1、第十六章第十六章 全球定位系統（全球定位系統（gps）簡介）簡介 1什么是全球定位系統？它主要由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？ 全球定位系統是利用衛星發射的無線電信號進行導航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速實時三維導航、定位、測速和授時功能，以及良好的保密性和抗干擾性。 全球定位系統（gps）主要由空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分共三大部分組成。 空間星座部分的主要功能是：接收和儲存由地面監控系統發射來的導航信息；接收并執行地面監控系統發送的控制指令，如調整衛星姿態和啟用備用時鐘、備用衛星等；向用戶連續不斷地發送導航與定位信息，并提供時間標準、衛星本身的空間實時位置及其它在軌

2、衛星的概略位置。 地面監控系統主要由分布在全球的五個地面站組成， 按其功能分為主控站 （mcs） 、 注入站 （ga）和監測站（ms）三種。主控站負責協調和管理所有地面監控系統的工作，其具體任務有：根據所有地面監測站的觀測資料推算編制各衛星的星歷、衛星鐘差和大氣層修正參數等，并把這些數據及導航電文傳送到注入站；提供全球定位系統的時間基準；調整衛星狀態和啟用備用衛星等。注入站的注入站的主要任務是將來自主控站的衛星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令注入到相應衛星的存儲系統，并監測注入信息的正確性。監測站的主要任務是連續觀測和接收所有 gps 衛星發出的信號并監測衛星的工作狀況，將采集到的數據連同當

3、地氣象觀測資料和時間信息經初步處理后傳送到主控站。整個地面監控系統由主控站控制，地面站之間由現代化通信系統聯系，無需人工操作，實現了高度自動化和標準化。 gps 的用戶設備部分的主要任務是捕獲衛星信號，跟蹤并鎖定衛星信號；對接收的衛星信號進行處理，測量出 gps 信號從衛星到接收機天線間的傳播時間；譯出 gps 衛星發射的導航電文，配以功能完善的軟件，實時計算接收機天線的三維坐標、速度和時間。 2gps 接收機主要有哪幾種類型？有什么不同？ gps 的種類很多，按用途可分為： 導航型導航型接收機：一般采用偽距單點定位，定位精度較低，但體積小、價格低廉，故使用廣泛。主要用于船舶、車輛、飛機等運動

4、載體的實時定位及導航。按不同應用領域又分：手持型、車載型、航海型、航空型以及星載型。 測地型測地型接收機：主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度較高，一般相對精度可達（5 mm10-6d） 。這類儀器構造復雜，價格昂貴。主要用于精密大地測量、工程測量、地殼形變測量等領域。分為單頻單頻機和雙頻雙頻機兩種：單頻機只接收 l1載波相位，它不能消除電離層的影響，只適用于 15 km 以內的短基線；雙頻機可接收 l1、l2載波相位，因而可以消除電離層的影響，精度較高，可適用于長基線。 授時型授時型接收機：主要利用 gps 衛星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺授時、電力系統、無線電通訊系統

5、中的時間同步等。 姿態測量型姿態測量型接收機：可提供載體的航偏角、俯仰角和滾動角，主要用于船舶、飛機及衛星的姿態測量。 3什么是偽距測量？簡述用偽距法單點定位的原理。 在待測點上安置gps接收機天線，通過測定某顆衛星發送信號的時刻到接收機天線接收到該信號的時刻t，就可以求得衛星到接收機天線的空間距離。 由于衛星和接收機的時鐘均有誤差，電磁波經過電離層和對流層時將產生傳播延遲，因此，t乘上空中電磁波傳播的速度c得到的距離， 不是接收機到衛星的幾何距離， 故稱為偽距偽距， 以來表示。ct=若用t、t表示衛星和接收機時鐘相對于gps時間的誤差改正數，i表示信號在大氣中傳播的延遲改正數，則 其中，衛星

6、鐘誤差改正數t可由衛星發出的導航電文給出，i可采用數學模型計算出來，t為未知數，為接收機至衛星的幾何距離。設r=（xs，ys，zs）為衛星在世界大地坐標系中的位置矢量，可由衛星發出的導航電文計算得到，r=（x，y，z）為接收機天線（待測點）在大地坐標系中的位置矢量，是待求的未知量。則上式中的可表示為 結合式（16-4）和（16-5）可知，每一個偽距觀測方程中僅含有x，y，z和t四個未知數。如圖16-8所示，在任一測站只要同時對四顆衛星進行觀測，取得四個偽距觀測值，即可解算出四個未知數，從而求出待測點的坐標（x，y，z） 。當同時觀測的衛星多于四顆時，可用最小二乘法進行平差處理。 4 在一個測站

7、上至少要接收幾顆衛星的信號才能確定該點在世界大地坐標系中的三維坐標？為什么？ 在待測點上安置gps接收機天線，通過測定某顆衛星發送信號的時刻到接收機天線接收到該信號的時刻t，就可以求得衛星到接收機天線的空間距離。 由于衛星和接收機的時鐘均有誤差，電磁波經過電離層和對流層時將產生傳播延遲，因此，t乘上空中電磁波傳播的速度c得到的距離， 不是接收機到衛星的幾何距離， 故稱為偽距偽距， 以來表示。若用t、t表示衛星和接收機時鐘相對于gps時間的誤差改正數，i表示信號在大氣中傳播的延遲改正數，則 其中，衛星鐘誤差改正數t可由衛星發出的導航電文給出，i可采用數學模型計算出來，t為未知數，為接收機至衛星的

8、幾何距離。設r=（xs，ys，zs）為衛星在世界大地坐標系中的位置矢量，可由衛星發出的導航電文計算得到，r=（x，y，z）為接收機天線（待測點）在大地坐標系中的位置矢量，是待求的未知量。則上式中的可表示為 結合式（16-4）和（16-5）可知，每一個偽距觀測方程中僅含有x，y，z和t四個未知數。如圖16-8所示，在任一測站只要同時對四顆衛星進行觀測，取得四個偽距觀測值，即可解算出四個未知數，從而求出待測點的坐標（x，y，z） 。當同時觀測的衛星多于四顆時，可用最小二乘法進行平差處理。 5載波相位測量的觀測值是什么？簡述用載波相位進行相對定位的原理。 載波相位測量是利用gps衛星發射的載波為測距

9、信號。 由于載波的波長比測距碼波長要短得多，因此對載波進行相位測量，就可能得到較高的測量定位精度。 在任一時刻t可以測定衛星載波信號在衛星處某時刻的相位s與該信號到達待測點天線時刻的相位r間的相位差，即 式中：n為信號的整周期數，為不足整周期的相位差。由于相位和時間之間有一定的換算公222)()()(zzyyxxsss+=ittc+=)(ct=222)()()(zzyyxxsss+=ittc+=)(式，衛星與待測點天線間的距離可由相位差表示為： 考慮到衛星和接收機的時鐘誤差、電離層和對流層對信號傳播的影響，上式又可寫成： 或寫為 式中2/=為相位差不足一周的小數部分。 6什么是靜態定位和動態定

10、位？ 靜態定位靜態定位，即在定位過程中，接收機天線（待測點）的位置相對于周圍地面點而言，處于靜止狀態；動態定位動態定位，即在定位過程中，接收機天線（待測點）的位置相對于周圍地面點而言，處于運動狀態，也就是說定位結果是連續變化的，如用于飛機、輪船導航定位的方法。 7什么是絕對定位和相對定位？各適用于什么場合？ 絕對定位絕對定位，又稱單點定位。是在一個待測點上，用一臺接收機獨立跟蹤gps衛星，測定待測點的絕對坐標。單點定位一般采用偽距測量。相對定位相對定位，是用兩臺接收機在兩個測站上同步跟蹤相同的衛星信號，求定兩臺接收機之間相對位置的方法。 絕對定位絕對定位一般多用于船舶、飛機、勘探、海洋作業等方

11、面。相對定位相對定位一般用于控制測量、工程測量和變形觀測等精密定位。 8差分定位技術的特點是什么？為什么能取得高精度的結果？ 一次差分：兩臺接收機的公共項，即衛星時鐘誤差的影響被消除。衛星軌道誤差、大氣傳播誤差對兩個測站同步觀測的影響因具有相關性將被明顯減弱，尤其當基線較短時，這種有效性更為顯著。二次差分：除了消除了衛星時鐘誤差的影響外，還消去了接收機時鐘誤差的影響。這是雙差模型的主要優點，同時也大大減小了其它誤差的影響。二次差分是 gps 向量解算中常用的一種形式。 9gps 實時動態差分定位的主要方法有哪些？各有什么特點？ gps 動態差分有多種方法： （1）位置差分 是將基準站 gps

12、接收機偽距單點定位得到的坐標值與已知坐標作差分，無線電傳送的是坐標修正值，流動站用坐標修正值對其坐標進行修正。 位置差分精度可達 5 m10 m。但是位置差分要求流動臺接收機單點定位所用的衛星，與基準臺求修正值時所用的衛星完全一致。若有一顆衛星不一樣就可能產生 45 m 以上的誤差。 （2）偽距差分（rtd） 利用基準站已知坐標和衛星星歷求衛星到基準站的幾何距離，作為距離精確值。將此值與基準站所測偽距值求差，作為差分修正值，通過數據鏈傳給流動臺。流動臺接收差分信號后，對所接收的每顆衛星偽距觀測值進行修正，然后再進行單點定位。 由于偽距差分是對每顆衛星偽距觀測值進行修正，所以不要求基準站和流動臺

13、接收的衛星完全一致，只要有 4 顆以上相同衛星即可。其差分精度取決于差分衛星個數、衛星空中分布狀況及差分修正值延遲時間，偽距差分精度為 3 m10 m。基準站距流動臺距離可達 200 km300 km。 近年來又發展了利用相位觀測值精化偽距值以提高差分精度，稱為相位平滑偽距差分，其差分精度可達到 1 m。 （3）載波相位實時差分（rtk） )2(2+=nfcfcittcnfc+=)()2(nfcftti+=)()(由于載波相位觀測值精度高，若通過數據鏈將基準站載波相位觀測值傳送到流動臺，在流動臺進行實時載波相位數據處理，其定位精度可達到 1 cm2 cm。rtk 差分距離不可太遠，目前最遠可到 30 km。此外，流動臺是否能進行 rtk 差分，取決于數據通訊的可靠性和流動臺載波相位觀測值是否失鎖。目前在城市測量中因受周圍環境影響，實時動態 rtk 還很難使用，但在空曠地區、海上應用較多。 4廣域差分 廣域差分是利用大范圍內建立的衛星跟蹤網跟蹤衛星信號。利用跟蹤網已知坐標和原