第三節(jié)全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

第三節(jié)全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用一、全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(Globalpositioningsystem，簡稱GPS)是具有在海、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)。1、概念2、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、三維速度和精密時(shí)間，不受天氣的影響。單機(jī)定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級和毫米級。隨著人們對GPS認(rèn)識的加深，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。(4)功能多，應(yīng)用廣(3)定位精度高3、GPS的起源覆蓋的工作區(qū)域??；電波傳播受大氣影響；定位精度不高。在衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，遠(yuǎn)程導(dǎo)航與定位主要用無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。（1）無線電導(dǎo)航系統(tǒng)缺點(diǎn)：最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的子午儀系統(tǒng)(TRANSIT)，1958年研制，1964年正式投入使用。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少(5～6顆)，運(yùn)行高度較低(平均1000km)，從地面站觀測到衛(wèi)星的時(shí)間間隔較長(平均1．5h)，因而它無法提供連續(xù)的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，而且精度較低。（2）衛(wèi)星定位系統(tǒng)為滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國國防部制定了GPS計(jì)劃。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)，實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。4、GPS發(fā)展歷程——三個(gè)階段第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段1989年第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段，1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座已經(jīng)建成.第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段5、全球定位系統(tǒng)的組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)空間位置組成和分布全球定位系統(tǒng)GPS衛(wèi)星星座地面監(jiān)控系統(tǒng)GPS信號接收機(jī)空間由2l顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)地面包括5個(gè)監(jiān)測站、1個(gè)主控站和3個(gè)注入站，主控站和注入站都位于監(jiān)控站里用戶導(dǎo)航型接收機(jī)、測地型接收機(jī)、授時(shí)接收機(jī)請思考：讀右圖，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?它們兩兩相隔多少度?()60°4顆；90°(1)GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。GPS衛(wèi)星星座記作(2l+3)GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平各個(gè)軌道平面之間的夾角為60度(2)地面監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測站—獲取GPS數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送至主控站。主控站--控制、調(diào)度衛(wèi)星。注入站—將主控站的改正參數(shù)等注入每顆衛(wèi)星。

衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)——GPS時(shí)間系統(tǒng)。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站。

美國全球定位系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)測站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對空間衛(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)航電文。

主控站位于美國科羅拉多的斯平士（ColoradoSprings）的聯(lián)合空間執(zhí)行中心（CSOC），三個(gè)注入站分別設(shè)在大西洋、印度洋和太平洋的三個(gè)美國軍事基地上，即大西洋的阿松森島（Ascension）、印度洋的迭哥·伽西亞(島DiegoGarcia)和太平洋的夸賈林島Kwajalein),五個(gè)監(jiān)測站設(shè)在主控站和三個(gè)注入站以及夏威夷島。（3）用戶系統(tǒng)能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維坐標(biāo)，甚至三維速度和時(shí)間。A、組成GPS衛(wèi)星接收機(jī)、GPS數(shù)據(jù)處理軟件B、任務(wù)GPS信號接收機(jī)C、GPS接收機(jī)的類型類型應(yīng)用特點(diǎn)導(dǎo)航型接收機(jī)測地型接收機(jī)授時(shí)接收機(jī)用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，按具體用途分為車載型、航海型、航空型和星載型能夠?qū)崟r(shí)地給出載體的位置和速度；價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛用于精密大地測量和精密工程測量定位精度高，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜；價(jià)格較貴用于天文臺及無線通訊利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間進(jìn)行授時(shí)［閱讀指導(dǎo)］手持型GPS接收機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域性能優(yōu)點(diǎn)功能手持型GPS接收機(jī)多為導(dǎo)航使用液晶顯示，導(dǎo)航畫面清晰，配有背景燈，方便夜間操作．功能鍵齊全不需要地面輔助設(shè)備，只要收到衛(wèi)星信號，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)還能指出正北方向，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)間的距離，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換；計(jì)算日出、日落時(shí)間

二、全球定位系統(tǒng)與定位導(dǎo)航1、最初設(shè)計(jì)目的軍事目的2、精度

GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機(jī)高精度地測量GPS信號的傳播時(shí)間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。（1）靜態(tài)定位是用GPS接收機(jī)測定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用GPS信號實(shí)時(shí)地測得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）（2）動(dòng)態(tài)定位（3）速度測量能達(dá)到厘米級精度（4）時(shí)間測量能達(dá)到毫微秒級精度【閱讀指導(dǎo)】車載GPS的功用信息接收信息發(fā)射應(yīng)用領(lǐng)域通過車載GPS,可以在顯示屏上及時(shí)查看車輛所在的經(jīng)緯度、運(yùn)行軌跡、速度、行進(jìn)方向等車載電臺把定位信息發(fā)送給監(jiān)控中心，在電子地圖上顯示出來，可對車輛進(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、海防等部門對車輛的調(diào)度與監(jiān)控【閱讀指導(dǎo)】GPS在航海、航空導(dǎo)航中的應(yīng)用應(yīng)用類型應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用作用航海應(yīng)用航空應(yīng)用向用戶提供船舶位置、航速、航向信息、海圖、海跡顯示避免船只沖撞，確保航行安全把自己的位置和航向發(fā)送到航海管理中心便于中心的跟蹤、搜尋和救援空域航路、著陸、機(jī)場監(jiān)視和管理實(shí)現(xiàn)空域劃分、空中交通流量管理、飛行路徑管理3、GPS的應(yīng)用領(lǐng)域（1）GPS在軍事上的應(yīng)用（3）GPS在交通上的應(yīng)用（4）GPS在旅游探險(xiǎn)中的應(yīng)用（2）民用GPS（1）GPS在軍事上的應(yīng)用軍事是GPS技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域,主要是為各種軍事活動(dòng)提供定位導(dǎo)航.在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，不僅陸、海、空三軍，而且許多高科技武器彈藥等，也都開始采用GPS技術(shù)進(jìn)行定位導(dǎo)航。目前精確制導(dǎo)武器復(fù)合制導(dǎo)的重要技術(shù)手段。裝備GPS制導(dǎo)系統(tǒng)之前,美軍BGM-10C“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈誤差約為9米；在其“慣性和地形匹配”制導(dǎo)系統(tǒng)中加入GPS后，誤差降至3米，制導(dǎo)精度大大提高。

主要用于交通車輛導(dǎo)航管理、航空器定位及導(dǎo)航，以及大地測量野外勘測、緊急求援、旅游探險(xiǎn)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、生態(tài)研究等方面。（3）GPS在交通上的應(yīng)用（2）民用GPS余純順在羅布泊探險(xiǎn)遇難時(shí)離最近的補(bǔ)給站僅幾百米。風(fēng)沙淹埋了前人走過的足跡，在茫?；哪杏挚视逐I的他終于倒下了。如果當(dāng)時(shí)他有一臺GPS接收機(jī)，慘劇又何以發(fā)生？在地廣人稀沒有任何參照物可用以辨別方向的情況下，危險(xiǎn)無時(shí)無刻不在,手持GPS接收機(jī)沿著機(jī)中記錄的安全軌跡小心行進(jìn)，可安全返航。目前，許多休閑俱樂部圍繞GPS功能相繼推出“穿越”、“尋寶”、“野外拓展”等都市游戲，豐富了人們周末生活，提高了人們生活品位，深得戶外運(yùn)動(dòng)愛好者的歡迎。(4)戶外旅游探險(xiǎn)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地平線衛(wèi)星編號衛(wèi)星信號圖1-2

C:[定位]鍵，顯示〈標(biāo)定位置畫面〉如圖1-4所示，經(jīng)緯度為N32°03.232′，E118°45.923′海拔高度17米等信息圖1-4例1下列關(guān)于全球定位系統(tǒng)的敘述，不正確的是()A、GPS是利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航、定位的系統(tǒng)B、GPS包括兩大部分，即空間部分和地面控制部分C、GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成D、野外旅行，只要擁有GPS信號接收機(jī)，可隨時(shí)知道自己所處的經(jīng)緯度B解析：全球定位系統(tǒng)包括三大部分,即空間星座、地面控制系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)。1999年3月27日，北約部隊(duì)一架F--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，通過手持型信號發(fā)射器發(fā)出緊急呼救信號，當(dāng)間諜衛(wèi)星把呼救信號傳送到北約空襲南聯(lián)盟指揮所后，美軍立即安排了救援行動(dòng)。6小時(shí)后，當(dāng)一架EA一6B電子干擾機(jī)發(fā)現(xiàn)飛行員的準(zhǔn)確位置時(shí)，一架MH一6oG搜索與救援直升機(jī)降落在飛行員面前，把飛行員接上直升機(jī)并安全返回基地。據(jù)此回答（l）~（2）題。例2（1）飛行員發(fā)出的呼救信號是（）A、GIS系統(tǒng)信號B、GPS系統(tǒng)信號C、RS系統(tǒng)信號D、以上都不對B（2）北約轟炸的科索沃，其氣候?qū)儆冢ǎ〢、溫帶海洋性氣候