1819 第3章 第3节 全球定位系统及其应用.docx

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1819第3章第3节全球定位系统及其应用

第三节　全球定位系统及其应用

学习目标：

1.了解全球定位系统的概念、组成、发展历程、基本原理。

2.理解全球定位系统在定位导航中的广泛应用。

（重点、难点）3.培养学生的科学素养，激发学生探索科学的欲望。

[自主预习·探新知]

1．全球定位系统

（1）概念

具有在海、陆、空进行全方位、实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。

（2）组成

系统结构

组成和分布

功能

空间星座

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成

为全天候定位提供可能

地面控

制系统

1个主控站

收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算GPS卫星的轨道和卫星时钟数据

3个注入站

在每颗卫星运行至上空时，将导航数据及主控站的指令注入卫星

5个监控站

监测与调控卫星上的各种设备的工作、运行情况

用户系统

包括接收机硬件、GPS数据处理软件等用户设备，硬件由天线单元和接收单元组成

捕获GPS卫星信号，实时地计算出三维坐标、速度以及时间

（3）GPS接收机的常见类型

2．全球定位系统与定位导航

（1）定位精度

①静态导航定位：

厘米级甚至毫米级精度。

②动态定位：

达到1米以内精度。

③速度测量：

达到厘米级精度。

④时间测量：

毫微秒级精度。

（2）应用

①交通、邮电、地矿、建筑、农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业。

②监测地壳的微小移动，帮助预报地震。

③与GIS、RS结合，为资源调查、工程管理、精细农业服务。

[自主诊断]

正误判断

（1）空间星座、用户系统、地面监控系统、传感器是全球定位系统的组成部分。

（　　）

（2）在对我国西部一些地区进行科考时，使用全球定位系统，其优点主要是通过全球定位系统可以随时读取各种信息资料。

（　　）

（3）物流公司建立物流GPS网络平台，当货主交付货物后，物流公司将GPS设备与货物捆绑运输，并提供给货主提货单和GPS网络查询密码。

货主和物流公司可以随时随地通过GPS网络查询货物当前的运输位置。

（　　）

（4）对地壳运动进行精确观测采用的主要技术是遥感技术。

（　　）

（5）驾驶员利用车载GPS设备制定运输路线。

（　　）

【提示】　

（1）×　全球定位系统由3个相对独立的部分组成，即空间星座、地面监控系统和用户系统。

（2）×　全球定位系统的优点是能够连续不断地为用户提供准确的三维坐标、时间等信息。

（3）√　货主和物流公司可以随时随地通过GPS网络按货单号和密码查询货物当前的运输位置。

（4）×　对地壳运动进行精确观测的基准站、基本站与区域站在我国分布的范围较广，但又相对集中在我国地质不稳定的地区，显然是通过对地壳运动的精确观测，判断各站点之间的距离位移，进行地震监测和预报，而各站点之间距离位移的监测则需要用GPS技术。

（5）√　驾驶员利用车载GPS设备，利用其定位和导航功能，制定运输路线。

[合作探究·攻重难]

全球定位系统

材料　GPS是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行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，GPS卫星信号传播和接收不受天气等因素的影响。

从GPS卫星星座（图甲）可以看出有6个卫星轨道，每个轨道上有4颗卫星。

对于地平面上的观测者来说，最少可见到4颗卫星。

图乙为“全球定位系统的组成及其关系图”。

图甲

图乙

【思考交流】

1．GPS的主要功能是什么？

其原理是什么？

【提示】　定位和导航。

工作卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算，求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。

2．运用数学原理，要计算出地面静止物体的位置，至少根据几颗卫星提供的资料？

要进一步提高定位精度，并迅速计算出运动物体的空间位置、运行速度和运行方向，至少有几颗卫星提供资料？

【提示】　3颗；4颗。

空间位置的定位需要空间三轴直角坐标系，即三维空间。

这样必须由3颗卫星从三轴的方向来测定空间某点的地理坐标，故所使用的卫星不能少于3颗。

根据4颗卫星提供资料，可迅速计算出运动物体的空间位置。

[归纳总结]

1．全球定位系统的特点

2．全球定位系统主要工作过程

3．全球定位系统的构成及各自的功能

[方法技巧]　“点”与“面”判断GPS

GPS的主要功能是定位和导航。

它的最大特点是工作对象是一个“点”或“多个点”，明显区别于RS和GIS技术的工作对象——“面”。

在“3S”技术中选取适当手段时，要看其工作对象是“点”还是“面”，如果是“点”则选用“GPS”，如果是“面”则选用RS或GIS。

[题组对练]

1．结合所学知识，完成

（1）～

（2）题。

【导学号：

50682098】

（1）下列关于全球定位系统组成的叙述，正确的是（　　）

A．全球定位系统由24颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成

B．全球定位系统由空间部分、地面监控系统和用户设备部分组成

C．全球定位系统由平台、传感器、信息传输接收装置、数字或图像处理设备以及相关技术等组成

D．GPS卫星星座由24颗工作卫星组成

（2）通常确定地球上任何一点的地理位置应该具备的三个数据是（　　）

A．经度、距离、海拔

B．经度、纬度、海拔

C．纬度、相对高度、距离

D．到两极、赤道的距离和等高线

（1）B　

（2）B　[第

（1）题，全球定位系统由3个相对独立的部分组成，即空间部分、地面监控系统和用户设备部分，其中，空间部分由分布在距地面20200km的6个轨道面上的24颗卫星（其中3颗备用）组成；地面监控系统主要用于监测和控制卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否沿预定轨道运行；用户设备部分为GPS接收机。

第

（2）题，每一个地点都是一个三维空间，包括经度、纬度和海拔。

]

2．读下图，完成

（1）～

（2）题。

（1）上图是一款智能手机的GPS功能显示图，该手机的出现说明了（　　）

A．GPS技术已经成为人们日常生活的必备工具

B．随着GPS技术的普及，民用GPS技术发展很快

C．只有名牌的手机厂商才有能力开发GPS手机技术，中国目前还没有掌握此技术

D．手机GPS导航不需要通过GPS卫星，有手机信号就行

（2）手机GPS功能的出现，说明GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们出行、旅游、探险的好帮手，其原因主要是（　　）

A．GPS手机成为时尚

B．GPS技术可以帮助人们选择最合适的旅游线路，降低旅游成本

C．GPS技术可以扩大人们的出行范围

D．GPS技术可使旅游者更具安全感

（1）B　

（2）B　第

（1）题，GPS有定位、导航功能，接收信号时，首先需要卫星进行定位；GPS手机的出现，说明GPS已融入人们的生活，但并不是人们日常生活的必备工具；中国已经掌握了研发GPS手机的技术。

第

（2）题，人们出行、旅游、探险时用到GPS技术，说明GPS技术具有定位、导航的实用价值，有利于旅游者选择旅游线路。

全球定位系统与定位导航

材料　某盗窃犯罪嫌疑人在青岛市市南区盗窃了一辆汽车，30分钟后，在他行驶到青岛市城阳区时被警察拦住，自认为没有泄露蛛丝马迹的犯罪嫌疑人在被逮捕的时候还有些莫名其妙。

他怎么也想不到，被盗的那辆汽车安装了GPS，从他盗窃该汽车的那一刻起，就成为警察的监控目标。

下图为GPS车辆监控管理与调度示意图。

【思考交流】

1．警察是怎样根据全球定位系统（GPS）提供的信息将盗车犯罪嫌疑人逮捕的？

请你大体说说警察破案的经过。

【提示】　车载GPS（全球定位系统）随时监控、报告每一辆安装了GPS的汽车精确的经纬度位置，当车主发现汽车被盗报案后，警察就可以根据全球定位系统（GPS）提供的信息，准确定位被盗汽车所在的位置，发现、追踪并逮捕盗车犯罪嫌疑人。

2．在GPS汽车导航中，信息在汽车、卫星和服务中心之间是怎样传递的？

GPS在交通方面有哪些作用？

【提示】　汽车中GPS用户设备接收了GPS卫星信息，算出车的位置、速度等信息，并通过无线电信号传送到服务中心，服务中心再根据汽车所在的位置，及时通过语音提示为汽车导航。

GPS在交通方面可以实时播发路况信息，自动匹配最优行车路线；降低能源消耗，节省运行成本，并使行车、乘车安全系数大大提高。

[归纳总结]全球定位系统的应用领域

[拓展延伸]　“3S”技术的相互关系

“3S”技术既独立发展又相互促进。

遥感技术主要用于地理信息数据的获取，全球定位系统主要用于地理事物的空间定位，地理信息系统主要用于地理信息数据的管理、更新、分析等。

三者的关系可用下图表示：

图中①②表示遥感技术提供影像信息功能，③④表示地理信息系统反馈影像信息处理结果，⑤⑥表示全球定位系统提供空间定位信息功能。

[题组对练]

3．读我国地壳运动观测网图（下图），回答

（1）～

（2）题。

【导学号：

50682099】

（1）对地壳运动进行精确观测采用的主要技术是（　　）

A．遥感技术　　　B．全球定位系统

C．地理信息系统D．数字地球

（2）根据观测站的分布特点判断，建立地壳运动观测网最主要的目的是（　　）

A．泥石流、滑坡的监测和预报

B．大地高程测量

C．地震监测和预报

D．电离层研究

（1）B　

（2）C　[第

（1）题，对地壳运动进行精确观测，首先要对地壳进行定位，确定某点的三维位置，然后观察移动，所以主要用的是GPS技术。

第

（2）题，图中对地壳运动进行精确观测的基准站、基本站与区域站在我国分布的范围较广，但又相对集中在我国地质不稳定的地区，显然是通过对地壳运动的精确观测，判断各站点之间的距离位移，进行地震监测和预报。

]

4．全球定位系统是现代战争中至关重要的装备。

然而，过分依赖高科技，也可能导致军人的基本功丧失。

许多美军官兵不会在传统地图上标注自己所在的位置，所以一旦GPS失灵，他们就会陷入十分危险的境地。

据此完成

（1）～

（2）题。

（1）若一辆装备了GPS的汽车被恐怖分子劫持，美军不可采取的措施是（　　）

A．启动GPS跟踪系统，锁定车辆具体位置

B．发出遥控锁车指令，使车辆强行熄火

C．通过GPS向劫持者发出警告

D．使用精确制导炸弹袭击

（2）在现代战争中，美军可以利用导航型GPS进行（　　）

A．精确打击　　　B．搜寻目标

C．观测敌方工事D．预报地震

（1）D　

（2）A　[第

（1）题，发动袭击将会造成车内的人员伤亡。

第

（2）题，搜寻目标和观测工事均需利用遥感技术；预报地震属于测地型接收机的应用领域。

]

[课堂·小结]

[图表解读·悟技巧]

[图表探讨]

读“GPS空间星座”图，探讨以下问题。

探讨1：

图中所示部分是GPS的哪部分？

【提示】　空间星座部分。

探讨2：

每个卫星轨道上各有几颗卫星？

它们两两相隔多少度？

【提示】　4颗。

90°。

探讨3：

卫星轨道的形状如何？

【提示】　近圆形。

[读图方法]

阅读时需明确下列问题：

（1）GPS空间卫星分布在几个轨道上？

每相邻两个轨道间的夹角是多少？

每个轨道有几颗GPS卫星？

（2）在GPS系统中，共有多少颗GPS卫星？

它们都是工作卫星吗？

（3）要确定某点的三维信息至少需要几颗GPS卫星提供信号？

[读图训练]

下图是“GPS卫星星座图”。

读图，回答下列问题。

（1）GPS由三大子系统组成，除空间部分外，还有____________系统和____________部分。

（2）空间部分共有________颗卫星，其中，工作卫星________颗，备用卫星________颗，平均分布在________个轨道平面上，每个卫星轨道上有________颗卫星。

卫星的分布保证地面上任何地点、任何时间都可以测到________颗以上的卫星。

（3）GPS的控制部分是________________，其主要作用是什么？

[解析]　第

（1）题，GPS由空间星座、地面监控系统和用户设备三大子系统组成。

第

（2）题，GPS的空间星座由21颗工作卫星、3颗备用卫星组成，在全球的任何地方、任何时间都可监测到4颗以上的卫星。

第（3）题，GPS的控制部分是地面监控系统，主要用于监测和控制卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否沿预定轨道运行。

[答案]　

（1）地面监控　用户设备

（2）24　21　3　6　4　4

（3）地面监控系统　用于监测和控制卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否沿预定轨道运行。

[当堂达标·固双基]

题组1　全球定位系统

2017年11月5日19时45分，在西昌卫星发射中心，长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射第二十四、二十五颗北斗导航卫星。

这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星，是北斗三号第一、二颗组网卫星。

成功进入轨道，标志着北斗卫星导航系统全球组网的开始。

据此完成1～2题。

1．北斗卫星导航系统除能够提供精确的定位、测速外，还能够提供的服务包括（　　）

①授时　②通信服务　③农作物长势监测　④气温异常监测

A．①②　　　　　　　　　B．③④

C．①④D．②③

2．在应用地理信息系统进行城市道路规划时，最适合作为基准图件的是（　　）

A．行政区划图B．人口密度图

C．遥感影像D．商业分布图

1.A　2.C　[第1题，农作物长势监测和气温异常监测通过遥感技术可实现。

第2题，遥感影像能及时真实地反映城市道路现状，以此为基准图件作出的规划才能切合实际。

]

下图是“华北地区某地实测的海拔高度数据分布”。

读图回答3～4题。

【导学号：

50682100】

3．测量图中各地海拔高度，所用最精准、便捷的技术是（　　）

A．遥感B．全球定位系统

C．数字地球D．地理信息系统

4．对图示区域地理特征的描述，正确的是（　　）

A．海拔：

甲＞丙B．坡度：

甲＞乙

C．气温：

丙＞丁D．降水：

乙＞丁

3.B　4.D　[第3题，全球定位系统可以测量一个地区的精确的三维坐标，即经度、纬度、海拔高度等。

第4题，将图中高度相同的点连线，即可得到等高线地形图，由图可知，甲的海拔在200米～300米之间，而丙的海拔在500米～600米之间；甲坡等高线较乙坡稀疏，坡度较小。

丙的海拔较丁高，正常情况下气温较低。

乙坡位于东坡，是东南季风的迎风坡（华北地区），而丁坡位于西坡，处于背风坡，所以乙坡的降水较多。

]

题组2　全球定位系统与定位导航

读车载GPS导航监控原理示意图，完成5～6题。

5．图中M表示（　　）

A．制作GPS接收机　　　B．分析交通状况

C．生成电子地图D．计算三维坐标

6．车载GPS通过公共电信网络传给交通监控中心的信息是（　　）

A．车载GPS所在道路的拥堵状况

B．车载GPS所在地的地理坐标

C．车载GPS所在车辆的违章信息

D．车载GPS规划的导航路线

5.C　6.B　[第5题，纸质地图信息数字化与录入地名、坐标信息可以生成电子地图。

第6题，车载GPS传给交通监控中心的信息是车载GPS所在地的地理坐标。

]

我国将于2020年完成由35颗卫星组网的“北斗”全球卫星导航定位系统。

据此完成7～8题。

【导学号：

50682101】

7．有关北斗卫星导航系统的叙述，正确的是（　　）

A．北斗导航系统的关键装置是传感器

B．该系统是一种专门处理空间数据的计算机系统

C．具有全能性、全球性、全天候、连续性、实时性的特点

D．广泛应用于资源调查、环境监测、自然灾害监测等领域

8．利用北斗卫星导航系统可以（　　）

A．了解农作物的长势

B．监测西北地区的荒漠化

C．合理规划城市商业网点

D．精准发射导弹

7.C　8.D　[第7题，北斗卫星导航系统属于全球定位系统，其关键装置是空间卫星星座，关键装置为传感器的是遥感技术，A项错误；处理空间数据的系统是地理信息系统，B项错误；该系统属于定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性、实时性的特点，所以C正确；用于资源调查和灾害检测的是遥感系统，D项错误。

第8题，北斗卫星导航系统属于全球定位系统，利用北斗卫星导航系统可以精准发射导弹，所以D正确。

了解农作物长势、监测西北地区荒漠化需要遥感系统，合理规划城市商业网点需要对地理数据进行分析，因此用到的是地理信息系统，A、B、C三项错误。

]

[教材活动点拨]

教材P97～98活动

我国导航定位技术发展的讨论提纲

小组

讨论主题

A组

我国导航定位技术的发展历程

B组

我国GPS技术在大地测量方面的应用

C组

我国GPS技术在工程测量方面的应用

…

…

……

A组　我国导航定位技术的发展历程

我国的航天科技事业在逐步建立和发展中。

从1970年4月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功地发射了100多颗不同类型的人造卫星，为空间大地测量工作的开展创造了有利条件。

B组　我国GPS技术在大地测量方面的应用

在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精确大地水准面。

我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与祖国大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网连成一个整体。

C组　我国GPS技术在工程测量方面的应用在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。

教材P101～102活动

1．GPS还可以应用在大地测量、地震监测、地形测量、林业测量、水利监测、国土资源调查、城建规划勘测等多个方面，并提高工作效率。

资源调查：

土地探测，如森林区、山坡地违规开发、查报工作。

使用GPS可顺利导航至可疑之变异点，并直接查询、调阅地籍图等相关资料以利研究判断。

大地测量：

利用GPS测定地球上任何点（包括地面上和海洋上）的位置并计算其间的距离，以及测定地球重力场和地球形状、大小等。

林业面积测绘：

GPS在林业面积测绘的应用主要有两个方面，一是用于定位造林地块，地块位置和形状，便于在地形图上标注具体的位置；二是利用GPS求算面积。

森林防火：

利用GPS进行火场定位、火场布兵、火场面积测量、火灾损失估算，精确度高，安全性强，能够实时、快速、准确地测定火险位置和范围，为防火指挥部门提供决策依据，已被国内外防火机构广泛采用。

监测作物产量：

在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机，就构成了作物产量监视系统。

对不同的农作物需配备不同的监视器。

例如监视玉米产量的监视器，当收割玉米时，监视器记录下玉米所结穗数和产量，同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置，通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地产量的分布图，再通过和土壤养分含量分布图的综合分析，可以找出影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。

2．略

3．GPS应用领域及主要功能

GPS

应用领域

主要功能

在海洋测绘中的应用

海洋测绘主要包括海上定位、海洋测量和水下地形测量。

对海洋划界、航道测量以及海洋资源勘探与开采、近海工程、海面变化、板块运动以及海啸等研究具有重要作用

在旅游及野外考察中的应用

在旅游及野外考察中，如到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山、峡谷或者沙漠地区考察，GPS接收机是你最忠实的向导。

利用它，你可以随时知道所在的位置及行走速度和方向，使你不会迷失

在林业管理方面的应用

GPS技术在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐木材面积，确定原始森林、道路位置，对森林火灾周边测量，寻找水源和测定地区边界等方面可以发挥其独特的重要作用

在合理施肥，精确农业管理方面的应用

依据农田土壤养分含量分布图，设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器，在GPS的控制下，依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地的各点施肥

在精确定时方面的应用

每颗GPS卫星上都有精密的原子钟，所以GPS接收机可以接收到精确的时间信息