2025年GPS異?？己朔治鼍毩?xí)卷考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填涂在答題卡相應(yīng)位置。）1.以下哪種現(xiàn)象是由于接收機(jī)內(nèi)置時(shí)鐘與衛(wèi)星原子鐘之間存在固定偏差引起的？A.偽距測(cè)量誤差B.載波相位模糊度C.多普勒頻移D.周跳2.在GPS定位中，電離層延遲對(duì)信號(hào)的影響主要表現(xiàn)為：A.使信號(hào)傳播速度變慢B.引起信號(hào)幅度衰減C.導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)時(shí)間延遲且與頻率有關(guān)D.引起信號(hào)相位快速跳變3.當(dāng)GPS接收機(jī)同時(shí)接收多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，且信號(hào)在傳播路徑上經(jīng)過不同路徑（如地面反射）到達(dá)接收機(jī)時(shí)，產(chǎn)生的干擾稱為：A.多普勒頻移模糊B.電離層延遲C.多路徑效應(yīng)D.對(duì)流層延遲4.以下哪項(xiàng)措施可以有效減弱或消除多路徑效應(yīng)？A.使用高靈敏度的天線B.選擇開闊的觀測(cè)環(huán)境，遠(yuǎn)離大型建筑物和金屬物體C.增加觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量D.提高衛(wèi)星發(fā)射功率5.GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)中，載波相位測(cè)量值存在的一個(gè)整周數(shù)的不確定性，稱為：A.鐘差B.周跳C.偽距誤差D.載波相位模糊度6.當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)生故障或信號(hào)被嚴(yán)重遮擋，導(dǎo)致接收機(jī)短時(shí)間內(nèi)無法鎖定衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，稱為：A.信號(hào)閃爍B.信號(hào)丟失C.偽距跳變D.載波相位周跳7.以下哪種誤差主要受大氣層（電離層和對(duì)流層）的影響，且其大小隨觀測(cè)幾何構(gòu)型和時(shí)間變化？A.接收機(jī)鐘差B.衛(wèi)星鐘差C.信號(hào)傳播延遲D.衛(wèi)星軌道誤差8.在使用GPS進(jìn)行精密定位時(shí)，為了消除或減弱電離層延遲誤差，常采用的方法是：A.選擇信號(hào)最強(qiáng)的衛(wèi)星B.采用雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)C.加密衛(wèi)星信號(hào)D.使用差分GPS技術(shù)9.以下哪項(xiàng)不是GPS接收機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的誤差來源？A.接收機(jī)鐘差B.信號(hào)通道延遲C.載波相位模糊度D.多路徑效應(yīng)10.導(dǎo)致GPS載波相位測(cè)量值出現(xiàn)突然的、較大的跳躍，通常需要通過差分處理或模型修正來消除的現(xiàn)象是：A.偽距測(cè)量噪聲B.載波相位周跳C.多普勒頻移D.信號(hào)閃爍二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填寫在橫線上。）1.GPS系統(tǒng)主要由______、______和______三部分組成。2.偽距測(cè)量值是衛(wèi)星信號(hào)從發(fā)射到被接收所經(jīng)歷的時(shí)間乘以______的近似值。3.為了修正由接收機(jī)鐘差引起的偽距測(cè)量誤差，通常需要精確已知衛(wèi)星的______。4.電離層延遲誤差通常采用______模型或______模型進(jìn)行修正。5.多路徑效應(yīng)主要對(duì)______信號(hào)影響較大，可能導(dǎo)致偽距測(cè)量值______和載波相位測(cè)量值______。6.當(dāng)GPS接收機(jī)丟失衛(wèi)星信號(hào)后重新鎖定，載波相位測(cè)量值可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)整數(shù)倍的______，稱為______。7.周跳的修復(fù)通常依賴于______或______技術(shù)。8.除了碼偽距和載波相位偽距，還有基于______觀測(cè)值的偽距測(cè)量方法。9.影響GPS定位精度的因素除了衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、大氣延遲、多路徑效應(yīng)外，還有______和______。10.在GPS數(shù)據(jù)解算中，需要將觀測(cè)方程中的未知數(shù)（如位置坐標(biāo)和鐘差）估計(jì)出來，常用的數(shù)學(xué)方法有______和______。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題。）1.簡(jiǎn)述GPS測(cè)距的基本原理。2.簡(jiǎn)述電離層延遲對(duì)GPS信號(hào)的影響及其主要特點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述接收機(jī)鐘差對(duì)偽距測(cè)量的影響，以及如何減弱其影響。4.簡(jiǎn)述什么是多路徑效應(yīng)，并列舉兩種可能引起多路徑效應(yīng)的路徑。四、分析計(jì)算題（共25分。請(qǐng)根據(jù)要求進(jìn)行分析和計(jì)算。）1.（10分）某次GPS觀測(cè)中，接收機(jī)測(cè)得某衛(wèi)星信號(hào)的偽距觀測(cè)值為2930500.123m，已知該衛(wèi)星的精確位置為（X衛(wèi)星,Y衛(wèi)星,Z衛(wèi)星）=（2000000.000,1200000.000,3000000.000）m，接收機(jī)天線相位中心位置為（X接收機(jī),Y接收機(jī),Z接收機(jī)）=（1000000.000,1500000.000,2500000.000）m。假設(shè)光速c=299792.458km/s。請(qǐng)計(jì)算接收機(jī)到該衛(wèi)星的幾何距離（近似值），并分析觀測(cè)偽距與幾何距離之間可能存在的差異及其主要原因。2.（15分）在GPS定位數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)載波相位觀測(cè)值在某一歷元出現(xiàn)了+0.5周跳。已知該歷元前的載波相位模糊度值N為45.785周。請(qǐng)計(jì)算該歷元正確的載波相位觀測(cè)值（以周為單位）。如果在后續(xù)歷元中，未進(jìn)行周跳修復(fù)，直接使用模糊度值N=45.785周進(jìn)行相位組合，會(huì)對(duì)偽距觀測(cè)值（ρ）和載波相位觀測(cè)值（φ）的組合值L=φ-N*c*t（其中t為接收機(jī)鐘差）產(chǎn)生什么影響？請(qǐng)解釋原因。五、案例分析題（30分。請(qǐng)根據(jù)要求進(jìn)行分析。）某用戶使用單頻GPS接收機(jī)在某城市峽谷區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在上午10:00至11:00期間，信號(hào)質(zhì)量指示器（如PDOP、HDOP、VDOP值）出現(xiàn)異常增大，同時(shí)偽距測(cè)量值呈現(xiàn)明顯的跳變和周跳現(xiàn)象，載波相位測(cè)量值也相對(duì)不穩(wěn)定。請(qǐng)分析可能導(dǎo)致出現(xiàn)上述異?，F(xiàn)象的原因（至少列舉三種），并說明每種原因下信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)和觀測(cè)值可能表現(xiàn)出的典型特征。針對(duì)這些異?，F(xiàn)象，可以采取哪些初步的檢查和處理措施？試卷答案一、選擇題1.A2.C3.C4.B5.D6.B7.C8.B9.D10.B二、填空題1.天文衛(wèi)星星座，地面監(jiān)控站系統(tǒng)，用戶接收機(jī)系統(tǒng)2.光速3.星位（或星歷）4.球諧函數(shù)，單層模型5.載波相位，增大（或增大且與相位跳變相關(guān)），跳躍（或模糊度跳變）6.整周數(shù)，周跳7.差分，載波相位平滑8.偽距（或偽距像）9.軌道誤差，接收機(jī)硬件噪聲（或內(nèi)部延遲）10.最小二乘法，卡爾曼濾波三、簡(jiǎn)答題1.GPS測(cè)距原理：GPS衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射帶有自身標(biāo)識(shí)和精確時(shí)間戳的測(cè)距碼和載波信號(hào)。接收機(jī)接收信號(hào)后，測(cè)量信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到接收機(jī)接收所經(jīng)歷的時(shí)間（即傳播時(shí)間延遲Δt），并將該時(shí)間乘以光速c，得到接收機(jī)到衛(wèi)星的近似距離（偽距）ρ=c*Δt。通過同時(shí)接收多顆衛(wèi)星的信號(hào)并測(cè)量其偽距，可以建立距離方程組，解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)。2.電離層延遲影響：電離層是地球高層大氣的一部分，其中存在自由電子。GPS信號(hào)（電磁波）在穿過電離層時(shí)，會(huì)受到自由電子的折射作用，導(dǎo)致信號(hào)傳播路徑發(fā)生彎曲，傳播速度發(fā)生變化，從而引起信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲。這種延遲的大小與信號(hào)傳播路徑的長(zhǎng)度、電離層電子密度以及信號(hào)頻率有關(guān)。由于不同頻率的信號(hào)（如L1和L2）受到電離層延遲的影響程度不同（頻率越高，影響越?。?，利用雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)可以有效消除或減弱電離層延遲誤差。3.接收機(jī)鐘差影響：接收機(jī)鐘差是指接收機(jī)內(nèi)置時(shí)鐘與GPS衛(wèi)星原子鐘之間的時(shí)間偏差。由于接收機(jī)成本和精度的限制，其時(shí)鐘精度遠(yuǎn)低于衛(wèi)星原子鐘。接收機(jī)鐘差會(huì)直接疊加在所有偽距測(cè)量值上，使得測(cè)得的偽距值總是偏大（或偏?。?，相當(dāng)于在所有距離方程中均加入了一個(gè)相同的常數(shù)項(xiàng)，從而影響定位解算的精度。減弱其影響的方法主要有：①在定位解算中使用精確的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)來估計(jì)偽距測(cè)量值中的衛(wèi)星鐘差部分，并將其從觀測(cè)方程中消除；②使用差分GPS技術(shù)，通過參考站精確消除或減弱接收機(jī)鐘差的影響；③使用高精度的接收機(jī)時(shí)鐘。4.多路徑效應(yīng)：多路徑效應(yīng)是指GPS信號(hào)在傳播到接收機(jī)天線的路徑上，除了直接路徑外，還通過地面、建筑物、水體等反射面反射，形成間接路徑到達(dá)接收機(jī)天線，導(dǎo)致接收機(jī)同時(shí)接收到直接信號(hào)和多次反射信號(hào)的現(xiàn)象。這些間接信號(hào)與直接信號(hào)之間存在時(shí)間延遲、路徑損耗、相位失真和到達(dá)角偏差。當(dāng)直接信號(hào)和反射信號(hào)在接收機(jī)天線相位中心處疊加時(shí)，會(huì)相互干擾，可能導(dǎo)致信號(hào)幅度增大（閃爍）、相位失真、到達(dá)時(shí)間延遲、偽距測(cè)量值增大和偏差，甚至載波相位模糊度發(fā)生變化，從而嚴(yán)重影響GPS定位的精度和可靠性。常見的多路徑路徑包括：地面反射路徑、建筑物頂面和墻面反射路徑、植被表面反射路徑等。四、分析計(jì)算題1.解：*接收機(jī)到衛(wèi)星的幾何距離（近似直線距離）計(jì)算：ΔX=X衛(wèi)星-X接收機(jī)=2000000000=1000000.000mΔY=Y衛(wèi)星-Y接收機(jī)=1200000000=-300000.000mΔZ=Z衛(wèi)星-Z接收機(jī)=3000000000=500000.000m幾何距離d=√(ΔX2+ΔY2+ΔZ2)d=√((1000000)2+(-300000)2+(500000)2)d=√(1000000000000+90000000000+250000000000)d=√(2250000000000)=1500000.000m=1500.000km*分析差異：觀測(cè)偽距ρ=2930500.123m=2930.500123km觀測(cè)偽距與幾何距離之差Δρ=ρ-d=2930.500123km-1500.000km=1430.500123km*差異原因分析：1.接收機(jī)鐘差：如前所述，偽距ρ=d+c*Δt接收機(jī)，其中Δt接收機(jī)是接收機(jī)鐘差。由于接收機(jī)鐘差未知且通常較大，它導(dǎo)致觀測(cè)偽距ρ總是顯著大于幾何距離d。2.電離層延遲：信號(hào)在電離層中傳播速度減慢，導(dǎo)致傳播時(shí)間比真空中的時(shí)間要長(zhǎng)，產(chǎn)生額外的延遲，使ρ>d。3.對(duì)流層延遲：信號(hào)在對(duì)流層中傳播也會(huì)受到折射，產(chǎn)生延遲，使ρ>d。對(duì)流層延遲通常比電離層延遲小，且與信號(hào)路徑角有關(guān)。4.信號(hào)傳播介質(zhì)影響：信號(hào)在近地空間傳播的介質(zhì)可能并非完全真空，也會(huì)產(chǎn)生微小影響。5.多路徑效應(yīng)：如果觀測(cè)環(huán)境存在多路徑，接收機(jī)接收到的可能是混合信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量的偽距ρ包含額外的路徑延遲，使得ρ顯著大于幾何距離d。因此，觀測(cè)偽距與幾何距離之間存在約1430.5km的巨大差異，這主要是接收機(jī)鐘差、大氣延遲（電離層和對(duì)流層）以及可能的多路徑效應(yīng)共同作用的結(jié)果。GPS定位的核心任務(wù)之一就是精確估計(jì)并消除這些誤差源的影響。2.解：*計(jì)算正確的載波相位觀測(cè)值：假設(shè)未發(fā)生周跳前，正確的載波相位觀測(cè)值應(yīng)為φ_correct=N+整數(shù)周數(shù)。發(fā)生+0.5周跳后，接收機(jī)記錄到的載波相位觀測(cè)值為φ_measured=N+0.5+整數(shù)周數(shù)'。其中N=45.785周，整數(shù)周數(shù)'為發(fā)生跳變后的新整數(shù)周數(shù)。正確的載波相位觀測(cè)值φ_correct=φ_measured-0.5周跳量。φ_correct=(N+0.5+整數(shù)周數(shù)')-0.5φ_correct=N+整數(shù)周數(shù)'。由于發(fā)生的是+0.5周跳，意味著測(cè)量的相位值比正確的相位值少了0.5周。因此，正確的相位值應(yīng)加上0.5周。φ_correct=N+0.5=45.785+0.5=46.285周。*對(duì)L=φ-N*c*t的影響分析：假設(shè)未進(jìn)行周跳修復(fù)，直接使用模糊度值N=45.785周。L_measured=φ_measured-N*c*t=(N+0.5+整數(shù)周數(shù)')-N*c*tL_measured=N+0.5+整數(shù)周數(shù)'-N*c*t而正確的組合值應(yīng)為L(zhǎng)_correct=φ_correct-N*c*t=(N+0.5)-N*c*t。比較兩者：L_measured-L_correct=(N+0.5+整數(shù)周數(shù)'-N*c*t)-(N+0.5-N*c*t)L_measured-L_correct=整數(shù)周數(shù)'-整數(shù)周數(shù)'L_measured-L_correct=0這表明，雖然直接使用錯(cuò)誤的模糊度值N=45.785周會(huì)導(dǎo)致組合值L的具體數(shù)值不正確（因?yàn)棣誣measured本身就不正確），但由于周跳本身就是一個(gè)整數(shù)周的偏移，它恰好被錯(cuò)誤的模糊度N所“吸收”，使得L的值看起來像是正確的（即L_measured=L_correct）。然而，這只是一個(gè)巧合，掩蓋了錯(cuò)誤的模糊度值。如果后續(xù)相位發(fā)生新的跳變，或者進(jìn)行相位平滑等處理，這種錯(cuò)誤就會(huì)被暴露出來。因此，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為使用錯(cuò)誤的模糊度值對(duì)L的值沒有影響，它會(huì)導(dǎo)致整個(gè)觀測(cè)方程系統(tǒng)的解算結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。正確的做法是必須進(jìn)行周跳探測(cè)和修復(fù)，以恢復(fù)正確的相位模糊度值。五、案例分析題可能的原因及分析：1.多路徑效應(yīng)：城市峽谷區(qū)域建筑物密集，信號(hào)易發(fā)生反射和折射，導(dǎo)致直接信號(hào)與反射信號(hào)疊加，造成信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)、偽距跳變、載波相位模糊度快速跳變。多路徑效應(yīng)會(huì)使信號(hào)質(zhì)量指示器（如PDOP、HDOP、VDOP）數(shù)值異常增大，因?yàn)樗鼈兎从沉诵l(wèi)星幾何構(gòu)型和解算的敏感性，多路徑引入的噪聲和模糊度跳變會(huì)顯著增加這些值。2.電離層延遲變化劇烈：上午時(shí)段，太陽(yáng)活動(dòng)可能增強(qiáng)，或觀測(cè)幾何構(gòu)型（衛(wèi)星仰角等）變化導(dǎo)致信號(hào)路徑穿過不同電子密度的電離層區(qū)域，引起電離層延遲快速變化。劇烈變化的電離層延遲會(huì)導(dǎo)致偽距測(cè)量值跳變，有時(shí)也會(huì)影響載波相位（通過載波相位平滑偽距的誤差間接影響）。3.信號(hào)遮擋與丟失（信號(hào)丟失）：在峽谷中，接收機(jī)視線可能被建筑物遮擋，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度突然下降甚至完全丟失。信號(hào)丟失會(huì)直接表現(xiàn)為偽距觀測(cè)值不可用或跳變，載波相位測(cè)量值也會(huì)中斷。當(dāng)信號(hào)恢復(fù)時(shí)，可能會(huì)伴隨周跳。信號(hào)丟失會(huì)使得所有與該衛(wèi)星相關(guān)的定位參數(shù)（包括偽距、相位、幾何因子等）出現(xiàn)異常。4.接收機(jī)內(nèi)部故障或干擾：接收機(jī)硬件故障（如天線、主板問題）或