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高中地理知识点:全球定位系统

来源:101教育网整理 2019-03-12 字体大小: 分享到:

· 高中地理全球定位系统

一、GPS定位的基本工作原理

测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。通过接收机时钟得到时间差,从而知道四个信号从卫星到接收机的不准确距离(含同一个误差值,由接收机时钟误差造成),用这四个不准确距离和四个卫星的准确位置构建四个方程,解方程组就得到接收机位置

二、GPS的发展以及应用领域

GPS的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global positioningSystem,简称GPS,有时也被称作NAVSTARGPS。其意为"导航星测时与测距全球定位系统”或简称全球定位系统,几乎已成为卫星导航系统的代名词。它最具优势的特点是全球覆盖、全天时全天候、能服务于高精度和高动态平台。
1973年12月,美国开始研制GPS,全部投资为300亿美元。GPS的发展可分为以下几个阶段。

1.方案论证阶段
1973年12月,美国国防部批准研制GPS.1978年2月22日,第1颗GPS试验卫星发射成功。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地面跟踪网。

2.全面研制和试验阶段
从1979年到1987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定位精度远远超过设计标准。

3.实用组网阶段
1989年2月14日,第1颗GpS工作卫星发射成功。1991年,在海湾战争中GPS首次大规模用于实战。1993年年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座建成。1995年7月17日,GPS达到完全运行能力(Full Operational Capability,FOC)。

4.GPS现代化
1999年1月25日,美国宣布斥资40亿美元进行GPS现代化。GPS现代化的实质是要加强Gps对美军现代化战争的支撑和保持全球民用导航领域的领与地位。
 GPS的定位原理是距离交会,测距原理是被动式电磁波测距。GPS的特点是全球覆盖、全天候、不间断、精度高。GPS系统由空间段、地面控制段、用户设备段3部分构成。GPS的空间段即GPS卫星星座分成6个轨道面,均匀分布着24颗工作卫星,卫星平均轨道高度为20 200km、轨道倾角为55°、周期为11小时58分钟,保证在每天24小时的任何时刻里,在高度角为15 °以上,能够同时观测到4颗以上卫星。

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地面控制段由1个主控站、5个监测站、3个注入站和通信与辅助系统组成。用户设备段包括用户和GPS接收设备两部分。GPS能在全球范围内,提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务。GPS卫星导航定位技术能够准确地回答我在哪里?你离我多远?现为何时?我走得多快?是否倾斜?因此,GPS接收机的应用,上至航空航天器,下至捕鱼、导游、摄影、通信和农业生产,已经"无孔不入”。GPS的应用领域非常广泛,在军事中可应用于士兵、舰载飞弹、潜艇等的定位导航;在交通运输业中可应用于航运、航空搜索、车辆导航、监控、船舶远洋导航和进港引水;在测量中的应用包括建立和维持全球性的参考框架、板块运动,监测、建立各级国家平面控制网,布设城市控制网、工程测量控制网,进行各种工程测量、在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量应用等;GPS在其他领域也都有广泛的应用,如精细农业、遥感、卫星定轨、资源勘探、个人旅游及野外探险、电力、广播、电视、通信等网络的时间同步、时间传递等。

三、全球定位系统(GPS)在定位导航中的应用

全球卫星定位系统(Globle Positioning System) 是一种结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时和测距。全球卫星定位系统(简称GPS) 是美国从本世纪70 年代开始研制,历时20 余年,耗资200 亿美元,于1994 年全面建成。具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科,取得了好的经济效益和社会效益。

GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。分布在六个轨道平面内。任何地点,任何时刻地平面上空都有四颗GPS卫星。

GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分—GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座,其中21颗是工作卫星,3颗是备份卫星);地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS 信号接收机。

1.空间部分

GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

2.地面控制部分

地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。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 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,卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星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。

3.用户设备部分

用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

全球定位系统具有六大特点:第一,全天候,不受任何天气的影响;第二,全球覆盖(高达98%);第三,七维定点定速定时高精度;第四,快速、省时、高效率;第五,应用广泛、多功能;第六,可移动定位。

我国的卫星导航系统——北斗一号研制成功。在渔业等方面起到重要作用。


· 高中地理全球定位系统典型例题

题目

GPS应用广泛,下列不能应用的是

A.地形图测绘 B.洪涝灾害监测  
C.交通工具导航   D.海上搜救

答案


试题分析:本题考查地理信息技术的应用。GPS的主要功能是导航和定位,故洪涝灾害的监测应应用遥感技术,而不是GPS技术。

题目

无论是在飞机上或汽车上,还是在野外考察旅行,只要拥有手机大小的GPS信号接收机,你就能随时知道(    )

A.自己所在地的季节
B.自己所在地的天气
C.自己所在地的地理坐标
D.自己所在地的气候

答案

C

试题分析:GPS具有追踪和定位功能,手持GPS接收机能随时知道所在地的经纬度和高度。
点评:本题解题的关键是掌握GPS的主要功能。本题还可结合“3S”技术在生活实例中的正确选择设计试题。


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