【地理】3.3-全球定位系统及其应用-课件(湘教版必修3)

1、第三节 全球定位系统及其应用一、一、全球定位系统全球定位系统齐读课本齐读课本P95第一自然段第一自然段（一）全球定位系统的概念（一）全球定位系统的概念 全球定位系统全球定位系统(Global positioning system，简称，简称GPS)是具有在是具有在海、陆、空海、陆、空进进行行全方位全方位、实时、实时三维导航三维导航与与定位功能定位功能的新一代的新一代卫星导航卫星导航与与定位系统定位系统。跨越障碍跨越障碍 全球定位系统的特点是什么全球定位系统的特点是什么 (1)全球，全天候工作全球，全天候工作。 (2)能为用户提供能为用户提供连续连续、实时的三维位置实时的三维位置、三维速度三维速

2、度和和精密时间精密时间，不受天气不受天气的影响。的影响。 (3)定位精度高定位精度高：单机定位精度优于：单机定位精度优于10米，米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。 (4)功能多，应用广功能多，应用广：随着人们对：随着人们对GPS认认识的加深，识的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、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测时等方面取得更广泛的应用而且其应用领域不断扩大。领域不断扩大。 阅读指导阅读指导 GPS的起源的起源 在卫星定位系统出现之前，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远程导航与定位主要用无线电导航系

3、统。航系统。 1无线电导航系统无线电导航系统 缺点：覆盖的工作区域小；电缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不波传播受大气影响；定位精度不高。高。 2卫星定位系统卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的最早的卫星定位系统是美国的子午仪子午仪系统系统(TRANSIT)，1958年研制年研制1964年年正式投入使用。由于该系统卫星数目较正式投入使用。由于该系统卫星数目较少少(56颗颗)，运行高度较低，运行高度较低(平均平均1 000 km)，从地面站观测到卫星的时间间隔，从地面站观测到卫星的时间间隔较长较长(平均平均15 h)，因而它无法提供连，因而它无法提供连续的实时三维导航，而

4、且精度较低。为续的实时三维导航，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，三维导航的迫切要求，1973年美国国防年美国国防部制定了部制定了GPS计划。计划。 3GPS发展历程发展历程 GPS实施计划共分实施计划共分三个阶段三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。踪网。 第二阶段为全面研制和试验阶段第二阶段为全面研制和试验阶段。从。从1979年到年到1984年

5、，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试颗试验卫星。研制了各种用途的接收机。实验卫星。研制了各种用途的接收机。实验表明，验表明，GPS定位精度远远超过设计标定位精度远远超过设计标准。准。 第三阶段为实用组网阶段第三阶段为实用组网阶段。1989年年2月月4日第一颗日第一颗GPS工作卫星发工作卫星发射成功，表明射成功，表明GPS系统进入工程系统进入工程建设阶段。建设阶段。1993年底实用的年底实用的GPS网即网即(21+3)GPS星座已经建星座已经建成，今后将根据计划更换失效的成，今后将根据计划更换失效的卫星。卫星。（二）全球定位系统的组成（二）全球定位系统的组成系统结构系统结构 空间空间位置位置组成

6、和分布组成和分布全全球球定定位位系系统统GPS卫星卫星星座星座地面地面监控监控系统系统GPS信号信号接收机接收机空空间间由由2l颗工作卫星和颗工作卫星和3颗在轨备用卫颗在轨备用卫星组成，星组成，24颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6个个轨道平面内轨道平面内地地 面面由分布在全球的由分布在全球的5个地面站个地面站(包括包括5个监控个监控站、站、1个主控站和个主控站和3个注入站，主控站和个注入站，主控站和注入站都位于监控站里注入站都位于监控站里)组成组成用用 户户导航型接收机、测地型接导航型接收机、测地型接收机、授时接收机收机、授时接收机 请思考：请思考：读读右图，右图，相相邻两个邻两个GPS星座

7、卫星轨星座卫星轨道平面之间道平面之间的夹角是多的夹角是多少度少度?() 每个卫星每个卫星轨道上各有轨道上各有几颗卫星几颗卫星?它们两两相它们两两相隔多少度隔多少度? ()604颗颗；90(1)GPS卫星星座卫星星座 由由21颗工作卫星和颗工作卫星和3颗在轨备用卫颗在轨备用卫星组成。星组成。GPS卫星星座记作卫星星座记作(2l+3)GPS星座。星座。24颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6个轨道平个轨道平面内，轨道倾角为面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面度，各个轨道平面之间的夹角为之间的夹角为60度，即轨道的升交点赤度，即轨道的升交点赤经各相差经各相差60度。每个轨道平面内。各颗度。每个轨道平面

8、内。各颗卫星之间的升交角距相差卫星之间的升交角距相差90度。一轨道度。一轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星超前相应卫星超前30度。度。(2)地面监控系统地面监控系统 对于导航定位来说对于导航定位来说GPS卫星是一动态已知点。星的位卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗算得的。每颗GPS卫星所播卫星所播发的星历是由地面监控系统提发的星历是由地面监控系统提供的。供的。 卫星上的各种设备是否正常工作以及卫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

9、运行，都要由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统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准一时间标准GPS时间系统。这就需时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差。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。导航电文发给用户设备。GPS工作卫星工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个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。注入站和五个监测站。(3)GPS信号接收机信号接收机 GPS信号接

10、收机的任务是：能够捕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测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行对所接收到的对所接收到的GPS信号进行变换、放大信号进行变换、放大和处理，以便测量出和处理，以便测量出GPS信号从卫星到信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出接收机天线的传播时间，解译出GPS卫卫星所发送的导航电文，实时地计算出测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。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，是一种卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享

11、的信息资源。对于陆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、变换和测量拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即信号的接收设备即GPS信号接收机。可信号接收机。可以在任何时候用以在任何时候用GPS信号进行导航定位信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求测量。根据使用目的的不同，用户要求的的GPS信号接收机也各有差异。目前世信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产界上已有几十家工厂生产GPS接收机，接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能

12、等来分类。理、用途、功能等来分类。背景知识背景知识 GPS的定位原理是什么的定位原理是什么? GPS的基本定位原理是：卫的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收参数和时间信息，用户接收到这些信息后经过计算，求到这些信息后经过计算，求出接收机的三维位置，三维出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信方向以及运动速度和时间信息。息。例例1 下列关于全球定位系统的下列关于全球定位系统的叙述。不正确的是叙述。不正确的是( ) A GPS是利用卫星进行导航、定位的系统是利用卫星进行导航、定位的系统 BGPS包括两大部分，即空间部分和包括两大部分，

13、即空间部分和地面控制部分地面控制部分 C GPS卫星星座由卫星星座由24颗卫星组成颗卫星组成 D野外旅行，只要拥有野外旅行，只要拥有GPS信号接收信号接收机，可随时知道自己所处的经纬度机，可随时知道自己所处的经纬度B解析解析：全球定位系统包括三大部分。：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。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。接收机分为导航型接收机、测地型接收机和授时接收机。类型类型应应 用用特点特点导航型导航型接收机接收机测地型测地型接收机接收机授时接授

14、时接收机收机阅读指导阅读指导手持型手持型 CPS 接收接收机机应用领域应用领域性能性能优点优点功能功能手持型手持型 GPS 接收机接收机多为导多为导航使用航使用液晶显液晶显示，导示，导航画面航画面清晰，清晰，配有背配有背景灯，景灯，方便夜方便夜问操作问操作功能键功能键齐全齐全不需要地不需要地面辅助设面辅助设备，只要备，只要收到卫星收到卫星信号，就信号，就能快速定能快速定位，不受位，不受天气、行天气、行政区域的政区域的限制限制能够计算当地的能够计算当地的国际标准时问，国际标准时问，处于运动状态还处于运动状态还能指出能指出 i 北方北方向，并将经过的向，并将经过的地点、路线记录地点、路线记录下来，

15、方便返回下来，方便返回时用；计算两点时用；计算两点间的距离，实现间的距离，实现坐标系间的相互坐标系间的相互转换；计算日出、转换；计算日出、日落时间日落时间 例例 2 1999 年年 3 月月 27 日，北约部队一架日，北约部队一架 F 一一 117A 隐形战斗机被南联盟防空部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，美军立即安北约空袭南联盟指挥所后，美军立即安排了救援行动。排了救援行动。

16、 6 小时后，当一架小时后，当一架 EA 一一 6B 电子干扰机发现飞行员的准确位电子干扰机发现飞行员的准确位置时，一架置时，一架 MH 一一 6oG 搜索与救援直搜索与救援直升机降落在飞行员面前，把飞行员接上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（直升机并安全返回基地。据此回答（ l ）一（一（ 2 ）题。）题。（1）飞行员发出的呼救信号是（）飞行员发出的呼救信号是（ ）A , GIS 系统信号系统信号 B . GPS 系统信号系统信号 C . RS 系统信号系统信号 D 以上都不对以上都不对B（2）北约轰炸的科索沃，）北约轰炸的科索沃，其气候属于（其气候属于（ ）

17、A 温带海洋性气候温带海洋性气候 B 温带季风气候温带季风气候 C 地中海气候地中海气候 D 热带沙漠气候热带沙漠气候C 解析：解析： （1）全球定位系统具）全球定位系统具有定位功能有定位功能 手持型手持型 GPS 接接收机不需要地面辅助设备，只收机不需要地面辅助设备，只要能接收到卫星信号，就能快要能接收到卫星信号，就能快速定位，不受天气、行政区域速定位，不受天气、行政区域的限制。（的限制。（ 2 ）科索沃位于）科索沃位于巴尔干半岛，属于地中海气候。巴尔干半岛，属于地中海气候。二、二、全球定位系统与定位导航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导航定位与动态导航定

18、位 静态定位中静态定位中， GPS 接收机在接收机在捕获和跟踪捕获和跟踪 GPS 卫星的过程卫星的过程中固定不变，接收机高精度地中固定不变，接收机高精度地测量测量 GPS 信号的传播时间，信号的传播时间，利用利用 GPS 卫星在轨的已知位卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。置的三维坐标。 而而动态定位动态定位则是用则是用 GPS 接收机侧定接收机侧定一个运动物体的运行轨迹。一个运动物体的运行轨迹。 GPS 信信号接收机所位于的运动物体叫做载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，体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。

19、载体上的行走的车辆等）。载体上的 GPS 接接收机天线在跟踪收机天线在跟踪 GPS 卫星的过程中卫星的过程中相对地球而运动，接收机用相对地球而运动，接收机用 GPS 信信号实时地测得运动载体的状态参数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）（瞬间三维位置和三维速度）2 . GPS 的用途的用途 GPS 最初就是为军方提供最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用由美国军方控制。军用 GPS 产产品主要用来确定并跟踪在野外行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、给海进中的士兵和装备的坐标、给海中的军舰导航、为军用飞

20、机提供中的军舰导航、为军用飞机提供位置和导航信息等。位置和导航信息等。2 . GPS 的用途的用途 目前目前 GPS 系统的应用系统的应用已经十分广泛，我们可以应已经十分广泛，我们可以应用用 GPS 信号进行海空和陆信号进行海空和陆地的导航、导弹的制导、大地的导航、导弹的制导、大地测量和工程侧量的精密定地测量和工程侧量的精密定位、时间的传递和速度的测位、时间的传递和速度的测量等。量等。【 阅读指导阅读指导 】 车载车载 GPS 的功用的功用信息接收信息接收信息发射信息发射应用领域应用领域通过车载通过车载 GPS, 可以在显示屏可以在显示屏上及时查看车上及时查看车辆所在的经纬辆所在的经纬度、运行

21、轨迹、度、运行轨迹、速度、行进方速度、行进方向等向等车载电台把定车载电台把定位信息发送给位信息发送给监控中心，在监控中心，在电子地图上电子地图上 显显示出来，可对示出来，可对车辆进行调度车辆进行调度指挥指挥城市公共汽车城市公共汽车调度管理，旅调度管理，旅游区车辆报警游区车辆报警与调度，海关、与调度，海关、公安、海防等公安、海防等部门对车辆的部门对车辆的调度与监控调度与监控【 阅读指导阅读指导 】 GPS 在航海、航空导航中的应在航海、航空导航中的应用用应用类型应用类型应用领域应用领域应用作用应用作用航海航海应用应用航空航空应用应用向用户提供船舶位置、向用户提供船舶位置、航速、航向信息、海航速、航向信息、海图、海迹显示图、海迹显示避免船只冲撞，避免船只冲撞，确保航行安全确保航行安全把自己的位置把自己的位置和航向发送到和航向发送到航海管理航海管理 中中 心心便于中心的跟便于中心的跟踪、搜寻和救援踪、搜寻和救援空域航路、着空域航路、着陆、机场监视陆、机场监视和管理和管理实现空域划分、空实现空域划分、空中交通流量管理、中交通流量管理、飞行路径管理飞行路径管理 例例