(完整版)空間大地測(cè)量思考題答案

1、空間大地測(cè)量學(xué)思考題1. 簡(jiǎn)述天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的區(qū)別。答：天球坐標(biāo)系：不隨地球自轉(zhuǎn)的地心坐標(biāo)系，是空間固定坐標(biāo)系，用于對(duì)衛(wèi)星位置描述。地球坐標(biāo)系：與地球固聯(lián)的地心坐標(biāo)系，用于描述用戶空間位置。也就是把地球視為理 想球體， 以其旋轉(zhuǎn)軸兩極的最短球面連線為經(jīng)線，垂直于經(jīng)線的是緯線形成的角度坐標(biāo)系。二者區(qū)別：天球坐標(biāo)是天文用的，地球坐標(biāo)是地理用的；天球坐標(biāo)能描述星體相對(duì)于 地球的角度位置，地球坐標(biāo)只描述物體在地球表面的位置。它們都是角坐標(biāo)系，但是地球坐標(biāo)是以地球表面為球面的，是有半徑的；而天球坐標(biāo) 半徑無關(guān)，只要是某一球面即可2. 試述歷元天球坐標(biāo)系到協(xié)議地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過程。答： ( 1)歲

2、差旋轉(zhuǎn)變換ZM(t0)表示歷元J2000.0年平天球坐標(biāo)系z(mì)軸指向，ZM (t )表示所論歷元時(shí)刻t真天球坐標(biāo)系z(mì) 軸指向。兩個(gè)坐標(biāo)系間的變換式為：xx yRz( ZA)Ry( A)Rz( A) yz M(t)z M (t0)式中：工A , 8 A, ZA為歲差參數(shù)。 ( 2)章動(dòng)旋轉(zhuǎn)變換類似地有章動(dòng)旋轉(zhuǎn)變換式：xx yRx() Rz()Rx ( ) yz c(t)z M (t)式中：e為所論歷元的平黃赤交角，山，e分別為黃經(jīng)章動(dòng)和交角章動(dòng)參數(shù)。 ( 3)瞬時(shí)極天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)極地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：xx yRz( G ) yz etz ct下標(biāo) et 表示對(duì)應(yīng)t 時(shí)刻的瞬時(shí)極地球坐標(biāo)系，c

3、t 表示對(duì)應(yīng)t 時(shí)刻的瞬時(shí)極天球坐標(biāo)系。9 G為對(duì)應(yīng)平格林尼治子午面的真春分點(diǎn)時(shí)角。(4)平地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式:y Ry( Xp)Rx(yp) yz emz et下標(biāo)em表示平地球坐標(biāo)系，et表示t時(shí)的瞬時(shí)地球坐標(biāo)系，xp,九 為t時(shí)刻以角度表示的 極移值。3 .簡(jiǎn)述恒星時(shí)、真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的區(qū)別。恒星時(shí)是以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，同春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間，春分點(diǎn)兩次經(jīng)過地方上子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日。平太陽(yáng)時(shí)一一假設(shè)一個(gè)參考點(diǎn)的視運(yùn)動(dòng)速度等于真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)平均速度，且其在天球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)，這個(gè)參考點(diǎn)稱為平太陽(yáng)。平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔為一平太陽(yáng)日，包

4、含24個(gè)平太陽(yáng)時(shí)。真太陽(yáng)時(shí)以真正的太陽(yáng)為參考點(diǎn)，太陽(yáng)視圓面中心連續(xù)兩次上中天的時(shí)間間隔叫一個(gè)真太陽(yáng)日，一 個(gè)真太陽(yáng)日分為 24小時(shí)。由于真太陽(yáng)的運(yùn)行速度和時(shí)角變化率不均勻，不適于作為計(jì)量均勻時(shí)間的基 準(zhǔn)。一個(gè)恒星日=一個(gè)平太陽(yáng)日-3'55.909'真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的時(shí)刻之差即為時(shí)差。4 .簡(jiǎn)述衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)所受的力的作用。除地球引力外，還有其他 攝動(dòng)力：地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力地球體的非球性及其質(zhì)量分布不均勻而引起的作用力 日月引力 日月引力引進(jìn)的衛(wèi)星位置攝動(dòng)主要表現(xiàn)為一各長(zhǎng)周期攝動(dòng) 太陽(yáng)光壓力 衛(wèi)星在運(yùn)行中將直接或間接受太陽(yáng)光輻射壓力的影響而使軌道產(chǎn)生攝動(dòng)其他攝動(dòng)力a固體潮及海洋

5、潮汐攝動(dòng) 固體潮和海洋潮汐將改變地球重力位對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)加速度 b大氣的攝動(dòng)力大氣阻力對(duì)低軌道衛(wèi)星特別敏感5 .地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)有那些影響。主要是與地極扁率有關(guān)的二階諧系數(shù)項(xiàng)引起，其對(duì)衛(wèi)星的影響有3點(diǎn)分別為：引起軌道平面在空間旋轉(zhuǎn)，是開交點(diǎn)赤經(jīng)產(chǎn)生周期性變化、引起近地點(diǎn)在軌道平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致近開 角距的變化、引起平近點(diǎn)角的變化6 .日、月引力對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)有哪些影響。日月引力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響，是由太陽(yáng)和月亮的質(zhì)量，對(duì)衛(wèi)星所產(chǎn)生的引力加速度而 產(chǎn)生的。日月引力的影響還會(huì)產(chǎn)生潮汐現(xiàn)象，而地球的潮汐現(xiàn)象也將影響衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。主 要表現(xiàn)為一種長(zhǎng)周期攝動(dòng)；太陽(yáng)力的影響僅為月球引力影響的 46%。

6、7 . 試述多普勒測(cè)距的基本原理。8 .簡(jiǎn)述GPS定位時(shí)間系統(tǒng)與協(xié)調(diào)世界時(shí) UTC之間的區(qū)別。答：UTC:原子時(shí)雖然是秒長(zhǎng)均勻的，穩(wěn)定度很高的時(shí)間系統(tǒng)，但其與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。世界時(shí)雖不均勻，但與地球自轉(zhuǎn)緊密相關(guān)。原子時(shí)的秒長(zhǎng)與世界時(shí)的秒長(zhǎng)不相等，兩者每年相差1 秒，如此積累下去兩者會(huì)愈差愈大。為了協(xié)調(diào)原子時(shí)與世界時(shí)的關(guān)系，建立了一種折衷的時(shí)間系統(tǒng)稱之為協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC。GPS定位時(shí)：由GPS主控站的高精度原子鐘守時(shí)與授時(shí)。長(zhǎng)采用原子時(shí)秒長(zhǎng)。起點(diǎn)：1980年1月6日0時(shí)。表示方法：GPS周+ 一周內(nèi)的秒數(shù)二者的的關(guān)系：GPST = UTC + n 1 -19 (s)1980年1月6日0時(shí)，n =1

7、9,GPST與UTC時(shí)相一至。9 .簡(jiǎn)述GPS定位系統(tǒng)的構(gòu)成，并說明各部分的作用。(1) 空間星座GPS 衛(wèi)星星座由24顆( 3 顆備用)衛(wèi)星組成，分布在6 個(gè)軌道內(nèi)，每個(gè)軌道4 顆。基本功能：接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)出的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令；利用衛(wèi)星的微處理機(jī)，對(duì)部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通過星載原子鐘提供精密時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；向用戶發(fā)送定位信息；在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。(2) 地面監(jiān)控地面監(jiān)控部分由分布在全球的5 個(gè)地面站組成，包括5 個(gè)監(jiān)測(cè)站，1 個(gè)主控站，3 個(gè)信息注入站。監(jiān)測(cè)站：對(duì)GPS 衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀況

8、。主控站：協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)，主要任務(wù)：根據(jù)本站和其它監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站；提供全球定位系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)；各監(jiān)測(cè)站和GPS衛(wèi)星原子鐘，均應(yīng)與主控站原子鐘同步，測(cè)出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入注入站；調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行；啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。注入站：在主控站控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。(3) 用戶設(shè)備由 GPS 接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)和終端設(shè)備組成。GPS 接收機(jī)硬件主要接收GPS 衛(wèi)星發(fā)射

9、的信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測(cè)量，并經(jīng)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位。GPS 軟件主要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工，以便獲得精密定位結(jié)果。10. 什么是廣播星歷？什么是精密星歷？?jī)烧叩膮^(qū)別是什么？答 廣播星歷：共有16 個(gè)星歷參數(shù)：1 個(gè)參考?xì)v元，6 個(gè)相應(yīng)歷元下的橢圓軌道參數(shù)和 9 個(gè)反映攝動(dòng)力影響的改正項(xiàng)參數(shù)。每小時(shí)發(fā)布一組最新星歷，即參考?xì)v元互相相隔1小時(shí)；星歷精度在2040m 之間。精密星歷：按一定時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的三維位置、三維速度和鐘差。精度可達(dá)分米級(jí)，有償索取，技術(shù)復(fù)雜，投資較高。11. 說明 C/A 碼及 P 碼的產(chǎn)生過程及其特點(diǎn)。C/A 碼： 2 個(gè) 10

10、級(jí)反饋移位寄存器相組合產(chǎn)生，碼長(zhǎng)Nu=1010-1=1023。P碼：2組各有2個(gè)12級(jí)反饋移位寄存器構(gòu)成，碼長(zhǎng) Nu=2.35X10141） C/A碼特點(diǎn)：碼長(zhǎng)較短，易于捕獲，通過捕獲C/A碼所得信息，可以方便捕獲 P碼（捕獲碼）；碼元寬度較大，精度較底（粗捕獲碼）。2） P碼特點(diǎn)：多通過 C/A碼捕獲，碼長(zhǎng)更短，周期長(zhǎng)，精度高，用于較精密導(dǎo)航和定位（精碼）。12 .簡(jiǎn)述偽隨機(jī)噪聲碼測(cè)距原理及載波相位測(cè)距原理。偽隨機(jī)噪聲碼測(cè)距原理：在某一瞬間利用 GPS接收機(jī)同時(shí)測(cè)定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù) 已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測(cè)值，采用距離交會(huì)法求出接收機(jī)的三維坐標(biāo)和時(shí)鐘改正數(shù)。偽 距定位法定一次位的精度

11、并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時(shí)的定位也可達(dá)米級(jí)的若再增加 觀測(cè)時(shí)間，精度還可以提高。載波相位測(cè)量原理：若衛(wèi)星 S發(fā)出一載波信號(hào)，該信號(hào)向各處傳播。設(shè)某一瞬間，該信號(hào) 在接U機(jī)R處的相位為？R,在衛(wèi)星S處的相位為？S。？R和？S為從某一起始點(diǎn)開始計(jì)算的 包括整周數(shù)在內(nèi)的載波相位，為方便計(jì)，均以周數(shù)為單位。但因無法觀測(cè)？S,因此該方法無法實(shí)施。13 .試以兩個(gè)GPS接收機(jī)、兩顆衛(wèi)星和兩個(gè)時(shí)間萬元為例，寫出單差、雙差和三差觀測(cè)方 程，并說各自特點(diǎn)。單差：在不同觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星所得觀測(cè)量之差。雙差：在不同觀測(cè)站同步觀測(cè)k（t）同一組衛(wèi)星所得單差之差。三差：于不同歷元同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星所得觀測(cè)量的

12、雙差之差。I '2(t)， kjkk j(t)2(t)1(t)k，、At) %2)1j(t) IL)設(shè)有a個(gè)測(cè)站，觀測(cè)了 b顆衛(wèi)星，c個(gè)歷元2 (t2 )1 (t2)2 (t2 )/&)；”）k（t1）2也），儲(chǔ)）單差：觀測(cè)方程數(shù)（a-1）*b*c,未知參數(shù)總數(shù)（a-1）（3+b+c）雙差：觀測(cè)方程數(shù)（a-1）*（b-1 ） * （c-1）,未知參數(shù)總數(shù) 3 （a-1）+（b-1）*（c-1）三差：觀測(cè)方程數(shù)（a-1）（b-1）（c-1）,未知參數(shù)總數(shù)3（a-1） 各自的特點(diǎn): 單差：消除了衛(wèi)星鐘差影響削弱了電離層折射影響削弱了對(duì)流層折射影響削弱了衛(wèi)星軌道誤差 的影響。雙差：消

13、除了接收機(jī)鐘差的影響 三差：消去了整周未知數(shù)參數(shù)14 .試述GPS測(cè)量定位中誤差的種類，并說明產(chǎn)生的原因。（1）誤差種類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差（衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、相對(duì)論效應(yīng)）、與傳播途徑有關(guān)的誤差（電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑效應(yīng)）、與接收設(shè)備有關(guān)的誤差（接收機(jī)天線相位中心的偏差和變化、接收機(jī)鐘差、接收機(jī)內(nèi)部噪聲）、其他誤差（地球自轉(zhuǎn)）。（2）產(chǎn)生原因：a.衛(wèi)星星歷誤差：由星歷所給出的衛(wèi)星在空間中的位置與其實(shí)際位置之差。b.衛(wèi)星鐘差：衛(wèi)星鐘讀數(shù)與真實(shí)的GPS時(shí)間之差。c.相對(duì)論效應(yīng)：相對(duì)論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘所處的狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度和重力位）不同而引起衛(wèi)星 鐘與接收機(jī)鐘之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差

14、的現(xiàn)象。d.電離層折射：當(dāng)GPS信號(hào)通過電離層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，所以用信號(hào)的傳播時(shí)間乘上真空中光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差叫電離層折射誤差。e.對(duì)流層折射：當(dāng) GPS信號(hào)通過對(duì)流層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，所以用信號(hào)的傳播時(shí)間乘上真空中光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差叫對(duì)流層折射誤差。f. 多路徑誤差：在GPS 測(cè)量中，被測(cè)站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。g.接收機(jī)鐘誤差：

15、接收機(jī)鐘讀數(shù)與真實(shí)的GPS時(shí)間之差。h.接收機(jī)的位置誤差：特點(diǎn) 與對(duì)中、整平、量高有關(guān)。1 .天線相位中心的偏差與變化：天線相位中心與天線幾何中心之間的差異。j. 其他誤差：地球自轉(zhuǎn)、地球潮汐15. 什么是星歷誤差？它是怎樣產(chǎn)生的？如何削弱或消除其對(duì)GPS測(cè)量定位的影響？定義：指衛(wèi)星星歷所提供的衛(wèi)星空間位置與實(shí)際位置的偏差。產(chǎn)生原因：由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)中受到多種攝動(dòng)力的影響，單靠地面監(jiān)測(cè)站難以精確可靠的測(cè)定這些作用對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因而在星歷預(yù)報(bào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，估計(jì)和處理此類誤差也比較困難。削弱方法：建立衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立測(cè)軌；采用軌道改進(jìn)法（半短弧法、短弧法、 同步求差法）；16. 電離層誤差、

16、對(duì)流層誤差是怎樣產(chǎn)生的？采用何種方法來削弱它對(duì)GPS 測(cè)量定位的影響？電離層誤差：當(dāng)GPS 信號(hào)通過電離層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，所以用信號(hào)的傳播時(shí)間乘上真空中光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差叫電離層折射誤差。減弱電離層影響的有效措施有：1 ）雙頻觀測(cè)2）利用電離層改正模型加以改正3）利用同步觀測(cè)值求差對(duì)流層折射：由于地面輻射熱能的影響，對(duì)流層的溫度隨高度的上升而降低，當(dāng)GPS 信號(hào)通過對(duì)流層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化，所以用信號(hào)的傳播時(shí)間乘上真空中光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差叫對(duì)流層折射誤

17、差減弱對(duì)流層影響到的有效措施有：1 ）直接在測(cè)站測(cè)定氣象參數(shù)，用于對(duì)流層折射改正模型2）引入描述對(duì)流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得3）利用同步觀測(cè)值求差17. 簡(jiǎn)述多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，給出消除多路徑效應(yīng)的對(duì)策。由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。在GPS測(cè)量中，被測(cè)站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤削弱多路徑效應(yīng)誤差的措施：在觀測(cè)上，選擇合適的測(cè)站；在硬件上，采用抗多路徑誤差的儀器設(shè)備，抗多路徑的天線：帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線，抗多路徑的接收機(jī)：窄相關(guān)技術(shù)；在數(shù)據(jù)處理上，使用加權(quán)、參數(shù)法、濾波法、信號(hào)分析法來削弱誤差。18. 試述與接收機(jī)有關(guān)的誤差種類，如何消除其影響？誤差主要包括：觀測(cè)誤差、接收機(jī)鐘誤差、天線相位中心位置誤差、載波相位觀測(cè)的整周不穩(wěn)定性影響；削弱方法：對(duì)于觀測(cè)誤差：信號(hào)分辨誤差（增加觀測(cè)