31 全球定位系统的应用.docx
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31全球定位系统的应用
第三章 地理信息技术的应用
本章导学
●课程标准要求
●教材内容分析
本章是高中地理课中惟一一章对地理信息技术内容的专门介绍，也是最新课程标准规定中新增添的内容。
地理信息技术是指获取、管理、分析和应用地理空间信息的现代技术的总称，可以简单划分为观测技术和数据展示与分析技术。
主要包括全球定位系统（GPS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）等。
本章共分为四节，前三节介绍目前主要的三种技术手段——全球定位系统、遥感技术、地理信息系统。
它们的功用可以简单概括为回答“在哪里”、“有什么”及“怎么样”三个问题。
前两项技术属于观测技术，后一项则是对数据的展示与分析。
这三者的排列表达了一个完整的空间信息从获取到加工的技术应用的顺序：
全球定位系统为遥感数据地面定位、目标选择、野外验证、图像分类等提供必要数据信息；而遥感又为地理信息系统提供数据来源，加快地理信息数据的更新，保障地理信息系统的时效性。
这三种技术的相互促进和共同应用，再加上网络技术、虚拟技术为人们提出了数字地球的设想。
第四节介绍对真实地球及其相关现象的数字化重现与再认识。
本章各节的内容基本由两大部分构成：
各技术的基本原理和应用。
地理信息技术的应用领域非常广泛，课程标准只要求某地理信息技术在某些领域的应用，而不必系统学习在各领域的应用，为理解地理信息技术的应用，需要了解各项技术的基本工作原理。
对于技术层面的内容，不需要深入了解。
本章开篇有一张图片，这张图片是遥感卫星对地球进行观测的示意图，遥感技术作为地理信息技术的重要组成部分，使人们对地球环境的认识，进入到一个崭新阶段。
第一节 全球定位系统的应用
●学习目标
1.结合教材相关内容，了解全球定位系统的基本工作原理。
2.结合教材全球定位系统的卫星星座图及有关内容，掌握全球定位系统的组成。
（重点） 3.联系生活中的实例，说明全球定位系统在定位导航中的应用。
（重点＋难点）
4.通过读“GPS接收机的信号解读”，学会对它的使用。
（难点）
自主研习
一、全球定位系统（GPS）
1.概念：
利用卫星网络来获得地面某点 和 的系统。
2.组成：
由3个相对独立的部分组成
系统组成
具体设备
具体作用
空间部分
颗工作卫星，3颗 ，共同运行于 个轨道面上
不间断地向地面监控系统发送各自与定位相关的
和 信息
地面监控统
1个主控站，3个注入站，5个监控站
和卫星上的各种设备的工作及卫星的运行
用户设备部分
显示接收机的、高度、运动方向和等信息
二、全球定位系统的应用
3.GPS的特点：
、 、自动测量。
4.GPS的主要功能：
和 。
5.GPS的应用领域：
（1）军事：
GPS最初建立的目的是为军事应用。
（2）测量：
具有测量 、操作简便、仪器便于携带、 操作、信息自动 、 等优势。
（3）交通：
GPS可对车辆进行 、 ，合理分配车辆。
（4）救援：
GPS可对消防人员、救护人员、交通警察进行 。
问题磁场
（1）1995年6月6日凌晨，一位驾驶着F—16战斗机的美国空军飞行员在穿越波斯尼亚—黑塞哥维那的塞尔维亚控制区领空时，他的无线电里传来美国空军上尉奥格雷迪（S.F.O′Crady）的呼叫。
奥格雷迪驾驶的F—16战斗机4天前在该地区被塞尔维亚部队地对空导弹击中，奥格雷迪安全弹射出机舱后，降落在敌后的草丛之中。
他最终确定了自己所处的位置，并冒险用无线电与飞行员联络。
此后4小时之内，搜寻和营救组救出了奥格雷迪。
试分析奥格雷迪能够获救的原因。
（5）农业：
GPS引入农业生产后产生了“ ”。
（6）娱乐：
GPS走入了人们的日常生活，成为人们出行、旅游、探险的好帮手。
问题磁场
（2）随着人们生活水平的提高和收入的增加，出游的愿望越来越强烈，根据GPS的特点思考：
它会在出游的旅途中给我们什么帮助呢？
自主核对：
1.经纬度 高程
2.21 备用卫星 6 参数 时间 监测 控制 GPS接收机 经纬度 速度
3.全天候 高精度
4.定位 导航
5.
（2）精度高 全天侯 接收 存储 （3）跟踪 调动管理 （4）应急调遣
问题磁场
（1）探究的主题是搜寻和营救组救出奥格雷迪的原因分析。
这项营救任务得以准确完成，有着一个重要的原因。
当奥格雷迪降落以后，他的救生衣内有一个便携式无线电接收机，该接收机与24颗卫星网，即全球定位系统（GPS）相连，奥格雷迪因此能够在敌后草丛确定自己所处位置的经度、纬度及高度，误差仅在几十米内，然后他能够向空中的飞行员及派来营救他的人员发出信号。
（5）精准农业耕作
问题磁场
（2）在旅游及野外考察时，比如到风景秀丽的地区和大森林、雪山或大沙漠地区去，GPS接收机是你忠实的向导，它可以随时告诉你所在的位置、速度和行走的方向，使你不会迷路，还可以在团队自助旅游中保持合理一致的行进速度。
〖FK）〗〖LM〗
疑难探究
探究一 全球定位系统
1.全球定位系统的组成
组成
作用
空间部分：
GPS卫星星座。
由21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
这些卫星不间断地发送各自与定位相关的参数和时间信息
地面监控系统：
由分布全球的5个地面站组成
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：
GPS信号接收机
接收卫星信息
全球定位系统各组成部分的关系：
［图表点拨］ 图3-1-3 全球定位系统的卫星星座
GPS卫星星座是由21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，相邻两个轨道平面的夹角为60度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。
在20200千米高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为1/2恒星日。
这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。
位于地平线以上的卫星颗数，随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。
在用GPS信号导航定位时，为了计算观测站点的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，即定位星座，这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。
对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。
但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候高精度连续实时的导航定位测量。
2.GPS进行空间定位的方法
由于卫星的位置可精确得知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
图3—1—7显示了GPS接收机的定位原理。
3.GPS信号的接收
当接收机处于3颗以上的卫星交叉测量范围时，就能显示所处位置。
图3—1—6显示了所接收的卫星信号情况，接收机处于某颗卫星的精确测量范围中时，它接收这颗卫星的信号就较强。
GPS接收机只收不发信号，故不受卫星系统和地面控制系统的控制，用户数量也不受限制。
［图表点拨］ 图3-1-6 GPS接收机的信号解读
一般在GPS接收机上能读出以下几项信息：
（1）经纬度位置：
该图表示接收机所在的经度为116°18′50.2″E，纬度为39°58′27.9″N。
（2）高度：
接收机所在的高度为109m，误差为5.7m。
即在103.3m~114.7米之间。
（109m±5.7m）
（3）搜索到的卫星：
卫星分布图描绘了在你所处位置（圆心）仰望天空能搜索到的卫星，大圆表示地平线，小圆为抬头以45°角仰望天空的范围，越靠近圆心，卫星信号越强。
图片表示当前能搜索到2、7、8、11、20、27、28、31号八颗卫星。
卫星号是卫星发射时的序号，最大序号已经大于24。
（4）信号强弱：
数字表示被接收到信号的卫星编号，黑色柱的长短表示信号强弱。
图片表示接收到第2、7、8、11、20、27、28、31号八颗卫星的信号，其中第2号和第20号卫星的信号比较弱。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护使GPS的定位精度只有100米。
为提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一个修正数，并对外发布。
接收机收到该修正数后，与自身比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。
实验表明，利用差分GPS定位精度可提高到5米。
探究二 全球定位系统的应用
1.全球定位系统的特点
GPS技术具有全天候、高精度和自动测量的特点。
（1）全球、全天候工作。
全天候指包括所有复杂天气在内的各种天气。
GPS全天候是指GPS不受天气限制，在任何气候条件下都能使用或工作。
（2）能为用户提供连续、实时的三维位置、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，而且其应用领域也在不断扩大。
2.全球定位系统的主要功能
主要功能是定位和导航。
3.全球定位系统的应用
全球定位系统被广泛应用于各种领域，在应用时主要利用了其定位和导航功能。
具体如下表所示：
应用领域
主要功能
具体用途
军事
主要用来给航行中的军舰、飞机及导弹等设施提供定位和导航信息，同时也广泛应用于野外行进中单兵和移动装备的定位及跟踪
测量
定位
GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘探、地壳运动观测、地籍测量等领域
交通
定位导航
对车辆进行跟踪、调度管理、合理分配车辆，从而以最快的速度响应用户的乘车或配送请求，降低能源消耗，节省营运成本。
同时，GPS对车辆还具有导弹功能
救援
定位
可对消防人员、救护人员、交通警察进行应急调遣，从而提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故等紧急事件的反应效率
农业
定位
利用GPS进行定位获取农田信息，从而实施“精准农业耕作”
娱乐
定位导航
成为人们出行、旅游、探险的好帮手
（1）GPS在汽车导航中的应用
GPS系统的智能调度功能，使装有GPS的出租汽车配备合理，能最大程度地满足乘客的要求，从而减少了空载率，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。
当车辆在营运途中出现机械故障、交通事故或人员意外受伤等情况时，可通过GPS及时采取救援措施。
GPS系统还能监控声音，对于司机不文明用语或刁难、欺骗乘客等行为，通过GPS遥控监督，对司机及时发出警告，责令其立即改正。
一旦车辆遭劫或被盗，跟踪监视系统和车载报警系统会不断地将车辆位置、前进路线以及紧急报警信号等，发送到监控中心，以便通过卫星定位跟踪，锁定车辆的具体位置并报警，甚至发出遥控锁车指令，使车辆强行熄火，停止行驶。
［图表点拨］ 图3-1-11 GPS汽车导航
在该图所示的汽车导航系统中，汽车中的GPS用户设备接收了GPS卫星信息，解算出本车的位置、速度等信息，并通过无线电信号传送至服务中心。
服务中心再根据汽车所在的位置，及时通过语言提示为汽车导航。
归纳一下，车载GPS系统的主要功能有四项：
①发送定位信息（给服务中心）；②显示数据（自身的位置、速度、路线等）；③接收调度命令；④报警（遇紧急情况时向服务中心报告）。
（2）精准农业
通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境造成的污染。
GPS可以应用于土壤养分的分布调查，在播种前，可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。
车辆上配置GPS接收机和计算机，计算机中配置GPS软件。
采集样品时，GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出一幅土壤样品点位分布图。
GPS可以监测作物产量，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的产量分布图。
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。
GPS帮助合理施肥，便于农业管理。
设置有GPS接收机的喷施器在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，施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量分布图控制。
利用飞机进行播种、施肥、除草等工作，代价昂贵。
利用GPS对飞机精密导航，合理地布设航线，将大大节省飞机作业费用，大约可以降低50%。
具体应用中，利用GPS定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少重叠，节省化肥和除草剂用量，避免过多的用量影响农作物生长，还可以减少转弯重叠，避免浪费，对于在夜间喷施，更有其优越性，因为夜间蒸发和漂移损失小，夜间植物气孔张开，容易吸收除草剂和肥料，提高除草和施肥效率。
依靠GPS进行精密导航，引导农机具进行夜间喷施和田间作业，可以节省大量的农药和化肥。
（3）娱乐
旅游或野外考查，利用GPS，可以随时知道自己所在的位置及行走速度和方向，使自己不迷失路途。
GPS接收机的小型化、操作简便以及价格大幅度降低，使GPS手持机和手表式接收机等成为旅游、探险者的好帮手。
利用GPS，旅游者可以在陌生的城市里迅速找到自己所在位置，确定前往目的地的最优行进方式和路线。
野外探险者携带GPS接收机，可快捷地找到合适的道路和宿营地点，并在发生险情时，迅速定位、报警，以便及时、有效地得到救援。
GPS还能准确记录每次摄影地点，并自动计算出该地点每天日出、日落时间，为出游者在最佳地点和最佳时间拍摄到最理想的画面提供帮助。
可以预言，GPS将成为时尚的高科技产品，并不断地改变人们的生活方式。
误区警示
一、三维坐标不等于地理位置
我们平常所说的地理位置包括多种类型，如海陆位置、经度位置、纬度位置等，其中经纬度位置仅是二维坐标，而三维坐标是由经度、纬度和海拔组成的。
对点训练
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
答案 B
解析 确定地球上任何一点的位置是指它的绝对位置，它是由经度、纬度和地势高低（海拔）决定的。
二、世界上的卫星导航定位系统不是只有全球定位系统
目前世界上有多个卫星定位系统在工作，除了美国的“全球定位系统（GPS）”之外，还有俄罗斯的“全球卫星导航定位系统”。
现在，欧洲也在建造“伽利略”全球卫星定位系统，我国也有了独立自主的区域性卫星导航定位系统。
伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星导航定位系统也有了一个全球的称呼——GNSS。
对点训练
北京时间2005年12月28日13时19分，欧洲航天局的伽利略计划首颗测试卫星“GIOVE-A”发射升空。
17时，卫星被送入24126千米高的轨道，该系统为新一代民用全球卫星导航定位系统。
系统由30颗轨道卫星组成，还有２个地面控制中心，这个包括中国、印度等加入的项目的起飞，正式向美国的GPS系统发起挑战。
关于伽利略卫星导航系统与美国GPS系统的说法，正确的是（ ）
A.两者均仅包括两大部分，即空间部分和地面监控部分
B.两者均有30颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星
C.两者覆盖面和精确度差别不大
D.两者均是利用卫星导航和定位的系统
答案 D
解析 全球定位系统包括三大部分：
空间部分、地面监控部分和用户设备部分；GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成；欧洲航天局的“伽利略”卫星导航系统定位精度要优于美国的GPS系统。
三、应用GPS技术只会给农业生产带来好处
GPS技术给农业生产带来了很大的方便，对节水灌溉（果树滴灌工程、蔬菜基地节水灌溉工程等）、农村土地承包地测量、产量监测、土样采集、飞机播种、施肥、除草、导航等方面带来极大方便。
以渔业为例，渔民可以在短期内获得意想不到的好处，但也会使渔业资源枯竭，生态平衡遭到破坏，不利于渔业的可持续发展。
对点训练
有的渔民使用GPS技术来寻找鱼群的位置，如果渔业生产普遍引用这一技术，则会
（ ）
A.可以使渔获量持续增长 B.可以导致过度捕捞
C.大幅度增加渔业生产成本 D.促进渔业生产，加大渔业资源的开发利用
答案 B
解析 利用GPS寻找鱼群，如果普遍使用这一技术，可能导致过度捕捞，使渔业资源枯竭。
案例研究
神奇的飞机编队
该案例研究也是应用GPS的实例。
在此次飞机飞行中，全球定位系统主要发挥了两方面的作用：
一是保证飞机编队的队形始终如一，二是保证飞机在规定的时间内准时通过天安门广场。
为此，事先在飞机的GPS设备中输入了飞机间的距离和角度数据及每架飞机起飞的时间，以保证飞机按时起飞并按一定路线飞行，为了在途中也能保证前进方向不变，还采用实时差分技术，架设了差分基站。
这样，飞机上的GPS接收装置可以实时修正误差，保证飞机以整齐划一的队形通过天安门广场。
该案例，进一步反映出GPS的定位导航功能，GPS通过确定载体即时位置，测定载体的瞬时速度、精确的时间及运动载体的姿态等参数，为运动载体提供精确的导航信息。
要点例析
考查要点 全球定位系统的组成及功能
例1 下列有关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包括三大部分，即空间部分和地面监控部分及传输部分
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
解析 全球定位系统包括三部分，即空间部分、地面监控部分和用户设备部分。
空间部分即GPS卫星星座，是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的。
GPS能为各类用户提供精密的三维坐标。
答案 B
变式训练1
利用GPS进行卫星定位时，至少需要（ ）
A.1颗GPS卫星 B.2颗GPS卫星 C.3颗GPS卫星 D.4颗GPS卫星 答案 C
解析 本题主要考查学生的空间想象能力。
地理空间为三维空间，地面上任何一点的坐标均为三维坐标，故需由3颗或3颗以上的卫星共同确定。
如下图所示，每颗卫星都有自己的精确测量范围（如图中实线圆所示）和延伸测量范围（如图中虚线圆所示）。
如果接收机处于3颗或3颗以上的卫星交叉测量范围内，就能显示所处位置。
考查要点 全球定位系统的应用
例2 在伊拉克战争中，伊拉克军方点燃巴格达周围浇灌石油的战壕来阻碍美军行动，但美专家指出烟雾对于美军轰炸使用的卫星制导导弹没有影响。
因为这种导弹使用了（ ）A.IT技术B.RS技术C.GIS技术D.GPS技术
解析 美军能够清楚地知道导弹的位置，并能把导弹准确地引导到轰炸点，很明显是运用了全球定位系统（GPS），实行定位导航轰炸。
答案 D
变式训练2
无论是在飞机或汽车上，还是在野外考察旅行，只要拥有手机大小的GPS信号接收机，你就能够随时知道（ ）
A.自己所在地的海拔和天气 B.自己所在地的天气和地理位置
C.自己所在地的地理位置和海拔 D.自己所在地的天气和气候
答案 C
解析 GPS技术可以确定经纬度和海拔，对天气和气候不具备监测和预报功能。
考题精析
例1 （2011·上海）在下列选项中，可以利用全球定位系统监测的是（ ）
A.山体位移 B.地震震级 C.震源深度 D.地震烈度
答案 A
解析 GPS可以测量山体的微小移动。
例2 （2008·江苏）下图是“某地地形简图”，M点位于36.5°N。
两中学生分别到达P、M点，测量并计算出两点相对高度是288米，读图回答问题。
两学生测量当地海拔高度，所用最便捷的技术是（ ）
A.遥感 B.全球定位系统 C.地理信息系统 D.数字地球
解析 通过全球定位系统能及时知道P、M两地的三维坐标，即经度、纬度、海拔，这样根据两地海拔直接求出相对高度。
答案 B
课堂基础过关
一、单项选择题
1.在沙漠中迷路时，可用哪种方式获知自己所处的具体位置信息（ ）
A.指南针 B.GPS设备 C.遥感图像 D.地形图
答案 B
解析 GPS是空间定位系统，能为用户提供准确的具体位置信息；遥感是对遥远地物的感知。
精准农业是在现代信息技术、作物栽培管理技术和农业工程装备技术等基础上发展起来的一种现代农业生产形式和管理模式，其核心思想是获取农田小区域生产的环境因素，分析原因，采取有效措施，高效地利用各种农业资源，取得经济效益和环境效益。
据此完成2～3题。
2.有关精准农业的说法，不正确的是（ ）
A.改变传统农业大面积、平均投入的做法，按需求投入
B.主要把握土壤、地形等自然条件的差异，最大限度地对自然条件进行改造
C.对作物栽培管理实施精确播种、精确施肥、精确灌溉
D.可以最大限度地提高单产，减少化肥使用量，减轻农业污染
答案 B
解析 精准农业是针对小区域生产的环境因素，采用高科技手段、有针对性地进行农业生产，从而最大限度地提高单产；它改变了过去那种通过大量投入化肥、农药来提高农业产量的做法。
3.如我国需要进行精准农业试点，最合适的地区是（ ）
A.严重缺水以及生态脆弱地区 B.灌溉便利的成都平原
C.适宜大型机械化耕作的松嫩平原 D.科技水平高的京津地区
答案 D
解析 精准农业对技术条件要求较高，因此我国可以在科技水平高的京津地区进行试点。
（2011·浙江嘉兴测试）读“车载GPS导航监控原理示意图”，完成第4～5题。
4.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
答案 C
解析 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。
5.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
答案 B
解析 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。
读“全球定位系统的卫星星座示意图”，回答6~9题。
6.本图显示了全球定位系统中的（ ）
A.空间部分 B.地面监控系统
C.GPS信号接收机D.用户设备部分
答案 A
解析 图示为全球定位系统中的空间部分。
7.GPS卫星的分布使得在地球的任何地方，任何时间都可以观测到的卫星数是（ ）
A.4颗B.3颗C.6颗D.2颗
答案 A
解析 G
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