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1、第三节 全球定位系统及其应用 一、全球定位系统 齐读课本P95第一自然段 （一）全球定位系统的概念 全球定位系统(Global positioning system，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
2、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。 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(56颗)，运行高度较低(平均1 000 km)，从地面站观测到卫星的时间间隔 较长(平均15 h)，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。 3G
3、PS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 系统结统结 构 空 间间 位置 组组成和
4、分布 全 球 定 位 系 统统 GPS 卫卫星 星座 地面 监监控 系统统 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，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 (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
5、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
6、 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。 (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、
7、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。 背景知识 GPS的定位原理是什么? GPS的基本定位原理是：卫 星不间断地发送自身的星历 参数和时间信息，用户接收 到这些信息后经过计算，求 出接收机的三维位置，三维 方向以及运动速度和时间信 息。 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
8、航、定位的系统 BGPS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。 (三) . GPS 接收机的类型 根据用途分类 GPS 接收机分为导航型接收机、测地型接收机和授时接收机。 类类型应应 用特点 导导航型 接收机 测测地型 接收机 授时时接 收机 阅读指导手持型 CPS 接收机 应应用领领域性能优优点功能 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
9、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 例 2 1999 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
10、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
11、海气候。 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 .
12、 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 信息接收信息发发射应应用领领域 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
13、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 应应用类类型 应应用领领域应应用作用 航海 应应用 航空 应应用 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 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
14、 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。 体验成功读图全球定位系统（ GPS ）是 利用卫星在全球范围内适时进行导航 、定位的系统。，完成 1 一 2 题。 1 图中的甲、乙两区域是两颗 卫星在某一时刻分别所覆盖的区 域，其服务范围大小是( ) A 甲等于乙 B 甲大于乙 C 甲小于乙 D 无法确定 2 下面关于甲、乙两区域卫星图 像的解析，正确的是( ) A 甲区域位于乙区域的西北方向 B 甲区域为温暖广阔的浅海，渔 业和石油资源丰富 C 乙区域分布有世界最大的热带 雨林区，但破坏较为严重 D 甲乙两区域均为热带草原，牧 场广阔，牛羊成群
