全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

3.3全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用學(xué)習(xí)要求基本要求1．了解全球定位系統(tǒng)（GPS）的概念、基本組成和工作過程。2．收集信息，運(yùn)用實(shí)例，說明GPS的主要應(yīng)用領(lǐng)域。3．了解GPS接收機(jī)的主要種類和用途。4．從我國在GPS領(lǐng)域的發(fā)展，感悟我國在空間科學(xué)技術(shù)所取得的成就。發(fā)展要求從定位導(dǎo)航歷史發(fā)展，領(lǐng)略科技進(jìn)步對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)作用。在伊拉克戰(zhàn)爭中，曾經(jīng)有記者問一位飛行員：“你知道去轟炸哪個(gè)城市嗎？”

飛行員回答：“不知道?！薄澳悄阍趺慈マZ炸呢？”

“容易，上級(jí)給我一個(gè)坐標(biāo)，我按計(jì)算機(jī)的指引，投下采用GPS導(dǎo)航的炸彈掉頭就走，跟我玩游戲機(jī)沒啥兩樣?！?/p>

這個(gè)例子是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中引用GPS系統(tǒng)的典型案例。我們反對(duì)戰(zhàn)爭，但要想能更好的維護(hù)世界和平，我們也需要了解GPS——全球定位系統(tǒng)這種現(xiàn)代地理信息技術(shù)。以美國為首的北約悍然使用5枚導(dǎo)彈襲擊了中國駐南斯拉夫大使館，那5枚導(dǎo)彈均勻地分布在我們的大使館樓頂?shù)纳让嫔希渲?枚當(dāng)場爆炸，另有1枚未爆炸，使館被夷為焦土，3位新聞工作者邵云環(huán)、許杏虎、朱穎當(dāng)場犧牲。一、全球定位系統(tǒng)(GPS)Globalpositioningsystem

1.概念：具有海陸空進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位功能的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。@通俗地說：利用衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)適時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航、定位的系統(tǒng)`全球定位系統(tǒng)的組成（1）空間星座(24顆衛(wèi)星）（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)控站）（3）用戶系統(tǒng)（接受設(shè)備）空間部分各軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為55o，軌道平面間距60o。在每一軌道平面內(nèi)，各衛(wèi)星升交角距差90o為了減少誤差，一般要求4顆衛(wèi)星，用于定位的4顆衛(wèi)星稱為定位星座。返回1接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。2利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)，對(duì)部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3通過星載的原子鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。4向用戶發(fā)送定位信息。5在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的基本功能地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布的5個(gè)監(jiān)控站、一個(gè)主控站和三個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對(duì)空間衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。主控站

主控站接收各監(jiān)控站的gps衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)控站和注入站自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述各類數(shù)據(jù)，完成以下幾項(xiàng)工作：

·及時(shí)編算每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并傳送給注入站。

·控制和協(xié)調(diào)監(jiān)控站間、注入站間的工作，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給了gps用戶系統(tǒng)。

·診斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛(wèi)星位置及姿態(tài)，調(diào)整備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星。

監(jiān)控站

用gps接收系統(tǒng)測量每顆衛(wèi)星的位距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測數(shù)據(jù)傳送給主控點(diǎn)。5個(gè)監(jiān)控站均為無人守值的數(shù)據(jù)采集中心。注入站

接受主控站送達(dá)的各衛(wèi)星導(dǎo)航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛(wèi)星。用戶設(shè)備類型應(yīng)用用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，分為車載型、航海型、航空型和星載型能夠?qū)崟r(shí)給出載體的位置和速度，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛測地接收機(jī)定位精度高，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴授時(shí)接收機(jī)用于天文臺(tái)及無線電通訊利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間進(jìn)行授時(shí)用于精密大地測量@

導(dǎo)航接收機(jī)返回

學(xué)會(huì)使用“GPS接收器”GPS接收機(jī)是用于接受GPS衛(wèi)星定位信息的用戶設(shè)備，其有兩大主要用途：定位和導(dǎo)航。GPS12是美國GARMIN公司于1998年推出的全中文接收機(jī)，是目前國內(nèi)市場上的一款主流機(jī)型。如圖1-1所示內(nèi)置天線翻頁光標(biāo)鍵定位鍵輸入鍵顯示屏導(dǎo)航鍵開機(jī)鍵退出鍵圖1-1(一):定位用GPS接收機(jī)定位，詳細(xì)步驟如下：A:開機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，顯示〈收星畫面〉如圖1-2所示地平線衛(wèi)星編號(hào)衛(wèi)星信號(hào)圖1-2

收星畫面是開機(jī)后的第一個(gè)畫面，表示衛(wèi)星的分布與接收狀態(tài)。接收到的衛(wèi)星不能低于3顆，要選屋外無障礙物的地區(qū)接收。衛(wèi)星方位：上北下南，左西右東衛(wèi)星仰角：中心相當(dāng)于所處位置正上方，大圓代表地平線，中間圓為45度仰角衛(wèi)星編號(hào)：圖中數(shù)字表示地平線上方的衛(wèi)星，數(shù)字反白表示衛(wèi)星未收到黑框條圖：表示接收到的衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱，黑條越高，代表信號(hào)越強(qiáng)；如果是白框條，表示該顆衛(wèi)星正處于跟蹤狀態(tài)；如果黑條和白框條都沒有，表示還未收到該星信號(hào)。一般來說，圓圈中衛(wèi)星越靠近中心，接收到的衛(wèi)星信號(hào)越強(qiáng)。如圖1-2中接收到10顆衛(wèi)星，而且信號(hào)比較強(qiáng)。B:連續(xù)按[翻頁]鍵或[退出]鍵,切換至<數(shù)據(jù)查詢畫面>,如圖1-3所示數(shù)據(jù)查詢畫面表示接收點(diǎn)的具體信息。

圖1-3航向：運(yùn)動(dòng)時(shí)的方向，它的角度是以正北為0°，順時(shí)針逐漸增加，正東為90°，正西為270°，因此運(yùn)動(dòng)時(shí)可以椐此判斷北的方向。

航速：為固定顯示數(shù)據(jù)不能更改，當(dāng)接收衛(wèi)星后衛(wèi)星會(huì)自動(dòng)根據(jù)你的運(yùn)動(dòng)情況測定該值。

航程：相當(dāng)于里程表，記錄航行過的實(shí)際路程。高度：顯示你所處點(diǎn)的海拔高度。圖1-3中高度是17m坐標(biāo)：接收點(diǎn)的經(jīng)緯度。圖1-3中坐標(biāo)是N32°36′53.9″E120°54′19.2″。

時(shí)間：采用衛(wèi)星鐘授時(shí)。C:[定位]鍵，顯示〈標(biāo)定位置畫面〉如圖1-4所示，圖中顯示航點(diǎn)編號(hào)為005、經(jīng)緯度為N32°03.232′，E118°45.923′等信息圖1-4（二）導(dǎo)航GPS接收機(jī)不僅可以為你定位，而且可以為你導(dǎo)航，這樣不管你是身處浩瀚的沙漠之中，還是在波浪滔天的大海上，都不會(huì)為迷失方向而發(fā)愁。使用GPS接收機(jī)導(dǎo)航，首先要建立航路點(diǎn)，然后才能進(jìn)行導(dǎo)航。A、開機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，顯示〈收星畫面〉如圖1-2所示地平線衛(wèi)星編號(hào)衛(wèi)星信號(hào)圖1-2建立航路點(diǎn)第一種方法：按[定位]鍵記錄各個(gè)位置,建立航路點(diǎn)。方法參照上節(jié)所述.第二種方法：直接輸入經(jīng)緯度建立航路點(diǎn)B、連續(xù)按[翻頁]鍵或[退出]鍵，直到顯示〈功能設(shè)定畫面〉如圖所示圖1-5應(yīng)用領(lǐng)域性能優(yōu)點(diǎn)功能手持型GPS接受機(jī)多為導(dǎo)航使用夜晶顯示，導(dǎo)航畫面清晰，配有背景燈，方便夜間操作，功能齊全不需要地面設(shè)備，只要收到衛(wèi)星信號(hào)，就能快速定位，不受天氣、行政區(qū)域的限制能夠計(jì)算當(dāng)?shù)氐膰H標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還能指出正北方，并將經(jīng)過的地點(diǎn)、路線記錄下來，方便返回時(shí)用；計(jì)算兩點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換；計(jì)算日出、日落時(shí)間手持型GPS接收機(jī)②地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)控。

GPS衛(wèi)星的工作過程：①向GPS衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)③用戶系統(tǒng)接受GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)后進(jìn)行導(dǎo)航、定位。

20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)也建立了自己的衛(wèi)星定位導(dǎo)航。目前，歐洲也在建立自己的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為“伽利略計(jì)劃”。而我國也成功地研制了“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)”，并投入運(yùn)營，這標(biāo)志著中國在這一領(lǐng)域也已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖“北斗”衛(wèi)星的戰(zhàn)略運(yùn)用3、全球定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)全球，全天候工作。

(2)能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維位置、速度和精密時(shí)間，不受天氣的影響。(3)定位精度高：采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。(4)功能多，應(yīng)用廣：隨著人們對(duì)GPS認(rèn)識(shí)的加深，GPS不僅在測量、導(dǎo)航、測速、測時(shí)等方面取得更廣泛的應(yīng)用．而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。問題探討:按照理論,我們知道要保證地面各點(diǎn)能接收到信息只要3顆衛(wèi)星就可以了,為什么我們要用4顆衛(wèi)星呢?

當(dāng)GPS收到3顆衛(wèi)星的信號(hào)，它只能計(jì)算出2維坐標(biāo)：經(jīng)度和緯度，這時(shí)它可能還會(huì)顯示高度數(shù)據(jù)，但這數(shù)據(jù)是無效的。當(dāng)GPS能夠收到4顆及以上衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)，它能計(jì)算出本地的3維坐標(biāo)：經(jīng)度、緯度、高度。GPS衛(wèi)星空間GPS系統(tǒng)GPS應(yīng)用信息接收信息發(fā)射應(yīng)用領(lǐng)域通過車載GPS可以在屏幕上及時(shí)查看車輛所在的經(jīng)緯度、運(yùn)行軌跡、速度、行進(jìn)方向車載電臺(tái)把定位信息發(fā)給監(jiān)控中心，在電子地圖上顯示出來，可對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)度指揮城市公共汽車調(diào)度管理，旅游區(qū)車輛報(bào)警與調(diào)度，海關(guān)、公安、海防等部門對(duì)車輛的調(diào)度與監(jiān)控車載GPS的功用p100使裝有GPS的出租車配備合理，能最大程度的滿足乘客的要求，從而減少了空載率，降低能源消耗，節(jié)省運(yùn)行成本，并使行車、乘車安全系數(shù)大大提高等功能。思考：（1）相鄰兩個(gè)GPS星座衛(wèi)星軌道平面之間的夾角是多少度？（2）每個(gè)衛(wèi)星軌道上各有幾顆衛(wèi)星？它們兩者之間相隔多少度？60度4顆，90度（3）利用GPS定位時(shí)，地面上任何一點(diǎn)，在任一時(shí)刻，地面上空至少要有幾顆衛(wèi)星？A、1顆B、2顆C、3顆D、4顆（4）無論是在飛機(jī)或汽車上，還是在野外旅行考察，只要擁有手機(jī)大小的GPS信號(hào)接受機(jī)，你就能隨時(shí)知道自己所在地的：A、季節(jié)B、天氣C、地理坐標(biāo)D、氣候[D][C]例21999年3月27日，北約部隊(duì)一架F一117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)被南聯(lián)盟防空部隊(duì)擊落。飛行員跳傘后在腳觸地的一剎那，通過手持型信號(hào)發(fā)射器發(fā)出緊