第三章第三节

全球定位系统及其应用 一、全球定位系统

（一）．全球定位系统的概念 全球定位系统 (Global posi

tioning system ，简称 GPS) 是具有在海、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。

[ 跨越障碍 ] 全球定位系统的特点是什么

(1) 全球，全天候工作。 (2) 能为用户提供连续、实时的三维位置、三维

速度和精密时间，不受天气的影响。 (3) 定位精度高：单机定位精度优于 10 米，采

用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。 (4) 功能多，应用广：随着人们对 GPS 认识的

加深， GPS 不仅在测量、导航、测速、测时等方面取得更广泛的应用．而且其应用领域不断扩大。

[ 阅读指导 ] GPS 的起源 在卫星定位系统出现之前，远

程导航与定位主要用无线电导航系统。

1 ．无线电导航系统 缺点：覆盖的工作区域小；电波

传播受大气影响；定位精度不高。

2 ．卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统

(TRANSIT) ， 1958 年研制． 1964 年正式投入使用。由于该系统卫星数目较少 (5 ～ 6颗 ) ，运行高度较低 ( 平均 1 000 km) ，从地面站观测到卫星的时间间隔较长 ( 平均 1 ．5 h) ，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求， 1973年美国国防部制定了 GPS 计划。

3 ． GPS 发展历程 GPS 实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。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。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979 年到 1984 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。

第三阶段为实用组网阶段。 1989 年 2 月 4 日第一颗 GPS 工作卫星发射成功，表明 GPS 系统进入工程建设阶段。 1993 年底实用的 GPS 网即 (21+3)GPS 星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

（二）．全球定位系统的组成系统结构 空间

位置 组成和分布全球定位系统

GPS卫星星座地面监控系统GPS信号接收机

空间

由 2l 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成， 24 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内

地 面

由分布在全球的 5 个地面站 (包括 5 个监控站、 1 个主控站和 3 个注入站，主控站和注入站都位于监控站里 ) 组成

用 户

导航型接收机、测地型接收机、授时接收机

请思考：读右图，①相邻两个 GPS 星座卫星轨道平面之间的夹角是多少度 ?(　　 )

②每个卫星轨道上各有几颗卫星 ? 它们两两相隔多少度 ? (　　　　 )

60°

4 颗；90°

(1)GPS 卫星星座 由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫

星组成。 GPS 卫星星座记作 (2l+3)GPS 星座。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平各个轨道平面之间的夹角为 60 度

(2) 地面监控系统

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。

地面监控系统（ 1）主控站（ 2）监测站（ 3）注入站

请你说说各自的组成和功能 ?

监测站—获取 GPS数据 , 并将数据送至主控站。主控站 --控制、调度卫星。注入站— 将主控站的改正参数等注入每颗卫星。

美国全球定位系统地面监控系统 由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的 1个主控站、 3个注入站、 5个监测站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。

主控站位于美国科罗拉多的斯平士（ Colorado Springs）的联合空间执行中心（ CSOC），三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的阿松森岛（ Ascension）、印度洋的迭哥·伽西亚 (岛 Diego Garcia)和太平洋的夸贾林岛Kwajalein), 五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。

(3)GPS 信号接收机 组成 :GPS 卫星接收机 GPS 数据处理软件 任务 : 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，实时地计算出测站的三维坐标，甚至三维速度和时间。

GPS 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 信号的接收设备即 GPS 信号接收机。可以在任何时候用GPS 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的 GPS 信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS 接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

手机和手表上的 GPS

手持型的 GPS

测绘使用的 GPS

航空与航海使用的 GPS

GPS信号接收机

( 三 ) . GPS 接收机的类型

类型 应 用 特点导航型接收机

测地型接收机

授时接收机

［阅读指导］手持型 CPS 接收机应用领域 性能 优点 功能

手持型 GPS 接收机多为导航使用

液晶显示，导航画面清晰，配有背景灯，方便夜问操作．功能键齐全

不需要地面辅助设备，只要收到卫星信号，就能快速定位，不受天气、行政区域的限制

能够计算当地的国际标准时问，处于运动状态还能指出 i 〔 北方向，并将经过的地点、路线记录下来，方便返回时用；计算两点间的距离，实现坐标系间的相互转换；计算日出、日落时间

阅读 :

P97“终结 GPS垄断 许多国家发展卫星导航定位系统”，了解世界上发展 GPS的一些国家概况。

二、二、 GPSGPS 的应用领域的应用领域1、 GPS在军事上的应用

3、 GPS在交通上的应用

4、 GPS在旅游探险中的应用

2、民用 GPS

11、、 GPSGPS 在军事上的应用在军事上的应用 军事是 GPS技术最早的应用领域 ,主要是为各种军事活动提供定位导航 .在现代战争中，不仅陆、海、空三军，而且许多高科技武器弹药等，也都开始采用 GPS技术进行定位导航。 目前精确制导武器复合制导的重要技术手段。装备GPS制导系统之前 ,美军 BGM-10C“战斧”巡航导弹误差约为 9米；在其“惯性和地形匹配”制导系统中加入 GPS后，误差降至 3米，制导精度大大提高。

2、民用 GPS

主要用于交通车辆导航管理、航空器定位及导航，以及大地测量野外勘测、紧急求援、旅游探险、农业监测、生态研究等方面。

3、 GPS在交通上的应用

4、户外旅游探险： 余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站仅几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹，在茫茫荒漠中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有一台 GPS接收机，惨剧又何以发生？

在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下，危险无时无刻不在 , 手持 GPS接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进，可安全返航。 目前，许多休闲俱乐部围绕 GPS功能相继推出“穿越”、“寻宝”、“野外拓展”等都市游戏，丰富了人们周末生活，提高了人们生活品位，深得户外运动爱好者的欢迎。

内置天线

翻页光标键

定位键输入键

显示屏

导航键开机键退出键

图 1-1

地平线

卫星编号

卫星信号

图 1-2

C:[定位 ]键，显示〈标定位置画面〉如图 1-4 所示，经纬度为 N32°03.232′， E118°45.923′海拔高度 17米等信息

图 1-4

第三章第三节

全球定位系统及其应用 二、全球定位系统与定位导航

1 . GPS 静态导航定位与动态导航定位

静态定位中， GPS 接收机在捕获和跟踪 GPS 卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量 GPS 信号的传播时间，利用 GPS 卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。

而动态定位则是用 GPS 接收机侧定一个运动物体的运行轨迹。 GPS 信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的 GPS 接收机天线在跟踪 GPS 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用 GPS 信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）

2 . GPS 的用途 GPS 最初就是为军方提供精确

定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用 GPS 产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标、给海中的军舰导航、为军用飞机提供位置和导航信息等。

2 . GPS 的用途 目前 GPS 系统的应用已经十分广泛，我们可以应用 GPS 信号进行海空和陆地的导航、导弹的制导、大地测量和工程侧量的精密定位、时间的传递和速度的测量等。

【 阅读指导 】 车载 GPS 的功用

信息接收 信息发射 应用领域通过车载 GPS, 可以在显示屏上及时查看车辆所在的经纬度、运行轨迹、速度、行进方向等

车载电台把定位信息发送给监控中心，在电子地图上 显示出来，可对车辆进行调度指挥

城市公共汽车调度管理，旅游区车辆报警与调度，海关、公安、海防等部门对车辆的调度与监控

【 阅读指导 】 GPS 在航海、航空导航中的应用

应用类型 应用领域 应用作用航海应用

航空应用

向用户提供船舶位置、航速、航向信息、海图、海迹显示

避免船只冲撞，确保航行安全

把自己的位置和航向发送到航海管理 中 心

便于中心的跟踪、搜寻和救援

空域航路、着陆、机场监视和管理

实现空域划分、空中交通流量管理、飞行路径管理

例 1 下列关于全球定位系统的叙述。不正确的是 ( )

A ． GPS 是利用卫星进行导航、定位的系统B ． GPS包括两大部分，即空间部分和

地面控制部分C ． GPS 卫星星座由 24 颗卫星组成D ．野外旅行，只要拥有 GPS 信号接收

机，可随时知道自己所处的经纬度

B

解析：全球定位系统包括三大部分。即空间星座、地面控制系统和用户系统。

例 2 1999 年 3 月 27 日，北约部队一架 F 一 117A 隐形战斗机被南联盟防空部队击落。飞行员跳伞后在脚触地的一刹那，通过手持型信号发射器发出紧急呼救信号，当间谍卫星把呼救信号传送到北约空袭南联盟指挥所后，美军立即安排了救援行动。 6 小时后，当一架 EA 一 6B 电子干扰机发现飞行员的准确位置时，一架 MH 一 6oG 搜索与救援直升机降落在飞行员面前，把飞行员接上直升机并安全返回基地。据此回答（ l ）一（ 2 ）题。

（ 1 ）飞行员发出的呼救信号是（ ）

A , GIS 系统信号 B . GPS 系统信号 C . RS 系统信号 D ．以上都不对

B

（ 2 ）北约轰炸的科索沃，其气候属于（ ）

A ．温带海洋性气候 B ．温带季风气候 C ．地中海气候 D ．热带沙漠气候

C

例 3 在伊拉克战争中，伊拉克点燃巴格达周围的战壕石油阻碍美军进攻，但美军事专家指出，烟雾对于美军的卫星制导导弹没有影响 ， 请问美军的卫星制导导弹采 用的技术是（ ）

A ． GIS 系统 B . RS 技术 C . GPS 技术 D . lT技术

C

解析：美军使用的导弹采用全球定位系统枝术，实行定位轰炸，烟雾不会产生形响。