全球定位系统及应用

第三章第三节全球定位系统及其应用

一、全球定位系统（一）．全球定位系统的概念

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。[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。[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。

全球定位系统是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。目前的全球覆盖率为98%。能实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度。

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,同列为20世纪“三大航天工程”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。（二）．全球定位系统的组成系统结构空间位置组成和分布全球定位系统GPS卫星星座地面监控系统GPS信号接收机空间由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，①相邻两个GPS星座卫星轨道平面之间的夹角是多少度?(

)②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°(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个轨道平各个轨道平面之间的夹角为60度然后你又遇到了另外一个路人，他告诉你距离李家村15千米。你按同样的方法，绘制第二个圆（图Ｂ）。现在，你得到了两个交点，你必定处在其中一个点的位置。假如你在野外迷了路，为了确定你所处的位置，你向一个路人询问，他告诉你这里离王家村10千米。你于是打开地图，找到王家村，以它为圆心，按比例尺在地图上画一个半径相当于10千米的圆这时，你向第三个人打听到，这里距离张家村10千米。当你把这个圆在地图上画好后，你的位置也就一目了然了（图Ｃ）。这就是三边测量术的原理。GPS的定位原理与“三边测量术”原理相似。不同的是3颗卫星代替了3个村子,地图上平面圆变成了三维球面。如图GPS接收机接收GPS卫星A、B、C传来的信号，计算出接收机与它们之间的距离，然后分别以3颗卫星为球心，以该卫星到接收机之间的距离为半径，“绘制”3个巨大的球体。3个球体会交于两点，其中那个与地球表面相交的点就是这台GPS接收机所处的位置，然后通过计算得到该接收机所处的经纬度。卫星D测量GPS接收机所在的高程。(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一个主控站、三个注入站和五个监测站。地面监控系统（1）主控站（2）监测站（3）注入站请你说说各自的组成和功能?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。

美国全球定位系统地面监控系统

由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的1个主控站、3个注入站、5个监测站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。

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

组成:GPS卫星接收机硬件

GPS数据处理软件任务: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，实时地计算出测站的三维坐标，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。GPS信号接收机(三).GPS接收机的类型类型应用特点导航型接收机测地型接收机授时接收机［阅读指导］手持型CPS接收机应用领域性能优点功能手持型GPS

接收机多为导航使用液晶显示，导航画面清晰，配有背景灯，方便夜问操作．功能键齐全不需要地面辅助设备，只要收到卫星信号，就能快速定位，不受天气、行政区域的限制能够计算当地的国际标准时问，处于运动状态还能指出i〔北方向，并将经过的地点、路线记录下来，方便返回时用；计算两点间的距离，实现坐标系间的相互转换；计算日出、日落时间二、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GPS1、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在交通上的应用余纯顺(1951.12-1996.6.13)，上海人，大学本科。1988年7月1日开始孤身徒步全中国的旅行，足迹踏遍23个省市自治区。已访问过33个少数民族，发表游记40余万字。沿途拍摄照片8千余张，为沿途人们作了150余场题为“壮心献给父母之邦”的演讲。尤其是完成了人类首次孤身徒步穿过川藏、青藏、西藏、滇藏、中尼公路全程。征服“世界第三极”的壮举，1996年6月13日在即将完成徒步穿越新疆罗布泊全境的壮举时，不幸在罗布泊西遇难。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。前景畅想内置天线翻页光标键定位键输入键显示屏导航键开机键退出键图1-1地平线卫星编号卫星信号图1-2

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第三章第三节全球定位系统及其应用

二、全球定位系统与定位导航1.GPS静态导航定位与动态导航定位静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机侧定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）2.GPS的用途GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标、给海中的军舰导航、为军用飞机提供位置和导航信息等。2.GPS的用途

目前GPS系统的应用已经十分广泛，我们可以应用GPS信号进行海空和陆地的导航、导弹的制导、大地测量和工程侧量的精密定位、时间的传递和速度的测量等。【阅读指导】

车载GPS的功用信息接收信息发射应用领域通过车载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、航空导航中的应用应用类型应用领域应用作用航海应用航空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