2017年高考地理必考知识点：全球定位系统GPS

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▲高考地理必考知识点：全球定位系统GPS

全球定位系统是美国国防部研制的一种全天候的，空间基准的导航系统，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续地精确地确定三位位置和三位运动及时间的需要。它是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。

具有海陆空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。经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科,取得了好的经济效益和社会效益。

▲高考地理必考知识点：全球定位系统GPS的特点

第一，全天候，不受任何天气的影响；

第二，全球覆盖（高达98%）；

第三，七维定点定速定时高精度；

第四，快速、省时、高效率；

第五，应用广泛、多功能；

第六，可移动定位。

▲高考地理必考知识点：全球定位系统GPS的原理

当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置，那么如果已知卫星位置，应该也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中-{A|zh-cn:解调制;zh-tw:解调变}-出来，以50b/s-{A|zh-cn:调制;zh-tw:调变}-在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。

当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐标系;zh-tw:大地坐标系}-中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维-{A|zh-cn:坐标;zh-tw:坐标}-x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

▲高考地理必考知识点：全球定位系统GPS的功能

精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中

工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量

勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到

导航：

武器导航：精确制导导弹、巡航导弹

车辆导航：车辆调度、监控系统

船舶导航：远洋导航、港口/内河引水

飞机导航：航线导航、进场着陆控制

星际导航：卫星轨道定位

个人导航：个人旅游及野外探险

定位：

车辆防盗系统，手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统

儿童及特殊人群的防走失系统

农业勘测

▲高考地理必考知识点：美国的全球定位系统GPS的系统

GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分-GPS星座;地面控制部分-地面监控系统;用户设备部分-GPS信号接收机。

1.空间部分

GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55°。此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/AcquisitionCode11023MHz);一组称为P码(ProciseCode10123MHz),P码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

2.地面控制部分

地面控制部分由一个主控站,5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

3.用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

▲高考地理必考知识点：中国的全球定位系统GPS

1、空间星座

建设中的中国北斗导航系统(COMPASS)空间段计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。距离地面36000km,分别位于东经80和140的赤道上空，执行地面控制中心与用户终端的双向无线电信号的中继任务。另外还有一颗备份卫星定位于东经115.5的赤道上空。卫星重980kg,寿命不少于8年，

2、地面控制中心系统

北斗系统地面控制中心包括主控、测轨站、测高站、校正站和计算中心，主要用来测量和收集校正导航定位参数，完成测轨和调整卫星的运行轨道，姿态，编制星历，形成用户定位修正数据和对用户进行定位，即负责无线电信号的发送接收及对整个工作系统的监控管理。

3、用户设备

根据北斗用户机和应用环境和功能的不同，通常北斗用户机有五种类型：

普通型。该型用户机只能进行定位和点对点的通信，适合于一般车辆、船舶及便携等用户的定位导航应用，可接收和发送定位及通信信息，与中心站及其它用户终端双向通信。

通信型。适合于野外作业，水文测量、环境检测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站和其它用户终端进行双向或单向通信。

▲高考地理必考知识点：全球定位系统GPS的应用

1.道路和高速公路

全球定位系统（GPS）的使用和精确性可以增加高速公路和街道上以及公共交通系统的车辆的安全和效率。由于GPS的帮助，许多商用车辆的分派和调度的问题明显地减少了。同样，公交系统、道路维修和急救车辆所面临的问题也大大地减轻。

随着GPS的不断现代化，我们可以预期会出现更为有效的系统来预防撞车、警告危难、通知位置、提供电子地图以及有语音指示的车内导航装置。

2.航空

世界各地的飞行员利用GPS来提高飞行安全和效率。由于它的精确性、连续性和全球的性能，GPS可以提供完美的卫星导航服务，满足航空用户的许多要求。以空间为基地的定位和导航可以在飞行的所有阶段确定三维的位置，从起飞、飞行和降落，到机场的地面导航。

农业

全球定位系统（GPS）与地理信息系统（GIS）的结合使发展和应用精准农业以及从事因地制宜的耕种成为可能。这些技术使实时的数据收集与精确的定位信息得以合二为一，从而使大量的地理空间数据得到有效的操作与分析。在精准种植中，GPS可应用于耕种规划、耕地绘图、土壤取样、拖拉机导航、庄稼监测、变率应用以及收成绘图等。GPS让农民能够在雨、尘、雾及黑暗等能见度低的条件下工作。

3.环境

要想在保持地球环境的同时平衡人类的需求，就需要根据最新信息来作出更好的决定。对于需要作出这类决定的政府与私人组织来说，准确和及时地收集信息是一个极大的挑战。全球定位系统（GPS）有助于满足这个需要。

4.公共安全与灾难救援

任何一个成功的救援行动，其关键因素是时间。了解地标、街道、建筑、紧急服务资源以及救灾地点的准确位置有助于减少延误并拯救生命。对于救援和公共安全人员来说，要保护生命、减少财产损失，这类信息极为重要。作为辅助技术，全球定位系统（GPS）满足了这些需要。

5.勘测和测绘地图

随着全球技术的进化和扩展，勘测和测绘地图界正在不断地重新开发所需的工具来增加工作能力和得到高度精确的数据。

利用GPS及其地面增强系统提供的针尖般的精确度，测量者可以迅速得到高精度的勘测和地图测绘结果，从而可以大幅减少使用传统测绘技术通常所需的设备和工时。如今，一个勘测员在一天里就可以完成过去一个勘测队数周才能完成的任务。GPS不受雨、风和阳光不足的影响，它正在全世界迅速地被专业勘测员和地图测绘人员采用。

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