第三节　全球定位系统及其应用

[学习目标定位]　1.了解全球定位系统的概念、组成。2.能举例说明全球定位系统在定位导航中的作用。

一、全球定位系统

自主预习

1．概念：具有在海、陆、空进行全方位、实时①三维导航与②定位功能的新一代卫星导航与定位系统。

2．组成

(1)空间星座：由③21颗工作卫星、3颗备用卫星组成。要获得运动的点的准确的三维信息，必须接收到④4颗GPS卫星的信号。

(2)地面控制系统：包括1个⑤主控站、3个注入站和5个监控站。

(3)用户系统(接收设备)

a．组成：包括接收机硬件、⑥GPS数据处理软件等。

b.接收机类型

3．思考教材P97～98活动提出的问题。

合作探究

读“GPS卫星星座示意图”，回答下列问题。

(1)GPS是________________的简称，是具有在海、陆、空进行________、________________与________功能的新一代卫星导航与定位系统。

(2)GPS的空间星座由________颗工作卫星、________颗备用卫星组成，在全球的任何地方、任何时间都可监测到________颗以上的卫星。在GPS导航定位时，要想获得准确的三维信息，必须接收到________颗GPS卫星的信号，它们被称为________________。

(3)全球定位系统可以提供哪些方面的信息？

答案　(1)全球定位系统　全方位　实时三维导航　定位

(2)21　3　4　4　定位星座

(3)地球表面任何一点的经度、纬度、海拔高度和速度。

反思归纳　GPS的组成和工作原理

练习巩固　读“GPS卫星定位示意图”，完成下列问题。

(1)全球定位系统主要由空间星座、地面控制系统和用户系统三部分组成。它具有对海、陆、空进行全方位、实时__________________的功能。它最初设计主要是出于________目的。

(2)地面监控系统包括5个______站、1个______站和3个______站，主要担负着对卫星及其各种设备监测与调控的任务。

(3)用户系统用于接收GPS发射的信号。GPS接收机包括________________、________________等用户设备。

答案　(1)三维导航与定位　军事

(2)监控　主控　注入

(3)接收机硬件　GPS数据处理软件

解析　地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监控站。在全球的任何地方、任何时间都可以监测到4颗以上的卫星，这就为全天候的全球定位提供了可能。在用GPS导航定位时，要想获得准确的三维信息(经度、纬度和高程)，必须接收到4颗GPS卫星的信号，这4颗卫星称为定位星座。

二、全球定位系统与定位导航

自主预习

1．定位精度

2．应用

3．思考教材P101～102活动提出的问题。

合作探究

读教材P100图3－50GPS车辆监控管理与调度，思考下列问题。

(1)通过车载GPS，驾驶员可以获得哪些信息？

(2)车载GPS与信息中心是如何进行信息传输的？

(3)出租车安装GPS有哪些作用？

答案　(1)及时查看车辆所在的位置、运行轨迹、速度、行进方向等。

(2)车载电台把定位信息发送给车辆监控中心，监控中心将这些信息在电子地图上显示出来，并用文本、图形或语音等可对车辆进行调度指挥。

(3)可以使出租车自动匹配最优行车路线，能最大限度地满足乘客的要求，从而减少空载率，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。

反思归纳　全球定位系统的应用

练习巩固　阅读材料，完成下列各题。

挪威首都奥斯陆曾发生过一起救护车失窃事件。当时窃贼在奥斯陆市中心发现一辆救护车上空无一人，而且车门敞开，于是蹿上汽车扬长而去。没想到，他还没开多远就听见身后的警笛声越来越响，再抬头一看，空中竟然还有一架警察直升机在他头顶盘旋。原来，这辆救护车安装了GPS设备。

(1)请描述出警察抓捕盗车贼的信息在GPS系统中各组成部分间的传递过程。

(2)警察是如何追上窃贼的？

答案　(1)被盗救护车上的GPS将其三维坐标、运动速度和方向提供给空间星座，空间星座将信息传递给监控站，监控站将数据传递给主控站，主控站将数据传递给警方的GPS。

(2)当救护车司机发现车辆被盗时，立即报警；警方启动GPS监控系统和该市的电子地图，确定被盗车辆的位置、速度以及行驶方向等信息，传递给警方，警方结合GIS系统，确定最佳抓捕路径并提供给地面警车和直升机驾驶员实施抓捕。

解析　在GPS系统中，各项数据的传递过程如下：

监控站—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。

课堂小结

[知识提纲]

　全球定位系统及其应用

[强化记忆]

1．概括法记忆全球定位系统的功能

定位、导航、授时。

2．歌诀法记忆全球定位系统的组成和主要的工作过程

地面监控系统操控，GPS卫星星座发送，

GPS信号接收机接收，广大客户导航定位应用。

3．数字法记忆GPS的工作特点

“三全两性”——全能性、全球性、全天候、连续性和实时性。

4．概括法记忆全球定位系统的应用领域

军事、交通、邮电、地矿、建筑、农业、气象、土地管理、金融、公安、地震预报、资源调查、工程管理、精细农业等。

课堂检测

2014年南京青奥会上，北斗卫星导航应用技术为赛事提供全面保障。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．①②B．③④C．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

答案　1.A　2.C

解析　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。

3．阅读材料，回答问题。

“下一辆车离本站还有1.2千米，约3分钟内到达。”这是记者2013年在上海公交71路凯旋路站看到的一块约1.1米高、2米长的智能化电子站牌上显示的内容。2分钟后，电子站牌再次显示：“下一辆车离本站400米，1分钟内到达。”40多秒后，记者看到离本站60米开外的一辆71路公交车缓缓驶来。

(1)智能化电子站牌采用了哪一种高新的地理信息技术？

(2)结合其他地理信息技术的使用，电子站牌将会更加智能化。请你设想一下，电子站牌还可以具备哪些智能化功能？

答案　(1)GPS技术。

(2)结合地理信息系统等的使用，电子站牌除了能告知乘客下班车位置、到站时间，还可以提供沿途施工、车辆抛锚、天气、新闻、广告等信息；还可以配备数字电视，解除乘客等车时的枯燥乏味。

解析　第(1)题，考查GPS的定位功能。第(2)题，考查全球定位系统及其他地理信息技术的综合运用。

活动指导

教材P97～98活动

提示　我国导航定位技术发展的讨论提纲

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。

D组　我国GPS技术在航空摄影测量方面的应用

在航空摄影测量方面，应用GPS技术进行航测外，也控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。

E组　我国GPS技术在地球动力学方面的应用

我国已开始用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。我国的《全球定位系统(GPS)测量规范》已于1992年10月1日起实施。

此外，在军事、交通、邮电、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、资源测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。

教材P101～102活动

提示　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．畅游GPS新生活

GPS业界流行这样一句话“GPS的应用只受到人们想象力的限制”。随着GPS的发展，GPS已经不再只局限于行业应用，GPS更大的一部分市场是民用级的个人消费。车载机或者手持机，将是离我们最近的一种消费。

现在你已大体了解了手持GPS在实际生活中的主要用途，对照自己对理想生活的向往，以上功能中是否有可以满足的需求。

你基本可以确定是否需要买一个GPS了。有人会问：没有自备车，也不会开车，单纯为了旅游(自助游)去弄一个GPS是不是太奢侈了？实际上，像数码相机一样，新科技带给我们的是一个完全不同的生活方式。如果你希望体验全新的生活，那么买个GPS回家，它会让你得到意想不到的乐趣。这种乐趣，还在于你不断的推陈出新，尽情挖掘GPS的“潜能”而带来的成就感！

3．GPS应用领域及主要功能

分层训练

[基础过关]

阅读下列材料，完成1～4题。

在伊拉克战争中，曾经有记者问一位飞行员：“你知道去轰炸哪个城市吗？”

飞行员回答：“不知道。”

“那你怎么去轰炸呢？”

“容易。上级给我一个坐标，我按计算机的指引，投下采用GPS导航的炸弹掉头就走，跟我玩游戏机没啥两样。”

1．导航炸弹上的GPS接收机接收到的信息至少需要几颗空间卫星提供(　　)

A．3B．4C.5D．6

2．导航炸弹上的数据由________提供(　　)

A．空间卫星 B．主控站

C．监控站 D．信息注入站

3．导航炸弹上的GPS接收机可获得工作卫星提供的(　　)

①三维坐标　②速度　③时间　④轰炸城市的位置

A．①②④B．①②③C．②③④D．①③④

4．导航炸弹上的GPS接收机获取信息的过程是(　　)

①工作卫星获取信息　②监控站　③主控站计算和改正参数　④信息注入站　⑤空间卫星　⑥GPS接收机接收信息

A．①—②—③—④—⑤—⑥

B．②—③—④—⑤—⑥—①

C．③—④—⑤—⑥—①—②

D．④—⑤—⑥—①—②—③

答案　1.B　2.A　3.B　4.A

解析　第1题，为获取运动物体的位置、速度和时间信息，至少需要4颗卫星提供信息。第2题，GPS接收机捕获的信号由GPS卫星提供。第3题，GPS接收机可实时计算出炸弹的三维坐标、速度以及时间，但不能提供轰炸城市的位置。第4题，工作卫星将获取的信息提供给监控站，主控站收集各监控站的信息，经过计算和改正参数提供给注入站，注入站在空间卫星运行至上空时提供给空间卫星，空间卫星将各项数据传递给GPS接收机，GPS接收机接收信息。

读我国地壳运动观测网图(下图)，回答下面5～6题。

5．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

6．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

答案　5.B　6.C

解析　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。而各站点之间的距离位移测量则需要用GPS技术。

读下图，回答7～8题。

7．上图是一款具备GPS功能的手机显示信息，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

8．手机GPS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路线，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

答案　7.B　8.B

解析　第7题，GPS有定位、导航的功能，接收信号时，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；中国目前已掌握了GPS手机的研发技术。第8题，GPS技术可以帮助人们选择最合适的旅游路线，降低旅游成本。

9．2013年4月16日，一艘“MVSuez”号商船在支付210万美元赎金后被索马里海盗释放，后来又险遭另一帮海盗打劫，于是印度与巴基斯坦分别派出军舰“戈达瓦里”号及“巴布尔”号护航。结合所学知识回答下列问题。

(1)被劫船只能迅速接近护航军舰，得益于地理信息系统中的________(简称)系统。为什么？

(2)该系统可以向用户提供船舶的哪些基本信息？

(3)若你是某物流公司(经营货物流通与运输的企业)的总经理，你将如何在物流GPS网络平台上利用GPS系统来提高物流企业的工作效率与质量？

答案　(1)GPS　它可以向航海管理中心发送自己的位置和航向，并获得护航舰艇编队的位置。

(2)船舶的位置、航速、航向和时间信息；航图、航迹显示。

(3)当货主交付货物后，将GPS设备与货物捆绑在一起运输，然后提供给货主提货单和GPS网络查询密码；当货物装上运输车辆后，货主和物流公司都可以随时随地通过网络按货单号和密码查询货物当前的运输位置，从而提高物流企业的工作效率与质量。

解析　第(1)题，“迅速”是关键词，得益于定位导航系统，它可以向航海管理中心发送自己的位置和航向。第(2)题，“基本”是关键词，可根据教材相关知识回答。第(3)题，由于GPS接收机在接受工作卫星发出信号的同时，也可以把其所在地点的经纬度、海拔、速度等信息不停地发送给工作卫星，因此与电子地图配合，可以随时查询货物的位置、运动方向和速度等信息。因此，利用GPS系统的工作原理和定位方法，物流公司可以对货物的运输进行合理调配，提高工作效率和质量。

[能力提升]

目前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的“精准农业耕作”。结合所学知识，完成10～11题。

10．GPS在“精准农业耕作”中可(　　)。

①获取农田信息　②分析处理获取的信息　③决策管理措施　④将产量和土壤状态信息装入带GPS设备的喷药、施肥设备

A．①②③④B．①④C．②③④D．①②

11．“精准农业”与“石油农业”相比，可(　　)。

A．忽视农田内农作物的差异

B．对同一农田内的作物统一施药

C．在不减产的情况下，增加生产成本

D．降低因施肥、除虫对环境造成的污染

答案　10.B　11.D

解析　该组题主要考查GPS系统在农业中的应用。GPS主要是获取空间数据以进行空间定位，而决策管理措施是人的工作。“精准农业耕作”就是将GPS技术引入农业生产实施精准耕作，可以在尽量不减产的情况下，降低生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥、除虫对环境造成的污染。

下图是华北地区某地实测的海拔高度数据分布。读图回答12～13题。

12．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

13．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

答案　12.B　13.D

解析　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。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，甲的海拔高度在200～300米之间，而丙在500～600米之间；甲坡等高线较乙坡稀疏，坡度较小。丙的海拔高度较丁高，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。

14．阅读下列材料，回答下列问题。

材料一　国内的汽车租赁业务起步较晚，骗租、骗盗、逾期不还车、租金无法收回、超出约定范围行驶等行为时有发生，成为目前制约国内汽车租赁行业发展的主要原因。由深圳卫通达公司开发完成的GPSONE系统已经率先为汽车租赁行业的科学化管理进行实践，实现了与多种现代化技术手段的有机结合，很好地解决了制约我国汽车租赁业发展的难题，在为汽车租赁业提供安全护航的同时，也为汽车租赁业的规范化经营奠定了基础。

材料二　2010年4月14日，上海世博会重点营运车辆GPS联网系统正式开通，不仅为上海世博会道路运输安保工作提供了有力保障，也标志着我国道路运输信息化水平迈上了新台阶。

(1)汽车租赁中心要随时掌握每一辆已租汽车的位置，利用的是哪一种地理信息技术 (　　)

A．RSB．GISC．GPSD．DOS

(2)简述该系统为汽车导航过程中的工作原理。

(3)根据自己的理解，说明GPS对行车的积极作用。

(4)根据材料二，世博会期间上海出租车司机要想使自己的车子跑得快，获得较多收入，他的车上要安装什么？应用的是什么地理信息技术？

答案　(1)C　(2)汽车中的GPS用户接收了GPS卫星信息，计算出本车的位置、速度等信息，并通过无线电信号传送至服务中心，服务中心就可以查询汽车位置。

(3)规划最佳行车路线，引导驾驶；及时掌握道路交通状况，了解出行目的地停车状况等。

(4)他的车上要安装GPS接收机。应用全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)。

解析　本题以与我们生活有关的实际材料为案例，考查GPS的工作原理、组成与应用。(1)要掌握汽车的位置，需对它进行准确空间定位。全球定位系统就是通过利用GPS卫星星座、地面监控系统和GPS接收机等组成部分完成定位导航功能的。(2)、(3)题要注意GPS信号传递中三者之间的关系和GPS对汽车的定位与导航作用。正因如此GPS可为行车提供路线选择、引导行驶等功能。(4)出租车司机要想跑得快、多拉客人多收入，他就必须要随时知道自己的位置和各个路段车辆的多少及他所跑的路线，所以他要用全球定位系统和地理信息系统，车上要安装GPS接收机。