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GPS复习


一、名词解释 1、地球中心坐标系 2、地球参心坐标系:常规大地测量,在处理观测成果及计算地面控制网的坐标时,选取一 参考椭球面作为基准参考面,选一参考面作为起算点(或称为大地原点) ,并且利用大地原 点的天文观测资料, 来确定参考椭球在地球内部的位置和方位。 但由此所确定的参考椭球位 置,其中心一般不会与地球质心相重合。这种原点位于地球质心附近的坐标系,称为地球参 心坐标系,或简称为参心坐标系 3、岁差:在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下,使春分点在黄道上产生缓 慢的西移现象称为岁差 4、章动:在日月引力等因素的影响下,顺势北天极将绕顺时平北天极产生旋转,形成椭圆 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 5、静态相对定位:将两台接收机分别安置在基线的两个端点,其位置静止不动,并同步观 测相同的 4 颗星以上的 GPS 卫星,确定基线的两个端点在协议地球坐标系中的相对位置, 这种定位模式称为相对定位 6、动态相对定位:用两台 GPS 接收机,一台安置在基准站上固定不动,另一台安置在运动 的载体上,两台接收机同步观测相同的卫星,并在观测值之间求差,以消除具有相关性的误 差,提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的位置来实现的 7、局域差分 GPS 系统:在一个较大的区域布设多个基准站,以构成基准站网,并包含一个 或数个监控站, 则位于该区域中的用户根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后求得 用户站定位改正数,这种差分 GPS 定位系统称为具有多个基准站的区域差分 GPS 系统 8、广域差分 GPS 系统:在一个大的区域中用相对较少的基准站组成差分 GPS 网,各基准 站将求得的距离改正数发送给数据处理中心进行统一处理,并将各种 GPS 观测误差源加以 区分,然后再传给用户。这种系统称为广域差分 GPS 系统 9、独立基线:在 N 台 GPS 接收机构成的同步观测环中中,有 J 条同步观测基线,其中独立 基线数为 N-1 10、同步观测环:三台或三台以上接收机同步观测所获得的基线向量构成的闭合环。简称同 步环 11、异步观测环:在构成多边形环路的基线向量中,只要存在非同步观测基线向量,则该多 边形环路叫异步观测环 12、正高:地面点沿该点的重力线到大地水准面的距离,用 Hg 表示。 13、正常高:地面点沿正常重力线到似大地水准面的距离,常用 Hr 表示。 14、接收通道:GPS 卫星接收机可同时接收多颗卫星信号。为了分离接收到的不同卫星的 信号,从而实现对卫星信号的跟踪,处理和测量,具有这种功能的器件称为天线信号通道。

知识要点复习范围 一、GPS 的构成及其作用 答:GPS 系统包括三大部分:空间部分——GPS 卫星星座;地面控制部分——地面监控系 统;用户设备部分——GPS 信号接收机。 空间部分:接收地面注入站发送的导航电文和其他信号;接收地面主控站的命令,修正 其在轨运行偏差及启用备用设备等;连续地向用户发送 GPS 卫星导航定位信号,并用电文 的形式提供卫星的现势位置与其他在轨卫星的概略位置;GPS 卫星关键在于卫星的寿命要 长,时间精度要高; 地面控制部分:每颗 GPS 卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各

种设备是否正常工作, 以及卫星是否一直沿着预定轨道运行, 都要由地面设备进行监测和控 制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准――GPS 时间系统。 用户设备部分: 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号, 并跟踪这 些卫星的运行,对所接收到的 GPS 信号进行变换、放大和处理,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 卫星所发出的导航电文,实时的计算出测站的三 维坐标位置,甚至三维速度和时间。 二、描述卫星无摄运动的轨道参数及其几何意义 答:as 为轨道的长半径,es 为轨道椭圆偏心率,这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大 小。 ? 为升交点赤经:即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。i 为轨道面倾角:即卫 星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。 这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间 的相对定向。 ?s 为近地点角距:即在轨道平面上,升交点与近地点之间的地心夹角,表达了开普勒椭圆 在轨道平面上的定向。 fs 为卫星的真近点角:即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数, 确定卫星在轨道上的瞬时位置。 由上述 6 个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系,广泛用于描述卫星运动。 三、GPS 高程系统及其转换 答: 、参考椭球面与大地高 (1) 大地高概念:一点沿椭球法线到椭球面的距离,常用 H 表示。 (2)大地水准面与正高 大地水准面概念: 设想一个与静止的平均海水面重合并延伸到大陆内部的包围整个地球 的封闭的重力位水准面。 正高概念:地面点沿该点的重力线到大地水准面的距离,用 Hg 表示。 (3)似大地水准面与正常高 似大地水准面概念:从地面点沿正常重力线量取正常高所得的端点构成的封闭曲面。 正常高概念:地面点沿正常重力线到似大地水准面的距离,常用 Hr 表示。 转换:H = Hg + N H = Hr + ζ 四、GPS 误差的类型,分类及主要误差的概念及其减弱措施 答:GPS 定位中,影响观测量精度的主要误差来源分为三类:与卫星有关的误差,与信号 传播有关的误差,与接收设备有关的误差。 根据误差的性质可分为:系统误差:主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、以 及大气折射的误差等。偶然误差:包括多路径效应误差和观测误差等。 主要误差概念: (1)卫星钟差:尽管卫星上设有高精度的原子钟,仍不可避免地存在钟差和 漂移。 (2)卫星轨道偏差(星历误差) :卫星星历所提供的卫星空间位置与实际位置的偏差。 (3)卫星信号传播误差。包括电离层折射误差,对流层折射误差,多路径效应 (4)与接收设备有关的误差。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 (5)地球自转影响,相对论效应 为了减弱和修正系统误差对观测量的影响,一般根据系统误差产生的原因而采取不同的措

施,包括: ?引入相应的未知参数,在数据处理中联同其它未知参数一并求解。 ?建立系统误差模型,对观测量加以修正。 ?将不同观测站,对相同卫星的同步观测值求差,以减弱和消除系统误差的影响。 ?简单地忽略某些系统误差的影响。 五、GPS 选点的原则,布网设计的原则 选点的原则:1、点位应选易于安置接收设备,视野开阔的位置。视场周围 15°以上不应有 障碍物,以避免 GPS 信号被吸收或遮挡 2、点位应远离大功率无线电发射源(如电视台,微波站等) ,其距离不小于 200m,远离高 压输电线,其距离不得小于 50m,以避免电磁场对 GPS 信号的干扰 3、点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体,以减弱多路径效应的影响 4、点位应选交通方便,有利于其他观测手段扩展与联测的地方 5、点位应选在地面基础稳定,易于点保存的地点且尽可能使测站附近的小环境(地形,地 貌,植被等)同周围大环境保持一致,以减少气象元素的代表性误差 6、选点人员应按技术设计进行踏勘,在实地按要求选定点位 7、网形应有利于同步观测及边点联结 8、当所选点位需要进行水准联测时,选点人员应实地踏勘水准路线,提出有关建议 9、当利用旧点时,应对旧点的稳定性,完好性,以及觇标是否安全可用做一检查,符合要 求方可利用 布网设计的原则 1、在 GPS 网中不应存在自由基线。自由基线不构成闭合图形,不具备发现粗差的能力,因 此必须避免出现。 2、GPS 网应按“每个观测站至少应独立设站观测两次”的原则进行布网。这样不同接收机 观测量构成网的精度和可靠性指标比较接近 3、GPS 网中,某一闭合条件中基线类型不宜过多,以免各边的粗差在求闭合差时相互抵消 而不利于发现粗差。因此,网中各点最好有三条以上基线分支,以确保检核条件,提高网的 可靠性 4、为了实现 GPS 网同原有地面网之间的坐标转换,GPS 网至少应与地面网有两个以上重合 点。实践表明,为了使 GPS 成果能较好地转换到地面网中,一般应有 3-5 个精度高且分布 均匀的地面点与 GPS 网重合,以便提供大地水准面的研究资料,从而实现 GPS 大地高程向 正常高程的转换 5、为了便于施测,减少多路径影响,GPS 点应选在交通便利,视野开阔的地方。同时应使 点与点之间通视,以便能使用经典方法进行扩展。

六、GPS 布网的形式及其优缺点 GPS 布网形式分为:星型连接,附和导线连接,三角锁连接,点连式,边连式,网连式及 边点混合连接等 星型网的几何图形简单, 其直接观测边间不构成任何图形, 常用于快速静态定位和准动态定 位。缺点是基线间不构成任何同步闭合图形,其抗粗差能力极差。广泛的应用于精度较低的 工程测量,地质调查,边界测量,地籍测量和地形测图等领域。 点连式的几何强度很弱,抗粗差能力也不强,没有或极少有非同步图形闭合条件,一般在作

业中同其他方式混合使用。 边连式图形:几何强度高,有较多的复测边和非同步图形闭合条件,在相同的仪器台数条件 下,观测时段数将比点连式大大增加。 网连式:这种方法需要四台以上的接收机。这种密集的布网方法,它的几何强度和可靠性指 标相当高,花费的经费和时间也较多,一般适应精度较高的控制测量 边点混合连模式:把点连式与边连式有机的结合起来,组成 GPS 网以保证其集合强度,提 高可靠指标,这样既可以减少外业工作量,又可降低成本,是一种较为理想的布网方法 三角锁连接:适用于狭长地区的 GPS 布网,如铁路,公路及管线工程勘测等 导线网型连接:各独立边形成非同步图形,用以检核 GPS 点的可靠性,适用于精度较高的 GPS 布网。该布网方法也可与点连式结合起来使用

七、GPS 网特征条件计算 课本 135 页 根据 R.A.sany 提出的观测时段数计算公式:C=m*n / N 式中,C 为观测时段数,n 为网点数,m 为每点设站次数,N 为接收机数。故在 GPS 网中 总基线数为 J 总=C*N*(N-1) / 2 必要观测基线数为 J 必=n -1 独立基线数为 J 独=C*(N-1) 多余观测基线数为 J 多=C*(N-1) - (n-1) 根据以上公式即可确定出 GPS 网图形结构的主要特征条件 八、GPS 网平差的类型,定义,目的,过程及结果 类型:三维无约束平差,三维约束平差及三维联合平差三种平差模型 三维无约束平差定义:GPS 控制网中只有一个已知点坐标情况下所进行的平差。 三维约束平差:定义:以国家大地坐标系或地方坐标系的某些固定点的坐标,固定边长及固 定方位为网的基准,并将其作为平差中的约束条件,在平差计算中考虑 GPS 网与地面网之 间的转换参数 三维联合平差:指除了顾及上述 GPS 基线向量的观测方程和作为基准的约束条件外,同时 顾及地面网中的常规观测值(如方向,距离,天顶距等)的平差。 目的:考察 GPS 基线向量网本身的内符合精度以及考察基线向量之间有无明显的系统误差 和粗差 过程:首先进行三维无约束平差,平差后通过观测值改正数检验,发现基线向量中是否存在 粗差,并剔除含有粗差的基线向量,再重新进行平差,直至确定网中没有粗差后,再对单位 权方差因子进行 X^2 检验,判断平差的基线向量随机模型是否存在误差,并对随机模型进 行改正,以提供较为合适的平差随机模型。然后对 GPS 网进行约束平差或联合平差,并对 平差中加入的转换参数进行显著性检验, 对于不显著的参数应剔除, 以免破坏平差方差的性 态。 结果: 重点 3.7,3.8,第四章


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