2017年高考地理必考知識點：全球定位系統(tǒng)GPS

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▲高考地理必考知識點：全球定位系統(tǒng)GPS

全球定位系統(tǒng)是美國國防部研制的一種全天候的，空間基準的導航系統(tǒng)，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)地精確地確定三位位置和三位運動及時間的需要。它是一個中距離圓型軌道衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

具有海陸空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過近十年我國測繪等部門的使用表明,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動化、高效益等特點,成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影、運載工具導航和管制、地殼運動測量、工程變形測量、資源勘察、地球動力學等多種學科,取得了好的經(jīng)濟效益和社會效益。

▲高考地理必考知識點：全球定位系統(tǒng)GPS的特點

第一，全天候，不受任何天氣的影響；

第二，全球覆蓋（高達98%）；

第三，七維定點定速定時高精度；

第四，快速、省時、高效率；

第五，應用廣泛、多功能；

第六，可移動定位。

▲高考地理必考知識點：全球定位系統(tǒng)GPS的原理

當蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國約翰·霍布斯金大學應用物理實驗室的研究人員提出既然可以已知觀測站的位置知道衛(wèi)星位置，那么如果已知衛(wèi)星位置，應該也能測量出接收者的所在位置。這是導航衛(wèi)星的基本設想。GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。

GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中-{A|zh-cn:解調制;zh-tw:解調變}-出來，以50b/s-{A|zh-cn:調制;zh-tw:調變}-在載頻上發(fā)射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。

當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐標系;zh-tw:大地坐標系}-中的位置速度等信息便可得知?？梢奊PS導航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維-{A|zh-cn:坐標;zh-tw:坐標}-x、y、z外，還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。

▲高考地理必考知識點：全球定位系統(tǒng)GPS的功能

精確定時：廣泛應用在天文臺、通信系統(tǒng)基站、電視臺中

工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采用GPS設備進行工程測量

勘探測繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到

導航：

武器導航：精確制導導彈、巡航導彈

車輛導航：車輛調度、監(jiān)控系統(tǒng)

船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水

飛機導航：航線導航、進場著陸控制

星際導航：衛(wèi)星軌道定位

個人導航：個人旅游及野外探險

定位：

車輛防盜系統(tǒng)，手機，PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng)

兒童及特殊人群的防走失系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)勘測

▲高考地理必考知識點：美國的全球定位系統(tǒng)GPS的系統(tǒng)

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成:空間部分-GPS星座;地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設備部分-GPS信號接收機。

1.空間部分

GPS的空間部分是由24顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20200km的上空,均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面4顆),軌道傾角為55°。此外,還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續(xù)的全球導航能力。GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼,一組稱為C/A碼(Coarse/AcquisitionCode11023MHz);一組稱為P碼(ProciseCode10123MHz),P碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,并設有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務。C/A碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。

2.地面控制部分

地面控制部分由一個主控站,5個全球監(jiān)測站和3個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結果送到3個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把這些導航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預存的導航信息還可用一段時間,但導航精度會逐漸降低。

3.用戶設備部分

用戶設備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后,即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后,機內電池為RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。

▲高考地理必考知識點：中國的全球定位系統(tǒng)GPS

1、空間星座

建設中的中國北斗導航系統(tǒng)(COMPASS)空間段計劃由五顆靜止軌道衛(wèi)星和三十顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務。距離地面36000km,分別位于東經(jīng)80和140的赤道上空，執(zhí)行地面控制中心與用戶終端的雙向無線電信號的中繼任務。另外還有一顆備份衛(wèi)星定位于東經(jīng)115.5的赤道上空。衛(wèi)星重980kg,壽命不少于8年，

2、地面控制中心系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)地面控制中心包括主控、測軌站、測高站、校正站和計算中心，主要用來測量和收集校正導航定位參數(shù)，完成測軌和調整衛(wèi)星的運行軌道，姿態(tài)，編制星歷，形成用戶定位修正數(shù)據(jù)和對用戶進行定位，即負責無線電信號的發(fā)送接收及對整個工作系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

3、用戶設備

根據(jù)北斗用戶機和應用環(huán)境和功能的不同，通常北斗用戶機有五種類型：

普通型。該型用戶機只能進行定位和點對點的通信，適合于一般車輛、船舶及便攜等用戶的定位導航應用，可接收和發(fā)送定位及通信信息，與中心站及其它用戶終端雙向通信。

通信型。適合于野外作業(yè)，水文測量、環(huán)境檢測等各類數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸用戶，可接收和發(fā)送短信息、報文，與中心站和其它用戶終端進行雙向或單向通信。

▲高考地理必考知識點：全球定位系統(tǒng)GPS的應用

1.道路和高速公路

全球定位系統(tǒng)（GPS）的使用和精確性可以增加高速公路和街道上以及公共交通系統(tǒng)的車輛的安全和效率。由于GPS的幫助，許多商用車輛的分派和調度的問題明顯地減少了。同樣，公交系統(tǒng)、道路維修和急救車輛所面臨的問題也大大地減輕。

隨著GPS的不斷現(xiàn)代化，我們可以預期會出現(xiàn)更為有效的系統(tǒng)來預防撞車、警告危難、通知位置、提供電子地圖以及有語音指示的車內導航裝置。

2.航空

世界各地的飛行員利用GPS來提高飛行安全和效率。由于它的精確性、連續(xù)性和全球的性能，GPS可以提供完美的衛(wèi)星導航服務，滿足航空用戶的許多要求。以空間為基地的定位和導航可以在飛行的所有階段確定三維的位置，從起飛、飛行和降落，到機場的地面導航。

農(nóng)業(yè)

全球定位系統(tǒng)（GPS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）的結合使發(fā)展和應用精準農(nóng)業(yè)以及從事因地制宜的耕種成為可能。這些技術使實時的數(shù)據(jù)收集與精確的定位信息得以合二為一，從而使大量的地理空間數(shù)據(jù)得到有效的操作與分析。在精準種植中，GPS可應用于耕種規(guī)劃、耕地繪圖、土壤取樣、拖拉機導航、莊稼監(jiān)測、變率應用以及收成繪圖等。GPS讓農(nóng)民能夠在雨、塵、霧及黑暗等能見度低的條件下工作。

3.環(huán)境

要想在保持地球環(huán)境的同時平衡人類的需求，就需要根據(jù)最新信息來作出更好的決定。對于需要作出這類決定的政府與私人組織來說，準確和及時地收集信息是一個極大的挑戰(zhàn)。全球定位系統(tǒng)（GPS）有助于滿足這個需要。

4.公共安全與災難救援

任何一個成功的救援行動，其關鍵因素是時間。了解地標、街道、建筑、緊急服務資源以及救災地點的準確位置有助于減少延誤并拯救生命。對于救援和公共安全人員來說，要保護生命、減少財產(chǎn)損失，這類信息極為重要。作為輔助技術，全球定位系統(tǒng)（GPS）滿足了這些需要。

5.勘測和測繪地圖

隨著全球技術的進化和擴展，勘測和測繪地圖界正在不斷地重新開發(fā)所需的工具來增加工作能力和得到高度精確的數(shù)據(jù)。

利用GPS及其地面增強系統(tǒng)提供的針尖般的精確度，測量者可以迅速得到高精度的勘測和地圖測繪結果，從而可以大幅減少使用傳統(tǒng)測繪技術通常所需的設備和工時。如今，一個勘測員在一天里就可以完成過去一個勘測隊數(shù)周才能完成的任務。GPS不受雨、風和陽光不足的影響，它正在全世界迅速地被專業(yè)勘測員和地圖測繪人員采用。

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