2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分定位算法考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。下列每小題備選答案中，只有一個(gè)是最符合題意的。）1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）基本觀測量不包括：A.偽距B.載波相位C.星歷數(shù)據(jù)D.信號(hào)強(qiáng)度2.導(dǎo)致單點(diǎn)定位（PPP）精度受電離層延遲影響較大的主要原因是：A.電離層閃爍B.電離層時(shí)延與信號(hào)頻率有關(guān)C.電離層高度固定D.電離層主要由電子構(gòu)成3.在單基準(zhǔn)站差分（SBAS）系統(tǒng)中，通常采用什么方法修正遠(yuǎn)程用戶接收機(jī)與基準(zhǔn)站之間存在的共同誤差？A.利用載波相位觀測值進(jìn)行差分B.通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)發(fā)送差分改正數(shù)C.估計(jì)并消除電離層延遲改正數(shù)D.使用全球分布的參考站網(wǎng)絡(luò)4.實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位的主要原因是：A.僅使用一顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測B.能夠有效消除所有類型的測量誤差C.利用了基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的載波相位整周模糊度差D.無需進(jìn)行差分改正5.RTK作業(yè)模式中，需要先通過解算確定模糊度參數(shù)的是：A.靜態(tài)模式B.快速動(dòng)態(tài)模式C.精確動(dòng)態(tài)模式（PPK）D.浮點(diǎn)解模式6.差分定位系統(tǒng)中，利用載波相位觀測值進(jìn)行差分的主要優(yōu)勢在于：A.觀測值絕對(duì)值大，不易受噪聲影響B(tài).能夠直接測量接收機(jī)與衛(wèi)星之間的幾何距離C.靈敏度高，適用于低信噪比環(huán)境D.可以直接消除接收機(jī)鐘差7.下列哪項(xiàng)不是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域？A.大地測量控制網(wǎng)加密B.車輛實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航C.工程施工放樣D.精密授時(shí)服務(wù)8.在RTK定位過程中，當(dāng)移動(dòng)站離開作業(yè)范圍后，重新進(jìn)入并恢復(fù)高精度定位通常需要：A.重新進(jìn)行初始化B.延長觀測時(shí)間C.改變基準(zhǔn)站位置D.更換接收機(jī)類型9.精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)相比傳統(tǒng)RTK技術(shù)的主要優(yōu)勢之一是：A.實(shí)時(shí)性好，可快速獲取結(jié)果B.無需建立基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)C.定位精度更高，尤其在電離層延遲強(qiáng)變化區(qū)域D.設(shè)備成本更低10.差分定位系統(tǒng)中，基準(zhǔn)站和用戶站接收機(jī)鐘差的主要來源是：A.接收機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘的隨機(jī)誤差B.衛(wèi)星星歷誤差C.信號(hào)傳播的多路徑效應(yīng)D.大氣層折射二、填空題（每空1分，共15分）1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分定位的基本思想是通過______站觀測數(shù)據(jù)的處理，生成差分改正信息，然后由______站利用這些改正信息來提高定位精度。2.差分偽距觀測方程中，除了衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、大氣延遲（電離層延遲和大氣層延遲）以及衛(wèi)星和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（多普勒改正）外，主要誤差來源還包括______和______。3.實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）技術(shù)利用載波相位觀測值進(jìn)行差分，其核心挑戰(zhàn)在于______的準(zhǔn)確確定。4.單基準(zhǔn)站差分系統(tǒng)（SBAS）主要服務(wù)于______用戶，通常采用______技術(shù)來修正廣域范圍內(nèi)的誤差。5.在RTK作業(yè)模式中，根據(jù)模糊度參數(shù)解算結(jié)果的不同，解分為______解和______解。6.多路徑效應(yīng)是指GNSS信號(hào)在傳播過程中遇到______或其他反射面產(chǎn)生反射，并與直接信號(hào)______的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響定位精度。7.精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)通過模型精確估計(jì)或消除各類誤差，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的______厘米級(jí)定位精度。8.差分定位系統(tǒng)根據(jù)基準(zhǔn)站數(shù)量和用戶與基準(zhǔn)站的空間關(guān)系，可以分為______差分、______差分和______差分。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單點(diǎn)定位（PPP）存在的主要誤差來源及其影響。2.比較單基準(zhǔn)站差分（SBAS）和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）在系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用方式和精度特點(diǎn)上的主要區(qū)別。3.簡述載波相位觀測值在差分定位中相較于偽距觀測值的主要優(yōu)勢。4.解釋RTK定位過程中可能出現(xiàn)“失鎖”現(xiàn)象的原因，并簡述其通常的處理方法。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)某RTK基準(zhǔn)站向移動(dòng)站發(fā)送了載波相位差分改正數(shù)Δρ_c(L1頻段，單位：米)。移動(dòng)站接收到的載波相位觀測值為ρ_r(L1頻段，單位：米)。已知移動(dòng)站到基準(zhǔn)站的幾何距離為d(單位：米)。請寫出移動(dòng)站利用該差分改正數(shù)計(jì)算L1頻段偽距差分改正數(shù)Δρ_p的公式，并說明理由。2.在進(jìn)行靜態(tài)差分測量時(shí)，某基準(zhǔn)站和用戶站分別測得偽距觀測值ρ_b和ρ_u。已知基準(zhǔn)站坐標(biāo)為(x_b,y_b,z_b)，用戶站坐標(biāo)為(x_u,y_u,z_u)。請簡述如何利用這兩個(gè)偽距觀測值和站點(diǎn)坐標(biāo)信息計(jì)算用戶站相對(duì)于基準(zhǔn)站的水平位置差分改正數(shù)Δx,Δy的基本思路（無需推導(dǎo)具體公式，只需說明方法和涉及的關(guān)鍵量）。五、論述題（每題15分，共30分）1.結(jié)合差分定位的基本原理，論述影響差分定位系統(tǒng)最終定位精度的關(guān)鍵因素有哪些？并針對(duì)其中主要的誤差來源（如電離層延遲、多路徑效應(yīng)），簡述差分技術(shù)或相關(guān)模型是如何進(jìn)行修正或補(bǔ)償?shù)摹?.談?wù)勀銓?duì)精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)未來發(fā)展前景的看法。你認(rèn)為當(dāng)前PPP技術(shù)在哪些方面仍面臨挑戰(zhàn)？為了克服這些挑戰(zhàn)，可能的技術(shù)研究方向有哪些？試卷答案一、單項(xiàng)選擇題1.C2.B3.B4.C5.D6.A7.D8.A9.B10.A二、填空題1.一個(gè)；一個(gè)2.接收機(jī)硬件延遲；衛(wèi)星軌道誤差（或星歷誤差）3.載波相位整周模糊度4.廣域；廣域差分模型（或模型化差分）5.固定；浮點(diǎn)6.地面障礙物；干涉7.高精度8.單基站；雙基站；網(wǎng)絡(luò)三、簡答題1.誤差來源與影響：*衛(wèi)星鐘差：衛(wèi)星原子鐘的誤差導(dǎo)致衛(wèi)星播發(fā)的時(shí)間信息不準(zhǔn)確，引起偽距測量偏差。影響：導(dǎo)致接收機(jī)計(jì)算出的位置偏離真實(shí)位置。*接收機(jī)鐘差：接收機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘的誤差導(dǎo)致接收機(jī)測量的時(shí)間不準(zhǔn)確，引起偽距測量偏差。影響：與衛(wèi)星鐘差類似，導(dǎo)致定位偏差。*電離層延遲：GNSS信號(hào)穿過電離層時(shí)速度發(fā)生變化，產(chǎn)生延遲，影響偽距測量。影響：導(dǎo)致定位精度下降，且誤差大小與信號(hào)路徑長度、電離層電子密度有關(guān)。*對(duì)流層延遲：GNSS信號(hào)穿過對(duì)流層時(shí)路徑彎曲和速度變化產(chǎn)生延遲，影響偽距測量。影響：導(dǎo)致定位精度下降，通常比電離層延遲小，但難以精確模型化。*多路徑效應(yīng)：信號(hào)經(jīng)地面、建筑物等反射到達(dá)接收機(jī)，與直射信號(hào)干涉，造成觀測值失真。影響：嚴(yán)重降低定位精度和觀測量質(zhì)量。*衛(wèi)星軌道誤差（星歷誤差）：衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)行軌道與導(dǎo)航電文中廣播的軌道存在偏差。影響：導(dǎo)致接收機(jī)計(jì)算出的衛(wèi)星位置不準(zhǔn)確，從而影響偽距計(jì)算和定位結(jié)果。*接收機(jī)硬件延遲：接收機(jī)內(nèi)部電子器件產(chǎn)生的固定或時(shí)變延遲。影響：引入系統(tǒng)性的偽距偏差。*接收機(jī)軟件延遲/處理誤差：數(shù)據(jù)處理算法引入的誤差。影響：可能導(dǎo)致定位結(jié)果不準(zhǔn)確或噪聲增大。*大氣閃爍等：引起信號(hào)強(qiáng)度和相位快速波動(dòng)，影響信號(hào)質(zhì)量和觀測量穩(wěn)定性。影響：降低定位解算的穩(wěn)定性和精度。2.SBASvsRTK比較：*系統(tǒng)構(gòu)成：*SBAS：利用廣泛分布的星基參考站網(wǎng)絡(luò)，通過模型計(jì)算廣域差分改正數(shù)，通過衛(wèi)星廣播給用戶。*RTK：通常需要一或多個(gè)地面基準(zhǔn)站，通過數(shù)據(jù)鏈（如UHF電臺(tái)）實(shí)時(shí)發(fā)送差分改正數(shù)給附近的移動(dòng)用戶。*應(yīng)用方式：*SBAS：為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的廣大用戶（通常是區(qū)域性或全球性）提供一次性的差分改正服務(wù)。*RTK：主要為基準(zhǔn)站附近的移動(dòng)用戶提供實(shí)時(shí)的、連續(xù)的高精度定位服務(wù)。*精度特點(diǎn)：*SBAS：通常提供分米級(jí)定位精度，覆蓋范圍廣，但精度相對(duì)較低。*RTK：可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度，但覆蓋范圍有限（通常幾十至幾百公里），依賴于基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的距離。3.載波相位優(yōu)勢：*高精度：載波相位信號(hào)的波長非常短（厘米級(jí)），其測量精度遠(yuǎn)高于偽距測量（米級(jí)），基于相位觀測值的差分定位精度更高。*對(duì)速度不敏感：相位測量主要反映載波振蕩的積累周期數(shù)，對(duì)多普勒頻移等速度相關(guān)效應(yīng)不敏感，有利于在高速運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行高精度定位。*動(dòng)態(tài)性能好：由于其對(duì)速度不敏感，相位測量在動(dòng)態(tài)環(huán)境下表現(xiàn)更穩(wěn)定。*可利用整周模糊度：載波相位測量存在整周模糊度參數(shù)，通過差分或特定技術(shù)（如RTK）可以精確解算，進(jìn)一步提升精度。4.RTK失鎖與處理：*原因：RTK定位依賴于基準(zhǔn)站和移動(dòng)站載波相位觀測值之間的穩(wěn)定載波多普勒模糊度差。當(dāng)移動(dòng)站發(fā)生相對(duì)基準(zhǔn)站的快速移動(dòng)、信號(hào)被遮擋（如通過隧道、高樓）、信號(hào)質(zhì)量突然惡化（如電離層閃爍劇烈）或接收機(jī)重新初始化時(shí)，載波相位觀測量可能丟失鎖定，導(dǎo)致載波多普勒模糊度差無法穩(wěn)定估計(jì)，從而失去差分修正，定位精度急劇下降或失鎖。*處理方法：*數(shù)據(jù)融合：結(jié)合偽距觀測值和載波相位觀測值進(jìn)行模糊度解算和定位，提高對(duì)信號(hào)丟失的容忍度。*動(dòng)態(tài)模型：采用能夠適應(yīng)快速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行模糊度估計(jì)和跟蹤。*信號(hào)保護(hù)：使用高增益天線，優(yōu)化接收機(jī)信號(hào)處理算法，提高信號(hào)捕獲和跟蹤的穩(wěn)定性。*重新初始化：當(dāng)失鎖后，移動(dòng)站需要重新進(jìn)行載波相位整周模糊度搜索和鎖定（稱為“重新初始化”或“重新捕獲”），過程可能耗時(shí)較長，在此期間定位精度不高?？梢酝ㄟ^縮短觀測時(shí)間、使用輔助數(shù)據(jù)（如IMU）等方式輔助快速初始化。四、計(jì)算題1.公式與理由：*公式：Δρ_p=Δρ_c*理由：在RTK差分定位中，通常使用載波相位觀測值的差分來生成載波相位差分改正數(shù)Δρ_c。由于RTK定位是在載波相位觀測值的基礎(chǔ)上，通過差分技術(shù)消除或減弱共同的誤差（如衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離層延遲、軌道誤差等），使得移動(dòng)站接收到的差分載波相位改正數(shù)Δρ_c在很大程度上反映了原始載波相位觀測值ρ_r與基準(zhǔn)站載波相位觀測值ρ_b之差的影響。因此，可以近似認(rèn)為移動(dòng)站利用該差分改正數(shù)計(jì)算得到的偽距差分改正數(shù)Δρ_p與之相等（這里簡化了計(jì)算過程，實(shí)際RTK定位計(jì)算更為復(fù)雜，但差分偽距改正數(shù)與差分載波相位改正數(shù)密切相關(guān)）。移動(dòng)站最終計(jì)算的偽距ρ'_r=ρ_r+Δρ_p。若已知幾何距離d，則移動(dòng)站位置修正量為Δx,Δy=(ρ'_r-d)*(方向向量/距離向量的單位向量)。但題目僅要求Δρ_p的公式。2.基本思路：*原理：利用基準(zhǔn)站和用戶站的偽距觀測值之差，可以有效地消除兩站共有的誤差項(xiàng)（如衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離層延遲、大部分對(duì)流層延遲、軌道誤差等），從而得到用戶站相對(duì)于基準(zhǔn)站的位置差分改正數(shù)。*計(jì)算步驟概述：1.計(jì)算基準(zhǔn)站和用戶站的偽距觀測值之差：Δρ=ρ_u-ρ_b。2.計(jì)算基準(zhǔn)站到用戶站的幾何距離（或向量）d=(x_u-x_b,y_u-y_b,z_u-z_b)。3.利用差分偽距Δρ和幾何距離向量d，通過某種關(guān)系（可能基于幾何模型或觀測方程線性化）建立位置差分改正數(shù)與用戶站位置坐標(biāo)（x_u,y_u,z_u）之間的關(guān)系。4.通過求解該關(guān)系（通常是線性方程組），得到用戶站的位置差分改正數(shù)Δx,Δy（水平方向）。*關(guān)鍵量：偽距觀測值差Δρ=ρ_u-ρ_b，站點(diǎn)坐標(biāo)(x_b,y_b,z_b)和(x_u,y_u,z_u)，可能還需要衛(wèi)星坐標(biāo)、信號(hào)傳播時(shí)間等信息用于更精確的模型推導(dǎo)。五、論述題1.影響精度因素與修正：*關(guān)鍵因素：*電離層延遲：由于電離層電子密度隨時(shí)間和地點(diǎn)變化，是影響長距離定位精度的主要誤差源。*對(duì)流層延遲：包含干延遲和濕延遲，濕延遲受天氣影響顯著，是另一主要誤差源。*多路徑效應(yīng)：在復(fù)雜環(huán)境下普遍存在，嚴(yán)重影響觀測量質(zhì)量。*接收機(jī)鐘差：雖然通過差分可消除大部分，但殘余鐘差仍影響精度。*衛(wèi)星軌道誤差（星歷誤差）：影響衛(wèi)星位置計(jì)算，進(jìn)而影響偽距。*接收機(jī)硬件延遲：系統(tǒng)性誤差，需在數(shù)據(jù)處理中考慮。*載波相位整周模糊度：若未正確固定或解算，會(huì)引入整周數(shù)誤差，影響絕對(duì)定位精度。*信號(hào)傳播路徑誤差：如衛(wèi)星鐘差改正精度、troposphere模型誤差等。*修正/補(bǔ)償方法：*電離層延遲修正：*單差（GDOP）：消除衛(wèi)星鐘差和部分接收機(jī)鐘差、大部分電離層延遲（沿衛(wèi)星和基準(zhǔn)站視線方向分量）。*雙差（GDOP2）：進(jìn)一步消除軌道誤差、剩余部分電離層延遲（特別是跨站址和跨衛(wèi)星的分量）。*三差（GDOP3）：消除大部分剩余誤差，包括部分接收機(jī)鐘差殘差，精度最高，但觀測量需求也最高。*模型化：利用電離層模型（如Klobuchar模型、IE模型）進(jìn)行估算和補(bǔ)償。*區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）：利用廣泛分布的參考站網(wǎng)絡(luò)，建立區(qū)域性的電離層模型進(jìn)行修正。*對(duì)流層延遲修正：*模型化：利用對(duì)流層延遲模型（如Hopfield模型、Saastamoinen模型）進(jìn)行估算和補(bǔ)償。*雙差：對(duì)流層延遲中的干延遲部分可通過雙差消除。*多路徑效應(yīng)：*使用高增益、圓極化天線。*優(yōu)化接收機(jī)濾波器設(shè)計(jì)。*選擇開闊觀測環(huán)境。*差分本身對(duì)共路徑多路徑有抑制效果。*接收機(jī)鐘差：通過差分觀測值（單差、雙差）的解算過程自動(dòng)消除。*軌道誤差：利用精密的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)（如由IGS發(fā)布的RINEX文件）進(jìn)行修正。*載波相位整周模糊度：通過差分法（如模糊度固定技術(shù)）、歷書擴(kuò)展、輔助數(shù)據(jù)（如RTK的載波相位平滑）等方法進(jìn)行解算或固定。2.PPP發(fā)展前景與挑戰(zhàn)：*前景：PPP技術(shù)無需地面基準(zhǔn)站，具有全球覆蓋、應(yīng)用靈活、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，未來發(fā)展前景廣闊。隨著衛(wèi)星系統(tǒng)（如Galileo,BeiDou,GPS）越來越多、信號(hào)質(zhì)量不斷提升，以及精密星歷、電離層/對(duì)流層模型和算法的不斷改進(jìn)，PPP定位精度將持續(xù)提高，有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)甚至更高精度的無基準(zhǔn)站定位服務(wù)。*挑戰(zhàn)：*電離層延遲：電離層延遲是PPP中最難精確修正的誤差源，尤其在高緯度、電離層活動(dòng)劇烈區(qū)域影響顯著。需要更精確的電離層模型、雙頻/多頻組合、甚至四頻組合、粒子監(jiān)測數(shù)據(jù)融合等技術(shù)來提升修正精度。