1、1.1 质点 参考系和坐标系自主探究什么是 GPS 全球定位系统1.概述全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪 70 年代开始研制，历时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成，具有在海、陆、空进行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。经近 10年我国测绘等部门的使用表明，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技
2、术革命。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。GPS 系统包括三大部分：空间部分 GPS 卫星星座；地面控制部分 地面监控系统； 用户设备部分GPS 信号接收机。 2.卫星及星座由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作（21+3）GPS 星座。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面之间相距 60 度， 即轨道的升交点赤经各相差 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度， 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应
3、卫星超前 30 度。在两万公里高空的GPS 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为 12 恒星时。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，为了结算测站的三维坐标，必须观测 4 颗 GPS 卫星，称为定位星座。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、
4、高精度、连续实时的导航定位测量。 GPS 工作卫星的编号和试验卫星基本相同。 3.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 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
5、测站。4.用户的设备GPS 信号接收机GPS 信号接收机的任务是：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，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的 GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出 GPS 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。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 接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS 信号接收机所位
6、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）。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大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。 GPS 接收机一般用蓄电池做电源。
7、同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为 RAM 存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类型的 GPS 测地型接收机。各种类型的 GPS 测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达 5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达 10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的 GPS 接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS 和 GLONASS 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。GPS 定位原理可能对于人类来说，试图证
8、明他们现在在哪里、将要到哪里去是一个最古老的需要解决的问题。所以导航和定位对人类的许多活动都是至关重要的。然而其中过程却总是令人相当费解和纷乱的。许多年以来各种各样的技术都曾经努力简化这个问题，但是好象每一种方案都有其许多不可避免的缺点。最终，美国国防部决定：美国军队必须拥有更好的、世界范围内的定位精度。并且他们确实有足足的 12 亿美金的财力去发展这样一个确实很好的东西。这个伟大的工程的结果既是全球定位系统(Global Positioning System)，从此永远的改变了导航的历史。也就有了今天的 3S 技术完善。 全球定位系统（以下简称 GPS）是由 24 颗卫星及他们的地面部分组成
9、的、全球性的无线导航系统。他采用了人造卫星作为动态已知参考点去计算地面米级精度的点位。而事实上你可以用 GPS 比较科学的方法来获得优于厘米级的测量精度。感觉上好象是将地面上每平方米都赋予卫星上每一个唯一的地址，只要你对号入座就好了。 GPS 接收机已经进入了模型集成化的的阶段，因此其使用效益已变的非常可观。同时也使这样技术能够被每个人利用并获得利益。今天，GPS 已经应用到了各个领域，如：汽车、飞机、轮船、建筑、移动制导、农业甚至有赶超计算机的的趋势。很快 GPS 将成为人们生活中最基本的、如同电话样的生活必须品。GPS 有哪些方面的应用1资源调查,土地探测 例如森林区、山坡地违规开发查报工
10、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判。2.大地测量,一般测量 传统的三角测量事一件十分辛苦的事,特别是在地面三角测量点缺乏,地标不明显的时候,测量工作格外困难。GPS 定位则无须仰仗地面控制点,只要在没有遮蔽的情况下，几乎不受地形地物的限制,所以使用 GPS 作为测量的工具，大大改善了传统测量的不便。精确度需求越高的测量工作，需要越高精度的 GPS，当然也就越昂贵。3.制图 电子地图之制作及粗略地形图之制作。地图的数化有很多种?将已存在的纸面地图用数字版数化或使用扫描仪扫描至计算机中,再进行屏幕数化或自动数化。我们可使用 GPS 在车辆行进的时候,
11、每隔一段时间将道路点(WAY POINT)记录下来,如此便完成粗略的地图数化工作。4.登山定位,山难协寻 GPS 可准确的定位、定向, 在开阔的地方使用 GPS 定 位，配合地形图可以非常准确的了解目前所在位置, 而不会因人为判断错误而迷路。我们也可将 GPS 配合无线电传输, 将登山人员所在位置传送至山难协寻中心，以利救难搜寻工作。5.精确定时 由于 GPS 定位需要非常精确的时间,每颗 GPS 卫星 上都有精密的原子钟,所以 GPS 接收器可以接收到精确的时间信息。6.军事GPS 发展目的，一开始就是考虑军事的用途,所以举凡战机、战舰、战车、飞弹、相关军事人员及攻击目标物的精确定位,均仰赖
12、 GPS 完成。教材详解1 质点质点是指有质量而不考虑大小和形状的物体。它是我们为了研究问题的方便而引入的一种理想化模型。将物体看为质点的条件是：如果物体的形状、大小对于我们所研究的问题是无关因素或影响可忽略不计。此时，就可以将物体的大小和形状忽略，而把物体看做一个仅有质量而没有大小和形状的点质点。2 参考系研究物体的运动时假定不动的那个物体，叫参考系。同一个运动物体由于选择的参考系不同，观察的结果常常是不同的。在处理实际问题中，如果题目不作特殊说明，都是选地面为参考系对物体运动进行描述的。参考系的选取原则是：对物体运动的描述，问题的研究简洁、方便。3坐标系为了定量的描述运动物体的位置及位置的
13、变化，而建立的规定了原点、正方向和单位长度的直线（直线坐标系）或两垂直直线（直角坐标系）或三条互相垂直的直线（空间直角坐标系）。合作学习例题 1：在以下的哪些情况中可将物体看成质点（ ）A 研究某学生骑车由学校回家的速度B 对这为学生骑车姿势进行生理学分析C 研究火星探测器从地球到火星的飞行轨迹D 研究火星探测器降落火星后如何探测火星的表面解析：质点是指有质量而不考虑大小和形状的物体。它是我们为了研究问题的方便而引入的一种理想化模型。能否将物体看为质点，关键看所研究的问题的性质即物体大小和形状能否忽略。A、C 情景中物体大小和形状能忽略，因而可看为质点；B、D 情景中所研究的问题都涉及物体的不
14、同部分，此时的物体就不能再看为质点，否则问题将无法研究。答案：A、C例题 2：一列火车停靠在站台上，车厢内的人看着窗外另一列火车，感觉到自己乘坐的火车开动了，可等一会儿却发现自己乘坐的火车还在站台上未动。你有过类似的经历吗？出现这种现象的原因是什么？解析：解决该题的关键是抓住乘客感觉动而未动这一事实。事实相同但感觉却不同，说明乘客前后参考系选取是不同的，要选取不同的参考系加以分析。答案：原因是起初乘客以窗外另一列开动的火车为参考系，感觉自己在动。当另一列火车开走后，以窗外其它静止的物体为参考系，才发现自己乘坐的火车并未开动。例题 3:某运动物体在平面内，由点（ 3，1）出发，沿直线运动到点（1
15、，4）然后又由点（1，4）沿直线运动到点（5，5）。试在图中完成坐标系的建立并画出物体的运动轨迹。解析：该物体的运动为平面内的平动，要描述其运动就要建立直角坐标系。图中以建立，并有原点、标度和正向。此时，只需再定义两坐标轴的名称和单位，标上各处标度的大小，即可对运动进行描述。取水平坐标线为 x 轴，竖直坐标线为 y 轴；单位都取为m。根据题目的描述就可画出物体的运动轨迹。答案：坐标系的建立及物体运动的轨迹如右图所示（图中黑线表示物体运动的轨迹）师生互动1在研究下列问题时，可以把汽车看作质点的是（ ）A研究汽车通过一座桥所用的时间 B研究人在汽车上的位置C研究汽车在上坡时有无翻倒的危险 D计算汽
16、车从北京开往大连的时间2如图所示，是特技跳伞运动员的空中造型图。当运动员们保持该造型下落时，若其中一名运动员以相邻的运动员为参考系，则他自己的运动情况怎样？当他俯视大地时，看到大地迎面而来，他这是以什么物体作为参考系的？3某运动物体在平面内，由点（0，0）出发，沿直线运动到点（3，1）然后又由点（3，1）沿直线运动到点（1，4），然后又由点（1，4）沿直线运动到点（5，5），然后又由点（5，5）沿直线运动到点（2，2）。试在图中完成坐标系的建立并画出物体的运动轨迹。x/my/m123451 2 3 4 5课后习题解答1答案：如果要计算子弹从枪口飞到靶心所需要的时间，此时子弹可以看为质点；如果要
17、计算子弹穿过一张薄纸所需要的时间，此时子弹不能看为质点。2答案：“一江春水向东流”说的是江水相对于河岸的运动；“地球的公转”说的是地球相对于太阳的运动；“钟表的指针在转动”说的是指针相对于表盘的运动；“太阳东升西落”说的是太阳相对于地球的运动。3答案：诗中描述了“云”与“我”的运动；对于“云”的运动描述是以“我”为参考系的；若以“榆堤”为参考系，“云”与“我”都向东运动。若以“云”与“我”为参考系，则“榆堤”向西运动。4答案：A 的坐标为0.5 m；B 的坐标为 0.3 m。师生互动答案（1.1 质点 参考系和坐标系）1D2当运动员们保持该造型下落，若其中一名运动员以相邻的运动员为参考系时，则他将保持静止；当他俯视大地时，看到大地迎面而来，他这是以大地作为参考系的。3坐标系的建立及物体运动的轨迹如右下图所示（图中黑线表示物体运动的轨迹）x/my/m123451 2 3 4 5
