2017年高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：全球定位系統(tǒng)GPS

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▲高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：全球定位系統(tǒng)GPS

全球定位系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)防部研制的一種全天候的，空間基準(zhǔn)的導(dǎo)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(yùn)動(dòng)及時(shí)間的需要。它是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

具有海陸空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過近十年我國(guó)測(cè)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(dòng)化、高效益等特點(diǎn),成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)測(cè)量、工程變形測(cè)量、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科,取得了好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

▲高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：全球定位系統(tǒng)GPS的特點(diǎn)

第一，全天候，不受任何天氣的影響；

第二，全球覆蓋（高達(dá)98%）；

第三，七維定點(diǎn)定速定時(shí)高精度；

第四，快速、省時(shí)、高效率；

第五，應(yīng)用廣泛、多功能；

第六，可移動(dòng)定位。

▲高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：全球定位系統(tǒng)GPS的原理

當(dāng)蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國(guó)約翰·霍布斯金大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出既然可以已知觀測(cè)站的位置知道衛(wèi)星位置，那么如果已知衛(wèi)星位置，應(yīng)該也能測(cè)量出接收者的所在位置。這是導(dǎo)航衛(wèi)星的基本設(shè)想。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)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(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)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(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中-{A|zh-cn:解調(diào)制;zh-tw:解調(diào)變}-出來，以50b/s-{A|zh-cn:調(diào)制;zh-tw:調(diào)變}-在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)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(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)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(shí)所處位置，用戶在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐標(biāo)系;zh-tw:大地坐標(biāo)系}-中的位置速度等信息便可得知?？梢奊PS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維-{A|zh-cn:坐標(biāo);zh-tw:坐標(biāo)}-x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。

▲高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：全球定位系統(tǒng)GPS的功能

精確定時(shí)：廣泛應(yīng)用在天文臺(tái)、通信系統(tǒng)基站、電視臺(tái)中

工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采用GPS設(shè)備進(jìn)行工程測(cè)量

勘探測(cè)繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到

導(dǎo)航：

武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈

車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)

船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水

飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場(chǎng)著陸控制

星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位

個(gè)人導(dǎo)航：個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)

定位：

車輛防盜系統(tǒng)，手機(jī)，PDA，PPC等通信移動(dòng)設(shè)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(cè)

▲高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：美國(guó)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(shè)備部分-GPS信號(hào)接收機(jī)。

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(gè)軌道面上(每個(gè)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(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)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(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。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(guó)軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國(guó)軍方服務(wù)。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(gè)主控站,5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面控制站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見衛(wèi)星的接受機(jī)。監(jiān)測(cè)站將取得的衛(wèi)星觀測(cè)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(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù),計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí),把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)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(jìn)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(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間,但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。

3.用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)。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(cè)衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后,即可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)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(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算,計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后,機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機(jī)體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測(cè)使用。

▲高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：中國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS

1、空間星座

建設(shè)中的中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)空間段計(jì)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(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。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(hào)的中繼任務(wù)。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(cè)軌站、測(cè)高站、校正站和計(jì)算中心，主要用來測(cè)量和收集校正導(dǎo)航定位參數(shù)，完成測(cè)軌和調(diào)整衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，姿態(tài)，編制星歷，形成用戶定位修正數(shù)據(jù)和對(duì)用戶進(jìn)行定位，即負(fù)責(zé)無線電信號(hào)的發(fā)送接收及對(duì)整個(gè)工作系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

3、用戶設(shè)備

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

普通型。該型用戶機(jī)只能進(jìn)行定位和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，適合于一般車輛、船舶及便攜等用戶的定位導(dǎo)航應(yīng)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(cè)量、環(huán)境檢測(cè)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(bào)文，與中心站和其它用戶終端進(jìn)行雙向或單向通信。

▲高考地理必考知識(shí)點(diǎn)：全球定位系統(tǒng)GPS的應(yīng)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(diào)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(yù)期會(huì)出現(xiàn)更為有效的系統(tǒng)來預(yù)防撞車、警告危難、通知位置、提供電子地圖以及有語(yǔ)音指示的車內(nèi)導(dǎo)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(dǎo)航服務(wù)，滿足航空用戶的許多要求。以空間為基地的定位和導(dǎo)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(jī)場(chǎng)的地面導(dǎo)航。

農(nóng)業(yè)

全球定位系統(tǒng)（GPS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）的結(jié)合使發(fā)展和應(yīng)用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)以及從事因地制宜的耕種成為可能。這些技術(shù)使實(shí)時(shí)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(zhǔn)種植中，GPS可應(yīng)用于耕種規(guī)劃、耕地繪圖、土壤取樣、拖拉機(jī)導(dǎo)航、莊稼監(jiān)測(cè)、變率應(yīng)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(shí)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(duì)于需要作出這類決定的政府與私人組織來說，準(zhǔn)確和及時(shí)地收集信息是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。全球定位系統(tǒng)（GPS）有助于滿足這個(gè)需要。

4.公共安全與災(zāi)難救援

任何一個(gè)成功的救援行動(dòng)，其關(guān)鍵因素是時(shí)間。了解地標(biāo)、街道、建筑、緊急服務(wù)資源以及救災(zāi)地點(diǎn)的準(zhǔn)確位置有助于減少延誤并拯救生命。對(duì)于救援和公共安全人員來說，要保護(hù)生命、減少財(cái)產(chǎn)損失，這類信息極為重要。作為輔助技術(shù)，全球定位系統(tǒng)（GPS）滿足了這些需要。

5.勘測(cè)和測(cè)繪地圖

隨著全球技術(shù)的進(jìn)化和擴(kuò)展，勘測(cè)和測(cè)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(qiáng)系統(tǒng)提供的針尖般的精確度，測(cè)量者可以迅速得到高精度的勘測(cè)和地圖測(cè)繪結(jié)果，從而可以大幅減少使用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)通常所需的設(shè)備和工時(shí)。如今，一個(gè)勘測(cè)員在一天里就可以完成過去一個(gè)勘測(cè)隊(duì)數(shù)周才能完成的任務(wù)。GPS不受雨、風(fēng)和陽(yáng)光不足的影響，它正在全世界迅速地被專業(yè)勘測(cè)員和地圖測(cè)繪人員采用。

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