全球定位系统及其应用1

3.3全球定位系统及其应用

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、全球定位系统(GPS)Globalpositioningsystem

1.概念：具有海陆空进行全方位、实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。通俗地说：利用卫星，在全球范围内适时进行导航、定位的系统

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%。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”它能够实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度。

2、全球定位系统的组成（1）空间星座(24颗卫星）（2）地面监控系统（1个主控站、3个注入站、5个监控站）（3）用户系统（接受设备）GPS组成系统结构空间位置组成和分布全球定位系统空间由21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个地面站组成（1个主控站、3个注入站、5个监控站。）用户导航接收机、测地型接收机、授时接收机实时计算出三维坐标、速度以及时间GPS卫星星座地面监控系统GPS信号接收机各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55º，轨道平面间距60º。在每一轨道平面内，各卫星交角距相差90º为了减少误差，一般要求4颗卫星，用于定位的4颗卫星称为定位星座。空间星座

空间星座部分

由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55º，轨道平面间距60º。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90º，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30º。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。

GPS工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测（最多可达11颗），实现连续、实时地导航和定位。问题探讨:

按照理论,我们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。地面监控部分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（Ascension）岛、印度洋的狄哥·伽西亚(DiegoGarcia)和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein),五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。卫星上各种设备是否正常工作,是否一直沿预定轨道运行,要由地面设备监控由均匀分布的5个监控站、一个主控站和三个注入站构成。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数据及主控站的指令。地面监控系统主控站

主控站接收各监控站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监控站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：

·及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。

·控制和协调监控站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了GPS用户系统。

·诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。

监控站

用GPS接收系统测量每颗卫星的位距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。5个监控站均为无人守值的数据采集中心。注入站

接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。用户设备类型应用用于运动载体的导航，分为车载型、航海型、航空型和星载型能够实时给出载体的位置和速度，价格便宜，应用广泛测地接收机定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵授时接收机用于天文台及无线电通讯利用GPS卫星提供的高精度时间进行授时用于精密大地测量

导航接收机用户设备应用领域性能优点功能手持型GPS接受机多为导航使用夜晶显示，导航画面清晰，配有背景灯，方便夜间操作，功能齐全不需要地面设备，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间，处于运动状态还能指出正北方，并将经过的地点、路线记录下来，方便返回时用；计算两点的距离，实现坐标系之间的相互转换；计算日出、日落时间手持型GPS接收机②地面监控系统对卫星进行监测和调控。

3、GPS卫星的工作过程：①向GPS卫星发送导航定位信号③用户系统接受GPS卫星发射的信号后进行导航、定位。俄罗斯：20世纪80年代，建立了自己

的卫星定位导航。欧洲：也在建立自己的卫星定位导航系统，称为“伽利略计划”。中国：成功地研制了“北斗导航系统”，并投入运营，这标志着中国在这一领域也已经处于世界先进水平。卫星导航定位系统的新时代活动北斗卫星导航系统示意图“北斗”卫星的战略运用3、全球定位系统的特点(1)全球，全天候工作。

(2)能为用户提供连续、实时的三维位置、速度和精密时间，不受天气的影响。

(3)定位精度高：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。

（5）自动测量它能够实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度4、GPS功能1).定位:2).导航:我现在在哪里？我要去哪里？如何去？3).跟踪：跟踪-监视人或物体的运动。4).绘图：用于绘制世界地图。5).定时：提供精确的时间。GPS卫星空间GPS系统GPS应用二、全球定位系统与定位导航GPS应用军事:导弹的飞行、飞机的导航、精确打击的实现测绘：有哪些优势？有哪些具体应用领域？交通：关键是导航救援：关键是定位农业：什么是精准农业耕作？其优势在哪里？娱乐旅游1、GPS它能用于绘制森林地图，帮助农民收获庄稼，地面和空中导航，军事应用，紧急救援。GPS在很多我们没有意识到的地方工作。2、GPS的应用包含采矿，航空，测量，农业，海事和军事行动。如今医生，科学家，农民，战士，飞行员，测量员，长途步行者，紧急救援小组，投递司机，水手，垂钓者，送货员，电脑程序员，伐木工，消防人员和其它行动的人们，使用GPS使他们的工作变得更有效，更安全和更容易。信息接收信息发射应用领域通过车载GPS可以在屏幕上及时查看车辆所在的经纬度、运行轨迹、速度、行进方向车载电台把定位信息发给监控中心，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车载GPS的功用p100使装有GPS的出租车配备合理，能最大程度的满足乘客的要求，从而减少了空载率，降低能源消耗，节省运行成本，并使行车、乘车安全系数大大提高等功能。应用类型应用领域应用作用向用户提供船舶的位置、航速、航向、时间信息、海图、海迹显示避免船只冲撞，确保航行安全现在很难想象那艘船舶不装备GPS导航系统和设备

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、搜寻和救援航空应用p100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、飞行路径管理航海应用P100

军事领域GPS是自动化指挥系统、先进武器系统及新的战役战术理论的一项关键性基本保障技术，能为地面车辆、人员以及航空、航海、航天等领域的飞机、船只、潜艇、卫星、航天飞机进行导航定位；武器发射、侦察、飞机进场着陆、交通管制、搜索营救，战场部队、车辆以及单兵定位；精确制导导弹打击目标坐标定位及弹道导引。陆地应用：主要包括车辆导航、景点导游、应急反应、高精度时频对比、大气物理观测、地球物理资源戡探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；

海洋应用：远洋船只航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋控宝、水文地质测量以及海洋井平台定位、海平面升降监测等；

航空航天应用：飞机导航、、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹控制、航空救援和载人航天器防护探测等。

陈邦柱介绍说，这次珠峰测量的技术方案，既有和1975年相同的，也有当代测绘发展的高新技术。与1975年相同的是传统的三角高程测量，新的进展是采用了光电测距、当代最先进的连续GPS观测，另外还采用了冰雪探测雷达，对峰顶的冰雪进行了精确的测量。“我们对珠峰峰顶近20平方米的范围进行了扫描，获得了我们肉眼看不见的珠峰峰顶的雪层、冰层、混合层一直到岩石面的准确数据。”

陈邦柱和中国科学院院士、1975年珠峰高程测定的设计者和组织者陈俊勇都不同意这种说法。陈俊勇解释说，峰顶冰雪深度的测量更加精确、珠峰地区大地水准面计算结果更加完善、全球气候变暖导致峰顶冰雪厚度变薄，是珠峰变“矮”的三个主要原因。这次测量其实是第一次准确得到峰顶岩石面的高程。“1975年测量雪深时，是登山队员拿一个钢钎戳，戳不动了，就认为是戳到岩石面了，其实并未到达真正岩面。当时测量出的雪深0.92米与这次的3.50米相差约2.7米。另外，这次测量的重点差大地水准基准面也升高了0.7米，还剩下0.3至0.4米差距可能是误差的问题。”

10月9日国家测绘局局长陈邦柱宣布：珠穆朗玛峰峰顶岩石面海拔高程为8844.43米，参数为：珠穆朗玛峰峰顶岩石面高程测量精度±0.21米；峰顶冰雪深度3.50米。测绘(1)当奔驰的车辆行驶在车流熙攘的高速公路上时，司机启动自动驾驶系统，就可悠然自得地读书看报。车辆能自动与前车保持距离，自动刹车或超车，自动驾驶系统能够精确到厘米。在不打搅车内乘客读书看报的情况下，它能自动选择一条能避免堵塞的道路前进。到达目的地后它会自动报告：“您已到达。”这些听起来犹如神话，其实它都依赖于来自太空的信号。这种高度精确的太空信号就是由比GPS更先进的欧洲“伽利略”卫星导航系统提供的。(2)汽车安装上GPS接收机，不仅能利用电子地图知道自己的方位和其他街区的车辆行驶状况，从而绕开堵车地区，选择最便利的路线行驶，还能在遇到劫匪报警时向警方提供自己精确的所在位置，使警方尽快赶到．据介绍：日本90％的机动车都安装有GPS接收机。交通GPS应用领域主要功能在林业管理方面的应用GPS技术在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐木材面积，确定原始森林、道路位置，对森林火灾周边测量，寻找水源和测定地区边界方面可以发挥独特的重要作用在合理施肥，精确农业管理方面的应用依据农田土壤养分含量分布图，设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器，在GPS的控制下，依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地各点施肥。(1)可以监测作物产量(计算机\产量监视器\GPS接收机)(2)帮助合理施肥(3)应用于土壤养分的分布调查(GPS接收机把样品的位置)在精确定时方面的应用每颗GPS卫星上都有精密的原子钟，所以GPS接受器可以接收到精确的时间信息在农业方面GPS也有用武之地．以往飞机向农田喷洒农药，用人在地面摇动红旗做方位指示，经常由于不够准确造成喷洒效率低，而有GPS定位仪后，合理分布航线,飞机可以按事先设计好的经纬度，利用定位仪确认坐标后喷洒，大大提高了喷洒效率,大大节省飞机作业的费用,喷杀化肥农药时,减少重叠,避免浪费,避免过多的用量影响农作物生长.(1)热爱旅游的人们已经将更多的目兴投向人迹罕至的地区——高山、峡谷、沙漠、戈壁等——在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下，极易迷失方向,危险无时无刻不存在,手持GPS接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进，从而可以安全返航。如果旅游者配上GPS接收机，根据地图标示的经纬度就可以保障安全．GPS能提供误差不足30m的经纬度，受难者可以用它提供给救援人员自己所在地的坐标，从而为挽救自己和他人的生命争取宝贵的时间．娱乐、旅游(2)利用GPS，旅游者可以在陌生的城市里迅速找到自己所在的位置，确定的前往目的地的最优行进方式和路线。

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。如果当时他有一台中文显示GPS接收机，这种惨剧又何以发生？。

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，丰富了人们的周末生活，提高了人们的生活品位，深得户外运动爱好者的欢迎娱乐旅游思考：（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？它们两者之间相隔多少度？60度4颗，90度（3）利用GPS定位时，地面上任何一点，在任一时刻，地面上空至少要有几颗卫星？

A、1颗B、2颗