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1、全球定位系统（GPS）的基本原理及其在草原防火中的应用1.全球定位系统（GPS）的基本原理全球定位系统（Global Positioning System，以下均简称为GPS）是美国于 20世纪 70 年代开始开发建造的一套空间信息基础设施，在当时，它是美国继阿 波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项重大空间计划。到目前为止，在美国 和全世界科学家、工程技术人员的共同努力下，经过三十余年的不断发展、完善 和改进， GPS 已经具有了全天候运行、覆盖地球绝大多数地区、为几十亿人同时 提供位置服务的能力。客观地说，在当前世界同类系统（俄罗斯GLONASS、欧 盟Galileo、中国北斗）中，GPS
2、是性能最为出色、状态最为稳定的一个。从一 定程度上来讲， GPS 的出现和应用，为人类的测绘、定位方式带来了革命性的变 化。11GPS的构成GPS 由空间部分、地面监控部分及用户部分组成，分别叙述如下。1.1.1 空间部分GPS 的空间部分由包含 24 颗 GPS 卫星的星座构成。 24 颗卫星分布在 6 个 轨道平面上，每个轨道均匀分布4颗卫星。卫星轨道高度20200KM。当截止高 度为 5时，地面用户最多能同时观测到12 颗卫星。图 1 GPS 卫星外观（ Block II-R 型）图 2 GPS 卫星星座图1.1.2 地面监控部分GPS 地面监控部分是指支持整个系统正常运行的地面设施。它
3、由 1 个主控 站、 5 个监控站、 3个注入站及通信和辅助系统组成，如图 3 所示。图 3 GPS 地面监控站（1）主控站 主控站是真个地面监控系统的行政管理中心和技术中心，位于科罗拉多州 的联合空间工作中心。其主要职能包括管理、协调地面监控系统中各部分的工作； 根据各监测站送来的资料，计算、预报卫星轨道和卫星钟改正数，并按规定格式 编制成导航点位送往注入站；调整卫星轨道和卫星钟读数，当卫星出现故障时负 责修复或启用备用件以维持其正常工作。（2）监测站 监测站是无人值守的数据自动采集中心。整个全球定位系统共设立了 5 个 监测站，分别位于科罗拉多州（美国本土）、阿松森群岛（大西洋）、迭戈伽西
4、亚 （印度洋）、卡瓦加兰和夏威夷（太平洋）。其主要职能包括对视场中的各 GPS 卫星进行伪距测量；通过气象传感器自动测定并记录气温、气压、相对湿度等气 象元素；对伪距观测值进行改正后再进行编辑，平滑和压缩，传给主控站。（3）注入站注入站是向 GPS 卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。3 个注入站分 别位于迭戈伽西亚、阿松森群岛和卡瓦加兰。注入站将收到的导航电文存储在微 机中，当卫星通过其上空时用大口径发射天线将这些导航电文和其他命令注入卫 星。（4）通信和辅助系统 通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提供其他辅助服务 的机构和设施。全球定位系统的通信系统由地面通信线、海底电缆及
5、卫星通信等 联合组成。1.1.3 用户部分用户部分指各类 GPS 用户终端，包括手持设备、工程设备、航空设备、航 海设备、车载设备等，如图 4 所示。图 4 各类 GPS 终端设备1.2 GPS 定位的基本原理GPS 最基本的功能是获取接收机天线在地球上的位置（即坐标）。从这个最 基本的功能上可以衍生出诸多功能，例如导航、数据采集、工程测量等。 GPS 定位从本质上是一个后方交会测量的过程，即从一个未知坐标点上对多个的已知 坐标点进行观测，观测量为已知点到未知点之间的距离，进而根据已知点坐标求 解出未知点的坐标。GPS划时代的意义，在于将地面上的已知点挪动到了太空中， 从而克服了地面上遮挡物过
6、多影响传统观测的不足。图 5 GPS 接收机对 GPS 卫星的观测如图5所示,GPS接收机通过GPS天线同时观测视野中至少4颗GPS卫星, 并接受GPS卫星所播发的信号。GPS信号包含导航电文部分和测距部分。根据 导航电文中的各项轨道参数,GPS接受机可以对卫星的空间位置进行求解，因此, 对 GPS 接受机而言，卫星的空间位置是一个已知量。 GPS 信号中的测距部分， 使得 GPS 接收机具有量测 GPS 天线到被观测卫星之间距离的能力。这样，同时 已知至少 4 颗 GPS 卫星的空间位置和接收机天线到这些卫星之间的距离，就可 以通过解算观测方程，得到 GPS 天线的空间位置（即坐标）。2.
7、GPS在草原防火中的应用在草原防火中，确定火场位置和统计过火面积，是两项可以通过 GPS 完成 的重要任务，它们都与空间位置信息密切相关。事实上，只要是与室外位置相关 的工作，GPS设备都有其应用潜力。以下以Garmin Venture为例，介绍GPS设 备在草原防火中的应用。2.1使用GPS确定火场位置如前所述，获取空间位置（坐标）是GPS最基本的一项功能。GPS开机在 开阔处初始化完成后（图6）,即可得到GPS接收机（天线）所在点的空间位置 （坐标） 。如图所示，显示了卫星状况和当前坐标（图7 ） 。如果要记录该点，可以用“存点”按钮将该点保存为航点或其它点类型（图 8）。图 6 主界面图
8、 7 卫星状况及坐标图 8 航点存储置度离位 位高距方N阳5舵7.X63m1.23m东2.2使用GPS测定面积使用GPS测定面积时，可以根据实际情况，选取不同的方式。对于GarminVenture设备而言，可以选取航点法和航迹法。1）航线法航点法主要针对规则的、有直线边界的区域。具体作业方式是在区域的特 征点（如拐点）处记录航点，待所有的特征点记录完成后，用这些航点连接成航 线，然后计算航线面积，如图 9 所示。图 9 航线法测面积（2）航迹法航迹发主要针对不规则的、没有直线边界的区域。具体作业方式是将航迹 记录打开，手持设备绕待测区域行走一圈，之后保存航迹，再计算航迹面积，如 图 10 所示
9、。已存航迹名称火场000E0001结束0003overzoom距离面积132.6m1077.8 m2确定在地图上显示返航图 10 航迹法测面积2.3使用GPS导航指定目标点（使用航点、坐标值或者在地图上选定）之后，可以使用 GPS设备进行导航，如图 11所示。图 11 GPS 导航3.新一代GPS数据采集设备随着技术不断进步，从 GPS 定位所衍生出来的产品越来越丰富。以集思宝G330 为例，它除了具有传统手持机的大多数功能之外，在数据兼容性上有了非常大的突破。该设备所采集的数据，可以直接导出成通用地理信息系统平台ArcGIS、Mapinfo所支持的格式，甚至可以直接导出成Excel统计表格（
10、如图12 所示），这极大地提高了信息化的工作效率。征试试试 特测测测周长面积起始时间持续时间49.16241 176.84652009-6-17 8:56中心点K中心点丫0:00:28 W56152. 6 N4446994. 3 未修正是否修正55. 046658.00558218. 4233197. 81922009-6-17 8:552009-6-17 8:540:00:370:00:36W56132. 9W56116. 0N4446995. 0N4446995. 6未修正未修正menu11 eiril11 已 ml11 eirillUuirib 已 tT 已 zst30.1 String30.130.1Sit ring String图 12 G330 数据所导出的数据表格
