种新方法，基本思想是：首先采用三阶多项式模型的卡尔曼滤波对载波相位测量值进行预处理，找出一组不含有周跳的观测值，然后再用奇偶矢量法探测下一观测值是否含有周跳，依次循环，完成周跳探测与修复。　　2载波相位测量值的预处理　　在进行探测和修复周跳时，一些方法必须保证至少前四个历元的观测值不含有周跳，从而用来探测和修复第五个观测值的周跳。本文首先利用三阶多项式模型的卡尔曼滤波进行预处理，用残差平方和检验前N个历元的观测值有无周跳，选出不含有周跳的N个历元，然后用奇偶矢量法探测第N+1个历元是否含有周跳，依次循环。　　首先建立GPS载波相位测量的动态模型和测量方程分别为：　　 ；　　第四步：求出奇偶空间矢量，并将奇偶矢量投影到Q2的每一列，进行标准化，得到检验统计量ti；　　第五步：根据误警率Pw，确定周跳检测门限Tr；　　第六步：对每个统计量ti与Tr比较，若ti&Tr，根据式(13)检测到第k个历元含有周跳。　　第七步：当探测出有周跳发生后，根据式(14)和式(15)进行周跳的修复，从而修正载波相位测量值。　　　　4.2仿真结果　　为验证该方法的正确性，，我们利用一组无周跳数据人为地增加跳值后进行了周跳的探测和修复，进行下列模拟实验，所用数据(表1)为某OEM板输出的数据，数据采样间隔为1 s，表2中为人为添加跳值时探测的结果。　　经过载波相位预处理得知，根据建立的动态方程和测量方程用7点进行三阶多项式平滑，判断出第1～7个历元中不含有周跳，然后用这7个历元来探测下面12个历元，如表2所示，在第8个历元中加入1周，在第18个历元中加入1周，可以看出，L(8)和L(18)发生了周跳，其他历元均没有发生周跳。利用式(15)得到周跳的估值后即可对载波相位测量值进行修复。　　　　5结 语　　本文对GPS载波相位定位中出现的周跳进行了讨论，并提出一种新方法，首先用多项式模型的卡尔曼滤波对载波相位测量值进行预处理，然后采用奇偶矢量法进行探测周跳。通过对某0EM板上输出的数据进行仿真分析，结果表明该方法可以探测出小周跳，从而验证了该方法的有效性。　　作者：石小丽，陈小平，钟尔杰　　(1．电子科技大学 电子科学技术研究院 四川 成都610054；　　2．电子科技大学应用数学学院 四川 成都 610054)
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第一套 一、单项选择题（每小题 1 分，共 10 分） 1.计量原子时的时钟称为原子钟，国际上是以（ C）为基准。 A、铷原子钟 B、氢原子钟 C、铯原子钟 D、铂原子钟 A ）的区 2.我国西起东经 72°，东至东经 135°，共跨有 5 个时区，我国采用（ 时作为统一的标准时间。称作北京时间。 A、东 8 区 B、西 8 区 C、东 6 区 D、西 6 区 3.卫星钟采用的是
GPS 时，它是由主控站按照美国海军天文台（USNO） （ D ）进行调整的。在 1980 年 1 月 6 日零时对准，不随闰秒增加。 A、世界时（UT0） C、世界时（UT2） A、 C、 地心坐标系 参心坐标系 B、世界时（UT1） D、协调世界时（UTC） B、 球面坐标系 D、 天球坐标系4.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系是（ C）坐标系。5. GPS 定位是一种被动定位，必须建立高稳定的频率标准。因此每颗卫星上都必须 安装高精确度的时钟。当有 1×10― 9s 的时间误差时，将引起（ B ）M的距离误差。 A、20 A、JYD1958.0 B、30 B、JYD1968.0 C、40 D、50 B） 。 D、JYD. 1977 年我国极移协作小组确定了我国的地极原点，记作（ C、JYD. 在 GPS 测量中，观测值都是以接收机的（ 中心应该与其几何中心保持一致。 A、几何中心 C、点位中心 B、相位中心 D、高斯投影平面中心B ）位置为准的，所以天线的相位8.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球 元素，其长半径和扁率分别为（ B） 。 A、a=6378140、α =1/298.257 C、a=6378145、α =1/298.357 B、a=6378245、α =1/298.3 D、a=6377245、α =1/298.09.GPS 系统的空间部分由 21 颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成， 它们均匀分布在 （D ） 相对与赤道的倾角为 55°的近似圆形轨道上，它们距地面的 平均高度为 20200Km，运行周期为 11 小时 58 分。 A、3 个 B、四个 C、五个 D、6 个 10.GPS 卫星信号取无线电波中 L 波段的两种不同频率的电磁波作为载波， 在载波 2 L 上调制有（A） 。A、P 码和数据码 C、C/A 和数据码 二、名词解释(5×4 分)B、C/A 码、P 码和数据码 D、C/A 码、P 码1、SA 技术: 其主要内容是： （1）在广播星历中有意地加入误差，使定位中的已知 点（卫星）的位置精度大为降低； （2）有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟 的频率产生快慢变化，导致测距精度大为降低。 2、多普勒定位法: 根据多普勒效应原理，利用 GPS 卫星较高的射电频率，由积分 多普勒计数得出伪距差。 3、整周跳变：接收机在信号跟踪接收过程出现信号中断使计数器无法连续计数， 恢复正常后小数部分正确，但整周数发生跳跃，即出现整周跳变。 4、 相对论效应： GPS 测量中由于卫星钟和接收机钟在惯性空间钟的运动速度不同以 及所处的位置引力位的不同而引起的测量误差。 5、赤经：指赤道坐标系的经向坐标，过天球上一点的赤经圈与过春分点的二分圈 所交的球面角。 三、填空(20×1 分) 1、由于地球内部和外部的动力学因素，地球极点在地球表面上的位置随时间而变 化，这种现象叫 极移。随时间而变化的极点叫 瞬时极 ，某一时期瞬时极的平均位 星历误差 、 钟误差 、 。 相 置叫平地极，简称平极 。 2、GPS 定位误差中跟卫星有关的误差主要有 对论效应 。 边连式 、 网连式 。 。3、在一般的 GPS 短基线测量中，向量解的形式应尽量采用双差固定解 4、GPS 控制网的网形主要有： 点连式、 5、测地型 GPS 测量时，其基本观测量是 伪距 、 载波相位6、数据码即导航电文，它包含着卫星的星历、卫星、时间系统、运行状态、轨道 摄动改正、大气折射改正、由 C/A 码捕获 P 码的信息等。 7、动态定位是用 GPS 信号地测得运动载体的位置。按照接收机载体的运行速度， 又将动态定位分成低动态、中等动态、高动态三种形式。 8、按照《规范》规定，我国 GPS 测量按其精度依次划分为 AA 六级，其中 D 级网的相邻点之间的平均距离为 10～5km，最大距离 9、GPS 通用数据交换格式的名称为： Rinex 四、简答题(50 分) 1. 简述 GPS 信号接收设备的其结构和作用。 （10 分） 答： （1）天线（带前置放大器） ； （2）信号处理器，用于信号接收、识别和处理； （3） 。 、A、B、C、D、E 15 km。微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算； （4）用户信息传输，包括操作 板、显示板和数据存储器； （5）精密振荡器，用以产生标准频率； （6）电源。 2. 在用 GPS 信号传递时间时，存在着哪三种时间尺度（时标）？（10 分） 答：其一为 GPS 时间，它是一种全球性的时间信号源，用以进行精确的时间比对； 二是每颗 GPS 卫星的时钟； 三是用户的接收机时钟。 GPS 定时的实质是测定用户时钟相 对于 GPS 时间的偏差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界协调时（UTC） 。 3、试述历元平天球坐标系到协议地球坐标系的转换过程（15 分） 答： （1）岁差旋转变换 ZM（t0)表示历元 J2000.0 年平天球坐标系 z 轴指向，ZM（t）表示所论历元 时刻 t 真天球坐标系 z 轴指向。两个坐标系间的变换式为：?x ? ?x ? ? y? ? ? Rz (? Z A ) Ry (? A ) Rz (?? A ) ? ? ? ? y? ? ? ?z ? ? M (t ) ?z ? ? M ( t0 )式中：ζ A ，θ A，ZA 为岁差参数。（2）章动旋转变换 类似地有章动旋转变换式：?x ? ?x ? ? y ? ? R (?? ? ?? ) R (??? ) R (? ) ? y ? x z x ? ? ? ? ? ? ? z ? ? c (t ) ?z ? ? M (t )式中：ε 为所论历元的平黄赤交角，Sψ ，Sε 分别为黄经章动和交角章动参数。 （3）瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的转换关系为：?x ? ?x ? ? y ? ? R (? ) ? y ? z G ? ? ? ? ? ? ?z ? ? et ?z ? ? ct下标 et 表示对应 t 时刻的瞬时极地球坐标系， ct 表示对应 t 时刻的瞬时极天球坐标系。 θ G 为对应平格林尼治子午面的真春分点时角。 （4）平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：?x ? ?x ? ? y ? ? R ( ? x?? ) R ( y?? ) ? y ? y p x p ? ? ? ? ? ? ?z ? ? em ?z ? ? et下标 em 表示平地球坐标系，et 表示 t 时的瞬时地球坐标系， x?p? , y?p? 为 t 时刻以角度表 示的极移值。4、简述所学南方 GPS 基线处理软件进行控制网内业平差的步骤。 （15 分） 答： 一、基线向量解算程序： （1）.获取观测数据： a.选择相应接收机类型后进入文件对话框，找到任意一个 GPS 数据文件 b.对 GPS 数据文件取名 （2）信息编辑：输入天线高，测站名和测站坐标。 （3）解算方法及参数选择： a.L1、L2 单频解算；双频宽项(Widelane)解算 b.控制参数(起始历元、总共历元、采样频率、截止角、卫星删除 ) （4）解算 （5）解算成果查询 二、网平差程序： （1）获取基线数据：建立基线目录，统一基线结果文件格式；选择一个基线结果文件 调入。 （2）计算闭合差：选择基线各种不同解以及编辑删除基线;计算基线闭合差;查询计算 结果文件 （3）参数选择： ①坐标系选择; ②输入中央子午线和确定投影方式 ③选择坐标转换类型。求平移参数(shift),求尺度比参数(scale),求旋转参数(rot) ④选择海拔高拟合方式。 简单平移(C)； 平面拟和(C+X+Y)； XY 二次曲面拟和(C+X+Y+XY)； 二次曲面拟和(C+X+Y+XY+XX+YY) （4）平差计算 （5）平差成果查询第二套一、单项选择题（每小题 1 分，共 10 分） 1.在 GPS 测量中，观测值都是以接收机的（ B ）位置为准的，所以天线的相位中 心应该与其几何中心保持一致。 A、几何中心 C、点位中心 A、横轴墨卡托投影 C、等角圆锥投影 A、铷原子钟 B、氢原子钟 B、相位中心 D、高斯投影平面中心 B、高斯投影 D、等距圆锥投影 C、铯原子钟 D、铂原子钟2. 在使用 GPS 软件进行平差计算时，需要选择哪种投影方式（ A ） 。3. 计量原子时的时钟称为原子钟，国际上是以（ C ）为基准。 4. GPS 系统的空间部分由 21 颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成，它们均匀分布在 （ D ）相对与赤道的倾角为 55 °的近似圆形轨道上，它们距地面的平均高度为 20200Km，运行周期为 11 小时 58 分。 A、3 个 B、4 个 C、5 个 D、6 个 5. GPS 定位是一种被动定位，必须建立高稳定的频率标准。因此每颗卫星上都必须 安装高精确度的时钟。当有 1×10― 9s 的时间误差时，将引起（ B ）M的距离误差。 A、20 A、 C、 地心坐标系 参心坐标系 B、30 C、40 D、50 6.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系是（ C ）坐标系。 B、 球面坐标系 D、 天球坐标系7.我国在 1978 年以后建立了 1980 年国家大地坐标系，采用的是 1975 年国际大地 测量与地球物理联合会第十六届大会的推荐值，其长半径和扁率分别为（ A ） 。 A、a=6378140、α =1/298.257 C、a=6378145、α =1/298.357 B、a=6378245、α =1/298.3 D、a=6377245、α =1/298.08.我国西起东经 72°，东至东经 135°，共跨有（ D ）个时区，我国采用东 8 区 的区时作为统一的标准时间。称作北京时间。 A、2 B、3 C、4 D、5 9. 地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动，春分点在黄道 上随之缓慢移动，这种现象称为（ A ） 。 A、岁差 特率为（ D ） 。 B、黄赤交角 C、黄极 D、黄道 10.基准站 GPS 接收机与 TRIMMRKⅡ（UHF）数据链无线电发射机之间的数据传输波A、4800B、9600C、19200D、38400二、名词解释（5×4 分） 1、 WGS-84 大地坐标系: 坐标系的原点是地球的质心,Z 轴指向 BIH1984.0 定义的协 议地球极(CTP)方向,X 轴指向 BIH1984.0 的零度子午面和 CTP 赤道的交点,Y 轴和 Z,X 轴构成右手坐标系。 2、多路径效应: 在 GPS 测量中，测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机 天线，并和直接来自卫星信号产生干涉，从而使观测值偏离真值。这种由于多路径的 信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。 3、 伪距: GPS 定位采用的是被动式单程测距。 它的信号发射时刻是由卫星钟确定的， 收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地 包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。 4、静态定位: 如果在定位时，接收机的天线在跟踪 GPS 卫星过程中，位置处于固 定不动的静止状态，这种定位方式称为静态定位。 5、广播星历: 卫星将地面监测站注入的有关卫星运行轨道的信息，通过发射导航 电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历，这种星 历就是广播星历。 三、填空(20×1 分) 1、差分 GPS 可以分为单站 GPS 差分（SRDGPS） 、局部差分 、广域差分三种类型。 2、GPS 接收机按载波频率分为：单频接收机 、双频接收机。 3、GPS 卫星信号包含 载波 、 测距码 、 数据码 三类。 4、数据码即导航电文，它包含着卫星的星历、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、由 C/A 码捕获 P 码的信息等。 5、利用双频技术可以消除或减弱 电离层 折射对观测量的影响，基线长度不受限 制，所以定位精度和作业效率较高。 6、GPS 是美国的卫星定位系统的简称，目前在运行和正在研制、即将运行的卫星定 位系统主要还有俄罗斯的 GLONASS、欧盟的伽利略系统 GNSS（Galileo） 、中国的北斗 一号/北斗卫星导航定位系统。 7、考虑到 GPS 定位时的误差源，常用的差分法有如下三种：在接收机间求一次差； 在接收机和卫星间求二次差；在接收机、卫星和 观测历元间 8、GPS 接收机检验的主要内容有 一般性检验 求三次差。 。 、 实质性检验9、天线的定向标志线应指向 正北 。其中 A 与 B 级在顾及当地磁偏角修正后，定 向误差不应大于 ±5°。天线底盘上的圆水准气泡必须居中。 10、在对卫星所有的作用力中, 地球重力场 的引力是最重要的。如果将它的引 力视为 1，则其它作用力均小于 10-5。四、简答题(50 分) 1、 GPS 技术设计中应考虑哪些因素？（10 分） 答：技术设计主要是根据上级主管部门下达的测量任务书和 GPS 测量规范来进行 的。它的总的原则是，在满足用户要求的情况下，尽可能减少物资、人力和时间的消 耗。在工作过程中，要考虑下面一些因素： （1）测站因素； （2）卫星因素； （3）仪器 因素； （4）后勤因素。 2、 试说明载波相位观测值的组成部分（10 分） 答：完整的载波相位观测值是由三部分组成的：即载波相位在起始时刻沿传播路径 延迟的整周数 ，和从某一起始时刻至观测时刻之间载波相位变化的整周数 ，以及接 收机所能测定的载波相位差非整周的小数部分 。 3、详细阐述 GPS 测量数据处理的具体过程。 （16 分） 答： （1）数据采集。野外数据采集。 （2）数据传输。数据传输并分流生成四个文件：载波相位和伪距观测方程，星历参 数文件，电离层参数和 UTC 参数文件，测站信息文件。 （3）数据预处理：对数据进行平滑滤波检验、剔除粗差，统一数据文件格式并将 各类数据文件加工成标准化文件。找出整周跳变点，修复观测值，对观测值进行模型 改正。 ○ 1 GPS 卫星轨道方程标准化 Pi（t）=ai0+ai1*t+??+ ain*tn ○ 2 卫星钟差标准化 Δ t=a0+a1（t-t0）+ a2（t-t0）2 ○ 3 观测文件的标准化 （4）GPS 向量的解算。利用载波相位观测值双差求解或向量解算法求解基线向量， 是一复杂的平差过程。 ○ 1 观测值残差分析 ○ 2 基线长度精度 ○ 3 基线向量环闭合差及检核 （5）GPS 网平差。以 GPS 基线向量为观测值以其方差阵之逆阵为权，进行平差计 算消除多种图形闭合条件不符值，求定各 GPS 网点坐标并进行精度评定。 4、阐述伪距测量和载波相位测量的基本原理，并写出它们的观测方程。 （14 分） 答： 伪距法定位是由 GPS 接收机在某一时刻测得四颗以上 GPS 卫星的伪距及已知的 卫星位置，采用距离交会法求定接收机天线所在点的三维坐标。GPS 卫星依据自己的 时钟发出某一结构测距码， 该测距码经过 t 时间传播后到达接收机。 接收机同时产生一 组结构完全相同测距码（复制码）并通过时延器进行相关处理使两者完全对齐，则其 延迟时间即为传播时间，与光速乘积即得伪距观测值。 观测方程：[（Xjs-X）2+（Xjs-X）2+（Xjs-X）2]1/2-cδ tk=ρ j+δ ρ j1+δ ρ j2- cδ tj 载波相位测量以 GPS 接收机接收到的载波信号与本振参考信号的相位差作为观测量， 接收机跟踪卫星信号，不断测定小于一周的相位差。对载波相位观测量运用各种求差 模型解算接收机天线的位置。 观测方程：Φ jk=f/c*ρ +f*δ ta- f*δ tb-f/c*δ ρ 1-f/c*δ ρ 2+Njk第三套一、单项选择题（每小题 1 分，共 10 分） 1.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球 元素，其长半径和扁率分别为（ B ） 。 A、a=6378140、α =1/298.257 C、a=6378145、α =1/298.357 A、横轴墨卡托投影 C、等角圆锥投影 B、a=6378245、α =1/298.3 D、a=6377245、α =1/298.0 B、高斯投影 D、等距圆锥投影2.在使用 GPS 软件进行平差计算时，需要选择哪种投影方式（A） 。3.我国西起东经 72°，东至东经 135°，共跨有（ D ）个时区，我国采用东 8 区 的区时作为统一的标准时间。称作北京时间。 A、2 B、3 C、4 D、5 4.在进行 GPS―RTK 实时动态定位时，需要计算在开阔地带流动站工作的最远距离， 已知 TRIMMRKⅡ （UHF） 数据链无线电发射机天线的高度为 9m， 流动站天线的高度为 2m， 则流动站工作的最远距离为（ A ） 。 A、18.72m B、16.72m C、18.61m D、16.61m 5. 1884 年在美国华盛顿召开的国际会议决定采用一种分区统一时刻，把全球按经 度划分为 24 个时区，每个时区的经度差为 15 °，则相邻时区的时间相差 1h。这种时 刻叫（ D ） 。 B、历书时 C、恒星时 D、区时 A、世界时6. 地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动，春分点在黄道 上随之缓慢移动，这种现象称为（ A） 。 A、岁差 率和波长分别为（ B、黄赤交角 C ） ： C、黄极 D、黄道 7.GPS 卫星信号取无线电波中 L 波段的两种不同频率的电磁波作为载波，它们的频A、 f1 ? 1575.02MHz， ?1 ? 19.13cm B、 f1 ? 1575.32MHz， ?1 ? 19.23cm C、 f1 ? 1575.42MHz， ?1 ? 19.03cm D、 f1 ? 1575.62MHz， ?1 ? 19.53cmf2 ? 1227.60MHz， ?2 ? 24.22cm f2 ? 1227.66MHz， ?2 ? 22.42cm f2 ? 1227.60MHz， ?2 ? 24.42cm f2 ? 1227.06MHz， ?2 ? 24.12cm8.测量工作的直接目的是要确定地面点在空间的位置。早期解决这一问题都是采用 ( B )测量的方法。 A、卫星 B、天文 C、大地 D、无线电 9.单频接收机只能接收经调制的 L1 信号。但由于改正模型的不完善，误差较大， 所以单频接收机主要用于（ A )的精密定位工作。 A、基线较短 B、基线较长 C、基线≥40km D、基线≥30km 10.GPS 接收机天线的定向标志线应指向 （ D ） 。 其中 A 与 B 级在顾及当地磁偏角修 正后，定向误差不应大于±5°。 A、正东 B、正西 C、正南 D、正北二、名词解释(5×4 分) 1、世界协调时：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 中的时间系统。 2、 参考站:在一定的观测时间内， 一台或几台接收机分别固定在一个或几个测站上， 一直保持跟踪卫星，其余接收机在这些测站的一定范围内流动站作业，这些固定测站 就称为参考站。 3、被动式测距:发射站在规定的时刻内准确地发出信号，用户则根据自己的时钟记 录信号到达的时间，根据这一时差 求得单程距离 。由于用户只需被动的接收信号， 故将这种测距方式称为被动式测距。 4、导航电文：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） ，是 利用 GPS 进行定位的数据基础。 5、多普勒定位法 : 根据多普勒效应原理，利用 GPS 卫星较高的射电频率，由积 分多普勒计数得出伪距差。 三、填空(20×1 分) 1、GPS 全球定位系统具有全能性、全球性、全天候、 连续 定位和定时功能。能为各类用户提供精密的 位置 指向、长度单位 。 3、 GPS 系统的空间部分由 21 颗工作卫星及 行伪距定位时，至少需要同时观测 4 颗卫星。 4、在 GPS 测量定位中，与接收机有关的误差主要有接收机钟误差、接收机位置误 差、 中心位置 误差和载波相位观测误差等。 3 颗备用卫星组成， 它们均匀分布在 6 个轨道上，距地面的平均高度为 20200km，运行周期为 11 小时 58 分。GPS 接收机进 性和实时性的导航、 、速度和时间。2、 定义一个空间直角坐标系需要确定的三个要素是坐标原点的位置、 3 个坐标轴的5、GPS 接收机按接收载波的频率可分为：导航型接收机和测地型接收机。 6、确定 GPS 卫星轨道平面的参数是升交点赤经，轨道面的倾角。 7、降低 GPS 测量过程中的多路经效应的影响主要措施有选择合适的站址和对接收 机天线的要求。 8、在定位工作中，可能由于卫星信号 被暂时阻挡，或受到外界干扰影响，引起卫 星跟踪的暂时中断，使计数器无法累积计数，这种现象叫 整周跳变 9、GPS 接收机重建载波的主要方法有平方法、码相关法。 四、简答题(30 分) 1、简述 GPS 载波相位测量中，产生整周未知数的原因以及在观测过程中是如何让 其保持固定值？（10 分） 答：对于第一个历元观测时刻（to 时刻） ，载波相位观测中，φ 0 =N0+Fr0 ,实际观 测值是 Fr0 ，是不足一周的小数部分波长，而整数部分的波长 N0 是无法测得的，这就 是产生的整周未知数。 要让它保持固定值就要进行连续观测，对于后续的历元观测时刻，载波相位观测中φ i=N0+Fri+INT(φ i),实际观测值是 Fri 和整周计数 INT(φ i)。所以通过两个以上历元 的连续观测，未知数没有变化，观测方程个数增加，就可以求解整周未知数。 。2、简述实测星历的概念及意义。 （10 分） 答：它是根据实测资料进行拟合处理而直接得出的星历。它需要在一些已知精确位 置的点上跟踪卫星来计算观测瞬间的卫星真实位置，从而获得准确可靠的精密星历。 这种星历要在观测后 1~2 个星期才能得到，这对导航和动态定位无任何意义，但是在 静态精密定位中具有重要作用。 3、怎样用双频观测值来消除电离层延迟误差（10 分） 答：双频是同时接收 L1.L2 载波的信号，利用两频率对电离层延迟的不一样，可消 除电离层对电磁波延迟的影响.对于所有的 GPS 观测数据而言，电离层的误差都是固有 的，但通过结合两个频率的卫星观测信息，可以通过建立模型有效的消除这种误差。 五、论述及分析题（20 分） 1.根据下列控制网的图形， 用三台双频 GPS 接收机作业， 相临点之间的距离约 1km， 仪器迁移时间约 20～30 分钟， 已知接收机的使用序号和天线编号如下表， 时间为 2005 年 1 月 17 日。请回答下列问题。 （15 分） 序 号 机 号1 2 3 格式；06 d①根据右图编写定位的先后次序，并根据考试当天的时间在相应位置上写出 GPS 文件 ②根据下图 PDOP 值选择最佳的观测时段，填入 GPS 作业调度表中； ③根据控制网的图形的观测顺序和观测时间填写 GPS 作业调度表；时段 编号0 1观测时间8：10～8：40 8：50～9：20测站号/名 机号a 2919 c 2919测站号/名 机号b 2930 b 2930测站号/名 机号d 5306 d 5306时间为 2005 年 1 月 17 日，故 GPS 文件格式为： 第一个三角形 a：.dat b：.dat 第二个三角形 d：.dat b：.dat 注：除 4 时和 8 时左右外，观测时间可以任选。c：.dat c：.dat2.已知权系数阵为：试从权系数阵中取出若干权系数元素，写出平面位置的图形强度因子 HDOP 和及其相应的平面位置精度，空间位置的图形强度因子 PDOP 和及其相应的三维位置精 度。 （5 分） 答：①平面位置的图形强度因子： HDOP ? q11 ? q22 相应的平面位置精度： mH ? HDOP? ? 0 ②空间位置的图形强度因子：PDOP ? q11 ? q22 ? q33相应的三维位置精度： mP ? PDOP? ? 0第四套一、单项选择题（每小题 1 分，共 10 分） 1.在进行 GPS―RTK 实时动态定位时，基准站放在未知点上，测区内仅有两个已知 点， （ C ）定位测量的精度最高。 B、一个已知点高，一个已知点低 D、两个已知点连线的精度高 A、两个已知点上 C、两个已知点和它们的连线上2.在进行 GPS―RTK 实时动态定位时，需要计算在开阔地带流动站工作的最远距离， 已知 TRIMMRKⅡ （UHF） 数据链无线电发射机天线的高度为 9m， 流动站天线的高度为 2m， 则流动站工作的最远距离为（ A、18.72m 率为（ B ） 。 B、9600 C、19200 D、38400 A ） 。 C、18.61m D、16.61m B、16.72m3.基准站 GPS 接收机与 TRIMMRKⅡ （UHF） 数据链无线电发射机之间的数据传输波特 A、48004. 1884 年在美国华盛顿召开的国际会议决定采用一种分区统一时刻，把全球按经 度划分为 24 个时区，每个时区的经度差为 15 °，则相邻时区的时间相差 1h。这种时 刻叫（ D ） 。 B、历书时 C、恒星时 D、区时 A、世界时5. 地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动，春分点在黄道 上随之缓慢移动，这种现象称为（ A ） 。 A、岁差 B、黄赤交角 C、黄极 D、黄道 C ）的 6. 我国西起东经 72°，东至东经 135°，共跨有 5 个时区，我国采用（区时作为统一的标准时间。称作北京时间。 A、东六区 B、东七区 C、东 8 区 B ）倍。 C、1～3 B ） 。 B、a=6378245、α =1/298.3 D、a=6377245、α =1/298.0 D、2～4 D、东 9 区 7. 按照《规范》规定，我国 GPS 测量按其精度依次划分为 AA、A、B、C、D、E 六 级，最大距离可为平均距离的 （ A、1～2 B、2～38.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球 元素，其长半径和扁率分别为（ A、a=6378140、α =1/298.257 C、a=6378145、α =1/298.357 率和波长分别为（ C ） ： A、f1 ?1575.02MHz，l1 ?19.13cm 2 2 f ??1227.60MHz，l ??24.22cm B、1 1 f ?1575.32MHz，l ?19.23cm 2 2 f ??1227.66MHz，l ??22.42cm C、1 1 f ?1575.42MHz，l ?19.03cm 2 2 f ??1227.60MHz，l ??24.42cm D、1 1 f ?1575.62MHz，l ?19.53cm 2 2 f ??1227.06MHz，l ??24.12cm 10.在 GPS 测量中，观测值都是以接收机的（ B ）位置为准的，所以天线的相位中 心应该与其几何中心保持一致。 A、几何中心 C、点位中心 二、名词解释(5×4 分) 1、GPS 时间系统：GPS 时间系统采用原子时 ATI 秒长作为时间基准，时间起算原点 定义在 1980 年 1 月 6 日 UTC0 时。 2、静态相对定位：接收机处于相对周围建筑静止状态下，采用至少两台 GPS 接收 机同步观测相同的 GPS 卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。 3、原子时：1967 年国际计量委员会决定采用铯原子零场在基态的两个超精细能级 结构间跃迁辐射频率
个周期的时间间隔为 1 秒，这样长度的秒，定义为原 子时秒，以此为基准的时间系统，称为原子时。 4、多路径效应：在 GPS 测量中，测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机 天线，并和直接来自卫星信号产生干涉，从而使观测值偏离真值。这种由于多路径的 信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。 5、黄道：地球绕太阳公转的轨道面与天球相交的平面称为黄道面，相交的大圆称 为黄道。 三、填空(20×1 分) 1、GPS 系统主要由卫星星座 、地面控制系统、用户设备三部分组成。 B、相位中心 D、高斯投影平面中心9.GPS 卫星信号取无线电波中 L 波段的两种不同频率的电磁波作为载波，它们的频2、在进行 GPS 测量时，观测量中存在着 系统误差 和偶然误差。其中 系统 误差 影响尤其显著。 3、GPS 网一般是求得测站点的三维坐标，其中高程为 大地 高，而实际应用的高程 系统为 正常 高系统。 4、GPS 接收机主要由 天线 、 主机-5、电源三部分组成。 的引力是最重要的。如果将它 、 伪距差分 、 载波5、在对卫星所有的作用力中, 地球重力场的引力 的引力视为 1，则其它作用力均小于 10 。6、单站 GPS 差分按基准站发送信息的方式分：位置差分 相位差分 。7、就整个地球空间而言，参心坐标系的不足之处主要表现在：它不适合建立全球 统一坐标系的要求、它不便于研究全球重力场、平、高控制网分离，破坏了空间点三 维坐标完整性。 8、GPS 定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采取 空间距离后方交会的方法，确定待定点的空间位置。 9、用 GPS 定位的方法大致有四类：多普勒法、伪距法、射电干涉测量法、 载 波 相 位 测量法。目前在测量工作中应用的主 要方法是静态定位中的 伪 距 法 和 载波相位测量法。 四、简答题(50 分) 1、简述 GPS 定位技术相对于常规测量技术的优点。(10 分) 答： （1）选点灵活，无需通视（2）精度提高，耗费降低（3）操作简便，效益增加； （4）全天候作业，变被动为主动。 2、GPS 测量误差主要来源于哪几个方面？并根据测量误差对定位结果的影响说明 在外业工作中，选择 GPS 点时的注意事项。(12 分) 答：误差源：卫星部分、信号传播、信号接收、其他影响 （一）卫星部分 ①星历误差②钟误差③相对论效应 （二）信号传播 ①电离层②对流层③多路径效应 （三）信号接收 ①接收机钟误差②位置误差③天线相位中心变化 （四）其他影响 ①地球潮汐②负荷潮 选择 GPS 点时的注意事项：主要要考虑消除多路径效应 测站应远离大面积平静水域。灌木丛、草和其他地面植被能较好吸收微波信号的 能量，是较为理想的设站地址。 测站不宜选择在山坡、山谷、和盆地中。以避免反射信号从天线抑径板上方进入 天线，产生多路径效应。 测站设置应远离高层建筑物。3、简述进行 GPS 卫星位置计算的具体步骤。 （14 分） 答： 1 计算卫星运行的平均角速度 n 。 ○ 2 计算归化时间 tk 。 ○ tk=t-toe Mk=M0+n tk 3 观测时刻卫星平近点 Mk 的计算。 ○ 4 计算偏近点角 Ek 。 Ek= Mk+eSinEk ○ 5 计算真近点角 Vk 。 Vk=arctan[( 1 ? e 2 * sin E k ) /(cos E k ? e) ○ 6 升交距角φ k 的计算。φ ○ δ δkn0= G M / a 3n=n0+ Δ n=Vk+ω7 摄动改正项δ u， ○ ，δ r， ，δ i 的计算u，=Cuc*cos（2φ k）+Cus*sin（2φ k） =Cic*cos（2φ k）+Cis*sin（2φ k）δ r，=Crc*cos（2φ k）+Crs*sin（2φ k）i，8 计算经过摄动改正后升角距 uk、卫星矢径日 rk、 ○ 、轨道倾角 ik 。 9 计算卫星在轨道平面坐标系得坐标。 ○ xk=rkcosuk yk=rksinuk 1 0观测时刻升交点经度Ω k 的计算 ○ Xk= xkcosΩ k- ykcosiksinΩ k Yk=xksinΩ k+ykcosikcosΩ k Zk=yksinik 12卫星在协议地球坐标系中坐标计算，考虑极移影响。 ○ XCTS= Xk+ XP* Zk YCTS= Yk- YP* Zk ZCTS=- XP* Xk+ YP* Yk+ Zk 4、根据所学的专业知识，阐述 GPS 的应用概况和应用前景。 （14 分） 答： 一、GPS 应用于导航 主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如： 船舶远洋导航和进港引水 飞机航路引导和进场降落 汽车自主导航 地面车辆跟踪和城市智能交通管理 紧急救生 个人旅游及野外探险 Ω k=Ω ―GAST 1 1计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标 ○个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体） 二、GPS 应用于授时校频 电力，邮电，通讯等网络的时间同步 准确时间的授入 准确频率的授入 三、GPS 应用于高精度测量 各种等级的大地测量，控制测量 道路和各种线路放样 水下地形测量 地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测 GIS 应用 工程机械（轮胎吊，推土机等）控制 精细农业 GPS 应用于智能运输系统（ITS） GPS 车辆监控调度系统 正如人们所说：&GPS 的应用，仅受人们的想象力制约。&GPS 问世以来，已充分显示了 其在导航，定位领域的霸主地位。许多领域也由于 GPS 的出现而产生革命性变化。目 前，几乎全世界所有需要导航，定位的用户，都被 GPS 的高精度，全天候，全球覆盖， 方便灵活和优质价廉所吸引。第五套一、单项选择题（每小题 1 分，共 10 分） 1.双频接收机可以同时接收 L1 和 L2 信号，利用双频技术可以消除或减弱（ C ） 对观测量的影响，所以定位精度较高，基线长度不受限制，所以作业效率较高。 A、对流层折射 B、多路径误差 C、电离层折射 D、相对论效应 2.GPS 卫星信号取无线电波中 L 波段的两种不同频率的电磁波作为载波， 在载波 L2 上调制有（ A ） 。 A、P 码和数据码 C、C/A 和数据码 B、C/A 码、P 码和数据码 D、C/A 码、P 码3.在定位工作中，可能由于卫星信号被暂时阻挡，或受到外界干扰影响，引起卫星 跟踪的暂时中断，使计数器无法累积计数，这种现象叫（ A ） 。 A、 整周跳变 C、 地球潮汐 B、相对论效应 D、负荷潮4.我国自行建立第一代卫星导航定位系统 “北斗导航系统”是全天候、全天时提 供卫星导航信息的区域导航系统，它由（ B ）组成了完整的卫星导航定位系统。 A、两颗工作卫星 C、三颗工作卫星 B、两颗工作卫星和一颗备份星 D、三颗工作卫星和一颗备份星5.卫星钟采用的是 GPS 时，它是由主控站按照美国海军天文台（USNO）的（ D ） 进行调整的。在 1980 年 1 月 6 日零时对准，不随闰秒增加。 A、世界时（UT0） C、世界时（UT2） A、 C、 地心坐标系 参心坐标系 B、世界时（UT1） D、协调世界时（UTC） B、 球面坐标系 D、 天球坐标系6.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系是（ C ）坐标系。7.我国在 1978 年以后建立了 1980 年国家大地坐标系，采用的是 1975 年国际大地 测量与地球物理联合会第十六届大会的推荐值，其长半径和扁率分别为（ A ） 。 A、a=6378140、α =1/298.257 C、a=6378145、α =1/298.357 B、a=6378245、α =1/298.3 D、a=6377245、α =1/298.08.我国西起东经 72°，东至东经 135°，共跨有（ D ）个时区，我国采用东 8 区 的区时作为统一的标准时间。称作北京时间。 A、2 B、3 C、4 D、5 9.在进行 GPS―RTK 实时动态定位时，需要计算在开阔地带流动站工作的最远距离， 已知 TRIMMRKⅡ （UHF） 数据链无线电发射机天线的高度为 9m， 流动站天线的高度为 2m， 则流动站工作的最远距离为（ A ） 。 A、18.72m 特率为（ D ） 。 A、4800 B、9600 C、19200 D、38400 B、16.72m C、18.61m D、16.61m 10.基准站 GPS 接收机与 TRIMMRKⅡ（UHF）数据链无线电发射机之间的数据传输波二、名词解释(5×3 分) 1.黄极：过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点称为黄极。 2.被动式测距：发射站在规定的时刻内准确地发出信号，用户则根据自己的时钟记 录信号到达的时间， 根据这一时差 ?t 求得单程距离 ? 。 由于用户只需被动的接收信号， 故将这种测距方式称为被动式测距。 3.导航电文： GPS 卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。 它主要包括： 卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及 C/A 码转换到捕捉 P 码的 信息。4.静态定位：如果在定位时，接收机的天线在跟踪 GPS 卫星过程中，位置处于固 定不动的静止状态，这种定位方式称为静态定位。 5. 伪距：GPS 定位采用的是被动式单程测距。它的信号发射时刻是由卫星钟确定 的，收到时刻则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避 免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。 三、填空(20×1 分) 1. 1957 年 10 月 4 日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，标志着人类进入 了空间技术的新时代。 2.我国的 GPS 卫星跟踪网是由拉萨 、乌鲁木齐、北京、武汉、上海、长春 、昆明 等七个跟踪站组成的。 3.当地球自转 360°时， 卫星绕地球运行两圈， 环绕地球运行一圈的时间为 时 58 分。地面的观测者每天可提前 4min 见到同一颗卫星，可见时间约为 这样，观测者至少能观测到 4 颗卫星，最多可观测到 11 颗卫星。 4.1968 年国际时间局（BIH）决定，采用通过国际协议原点（CIO）和原格 林尼治天文台的经线为起始子午线。起始子午线与相应于 CIO 的赤道的交点 E 为经度 零点。这个系统称为“1968BIH 方式分为静态 定位和 相对定位。 6.美国国防部制图局（DMA）于 1984 年发展了一种新的世界大地坐标系，称之为 美国国防部 1984 年世界大地坐标系，简称 秒长，时刻采用 世界时 的时刻。 WGS―84 。 7.协调世界时是综合了世界时与原子时的另一种记时方法，即秒长采用原子时的 8.我国西起东经 72°，东至东经 135°，共跨有 5 个时区，我国采用东 8 区的区 时作为统一的标准时间。称作北京时间。 9.在对卫星所有的作用力中, 地球重力场 视为 1，则其它作用力均小于 10 。 10.用 GPS 定位的方法大致有四类：多普勒法 测量法。 11.在接收机和卫星间求二次差，可消去两测站接收机的 中应用甚广。 12.卫星星历误差实际上就是卫星位置的确定误差。也是一种 起始数据误差，其 相对钟差改正。在实践 、伪距法、射电干涉测量法、载 波相位测量法。目前在测量工作中应用的主要方法是静态定位中的伪距法和载波相位-511 小5 小时。”系统。 定位；若按参考点的不同位置，又可分为单点定位和5. 利用 GPS 进行定位有多种方式，如果就用户接收机天线所处的状态而言，定位 动态的引力是最重要的。如果将它的引力大小主要取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所 用的轨道模型及定轨软件的完善程度。 13.理想情况下的卫星运动， 是将地球视作匀质球体， 且不顾及其它摄动力的影响， 卫星只是在地球质心引力作用下而运动。 14. GPS 系统的空间部分由 21 颗工作卫星及 布在 6 个轨道上，距地面的平均高度为 20200 3 颗备用卫星组成，它们均匀分 km，运行周期为 11 小时 58 分。四、简答题(50 分) 1、 如何减弱 GPS 接收机钟差。 （10 分） 答：①把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理中与观 测站的位置参数一并求解。 ②认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，像卫星钟那样，将接收机钟差表示 为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。此法可大大减少未知数， 其成功与否关键在与钟误差模型的有效程度。 ③通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。 2、 简述 GPS 网的布网原则。 （10 分） 答：为了用户的利益，GPS 网图形设计时应遵循以下原则： （1）GPS 网的布设应视其目的，作业时卫星状况，预期达到的精度，成果 的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。 （2）GPS 网一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如一个或若干个独立 观测环，或者附合路线形式，以增加检核条件，提高网的可靠性。 （3）GPS 网内点与点之间虽不要求通视，但应有利于按常规测量方法进行 加密控制时应用。 （4）可能条件下，新布设的 GPS 网应与附近已有的 GPS 点进行联测；新布 设的 GPS 网点应尽量与地面原有控制网点相联接，联接处的重合点数不应少于 三个，且分布均匀，以便可靠地确定 GPS 网与原有网之间的转换参数。 （5）GPS 网点，应利用已有水准点联测高程3、如何重建载波？其方法和作用如何？（10 分） 答：在 GPS 信号中由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航 电文，因而接收到的载波的相位已不在连续，所以在进行载波相位测量之前， 首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获 取载波。 重建载波一般可采用两种方法：一是码相关法，另一种是平方法。采用前 者，用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；采 用后者，用户无须掌握测距码的结构，但只能获得载波信号而无法获得测距码 和卫星电文。 4、简述卫星大地测量的作用。 （10 分） 答：卫星大地测量的作用分为如下几方面： （1）精确测定地面点地心（质心）坐标系内的坐标，从而能够将全球大地网 连成整体，建成全球统一的大地测量坐标系统。 （2）精确测量地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间 的相对运动以及大地水准面的形状，为大地测量和其他科学技术服务。 （3）广泛地应用于空中和海上导航，地质矿产勘探及军事等方面。 5、简述美国海军导航卫星系统的建立。 （10 分） 答：美国海军导航卫星系统（NNSS）是美国第一代卫星导航系统，由于该系统卫星 轨道都通过地球极点，故也称“子午（Transit）卫星系统” ，该系统于 1964 年建成， 1967 年 7 月该系统解密，提供民用，它的投入使用，充分显示了利用人造地球卫星进 行导航定位的优越性。该系统由三部分（即空间部分、地面监控部分和用户部分）组 成。
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