第一章 GPS绪论.docx
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第一章GPS绪论
第一章绪论
GPS是全球定位系统（globalpositioningsystem，简称为GPS），是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统。
在这一章中我们主要介绍GPS卫星导航定位系统发展的由来、GPS系统的应用、GPS系统的特点等方面的内容。
第一节卫星定位技术发展概况
1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星后，人们就开始利用卫星进行定位和导航的研究，人类的空间科学技术研究和应用跨入了一个崭新的时代，世界各国争相利用人造地球卫星为军事、经济和科学文化服务。
同时，卫星定位技术在大地测量学的应用也取得了惊人的发展，迅速跨入了一个崭新的时代。
1.早期的卫星定位技术
卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。
卫星大地测量就是利用人造地球卫星为大地测量服务的一门学科。
它的主要内容是在地面上观测人造地球卫星，通过测定卫星位置的方法，来解决大地测量任务，例如测定地面点的相对位置，测定地球的形状和大小等。
早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。
同时也可利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。
通过这两种观测方法，均可以实现地面点的定位，也能进行大陆同海岛的联测定位，解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题，这是常规定位技术望尘莫及的。
1966至1972年期间，美国国家大地测量局在英国和联邦德国测绘部门的协作下，用卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，获得了±5m的点位精度。
然而，由于卫星三角测量受天气和可见条件影响，观测和成果换算需耗费大量的时间，同时定位精度不甚理想，并且不能得到点位的地心坐标。
因此，卫星三角测量技术成为一种过时的观测技术，很快就被卫星多普勒定位技术所取代。
2.卫星多普勒定位系统
1958年12月，美国海军武器实验室和詹斯·霍普金斯（JohnsHopkins）大学物理实验室为了给美国海军“北极星”核潜艇提供全球性导航，开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem），简称NNSS系统。
在这一系统中，由于卫星轨道面通过地极，所以又被称为子午卫星导航系统。
1959年9月美国发射了第一颗实验性卫星，到1961年11月，先后发射了9颗试验性导航卫星。
经过几年实验研究，解决了卫星导航的许多技术问题。
从1963年12月起，陆续发射了由6颗卫星组成的子午卫星星座，1964年该系统建成并投入使用。
该系统轨道接近圆形，卫星高度为1100Km，轨道倾角为90°左右，周期约为107min，在地球表面上的任何一个测站上，平均每隔2h便可观测到其中一颗卫星。
卫星多普勒定位系统即美国海军导航卫星系统，它由三部份组成：
卫星星座、地面跟踪网和用户接收机。
地面跟踪网由跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心五部份组成。
它们的任务是测定各颗卫星的轨道参数，并定时将这些轨道参数和时间信号注入到相应的各颗卫星内，以便卫星按时向地面播发。
接收机是用来接收卫星发射的信号、测量多普勒频移、解译卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。
由于接收机都是采用多普勒效应原理进行接收和定位的，所以也称为多普勒接收机。
1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部份导航电文而提供民用，由于卫星多普勒定位具有经济、快速、精度较高、不受天气和时间限制等优点，只要能见到子午卫星，便可在地球表面的任何地方进行单点和联测定位，从而获得测站的三维地心坐标。
因此，卫星多普勒定位迅速从美国传播到欧亚及美洲的许多国家。
70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。
西沙群岛的大地测量基准联测，是我国应用卫星多普勒定位技术的先例。
自80年代初期以来，我国开展了几次较大规模的卫星多普勒定位实践：
国家测绘局和总参测绘局联合测设的全国卫星多普勒大地网；由原武汉测绘科技大学与青海石油管理局、新疆石油管理局、原石油部地球物理勘探局合作测设西北地区卫星多普勒定位网；即使在远离我国一万七千余公里的南极乔治岛上，也用卫星多普勒定位技术精确测得我国长城站的地理位置为南纬
，西经
，高程为
，长城站至北京的距离为
。
在美国子午卫星系统建立的同时，前苏联于1965年开始也建立了一个卫星导航定位系统，叫做CICADA。
它与NNSS系统相似，也是第一代卫星定导航系统。
该系统由12颗卫星组成CICADA星座，轨道高度为1000Km，卫星的运行周期为105min。
虽然子午卫星系统将导航和定位技术推向了一个崭新的发展阶段，但仍然存在着一些明显的缺陷。
由于该系统卫星数目较少（6颗工作卫星），运行高度较低（平均约为1000km），从地面站观测到卫星的时间间隔也较长（平均约1.5小时），无法进行全球性的实时连续导航定位服务。
从大地测量学来看，由于它的定位速度慢（测站平均观测1~2天），精度较低（单点定位精度3~5m，相对定位精度约为1m），因此，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制。
为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航和定位的需求，第二代卫星导航系统——GPS便应运而生。
子午卫星系统也于1996年12月31日停止发射导航及时间信息。
3.全球卫星定位系统
3.1．GPS卫星定位系统
1973年12月，美国国防部在总结了NNSS系统的优劣之后，批准美国海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统——NAVSTARGPS，即为目前的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem）通常称之为全球定位系统，简称为GPS系统。
GPS系统的全部投资为300亿美元。
自1974年以来，系统的建立经历了方案论证、系统研制和生产实验等三个阶段，是继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一个庞大的空间计划。
1978年2月22日，第一颗GPS实验卫星发射成功。
1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了营运阶段。
1994年3月28日完成第24颗工作卫星的发射工作。
GPS共发射了24颗卫星（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，目前的卫星数已经超过32颗），均匀地分布在6个相对于赤道倾角为55°的近似圆形轨道上，卫星距离地球表面的平均高度为20200Km，运行速度为3800m/s，运行周期11时58分钟，如图1-1所示。
每颗卫星可覆盖全球约38%的面积。
卫星的分布可保证在地球上任何地点、任何时刻，同时能观测到4颗卫星。
在GPS设计之初，美国国防部的主要目的是使GPS系统能够为海陆空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核暴监测和应急通讯等一些军事目的。
但随着GPS系统的开发应用，被广泛地应用于飞机、船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变测量、地球物理测量、航天发射和卫星回收等技术领域。
为了使GPS具有高精度的连续实时三维导航性能及良好的抗干扰性能，在卫星的设计上采取了若干重大改进措施。
GPS与NNSS的主要特征比较见表1.1。
表1.1GPS与NNSS主要特征
系统特征
GPS
NNSS
载波频率/GHz
1.23，1.58
0.15，0.40
卫星平均高度/km
约20200
约1000
卫星数目/颗
24（3颗备用）
5~6
卫星运行周期/min
718
107
卫星钟稳定度
10-12
10-11
3.2．GLONASS卫星定位系统
GPS系统的广泛应用，引起了世界各国的关注。
前苏联在全面总结CICADA第一代卫星导航系统优劣的基础上，认真吸收了美国GPS系统的成功经验，自1982年10月，开始研制发射第二代导航卫星——GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。
GLONASS卫星均匀地分布在3个轨道平面内，轨道倾角为64.8°，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。
卫星距离地面高度为19100Km，卫星的运行周期为11时15分钟，GLONASS卫星星座如图1-2所示。
GLONASS系统可进行卫星测距。
民用无任何限制，不收费。
民用的标准精度为：
水平精度为50～70m，垂直精度75m，测速精度15cm/s，授时精度为1µs。
GLONASS卫星的平均工作寿命超过4.5年。
1999年底补网发射了3颗卫星，至2000年初，该系统只有7颗卫星保持连续工作。
2000年10月补网又发射了3颗卫星。
到2001年3月GLONASS系统中有13颗健全的卫星。
从2004年后，GLONASS系统基本上进入了较好的运营状态。
3.3．NAVSAT卫星导航系统
GPS系统和GLONASS系统主要是为军事应用建立的卫星导航系统。
NAVSAT卫星导航系统是欧洲空间局（ESA）筹建的民用卫星导航系统。
NAVSAT系统采用6颗地球同步卫星（GEO）和12颗高椭圆轨道卫星（HEO）组成的混合星座，12颗HEO卫星均匀分布在6个轨道平面内，6颗GEO卫星同处于一个轨道平面内。
地面上任一地点任一时间可以见到至少4颗NAVSAT卫星，可用它们进行全天候和全球性的实时导航和定位。
同步卫星上带有NAVSAT发射机应答器，因此可用于通信。
NAVSAT系统的星座如图
1-3所示。
4．伽利略全球卫星导航系统
GPS定位系统和GLONASS定位系统分别受到美国和俄罗斯两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证，长期以来欧洲只能在美、俄的授权下从事接收机制造、导航服务等从属性的工作。
为了能在卫星导航领域占有一席之地，欧洲认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性。
同时在欧洲一体化进程中，建立欧洲自主的卫星导航系统将会全面加强欧盟诸成员国之间的联系和合作。
在这种背景下，欧盟启动一个军民两用、并与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航计划——“伽利略”（GALILEO）计划。
欧盟在1992年2月首次提出“伽利略”计划。
计划分成四个阶段：
论证阶段，时间为2000年；系统研制阶段，包括研制卫星及地面设施、系统在轨确认，时间为2001～2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006～2007年；运营阶段，从2008年开始。
“伽利略”计划投资预算约为32.5亿欧元，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。
其服务方式包括开放服务、商业服务和官方服务三个方面。
“伽利略”系统的基本结构包括星座与地面设施、服务中心、用户接收机等。
卫星星座将由30个颗卫星（27颗工作卫星和3颗备用卫星）组成，卫星采用中等地球轨道，均匀分布在高度约为23616Km的3个中高度圆轨道面上，倾角
。
地面控制设施包括卫星控制中心和提供各项服务所必需的地面设施，用于管理卫星星座及测定和传播集成信号。
“GALILEO”卫星星座如图1-4所示。
卫星的设计寿命为20年，卫星信号将采用4种位于L波段的多载频来发射，其频率分别为：
E5a：
1176.45MH2
E5b：
1207.14MHz
Eb：
1278.75MHz；
E2-L1-E1：
1575.42MHz
图1-4GALILEO卫星星座
“GALILEO”系统的主要特点是，向用户提供公开服务、安全服务、商业服务、政府服务等不同模式的多服务。
它除具有与GPS系统相同的全球导航定位功能以外，还具有全球搜寻援救（SAR，searchandrescue）功能。
为此，每颗“GALILEO”卫星还装备一种援救收发器，接收来自遇险用户的求援信号，并将它转发给地面援救协调中心，后者组织对遇险用户的援救。
与此同时，“GALILEO”系统还向遇险用户发给援救安排通报，以便遇险用户等待援救。
“GALILEO”接收机不仅可以接收本系统信号，而且可以接收GPS和GLONASS这两大系统的信号，并且实现导航功能和移动电话功能的结合。
我国政府与欧盟在“伽利略”导航定位系统方面进行了深层次的合作。
2003年9月18日，我国科技部与欧盟能源交通司草签了合作协议。
双方在伽利略计划的实施过程中将开展广泛的合作，合作领域包括卫星的制造和发射、无线电传播环境实验、地面系统、接收机标准等。
5．我国的“北斗”导航卫星定位系统
我国自行研制的第一颗导航定位卫星——“北斗导航试验卫星”，于2000年11月1日凌晨0时02分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。
2000年12月22日凌晨0时20分第二颗“北斗导航试验卫星”在西昌卫星发射中心发射成功，这两颗试验卫星构成了我国“北斗双星导航定位系统”。
2003年5月25日又发射了导航定位系统的备份卫星，它与前两颗卫星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。
“北斗双星导航定位系统”的服务区域为东经
、北纬
范围。
定位精度：
平面
，高程
。
北斗导航定位系统具有快速定位、短报文通讯、精密授时三大功能。
双星导航定位系统定位的基本原理为空间球面交会测量原理。
如图1-5所示，地面中心站通过两颗卫星向用户询问，用户应答后测量并计算出用户到两颗卫星的距离；然后根据地面中心站的数字地图，由地面中心站算出用户到地心的距离，再根据两颗卫星和地面中心站的已知地心坐标计算出用户的三维位置，由卫星发给用户。
图1.5“北斗双星”导航定位原理
我国的双星导航系统综合了天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台。
可以在任何时间、在定位服务区域内的任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。
系统主要为我国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。
北斗运营服务中心以北斗信息服务系统为平台，可为各类集团用户提供其下属北斗用户接收机及其监控与管理中心（指挥所）设备入网许可服务；可为集团用户中心提供其下属终端用户的位置、短报文等信息服务，也可将集团用户的指令信息发送给其下属；可将用户信息长期保存，以便用户随时查询；可为数据采集用户提供定位和数据传输服务；可为气象、物流等部门提供信息咨询、受托研究等服务。
北斗应用具有五大优势：
同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系统支持。
融合北斗导航定位系统和卫星导航增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通讯盲区定位解算都集中在地面控制中心站，特别适合于大范围移动目标监控与管理自主系统，高强度加密设计安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。
“北斗双星”导航系统是国际上首次实现的区域导航定位系统，填补了我国导航卫星领域的空白，使中国成为世界上继美、俄之后自主建立导航系统的国家。
第二节GPS测量技术应用
GPS性能优异，应用范围极广。
可以说，在需要导航和定位的部门都可利用GPS。
GPS系统的建成和应用是导航定位技术的一场革命。
1.GPS测量技术的应用
GPS系统最初设计的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。
但后来的应用开发表明，GPS不仅可以达到上述目的，而且用GPS卫星信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对位置，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微妙级精度的时间测量。
具体地说，GPS系统有以下方面的主要应用：
1.1．导航
由于GPS系统能以较好精度实时定出接收机所在位置的三维坐标，实现实时导航，因而GPS系统可用于海船、舰艇、飞机、导弹、车辆等各种交通工具及运动载体的导航。
在海湾战争中，美国等多国部队利用GPS接收机进行飞机、舰艇导航、弹道导弹制导以及各类军事服务（收集情报、绘制地图）。
因此，美国军方使用后的结论是：
GPS是作战武器效率倍增器，GPS是赢得海湾战争胜利的重要技术条件之一。
目前GPS导航型接收机的应用也非常普遍，可以为使用者实时提供三维位置、航向、航迹、速度、里程、距离等导航信息，广泛地用于旅游、探险等行业。
GPS导航定位的新发展主要体现在以下三方面：
GPS手机的出现、基于GPS技术的车辆监控管理系统、基于GPS技术的智能车辆导航仪。
手机功能的新趋势是将GPS纳入其中。
一部“导航手机”在GSM900／1800的双频网络的覆盖下，借助可跨国接收的强力天线的感应以及12个渠道的接收信号，就可实时点出你的所在地，并显示出附近地势、地形、街道索引的道路蓝图，其稳定接收度直逼卫星电话。
同时，因为GPS手机收讯人除了听到对方“救命”之声外，更可确切地显示待救者所在的位置，为那些爱征服恶劣环境的人多提供了一种崭新安全设备。
特大屏幕设计，除了方便察看地图，还可以方便浏览有关图表和详细列出的平均时速，所行路程的距离、时间、方位、路线及风速等数据资料。
基于GPS技术的车辆监控管理系统。
该系统将任何装有GPS接收机的移动目标的动态位置（经度、纬度、高度）、时间、状态等信息，实时地通过无线通讯网链传至监控中心，在具有强大的地理信息处理、查询功能的电子地图上显示移动目标的运动轨迹，其准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，以确保车辆的安全，方便调度管理，提高运营效率。
它还能及时地将车辆上人为产生的状态，如报警信息等送到监控中心，迅速给予帮助。
基于GPS技术的智能车辆导航仪。
它以电子地图为监控平台，通过GPS接收机实时获得车辆的位置信息，并在电子地图上显示出车辆的运动轨迹。
当接近路口、立交桥、隧道等特殊路段时可以进行语音提示。
作为辅助导航仪，可按照规定的行进路线使司机无论在熟悉或不熟悉的地域都可迅速到达目的地，该装置还设有最佳行进路线选择及线路偏离报警等多项辅助功能。
1.2．授时
随着社会的发展、生活节奏的加快，人类对时间的认识越来越深刻。
准确、可靠的时间对社会和我们每个人都是十分重要的。
目前各国都竟相研制各种授时和校时手段。
授时方法有长、短波授时、GPS时间信号、卫星授时、电话授时和计算机网络授时等。
利用GPS可进行高精度的授时。
因此，GPS成为最为方便、最为精确的授时方法之一。
利用GPS技术可提供自动化中需要的精确同步时间，可做出精确的授时钟，GPS授时钟综合精度可优于0.5s。
电网调度自动化要求主站端与远方终端（RTU）的时间同步。
目前，微机故障录波器均有机内标准时间环节。
由于时间元件自身误差和不同型号的录波器时间元件差异，往往造成各故障录波器在发生故障时记录时间差异较大，给分析系统事故带来不便。
GPS技术可以获得高可靠性及高精度的秒脉冲（IPPS），通过串口输出时间能不断修正原来录波器时间元件，可使全系统故障录波器时间同步。
1.3．高精度、高效率的地面测量
GPS的出现给测绘领域带来了根本性的变革，具体表现：
在大地测量方面，GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。
时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立的大地控制网。
一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。
归纳起来大致可以将GPS网分为两大类：
一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数百公里至上万公里，其主要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。
另一类是区域性的GPS网，包括GPS城市网、矿区网和工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。
在工程测量领域，GPS定位技术正在日益发挥其巨大作用。
如，利用GPS可进行各级工程控制网的测量、GPS用于精密工程测量和工程变形监测、利用GPS进行机载航空摄影测量、利用RTK技术进行点位的测设等。
在灾害监测领域，GPS可用于地震活跃区的地震监测、大坝监测、油田下沉、地表移动和沉降监测等，此外还可用来测定极移和地球板块的运动。
1.4．GPS连续运行站网和综合服务系统的应用
在全球地基GPS连续运行站的基础上组成的IGS（InternationalGPSService），是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。
它无偿向全球用户提供GPS各种信息，如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。
在大地测量和地球动力学方面支持了电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨率的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等科学项目。
日本己建成近1200个GPS连续运行站网的综合服务系统，在以监测地壳运动和预报地震为主要功能的基础上，目前结合气象和大气部门开展GPS大气学的服务。
1.5．GPS在卫星测高、地球重力场中的应用
重力探测技术的重要进展是开创了卫星重力探测时代，GPS为卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量提供了精确的卫星轨道信息和时间信息。
包括观测卫星轨道摄动以确定低阶重力场模型，利用卫星海洋测高，直接确定海洋大地水准面以及GPS结合水准测量直接测定大陆大地水准面，可获得厘米级的大地水准面。
这一重力探测技术的突破，提供了一种可全球覆盖重复采集重力场信息的高效率技术手段。
INS／GPS组合系统、INS／重力精化大地水准面是局部重力场逼近的长期目标，也是大地测量应用本身（特别是GPS技术的广泛应用）及研究活动构造带地壳运动和时变重力场效应的需要。
目前，以EGM96（包括其他较好的地球重力场模型）作为参考模型，同时利用高精度、高分辨率DTM、GPS水准、卫星测高数据、地面重力数据及航空重力数据，在数据覆盖较好的国家或地区以10－6的相对精度和几千米的分辨率确定局部或区域大地水准面己成为现实。
空基和星基GPS技术进入实用化阶段。
1.6．GPS在大气监测中的应用
GPS气象学（GPS/MET）的研究己成为热点之一。
根据GPS接收机的位置，GPS遥感大气水汽含量可分为地基和空基两种技术。
地基GPS遥感技术能以较高的平面分辨率测定大气中可降水份，目前其精度可达到l－2mm。
GPS在遥感对流层方面，探测数据具有覆盖范围广（全球）、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定性的特点，可测定大气中的水汽含量，提高数值大气预报的准确性和可靠性。
通过测定电离层对GPS信号的延迟来确定单位体积内总自由电于含量（TE），以建立全球的电离层数字模型，即所谓提供“空间大气预报”。
目前正在研究将这些星载的气象和电子浓度截面数值，结合地面GPS站数据，做成层析图像提供使用。
它将在大气预报、空间大气预报、气象监测方面作出巨大贡献。
空基GPS用掩星法可提供电离层离子浓度和大气中可降水份的连续水平截面信息，结合地基GPS的垂直截面信息，可生成三维层析成像资料。
2.GPS系统的应用前景及在我国的应用概况
利用GPS信号可以进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量等。
在测绘领域，GPS定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网，测定地球动态参数；建立陆地及海洋大地测量基准，进行高精度海陆联测及海洋测绘；监控地球板块运动状态和地壳变形；在工程测量方面，已成为建立城市与工程控制网的主要手段；在精密工程的变形检测方面，它也发挥着极其重要的作用；同时GPS定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置，可在无地面控制或仅有少量地面控制点的情况下进行航测快速成图，引起了地理信息系统及全球环境遥感监测的技术革命。
在日常生活方面是一个难以用数字预测的广阔领域，手表式的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。
GPS将像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们的日常生活将离不开它。
GPS、RS（RemoteSystem）、GIS（GeographicInformationSyst
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