1、3.3 3.3 全球定位系統及其應用全球定位系統及其應用華清中學華清中學地理組地理組黃元霄黃元霄教學目標教學目標新課標要求新課標要求: 1.簡述簡述GPS的基本工作原理。的基本工作原理。 2.結合實例，說出結合實例，說出GPS在交通、旅在交通、旅游、導航、軍事、野外勘探等領域中游、導航、軍事、野外勘探等領域中的應用。的應用。教學重點：教學重點： 1.全球定位系統（全球定位系統（GPS）的概念、發展階段和）的概念、發展階段和組成組成 2.全球定位系統（全球定位系統（GPS）的應用）的應用教學難點：教學難點：全球定位系統（全球定位系統（GPS）的組成和應用）的組成和應用閱讀閱讀：1999年年3月月

2、28日北京時間日北京時間5時，時，北約向北約向南聯盟南聯盟發動了第四輪空襲。英勇發動了第四輪空襲。英勇的的南聯盟南聯盟擊落了擊落了美國美國F-117隱形飛機。隱形飛機。當中彈的當中彈的F-117戰機的飛行員從座艙彈戰機的飛行員從座艙彈出的一瞬間，他就被包括全球衛星定位出的一瞬間，他就被包括全球衛星定位系統在內的一些感應裝置跟蹤，高懸于系統在內的一些感應裝置跟蹤，高懸于太空的衛星迅速將有關信息傳送給北約太空的衛星迅速將有關信息傳送給北約軍事指揮部，營救小組僅用軍事指揮部，營救小組僅用20分鐘就將分鐘就將飛行員救走。飛行員救走。 這個例子是現代戰爭中這個例子是現代戰爭中引用引用GPS系統的典型案例

3、。系統的典型案例。我們反對戰爭，但要想能更我們反對戰爭，但要想能更好的維護世界和平，我們就好的維護世界和平，我們就需要了解需要了解GPS全球定位全球定位系統這種現代地理信息技術。系統這種現代地理信息技術。一、一、 全球定位系統全球定位系統（一）概念（一）概念：（Global Positioning System 簡稱簡稱GPS ）是具有在海、陸、是具有在海、陸、空進行全方位、實空進行全方位、實時三維時三維導航導航與與定位定位功能的新一代功能的新一代衛星衛星導航導航與與定位系統定位系統 。 閱讀指導閱讀指導 GPS的起源的起源 在衛星定位系統出現之前，在衛星定位系統出現之前，遠程導航與定位主要用

4、無線電導遠程導航與定位主要用無線電導航系統。航系統。 1無線電導航系統無線電導航系統 缺點：覆蓋的工作區域小；電缺點：覆蓋的工作區域小；電波傳播受大氣影響；定位精度不波傳播受大氣影響；定位精度不高。高。 2衛星定位系統衛星定位系統 最早的衛星定位系統是美國的最早的衛星定位系統是美國的子午儀子午儀系統系統(TRANSIT)，1958年研制年研制1964年年正式投入使用。由于該系統衛星數目較正式投入使用。由于該系統衛星數目較少少(56顆顆)，無法提供連續的實時三維，無法提供連續的實時三維導航，而且精度也不算高。為滿足軍事導航，而且精度也不算高。為滿足軍事部門和民用部門對連續實時和三維導航部門和民用

5、部門對連續實時和三維導航的迫切要求，的迫切要求，1973年美國國防部制定了年美國國防部制定了GPS計劃。計劃。 3GPS發展歷程發展歷程 GPS實施計劃共分實施計劃共分三個階段三個階段： 第一階段為方案論證和初步設計階段第一階段為方案論證和初步設計階段。從從1973年到年到1979年，共發射了年，共發射了4顆試驗顆試驗衛星。研制了地面接收機及建立地面跟衛星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網。蹤網。 第二階段為全面研制和試驗階段第二階段為全面研制和試驗階段。從。從1979年到年到1984年，又陸續發射了年，又陸續發射了7顆試顆試驗衛星。研制了各種用途的接收機。實驗衛星。研制了各種用途的接收機。實

6、驗表明，驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標定位精度遠遠超過設計標準。準。 第三階段為實用組網階段第三階段為實用組網階段。1989年年2月月4日第一顆日第一顆GPS工作衛星發工作衛星發射成功，表明射成功，表明GPS系統進入工程系統進入工程建設階段。建設階段。1993年底實用的年底實用的GPS網即網即(21+3)GPS星座已經建星座已經建成，今后將根據計劃更換失效的成，今后將根據計劃更換失效的衛星。衛星。（二二）GPS組成組成返回返回全球定位系統的組成全球定位系統的組成系統結構系統結構空間空間位置位置組成和分布組成和分布全全球球定定位位系系統統GPS空間空間星座星座地面監地面監控系統控系統用戶用

7、戶系統系統空空間間由由2l顆工作衛星和顆工作衛星和3顆在軌備用衛顆在軌備用衛星組成，星組成，24顆衛星均勻分布在顆衛星均勻分布在6個個軌道平面內軌道平面內地地 面面由分布在全球的由分布在全球的5個地面站個地面站(包括包括1個個主控站、主控站、 3個注入站和個注入站和5個監控站個監控站 ，主控站和注入站都位于監控站里主控站和注入站都位于監控站里)組組成成用用 戶戶接收機硬件（天線單元和接收單接收機硬件（天線單元和接收單元）、元）、 GPS數據處理軟件等用戶數據處理軟件等用戶設備設備空間部分各軌道平面相對于赤道平面的傾角為各軌道平面相對于赤道平面的傾角為55，軌道平面間距，軌道平面間距60。在每一

8、軌道平面內，各衛星升交角距差。在每一軌道平面內，各衛星升交角距差90 為了減少誤差，一般要求為了減少誤差，一般要求4顆衛星，顆衛星，用于定位的用于定位的4顆衛星稱為定位星座。顆衛星稱為定位星座。返回返回地面監控部分主控站主控站位于美國科羅拉多的斯平士（位于美國科羅拉多的斯平士（Colorado Springs）的聯合空間執行中）的聯合空間執行中心（心（CSOC），三個），三個注入注入站分別設在大西洋、印度洋和太平洋的三個美國軍站分別設在大西洋、印度洋和太平洋的三個美國軍事基地上，即大西洋的阿松森（事基地上，即大西洋的阿松森（Ascension）島、印度洋的狄哥）島、印度洋的狄哥伽西亞伽西亞(D

9、iego Garcia)和太平洋的卡瓦加蘭和太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein),五個監測站設在五個監測站設在主控站和主控站和三三個注入站個注入站以及以及夏威夷島夏威夷島。返回返回衛星上各種設備是否正常工作衛星上各種設備是否正常工作,是否是否一直沿預定軌道運行一直沿預定軌道運行,要由地面設備監控要由地面設備監控(三) . GPS 接收機的類型根據用途分類根據用途分類 GPS 接收機分為導航型接收機、測地型接收機和授時接收機。接收機分為導航型接收機、測地型接收機和授時接收機。類型類型應應 用用特點特點導航型導航型接收機接收機測地型測地型接收機接收機授時接授時接收機收機用戶設備類型類型應用應用特

10、點特點用于用于運動載體運動載體的導航，分為車的導航，分為車載型、航海型、航空型和星載載型、航海型、航空型和星載型型能夠實時給出載體的能夠實時給出載體的位置位置和和速度速度，價格便宜，應用，價格便宜，應用廣泛廣泛 測地接收機測地接收機定位精度高，儀器結構復定位精度高，儀器結構復雜，價格較貴雜，價格較貴 授時接收機授時接收機用于天文臺及無線電通訊用于天文臺及無線電通訊利用利用GPS衛星提供的高精衛星提供的高精度時間進行授時度時間進行授時用于精密大地測量和精密用于精密大地測量和精密工程測量工程測量 導航接收機導航接收機天線單元天線單元接收單元接收單元授時接收機授時接收機閱讀指導閱讀指導手持型手持型

11、CPS 接收機接收機應用領應用領域域性能性能優點優點功能功能手持手持型型 GPS 接收接收機多機多為導為導航使航使用用液晶顯液晶顯示，導示，導航畫面航畫面清晰，清晰，配有背配有背景燈，景燈，方便夜方便夜問操作問操作功能鍵功能鍵齊全齊全不需要地不需要地面輔助設面輔助設備，只要備，只要收到衛星收到衛星信號，就信號，就能快速定能快速定位，不受位，不受天氣、行天氣、行政區域的政區域的限制限制 能夠計算當地的國際能夠計算當地的國際標準時間，處于運動狀標準時間，處于運動狀態還能指出正北方向，態還能指出正北方向，并將經過的地點、路線并將經過的地點、路線記錄下來，方便返回時記錄下來，方便返回時用；計算兩點間的

12、距離，用；計算兩點間的距離，實現坐標系間的相互轉實現坐標系間的相互轉換；計算日出、換；計算日出、日落時間日落時間地面監控系統對衛星進行監測地面監控系統對衛星進行監測和調控。和調控。GPS衛星的工作過程：衛星的工作過程：向向GPS衛星發送導航定位信號衛星發送導航定位信號 用戶系統接受用戶系統接受GPS衛星發射衛星發射的信號后進行導航、定位。的信號后進行導航、定位。 （P97）：）：衛星導航定位系統的新衛星導航定位系統的新 時代時代 20世紀世紀80年代，蘇聯也建立了自己的年代，蘇聯也建立了自己的衛星定位導航。目前，歐洲也在建立自衛星定位導航。目前，歐洲也在建立自己的衛星定位導航系統，稱為己的衛星

13、定位導航系統，稱為“伽利略伽利略計劃計劃”。而我國也成功地研制了。而我國也成功地研制了“北斗北斗導航系統導航系統”，并投入運營，這標志著中，并投入運營，這標志著中國在這一領域也已經處于世界先進水平。國在這一領域也已經處于世界先進水平。北北斗斗衛衛星星導導航航系系統統示示意意圖圖補充補充：全球定位系統的特點：全球定位系統的特點 (1)全球，全天候工作全球，全天候工作。 (2)能為用戶提供能為用戶提供連續連續、實時的三維位置實時的三維位置、速度速度和和精密時間精密時間，不受天氣不受天氣的影響的影響。 (3)定位精度高定位精度高：采用差分定位，精度可達采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級厘米級和毫米

14、級。 (4)功能多，應用廣功能多，應用廣：隨著人們對隨著人們對GPS認識認識的加深，的加深，GPS不僅在測量、導航、測速、測不僅在測量、導航、測速、測時等方面取得更廣泛的應用而且其應用領時等方面取得更廣泛的應用而且其應用領域不斷擴大。域不斷擴大。問題探討問題探討: 按照理論按照理論,我們知道要保證地面各點能接收我們知道要保證地面各點能接收到信息只要到信息只要3顆衛星就可以了顆衛星就可以了,為什么我們要用為什么我們要用4顆衛星呢顆衛星呢? 當當GPS收到收到3顆衛星的信號，它只能顆衛星的信號，它只能計算出計算出2維坐標：經度和緯度，這時它可維坐標：經度和緯度，這時它可能還會顯示高度數據，但這數據

15、是無效能還會顯示高度數據，但這數據是無效的。當的。當GPS能夠收到能夠收到4顆及以上衛星的信顆及以上衛星的信號時，它能計算出本地的號時，它能計算出本地的3維坐標：維坐標：經度、經度、緯度、高度緯度、高度。所以：定位原理：顆衛星定位一點所以：定位原理：顆衛星定位一點1234S1S3S4S23 3二、GPS與定位導航 靜態定位中靜態定位中， GPS 接收機在接收機在捕獲和跟蹤捕獲和跟蹤 GPS 衛星的過程衛星的過程中固定不變，接收機高精度地中固定不變，接收機高精度地測量測量 GPS 信號的傳播時間，信號的傳播時間，利用利用 GPS 衛星在軌的已知位衛星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置，解算

16、出接收機天線所在位置的三維坐標。置的三維坐標。能達到厘米級能達到厘米級甚至毫米級的精度。甚至毫米級的精度。 動態定位動態定位則是用則是用 GPS 接收機側定一接收機側定一個運動物體的運行軌跡。個運動物體的運行軌跡。 GPS 信號信號接收機所位于的運動物體叫做載體接收機所位于的運動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行（如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車輛等）。載體上的走的車輛等）。載體上的 GPS 接收接收機天線在跟蹤機天線在跟蹤 GPS 衛星的過程中相衛星的過程中相對地球而運動，接收機用對地球而運動，接收機用 GPS 信號信號實時地測得運動載體的狀態參數（瞬實時地測得運動載體的狀態參

17、數（瞬間三維位置和三維速度）間三維位置和三維速度）能達到能達到1米米以內的精度，速度測量能達到厘米級以內的精度，速度測量能達到厘米級的精度，時間側量能達到毫微秒級精的精度，時間側量能達到毫微秒級精度。度。信息接收信息接收信息發射信息發射應用領域應用領域通過車載通過車載GPS可以在屏幕上可以在屏幕上及時查看車輛及時查看車輛所在的經緯度、所在的經緯度、運行軌跡、速運行軌跡、速度、行進方向度、行進方向車載電臺把定車載電臺把定位信息發給監位信息發給監控中心，在電控中心，在電子地圖上顯示子地圖上顯示出來，可對車出來，可對車輛進行調度指輛進行調度指揮揮城市公共汽車城市公共汽車調度管理，旅調度管理，旅游區車

18、輛報警游區車輛報警與調度，海關、與調度，海關、公安、海防等公安、海防等部門對車輛的部門對車輛的調度與監控調度與監控1、車載、車載GPS的功用的功用P100使裝有使裝有GPS的出租車配備合理，能最大程度的滿足的出租車配備合理，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，乘客的要求，從而減少了空載率，降低能源消耗，節省運行成本，并使行車、乘車安全系數大大提節省運行成本，并使行車、乘車安全系數大大提高等功能。高等功能。應用類型應用類型應用領域應用領域應用作用應用作用向用戶提供船舶的向用戶提供船舶的位置位置、航速航速、航向航向、時間信息、時間信息、海圖、海跡顯示海圖、海跡顯示避免船只沖

19、撞，確保避免船只沖撞，確保航行安全現在很難想航行安全現在很難想象那艘船舶不裝備象那艘船舶不裝備GPS導航系統和設備導航系統和設備 把自己的位置和航向發把自己的位置和航向發送到航海管理中心送到航海管理中心便于中心的跟蹤、搜便于中心的跟蹤、搜尋和救援尋和救援3、航空應、航空應用用p100空域航路、著陸、機場空域航路、著陸、機場監視和管理監視和管理實現空域劃分、空中實現空域劃分、空中交通流量管理、飛行交通流量管理、飛行路徑管理路徑管理2、航海航海應用應用P100GPS應用領應用領域域主要功能主要功能在林業管理在林業管理方面的應用方面的應用GPS技術在確定林區面積，估算木材量，技術在確定林區面積，估算

20、木材量，計算可采伐木材面積，確定原始森林、道計算可采伐木材面積，確定原始森林、道路位置，對森林火災周邊測量，尋找水源路位置，對森林火災周邊測量，尋找水源和測定地區邊界方面可以發揮獨特的重要和測定地區邊界方面可以發揮獨特的重要作用作用在合理施肥，在合理施肥，精確農業管精確農業管理方面的應理方面的應用用依據農田土壤養分含量分布圖，設置有依據農田土壤養分含量分布圖，設置有GPS接收機的接收機的“受受控應用控應用”的噴施器，在的噴施器，在GPS的控制下，依據土壤養分含量的控制下，依據土壤養分含量分布圖，能夠精確地給田地各點施肥。分布圖，能夠精確地給田地各點施肥。(1)可以監測作物產量可以監測作物產量(

21、計算機計算機產量監視器產量監視器GPS接收機接收機)(2)幫助合理施肥幫助合理施肥(3)應用于土壤養分的分布調查應用于土壤養分的分布調查(GPS接收機把接收機把樣品的位置樣品的位置)在精確定時在精確定時方面的應用方面的應用每顆每顆GPS衛星上都有精密的原子鐘，所以衛星上都有精密的原子鐘，所以GPS接受器可以接收到精確的時間信息接受器可以接收到精確的時間信息在農業方面在農業方面GPS也有用武之地以往飛機向農田也有用武之地以往飛機向農田噴灑農藥，用人在地面搖動紅旗做方位指示，經噴灑農藥，用人在地面搖動紅旗做方位指示，經常由于不夠準確造成噴灑效率低，而有常由于不夠準確造成噴灑效率低，而有GPS定位定位儀后，合理分布航線儀后，合理分布航線,飛機可以按事先設計好的經飛機可以按事先設計好的經緯度，利用定位儀確認坐標后噴灑，大大提高了緯度，利用定位儀確認坐標后噴灑，大大提高了噴灑效率噴灑效率 ,大大節省飛機作業的費用大大節省飛機作業的費用,噴殺化肥農藥噴殺化肥農藥時時,減少重疊減少重疊,避免浪費避免浪費,避免過多的用量影響農作物避免過多的用量影響農作物生長生長.例例1 下列關于全球定位系統的下列關于全球定位系統的敘述。不正確的是敘述。不正確的是( ) A GPS是利用衛星進行導航、定位的系統是利用衛星進行導航、定位的系統 BGPS包括兩大部分，即空間部分和包括兩大部分，即空間部分和地面控制