全球定位系统及其应用

普通高中课程标准实验教科书地理必修 第3册 全球定位系统及其应用 沅陵一中高二地理备课组 在伊拉克战争中 曾经有记者问一位飞行员 你知道去轰炸哪个城市吗 飞行员回答 不知道 那你怎么去轰炸呢 容易 上级给我一个坐标 我按计算机的指引 投下采用GPS导航的炸弹掉头就走 跟我玩游戏机没哈两样 这个例子是现代战争中引用GPS系统的典型案例 我们反对战争 但要想能更好的维护世界和平 我们也需要了解GPS 全球定位系统这种现代地理信息技术 一 基本概念 全球定位系统 GlobalPositioningSystem简称GPS 是具有在海 陆 空进行全方位 实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统 阅读指导 GPS的起源 在卫星定位系统出现之前 远程导航与定位主要用无线电导航系统 1 无线电导航系统缺点 覆盖的工作区域小 电波传播受大气影响 定位精度不高 2 卫星定位系统最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统 TRANSIT 1958年研制 1964年正式投入使用 由于该系统卫星数目较少 5 6颗 运行高度较低 平均1000km 从地面站观测到卫星的时间间隔较长 平均1 5h 因而它无法提供连续的实时三维导航 而且精度较低 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求 1973年美国国防部制定了GPS计划 3 GPS发展历程GPS实施计划共分三个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段 从1973年到1979年 共发射了4颗试验卫星 研制了地面接收机及建立地面跟踪网 第二阶段为全面研制和试验阶段 从1979年到1984年 又陆续发射了7颗试验卫星 研制了各种用途的接收机 实验表明 GPS定位精度远远超过设计标准 第三阶段为实用组网阶段 1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功 表明GPS系统进入工程建设阶段 1993年底实用的GPS网即 21 3 GPS星座已经建成 今后将根据计划更换失效的卫星 在美国 GPS全球卫星定位技术与 阿波罗 飞船登月 航天飞机升空 共同给列为20世纪 三大航天工程 思考 经度 纬度 海拔 二 定位原理 颗卫星定位一点 1 2 3 4 S1 S3 S4 S2 X Y Z T 3 问题探讨 按照理论 我们知道要保证地面各点能接收到信息只要3颗卫星就可以了 为什么我们要用4颗卫星呢 当GPS收到3颗卫星的信号 它只能计算出2维坐标 经度和纬度 这时它可能还会显示高度数据 但这数据是无效的 当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时 它能计算出本地的3维坐标 经度 纬度 高度 跨越障碍 全球定位系统的特点是什么 1 全球 全天候工作 2 能为用户提供连续 实时的三维位置 三维速度和精密时间 不受天气的影响 3 定位精度高 单机定位精度优于10米 采用差分定位 精度可达厘米级和毫米级 4 功能多 应用广 随着人们对GPS认识的加深 GPS不仅在测量 导航 测速 测时等方面取得更广泛的应用 而且其应用领域不断扩大 三 系统组成 用户设备 空间部分 24颗卫星 三 系统组成 1 GPS卫星星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成 GPS卫星星座记作 2l 3 GPS星座 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内 轨道倾角为55度 各个轨道平面之间的夹角为60度 即轨道的升交点赤经各相差60度 每个轨道平面内 各颗卫星之间的升交角距相差90度 一轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度 2 地面监控系统 对于导航定位来说 GPS卫星是一动态已知点 星的位置是依据卫星发射的星历 描述卫星运动及其轨道的参数算得的 每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的 卫星上的各种设备是否正常工作以及卫星是否一直沿着预定轨道运行 都要由地面设备进行监测和控制 地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准 GPS时间系统 这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差 然后由地面注入站发给卫星 卫星再由导航电文发给用户设备 GPS工作卫星的地面监控系统包括 地面监控系统 1 主控站 2 监测站 3 注入站 监测站 获取GPS数据 并将数据送至主控站 主控站 控制 调度卫星 注入站 将主控站的改正参数等注入每颗卫星 主控站位于美国科罗拉多的斯平士 ColoradoSprings 的联合空间执行中心 CSOC 三个注入站分别设在大西洋 印度洋和太平洋的三个美国军事基地上 即大西洋的阿松森岛 Ascension 印度洋的迭哥 伽西亚 岛DiegoGarcia 和太平洋的夸贾林岛Kwajalein 五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛 3 GPS信号接收机 GPS信号接收机的任务是 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号 并跟踪这些卫星的运行对所接收到的GPS信号进行变换 放大和处理 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卫星所发送的导航电文 实时地计算出测站的三维位置 甚至三维速度和时间 GPS卫星发送的导航定位信号 是一种可供无数用户共享的信息资源 对于陆地 海洋和空间的广大用户 只要用户拥有能够接收 跟踪 变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机 可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量 根据使用目的的不同 用户要求的GPS信号接收机也各有差异 目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机 产品也有几百种 这些产品可以按照原理 用途 功能等来分类 导航型接收机 测地型接收机 天线单元 接收单元 授时接收机 全球定位系统的组成 空间 由2l颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内 地面 由分布在全球的5个地面站 包括5个监控站 1个主控站和3个注入站 主控站和注入站都位于监控站里 组成 用户 导航型接收机 测地型接收机 授时接收机 请思考 读右图 相邻两个GPS星座卫星轨道平面之间的夹角是多少度 每个卫星轨道上各有几颗卫星 它们两两相隔多少度 60 4颗 90 二 GPS的应用领域 1 GPS在军事上的应用 3 GPS在交通上的应用 4 GPS在旅游探险中的应用 2 民用GPS 1 GPS在军事上的应用 军事是GPS技术最早的应用领域 主要是为各种军事活动提供定位导航 在现代战争中 不仅陆 海 空三军 而且许多高科技武器弹药等 也都开始采用GPS技术进行定位导航 目前精确制导武器复合制导的重要技术手段 装备GPS制导系统之前 美军BGM 10C 战斧 巡航导弹误差约为9米 在其 惯性和地形匹配 制导系统中加入GPS后 误差降至3米 制导精度大大提高 2 民用GPS主要用于交通车辆导航管理 航空器定位及导航 以及大地测量野外勘测 紧急求援 旅游探险 农业监测 生态研究等方面 3 GPS在交通上的应用 当你外出旅游或者野外探险的时候 为了不迷失方向 请问你通常用哪些方法来辨别方向或确定你所在的位置 4 户外旅游探险 余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站仅几百米 风沙淹埋了前人走过的足迹 在茫茫荒漠中又渴又饿的他终于倒下了 如果当时他有一台GPS接收机 惨剧又何以发生 在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下 危险无时无刻不在 手持GPS接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进 可安全返航 目前 许多休闲俱乐部围绕GPS功能相继推出 穿越 寻宝 野外拓展 等都市游戏 丰富了人们周末生活 提高了人们生活品位 深得户外运动爱好者的欢迎 图1 1 C 定位 键 显示 标定位置画面 如图1 4所示 经纬度为N32 03 232 E118 45 923 海拔高度17米等信息 图1 4 一般而言 GPS接受机的功能包括以下几方面 1 显示坐标 2 设定路标 亦称 航点 3 生成行进路线 GPS根据用户设定的起点与终点所生成的线路 各坐标点可以从现有路标中选择 或手工输入数值 输入的路点都会作为一个路标保存 4 方向指标 GPS可以动态地指示目前前进的方向 其方向是以 来显示的 正北方向为 0 按顺时针方向增加角度 GPS让物流运输过程透明化 大坝变形监测 前景畅想 阅读指导 车载GPS的功用 通过车载GPS 可以在显示屏上及时查看车辆所在的经纬度 运行轨迹 速度 行进方向等 车载电台把定位信息发送给监控中心 在电子地图上显示出来 可对车辆进行调度指挥 城市公共汽车调度管理 旅游区车辆报警与调度 海关 公安 海防等部门对车辆的调度与监控 阅读指导 GPS在航海 航空导航中的应用 向用户提供船舶位置 航速 航向信息 海图 海迹显示 避免船只冲撞 确保航行安全 把自己的位置和航向发送到航海管理中心 便于中心的跟踪 搜寻和救援 空域航路 着陆 机场监视和管理 实现空域划分 空中交通流量管理 飞行路径管理 例1下列关于全球定位系统的叙述 不正确的是 A GPS是利用卫星进行导航 定位的系统B GPS包括两大部分 即空间部分和地面控制部分C GPS卫星星座由24颗卫星组成D 野外旅行 只要拥有GPS信号接收机 可随时知道自己所处的经纬度 B 解析 全球定位系统包括三大部分 即空间星座 地面控制系统和用户系统 例21999年3月27日 北约部队一架F一117A隐形战斗机被南联盟防空部队击落 飞行员跳伞后在脚触地的一刹那 通过手持型信号发射器发出紧急呼救信号 当间谍卫星把呼救信号传送到北约空袭南联盟指挥所后 美军立即安排了救援行动 6小时后 当一架EA一6B电子干扰机发现飞行员的准确位置时 一架MH一6oG搜索与救援直升机降落在飞行员面前 把飞行员接上直升机并安全返回基地 据此回答 l 一 2 题 1 飞行员发出的呼救信号是 A GIS系统信号B GPS系统信号C RS系统信号D 以上都不对 B 2 北约轰炸的科索沃 其气候属于 A 温带海洋性气候B 温带季风气候C 地中海气候D 热带沙漠气候 C 解析 1 全球定位系统具有定位功能 手持型GPS接收机不需要地面辅助设备 只要能接收到卫星信号 就能快速定位 不受天气 行政区域的限制 2 科索沃位于巴尔干半岛 属于地中海气候 例3在伊拉克战争中 伊拉克点燃巴格达周围的战壕石油阻碍美军进攻 但美军事专家指出 烟雾对于美军的卫星制导导弹没有影响 请问美军的卫星制导导弹采用的技术是 A GIS系统B RS技术C GPS技术D lT技术 C 解析 美军使用的导弹采用全球定位系统枝术 实行定位轰炸 烟雾不会产生形响 全球定位系统及其应用 全球定位系统 1 在沙漠中迷路时 可用哪种方式获知自己所处的具体位置信息 A 指南针B GPS设备C 遥感图像D 地形图 课堂巩固 2 在海湾战争中 美英联军的制导导弹不受浓烟 沙尘的影响 是因为采取了 A RS技术B GPS技术C GIS技术D 空间分析技术 B B 全球定位系统及其应用 GPS定位原理 课堂巩固 3 导航 授时和测距全球定位系统由24颗卫星组成 分布在6个轨道平面上绕地球运转 接收并传递信息 如果要确定一个人 或船只 车辆 飞机等 所处的位置 使用的卫星不能少于 A 一颗B 两颗C 三颗D 六颗 C 课堂巩固 4 下列关于全球定位系统的叙述不正确的是 A 全球定位系统就是GPS信号接收机B 全球定位系统能为用户提供精密的三维坐标 速度和时间C 具有全球性 全天性 实时性等特点D 只要拥有GPS信号接收机 就可以随时知道自己的位置 地理坐标 5 GPS卫星星座的工作卫星和在轨备用卫星分别是 A A 21颗和3颗B 22颗和2颗C 21颗和4颗D 24颗和4颗6 在第二次海湾战争中 伊拉克军方点燃巴格达周围浇灌石油的战壕来阻碍美军行动 但美专家指出烟雾对美军轰炸使用的卫星制导弹没有影响 因为这种导弹采用了 A IT技术B RS技术C GIS技术D GPS技术 A D 7 想要随时知道自己所处的地理坐标 需要拥有 A 全球定位技