GPS测量原理及应用

第一章 绪论

1、GPS的含义？与其他导航定位系统和经典大地测量相比，GPS有何特点？

答：GPS的含义是“Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System”的英文缩写，其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS系统。

GPS的与其他导航定位系统相比特点：①全球地面连续覆盖 ②功能多，精度高 ③实时定位速度快 ④抗干扰性能好，保密性强

GPS与经典大地测量相比的特点：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”？ 答：GPS卫星的作用：

①接受地面注入站发送的导航电文。

②接受地面主控站命令，适时改正运行偏差或启用备用时钟等。

③连续地向用户发送GPS卫星导航定位系统，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。

④通过星载高精度原子钟，提供精确的时间标准，使各卫星处于同一时间标准——GPS时。 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。

卫星星历：是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。

3、GPS系统由哪些部分组成？地面监控系统由哪些部分组成？ 答：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。

地面监控系统由一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站组成。

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：主要包括有GPS接收机及其天线，微处理器及其终端设备以及电源等。 分类方式：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 ②按接收机的用途分类：导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机

③按接收机通道数分类：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？ 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。

对天线的要求：①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

②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

③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

④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。由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业中，天线的安置却是以其几何中心为准，所以在天线的设计中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定性。

天线的类型：①单极或偶极天线 ②四线螺旋形或螺旋形结构天线 ③微波传输带型天线 ④锥形天线 ⑤扼流圈天线

6、GPS系统的应用前景

答：①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数

②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘 ③用于监测地球板块运动状态和地壳形变

④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段 ⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置

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？

答：空间固定的坐标系统（空固系）与地球体相固联的坐标系统（地固坐标系）。

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。 天轴：地球自转轴的延伸称为天轴。

天极：天轴与天球的交点Pn、Ps称为天极，其中Pn称为北天极， Ps称为南天极。

天球赤道面与天球赤道：通过地球质心并与天轴垂直的平面，称为天球赤道面。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。

天球子午面与天球子午圈：包含天轴并通过地球上任一点的平面，称为天球子午面。而天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈。 时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。

黄道：地球公转的轨道与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5°。

黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，其中靠近北天极的交点称为北黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。

春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点。在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面。

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？ 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

Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系统。在天球空间直角坐标系中，天体的坐标为(X，Y，Z)。

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。在天球球面坐标系中，天体的坐标为(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。

章动：如果把观测时的北天极称为瞬时北天极(或称真北天极)，而与之相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点(或称真天球赤道和真春分点)，那么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。

影响：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？

答：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，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？

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。

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 ？

站心赤道直角坐标系：P1是测站，O是球心。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。

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）。

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？ 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？

定义：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BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手系。

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