全球定位系统及其应用

3.3全球定位系统及其应用学习要求基本要求1．了解全球定位系统（GPS）的概念、基本组成和工作过程。2．收集信息，运用实例，说明GPS的主要应用领域。3．了解GPS接收机的主要种类和用途。4．从我国在GPS领域的发展，感悟我国在空间科学技术所取得的成就。发展要求从定位导航历史发展，领略科技进步对人类社会发展的推动作用。在伊拉克战争中，曾经有记者问一位飞行员：“你知道去轰炸哪个城市吗？”

飞行员回答：“不知道。”“那你怎么去轰炸呢？”

“容易，上级给我一个坐标，我按计算机的指引，投下采用GPS导航的炸弹掉头就走，跟我玩游戏机没啥两样。”

这个例子是现代战争中引用GPS系统的典型案例。我们反对战争，但要想能更好的维护世界和平，我们也需要了解GPS——全球定位系统这种现代地理信息技术。以美国为首的北约悍然使用5枚导弹袭击了中国驻南斯拉夫大使馆，那5枚导弹均匀地分布在我们的大使馆楼顶的扇面上，其中4枚当场爆炸，另有1枚未爆炸，使馆被夷为焦土，3位新闻工作者邵云环、许杏虎、朱颖当场牺牲。一、全球定位系统(GPS)Globalpositioningsystem

1.概念：具有海陆空进行全方位、实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。@通俗地说：利用卫星，在全球范围内适时进行导航、定位的系统`全球定位系统的组成（1）空间星座(24颗卫星）（2）地面监控系统（1个主控站、3个注入站、5个监控站）（3）用户系统（接受设备）空间部分各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55º，轨道平面间距60º。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90º为了减少误差，一般要求4颗卫星，用于定位的4颗卫星称为定位星座。返回1接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。2利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。3通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4向用户发送定位信息。5在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。GPS卫星的基本功能地面监控系统由均匀分布的5个监控站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航数据。主控站

主控站接收各监控站的gps卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监控站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：

·及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。

·控制和协调监控站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了gps用户系统。

·诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。

监控站

用gps接收系统测量每颗卫星的位距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。5个监控站均为无人守值的数据采集中心。注入站

接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。用户设备类型应用用于运动载体的导航，分为车载型、航海型、航空型和星载型能够实时给出载体的位置和速度，价格便宜，应用广泛测地接收机定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵授时接收机用于天文台及无线电通讯利用GPS卫星提供的高精度时间进行授时用于精密大地测量@

导航接收机返回

学会使用“GPS接收器”GPS接收机是用于接受GPS卫星定位信息的用户设备，其有两大主要用途：定位和导航。GPS12是美国GARMIN公司于1998年推出的全中文接收机，是目前国内市场上的一款主流机型。如图1-1所示内置天线翻页光标键定位键输入键显示屏导航键开机键退出键图1-1(一):定位用GPS接收机定位，详细步骤如下：A:开机接收卫星信号，显示〈收星画面〉如图1-2所示地平线卫星编号卫星信号图1-2

收星画面是开机后的第一个画面，表示卫星的分布与接收状态。接收到的卫星不能低于3颗，要选屋外无障碍物的地区接收。卫星方位：上北下南，左西右东卫星仰角：中心相当于所处位置正上方，大圆代表地平线，中间圆为45度仰角卫星编号：图中数字表示地平线上方的卫星，数字反白表示卫星未收到黑框条图：表示接收到的卫星信号的强弱，黑条越高，代表信号越强；如果是白框条，表示该颗卫星正处于跟踪状态；如果黑条和白框条都没有，表示还未收到该星信号。一般来说，圆圈中卫星越靠近中心，接收到的卫星信号越强。如图1-2中接收到10颗卫星，而且信号比较强。B:连续按[翻页]键或[退出]键,切换至<数据查询画面>,如图1-3所示数据查询画面表示接收点的具体信息。

图1-3航向：运动时的方向，它的角度是以正北为0°，顺时针逐渐增加，正东为90°，正西为270°，因此运动时可以椐此判断北的方向。

航速：为固定显示数据不能更改，当接收卫星后卫星会自动根据你的运动情况测定该值。

航程：相当于里程表，记录航行过的实际路程。高度：显示你所处点的海拔高度。图1-3中高度是17m坐标：接收点的经纬度。图1-3中坐标是N32°36′53.9″E120°54′19.2″。

时间：采用卫星钟授时。C:[定位]键，显示〈标定位置画面〉如图1-4所示，图中显示航点编号为005、经纬度为N32°03.232′，E118°45.923′等信息图1-4（二）导航GPS接收机不仅可以为你定位，而且可以为你导航，这样不管你是身处浩瀚的沙漠之中，还是在波浪滔天的大海上，都不会为迷失方向而发愁。使用GPS接收机导航，首先要建立航路点，然后才能进行导航。A、开机接收卫星信号，显示〈收星画面〉如图1-2所示地平线卫星编号卫星信号图1-2建立航路点第一种方法：按[定位]键记录各个位置,建立航路点。方法参照上节所述.第二种方法：直接输入经纬度建立航路点B、连续按[翻页]键或[退出]键，直到显示〈功能设定画面〉如图所示图1-5应用领域性能优点功能手持型GPS接受机多为导航使用夜晶显示，导航画面清晰，配有背景灯，方便夜间操作，功能齐全不需要地面设备，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间，处于运动状态还能指出正北方，并将经过的地点、路线记录下来，方便返回时用；计算两点的距离，实现坐标系之间的相互转换；计算日出、日落时间手持型GPS接收机②地面监控系统对卫星进行监测和调控。

GPS卫星的工作过程：①向GPS卫星发送导航定位信号③用户系统接受GPS卫星发射的信号后进行导航、定位。

20世纪80年代，苏联也建立了自己的卫星定位导航。目前，欧洲也在建立自己的卫星定位导航系统，称为“伽利略计划”。而我国也成功地研制了“北斗导航系统”，并投入运营，这标志着中国在这一领域也已经处于世界先进水平。北斗卫星导航系统示意图“北斗”卫星的战略运用3、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、速度和精密时间，不受天气的影响。(3)定位精度高：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应用．而且其应用领域不断扩大。问题探讨:按照理论,我们知道要保证地面各点能接收到信息只要3颗卫星就可以了,为什么我们要用4颗卫星呢?

当GPS收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：经度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3维坐标：经度、纬度、高度。GPS卫星空间GPS系统GPS应用信息接收信息发射应用领域通过车载GPS可以在屏幕上及时查看车辆所在的经纬度、运行轨迹、速度、行进方向车载电台把定位信息发给监控中心，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车载GPS的功用p100使装有GPS的出租车配备合理，能最大程度的满足乘客的要求，从而减少了空载率，降低能源消耗，节省运行成本，并使行车、乘车安全系数大大提高等功能。思考：（1）相邻两个GPS星座卫星轨道平面之间的夹角是多少度？（2）每个卫星轨道上各有几颗卫星？它们两者之间相隔多少度？60度4颗，90度（3）利用GPS定位时，地面上任何一点，在任一时刻，地面上空至少要有几颗卫星？A、1颗B、2颗C、3颗D、4颗（4）无论是在飞机或汽车上，还是在野外旅行考察，只要拥有手机大小的GPS信号接受机，你就能随时知道自己所在地的：A、季节B、天气C、地理坐标D、气候[D][C]例21999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