资源简介

《3.3
全球定位系统及其应用》学案
课前自主探究
一、全球定位系统?
1.全球定位系统（简称GPS）是具有海、陆、空进行　　　　　、　　　　　三维导航与　　　　　功能的新一代卫星与定位系统。?　
2.GPS由三部分组成?
（1）空间星座由　　　　　颗工作卫星，　　　　　颗备用卫星组成。在用GPS导航定位时，必须观测到　　　　　颗GPS卫星，这4颗卫星称为　　　　　星座。?
（2）地面监控系统包括　　　　　个监控站、　　　　　个主控站和　　　　　个注入站。主控站收集各监控站对GPS卫星的全部　　　　　数据，利用这些数据计算GPS卫星的　　　　　和　　　　　数据；注入站在每颗卫星运行至上空时，将　　　　　数据及
　　　　　的指令注入到卫星。?
（3）用户系统用于接收GPS卫星发射的　　　　　。GPS接收机包括　　　　　、
　　　　　等用户设备。GPS接收机能够捕捉到GPS卫星的信号，实时地计算出　　　　　、
　　　　　及　　　　　。?
3.根据用途分类，GPS接收机有以下几种：?
（1）导航型接收机：主要用于运动载体的　　　
　　，能够实时给出载体的
　　　　　和　　　　　。按具体用途又可分为　　　　　、　　　　　、　　　　　和
　　　　　四种。?
（2）测地型接收机主要用　　　　　测量和　　　　　测量。?
（3）授时接收机，主要利用GPS卫星提供的高精度　　　　　　　进行授时，多用于
　　　　　及无线电通讯。?
二、全球定位系统与定位导航?
1.GPS的最初设计主要用于　　　　　。?
2.GPS应用领域正在不断地拓展，目前已在　　　　　、　　　　　、　　　　　　、
　　　　　，以及　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　等部门和行业得到广泛应用，而且也逐步深入到我们的日常生活中。
参考答案
一、1.全方位　实时　定位
2.（1）21　3　4　定位 （2）5　1　3　观测　轨道　卫星时钟　导航　主控站
（3）信号　接收机硬件　GPS数据处理软件　三维坐标　速度　时间
3.（1）导航　位置　速度　车载型　航海型　航空型　星载型 （2）精密大地　精密工程 （3）时间标准　天文台
二、1.军事 2.交通　邮电　地矿　建筑　农业　气象　土地管理　金融　公安
思考讨论?
1.在GPS汽车导航中，信息在汽车、卫星和服务中心之间是怎样传递的？?
答：汽车中的GPS用户设备接收了GPS卫星信息，解算出本车的位置、速度等信息，并通过无线电信号传送至服务中心。服务中心再根据汽车所在的位置，及时通过语言提示为汽车导航。?
2.行驶于亚丁湾海域的某货轮遭遇海盗袭击，其向我护航舰队发出求救信号后，我护航舰队可通过哪种地理信息技术获取货轮和海盗船的精确位置、航行速度和方向，及时赶往货轮所在海域实施护航？?
答：全球定位系统（GPS）?
3.广州亚运单双号限行首次演练于2010年7月17日至20日展开，广州市政府规定违规上路的车主依规罚款200元扣3分，被罚半小时内不到车场停放或不驶离限行区域将会吃到连环罚单。为确保此制度的顺利实施，可利用哪些技术作为保障？?
答：GIS和GPS技术。
知识要点突破
知识点１　全球定位系统
1.全球定位系统的概念和特点?
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。?
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、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、测时等方面广泛的应用，而且其应用领域还在不断扩大。?
2.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
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
地面监控系统
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
GPS信号接收机
用户
导航型接收机、测地型接收机、授时接收机
（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（21+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。?
在两万千米高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样对地面观测者来说每天将提前大约4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布，对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精密、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。?
（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，卫星再用导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监控站。?
（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、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，就可以在任何时候用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。
［P95阅读点拨］
导航与定位技术的发展?
1.古代的定位方式?
千百年来，人们一直试图找到一种可以精确确定自己位置的方法。遥远的古代，人们对广袤的大地知之甚少，加上交通条件极其落后，人们很少远行。那时，在野外定向主要是寻找一些标志，比如高山、河流、峡谷，以及一些人工制作的路标等，然后在简单的地图上确定自己的位置。航海更是受到定向和导航技术的制约，为了防止迷路，船只不得不紧贴着海岸航行，依靠灯塔导航，远洋航海更是无从谈起。?
后来人们利用夜空的星辰来确定方位。其中，利用北极星定位就是一个重要方法。但使用这种方法的限制很多，必须是夜晚，而且是晴朗的夜空才行。?
指南针和六分仪的诞生改变了观星定向的落后状况。指南针可以指明南北方向，利用它人们可以轻易地知道自己前进的方向。而六分仪可以通过测量太阳、星辰的天体高度角的变化来确定观察者所处的纬度。由于六分仪无法确定经度，为了解决这个问题，英国政府曾经用巨额的“悬赏”来“寻找”这个发明，直到l
8世纪中叶，人们终于发明了一种确定经度的仪器——精确记时计。这种仪
器利用不同时区的地方时与本初子午线之间的时差来确定经度。利用这些发明确定方位，人类可以大胆地驰骋于大地和海洋之中，地球的神秘面纱一点一点地被揭开了。?
2.在全球定位系统出现之前，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。?
罗兰-C：工作在100
kHz，由三个地面导航台组成，导航工作区域2
000
km，一般精度200～300
m。?
Omega(奥米茄)：工作在十几千赫，由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。
多普勒系统：利用多普勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角)，推算出飞行器的位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。?
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(5～6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1.5
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。?
(3)GPS发展历程。?
GPS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了地面跟踪网。?
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定位精度远远超过了设计标准。?
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。1
993年底实用的GPS网即(21+3)GPS空间星座已经建成，此后将根据计划更换失效的卫星。
迁移应用?
1.我国已经颁布了《国土资源“十一五”规划纲要》，纲要指出，要建成数字中国地理空间框架，初步形成“天上看、地上查、网上管”的国土资源管理运行体系。由此可见3S技术将在今后国土整治中发挥重要作用。据此回答(1)～(5)题。?
（1）下列说法，正确的是
(　　)?
A.GPS技术是地图的延伸?
B.RS技术是地图的延伸?
C.GPS技术可以为用户提供精确的三维坐标?
D.GPS技术可分别处理RS技术及GIS技术提供的图像和数据?
(2)遥感技术可应用的领域有
(　　)?
A.人口普查　　　B.导航定位　　C.三峡工程建设及规划　　D.确定考察地点的高程
(3)对长江流域进行洪涝灾情报道的理想途径是
(　　)?
A.卫星导航定位技术　　　　　　　　　　　　　　　B.航空遥感技术?
C.坐飞机目测　　　　　　　　　　　　　　　　　　D.水上坐快艇监测?
(4)要对“三北”地区荒漠化土地发展进行宏观监控，宜选用的地理信息技术是
(　　)
A.地理信息系统(GIS)　　　　　　　　　　　　　　
B.全球定位系统(GPS)?
C.卫星遥感定期拍摄　　　　　　　　　　　　　　　D.不确定?
(5)无论是在飞机上或汽车上，还是在野外考察旅行，只要拥有手掌大小的GPS信号接收机，你就能随时知道
(　　)?
A.自己所在地的海拔和天气?
B.自己所在地的天气和地理位置?
C.自己所在地的地理位置和海拔?
D.自己所在地的天气和气候?
【答案】　(1)C　(2)C　(3)B　(4)C　(5)C?
【解析】　第(1)题，RS技术是人们感知地物能力的扩展；GIS技术是地图的延伸，可分别处理RS和GPS技术提供的图像和数据；GPS技术可以精确测定经纬度和高程，建立三维坐标。第(2)题，遥感技术可以运用于资源普查、灾害监测、环境监测、工程建设及规划、军事侦察，海上交通、海洋渔业等方面。第(3)题，遥感技术是进行洪涝灾情监测的理想途径，坐飞机目测和快艇监测，范围有限，不能了解长江流域灾情的总体状况。第(4)题，对土地资源进行调查、监控是遥感技术的应用领域。第(5)题，GPS技术可以确定经纬度和海拔，对天气和气候不具备监测和预报功能。
知识点2　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，计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接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所在的运动物体叫做载体(如航行中的船舶、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的应用领域?
(1)GPS在军事领域中的应用。?
GPS最早就是为军事服务而设计的，虽然它的发展时间只有短短十几年，但目前在军事领域中，GPS的作用和地位已经是无可取代的了，它已经成为现代军事的一个重要组成部分，成为各国军事领域争相建设的“制高点”。在多次军事行动中，美军使用了大量先进的精确制导武器，其命中精度、工作效率和威力等令世人震撼，而GPS正是这些武器及其发射平台大量采用的制导或导航定位方式。在军事领域中，GPS主要运用于导航定位、精确制导、作战部队定位与调度以及救援等几个方面。?
(2)GPS在交通领域的应用。?
交通领域现在正成为GPS应用中增长最快的领域。GPS在交通中主要应用于车辆的定位和导航。GPS定位导航系统与电子地图、无线电通讯网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。?
车辆跟踪：利用GPS和电子地图可以实时显示车辆的实际位置，可对重要车辆和货物进行跟踪，也可以帮助追踪失窃的车辆。?
提供出行路线规划和导航：GPS可以提供包括自动规划和人工设计的路线。也能提供信息查询，查询资料可以文字、语言及图像的形式显示，并在电子地图上显示其位置。车辆上安装GPS后，可以精确地显示其所在的位置，有的精度甚至可以达到米级。有的系统还具有可视的电子导向地图，通过这种地图可以了解自己的位置，还可以由系统自动给出最佳路线，如遇到特殊情况，如收到交通堵塞的信息时，系统还可以根据路况设计出其他的替代路线。?
交通指挥：装备了GPS的公共交通工具、物流车等，通过GPS可以随时明确自己的位置，而且通过通讯装置把信息传递到交通指挥中心，实现交通的实时监控和进行高效率的交通指挥、调度。?
紧急援助：通过GPS定位和监控管理系统，可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。公安、消防、医疗急救也可以通过GPS迅速确定各辆警车、消防车、救护车的位置，在第一时间制订到达目的地的最快路线，缩短反应时间，以化解险情，减少损失。在铁路运输中，装载在火车上的GPS定时将火车所在的位置信息不断地发送到控制中心，然后中心计算机根据这些数据，合理安排各条铁路的使用计划，可以有效地提高各条铁路的使用效率，大大减少火车相撞事故的发生。?
(3)GPS在大地测量与制图领域中的应用。?
GPS为测量学带来了前所未有的革命，借助GPS使得原来需要几小时甚至几天的工作现在只要几分钟就可以轻松完成了。?
利用GPS还可以建立起GPS控制网，一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点距离约在数千千米至上万千米之间，其主要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网、GPS工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几千米至几十千米，其主要任务是直接为国民经济建设服务。?
另外，利用GPS可以观察到许多用一般仪器无法察觉到的断层和地壳活动，结合这些数据可以绘制出高精度的地质图，为各类地质考察带来方便。?
(4)GPS与精确农业。?
GPS可以应用于土壤养分的分布调查，在播种前，可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置GPS接收机和计算机，计算机中配置GIS软件。采集样品时，GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出一幅土壤样品点位分布图。?
GPS可以监测作物产量，在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机，就构成了作物产量监视系统。对不同的农作物需配备不同的监视器，例如监视玉米产量的监视器，当收割玉米时，监视器记录下玉米所结穗数和产量，同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处的位置，通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析，可以找出影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。
(5)GPS在旅游与娱乐领域中的应用。?
在旅游及野外考察中，GPS接收机可以帮助你随时掌握你所在的位置及行走的速度和方向，使你不会迷路。目前，欧美现在正在流行着一种全新的娱乐项目——GPS寻宝。
［P100阅读点拨］
1.车载GPS的功能
信息接收
信息发射
应用领域
通过车载GPS，驾驶员可以在显示屏上及时查看车辆所在的位置、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，监控中心将信息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等
2.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
向用户提供船舶位置、航速、航向、时间信息、海图、航迹显示等
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
航空应用
空域航路、着陆、机场监视和管理等
实现空域划分、空中交通流量管理以及飞行路径管理等
迁移应用
2.下列有关GPS应用领域的叙述，不正确的是(　　)?
A.GPS航海自主导航系统主要用于近海和内河船舶的导航和管理?
B.应用GPS可以对农业进行监控?
C.应用GPS有助于实施紧急救援?
D.应用GPS可以精确地测量某山的海拔?
【答案】　A?
【解析】　民用GPS，主要用于交通车辆的导航管理、航空器的定位及导航，以及大地测量、野外勘测、紧急救援、旅游探险、农业监控、生态研究等方面；GPS航海自主导航系统，向用户提供位置、航速、航向和时间等信息，以及海图航迹显示等；航路交通管理系统，主要用于近海和内河船舶的导航和管理。
典型例题剖析
【例1】读GPS卫星定位示意图，回答下列问题。?
（1）全球定位系统主要由空间星座、地面控制系统和用户系统三部分组成。它具有对海、陆、空进行全方位、实时
的功能。它最初设计主要是出于
目的。?
（2）空间星座由
颗工作卫星和
颗备用卫星组成。在用GPS导航定位时，必须观测
颗GPS卫星。
（3）地面监控系统包括5个
站，1个
站和3个
站，主要担负着对卫星及其各种设备监测与调控的任务。?
（4）用户系统用于接收GPS卫星发射的信号。GPS接收机包括
、
等用户设备。?
（5）目前中国正积极参加与
合作开发研制的“伽利略”计划，该系统空间星座由
颗卫星组成。?
【解析】　本题考查了GPS的用途、系统组成等知识，我们可采用联想和对比的方法进行归纳解答。?
【答案】　（1）三维导航与定位　军事?（2）21　3　4?（3）监控　主控　注入?
（4）接收机硬件　GPS数据处理软件?（5）欧洲联盟　30?
【例2】（2011·广东模拟）阅读材料，完成下列问题。?
2008年5月8日，奥运圣火成功登上世界最高峰珠穆朗玛峰（8844.43米），这是奥运史上的伟大壮举。严酷的自然条件给圣火登顶珠峰带来很多技术挑战。珠峰常规条件下的风速达16~17米/秒，相当于八九级大风，气温均在-30℃左右。为做好气象保障工作，气象部门在珠峰地区建成了立体气象自动观测站。运用GPS、RS等技术及时、高效地获取预报所需要的气象资料。?
（1）读GPS数据显示屏图，说出GPS的主要功能。?
（2）根据材料和所学知识，简述地形、气候条件对火炬手持圣火登顶、火炬燃烧、电视转播所带来的不利影响。?
【解析】　GPS利用卫星在全球范围内实时进行导航和定位。GPS的主要功能是为用户提供全球性、全天候、连续性的定位和导航服务。
?　【答案】　（1）GPS主要为用户提供精密的三维坐标、速度和时间等。?
（2）高海拔、低气温、突发暴风雪等增大了火炬手的体力消耗，增加了技术难度；低气压、缺氧、大风影响火炬的燃烧和传递；山地影响信号传输的质量；低温影响各种仪器设备的正常运转。?
【例3】自然地理环境对现代城市规划产生深刻的影响。据此回答（1）~（2）题。?
（1）巴黎计划在其北部建一卫星城，其城市规划布局将采用上图D区的布局模式，主要考虑的环境要素是（　　）?
A.河流的流向　　　　　　　　　　　　　　　　B.地形的起伏?
C.人们的审美观念　　　　　　　　　　　　　　D.主导风向?
（2）该卫星城建好后，某出租车公司要在中心调度系统中快速查询本公司出租车的位置信息，所采用的技术是（　　）?
A.RS技术　　　B.GIS?　　　C.无线电呼叫技术　　　　D.GIS与GPS?
【解析】　第(1)题，巴黎位于西风带，常年受西南风控制，将工业区布局在城市的东北方向，即位于盛行风的下风向，是从风向的角度考虑的。第(2)题，要确定出租车的位置，需采用GPS；而要完成在中心调度系统中快速查找，则要用到GIS。?
【答案】　(1)D　(2)D?
【例4】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。读图完成下题。?
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?
【解析】　甲位于乙的东南方向，甲所在区域应位于东非赞比亚陆地，是热带草原，乙是亚马孙平原，为热带雨林。?
【答案】　C
知识网络构建

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