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1、地理信息系统小论文地理信息系统小论文GPSGPS 与物理的关系与物理的关系GPS 与物理学的关系一、什么是 GPS？1、GPS 的全称 GPS 又名“卫星测时测距导航全球定位系统 Navigation Satellite Time and Ranging/Global Positioning System” 。显而易见，GPS 是依靠地球卫星对地表的各种进行数据扫描、收集，然后反馈给地面，进而给我们提供多方面的信息帮助。2、GPS 构成a、空间部分GPS 的空间部分是由 24 颗工作卫星1组成,它位于距地表 20 200km 的上空,均匀分布在 6 个轨道面上(每个轨道面 4 颗) ,轨道倾角
2、为 55。此外,还有 4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。b、地面控制部分地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星 GPS 观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到 3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入
3、对每颗 GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。c、用户设备部分用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设
4、备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为 RAM 存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对据离,大气校正等数
5、据。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。3、GPS 原理GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当 GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS 系统使用的伪码一共有两种
6、，分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y)码。C/A 码频率 1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距 1 微秒，相当于 300m；P 码频率 10.23MHz，重复周期 266.4 天，码间距 0.1 微秒，相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2
7、、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见 GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标 x、y、z 外，还要引进一个 t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到 4 个卫星的信号。GPS 接收机可接收到可用
8、于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化） ；以及 GPS 系统信息，如卫星状况等。 GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距，精度约为 20 米左右，对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右。 GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频
9、 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。 按定位方式，GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位） 。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定
10、位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别） ，应选用双频接器。4、GPS 功用全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测
11、、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。二、什么是物理学？1、 物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。在现代，物理学已经成为自然科学中最基础的学科之一。在物理学的领域中，研究的是宇宙的基本组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互作用物理学与其他许多自然
12、科学息息相关，如数学、化学、生物和地理等。2、物理学分支经典力学及理论力学 (Mechanics)研究物体机械运动的基本规律的规律电磁学及电动力学 (Electromagnetism and Electrodynamics)研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律热力学与统计物理学 (Thermodynamics and Statistical Physics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现相对论 (Relativity)研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律以及关于时空相对性的规律量子力学 (Quantum mechanics)研究微观物质运动现象以及基本运动规律此外，还有
13、：粒子物理学、原子核物理学、原子分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学、声学、电磁学、光学、无线电物理学、热学、量子场论、低温物理学、半导体物理学、磁学、非线性物理学、计算物理学等等。通常还将理论力学、电动力学、热力学与统计物理学、量子力学统称为四大力学。三、GPS 和物理学的关系1、GPS 轨道卫星和天体物理学的关系。众所周知，天体物理是以研究恒星、行星、卫星等天体的组成、运动等相关物理性质为主的。而卫星的绕地轨道运动也在之列。经典物理中牛顿的万有引力定律，开普列的三大定律都是卫星运作的最基本的理论支持。当然卫星的运动轨迹方程也要
14、依靠许多物理方程来运算和定位的。2、GPS 卫星设备和地球物理学的关系当卫星绕地旋转时，不仅受地球万有引力作用，而且也受地磁场的作用。如何避免卫星不会因为这些外部条件的影响而发生逃逸或下坠情况。首先得明白地球具体是怎样影响卫星的。万有引力大小方向磁感应力的大小以及方向这些都决定与地球的形状密度分布和地磁极的位置。而，得出这些结论靠的就是地球物理学。3，GPS 和光学的关系GPS 卫星摄像、拍照利用的是光线反射进入镜头。 这其中我们不难看出其中的物理原理。首先最基本的光学原理：光的反射和折射原理；然后就是透镜成像原理。虽然这些原理看似简单和基本，但是却是最实用最科学的依据。还有在美国军方用 GP
15、S 中，夜晚也是可以看清图像的。这主要是运用了红外线摄像技术，这些肉眼无法观察到是光线也只有在光学研究中才能正真的了解它，所以 GPS要用着项技术就不得不有求于光学了。4、GPS 和热(力)学的关系在探究卫星成像问题时，我们不得不说一项摄像技术就是热成像。就是靠感知的不同温度而成像，具体的原理就是热辐射，不同物体温度不同，热辐射的强度也自有差别，通过接收辐射射线然后还原图像。另一方面，热学中研究的各种物质的热属性也被广泛运用于各种机械和电子设备当中。比如温控原理累的设备，当设备用材料达到一定温度时会出现一定相关特性，然后利用这种改变做出相应的状态改变。这个所谓的特性就是热力学中研究的物质微观热
16、运动的宏观表现。类似的还有光感元件、声控元件也是各种设备中必要的组件。5、GPS 和数学物理的关系以研究物理问题为目标的数学理论和数学方法。它探讨物理现象的数学模型，并针对模型已确立的物理问题研究其数学解法，此解释和预见物理现象，或者根据物理事实来修正原有模型。由此可见，尤其在卫星运动方面，数学物理的数字研究及其重要，对卫星轨道选定，坐标定位，变轨修定起着至关重要的作用。比如：GPS中的坐标计算，普通的三维坐标是无法计算的，因为时差 t 的缘故，所以得用到数学物理（比起普通的高等数学更加深入和具有针对性）中的四维计算。甚至更为复杂的多维空间计算。正因为有数学物理优于高等数学的研究方法所以对 GPS 的贡献更显突出。有了物理研究方法，再有 GPS 接收器的接收数据，自然的，卫星特定时间的位置和特定位置的通过时间都一清二楚了。这不得不说明 GPS离不开数学物理啊。 6、GPS 与电磁学的联系电磁学顾名思义，是研究电和磁之间相互关系的一门物理学科。就说我们比较熟悉的电磁波就是电场和磁场的相互感应。电场和磁场的一定条件下的运动会磁或者电，从而有了现在的电动机和发电机。GP
