人教版高中地理选修7 第四章 4.1什么是GPS 【名校课件—集体备课】
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我国自行研发，具有自主知识产权、自主 控制的区域性卫星定位与导航系统。空间系统 由两颗工作卫星和一颗备用星组成。它覆盖我 国全境及周边地区，将定位导航与卫星通信集 成一体，不具备全球定位与导航功能。
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北斗导航系统
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北斗导航系统
Page 31
北斗系统主要有三大功能：
1.快速定位，为服务 区域内的用户提供全天 候、实时定位服务，定 位精度与GPS相当；
3.特别适合于集团用户大范围监控管理和数 据采集用户数据传输应用。
4.融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两 大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。
5.自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强， 适合关键部门应用。
Page 33
三、GPS系统的特点
（1）全球，全天候工作 （2）实时性,能提供连续、实时的三
测地接收机 用于精密大地测量 授时接收机 用于天文台及无线电通讯
定位精度高，仪器结构复杂，价 格较贵
利用GPS卫星提供的高精度时 间进行授时
Page 25
Page 26
应用领域
性能
优点
功能
手持 型 GPS 接受 机多 为导 航使 用
液晶显示，不需要地面 能够计算当地的国际标
导航画面 设备，只要 准时间，处于运动状态
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全球定位 系统
（GPS）
课堂小结
全新的定位工具
空间系统
GPS系统组成
地面监控系统 用户系统
GPS定位原理
二维定位原理 三球定位原理
Page 42
GPS定位原理
1．GPS由空间系统、地面监测系统、用 户系统三部分组成。
2．GPS定位原理类似于三球定位原理。由 若干已知空间位置的卫星发射信号，在地面（或 空中）的GPS接收机跟踪接收GPS卫星发出的信 号，测量卫星到接收机天线的传播时间，计算出 卫星到接收机的距离。如果接收到三颗卫星的信 号，GPS接收机即以各种卫星为圆心，以其到接 收机的距离为半径画三个球面，并确定球面与地 面的交点为接收机的位置。
注：长春（43°53′N；125°20′E） 长沙 （28°11′N;113°00′E） 西安（34°15′N；108°55′E）广州（23°00′N；113°11′E） A．D21 B．D201 C．D584 D．D776
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答案：1．D 2．D
解析：2题考查主要知识点： （1）当地地方时为12：00的时刻太阳位置正南，跟北 京时间无直接联系 （2）北京时间是东经120度地方时 （3）全国列车时刻表是以北京时间（东经120度的地 方时）为基准制定的 （4）纬度位置跟太阳高度角有关，与太阳南北位置无 关（相关知识参见本版太阳高度角一帖）每一个经度对应 时间4分钟（每15个经度对应一个小时，这个是课本常识） 因而，只需计算出列车到达终点的地方时，比较那个终点 的地方时距离12：00最近即是天线 • 锥形（螺旋）天线 • 四丝螺旋天线 • 空间螺旋天线 • 背腔平面盘旋天线
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用户系统示意
Page 24
用户系统类型
类型
应用
导航接收机 用于运动载体的导航，分为车 载型、航海型、航空型和星载 型
能够实时给出载体的位置和速度， 价格便宜，应用广泛
什么是GPS GPS的应用与发展
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导入新课
Page 2
上述几张图片都在向我们展示一种 全新的定位工具，那就是——
Page 3
第一节 什么是GPS
全新的定位工具 GPS的系统组成 GPS的基本原理
Page 4
教学目标
知识目标：
1．了解什么是GPS，认识GPS系统组成 及其各有什么作用；
主控站收集各监控站提供的GPS卫星观测 数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站 自身的工作状态数据。根据这些数据，完成各 项工作：
（1）及时编算每颗卫星的导航电文并传送 给注入站；
（2）控制和协调监测站间、注入站间的工 作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫 星是否将导航电文发给了GIS用户系统；
2.短报文通信，一次 可传送多达120个汉字的 信息；
3.精密授时，精度达 20纳秒。
Page 32
北斗应用有五大优势：
1.它同时具备定位与通讯功能，不需要其他 通讯系统支持。而GPS只能定位。
2.覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗系统覆 盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也 可为周边国家服务。
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巩固训练
一、填空：
1．全球定位系统由__空__间__系__统____ 、 _地__面__监__控__系__统___ 、__用__户__系__统______三部分组 成。2．GPS的空间系统由_2_1__颗工作卫星和 __3__颗备用卫星组成。
A
C
D
R1 BR2
Page 35
（二）三球定位原理
假设卫星位置为A、B、C，
O为需要确定的地面接收机的
位置。测量卫星发射的信号到 地面接收机的时间，算出A、 B、C到O的距离R1、R2、R3， 已知球心和半径，可以确定三 个球面，这三个球面与地球表
B
A
R2R2
R1
C R3
面的交点就是接收机的位置。
Page 44
2．根据提速动车组时刻表，乘坐1中哪一车次的 旅客到达终点时看到太阳最接近正南方向( )
动车车次 始发站
D21
北京
D201 D584 D776
南昌 宝鸡 深圳
终点站 开车时间
长春 07：15
长沙 西安 广州
08：00 11：11 11：18
终到时间 13：31 11：15 12：23 12：28
Page 15
（二）地面监控部分
观测和接收GPS卫星发出的信号并 监测卫星状况。
Page 16
主控站位于美国科罗拉多的斯平士的联合空间 执行中心，三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、 印度洋的狄哥·伽西亚和太平洋的卡瓦加兰三个军 事基地上，五个监测站设在主控站和三个注入站以 及夏威夷岛。
Page 17
清晰，配 收到卫星信 还能指出正北方，并将
有背景灯，号，就能快 经过的地点、路线记录
方便夜间 速定位，不 下来，方便返回时用；
操作，功 受天气、行 计算两点的距离，实现
能齐全 政区域的限 坐标系之间的相互转换；
制
计算日出、日落时间。
Page 27
手持型GPS接受机
Page 28
读一读
中国的“北斗导航系统”
地面
GPS信 号接收机
用户
由分布在全球的5个地面站组成（5个监控站、 1个主控站和3个注入站）
导航接收机、测地型接收机、授时接收机 实时计算出三维坐标\速度以及时间
Page 13
（一）空间部分
为了减少误 差，一般要求4 颗卫星，用于定 位的4颗卫星称 为定位星座。
Page 14
各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55º， 轨道平面间距60º。在每一轨道平面内，各卫星 升交角距差90º。
Page 7
教学重难点
重点：
GPS系统的定义及其组成； GPS定位的基本原理。
难点：
GPS定位的基本原理； 理解二维定位原理、三球定位原理和 GPS定位原理。
Page 8
常规定位方法的局限性:
1．需要事先布设大量的地面控制点； 2．无法同时精确确定点的三维坐标； 3．观测受气候、环境条件限制； 4．观测点之间需要保证通视； 5．受系统误差影响大； 6．难以确定地心坐标。
卫星传送信号至接收器的时间并不同步，这是因为 卫星从11 000英哩远的地方传来会有延迟的时间，因 此，我们可以计算延迟的时间×速度，就是接收器到 卫星的距离。
Page 37
Page 38
考虑到各种误差的影响，为了达到定位 精度要求，至少需要同步观测4颗以上的卫 星。
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1．全球定位系统由哪几部分组成？各 有什么作用？
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针对练习
我国既有铁路干线第六次大面提速后，在提速干线上旅 客列车最高运行时速达200千米以上，并首次实现了旅客列 车追踪间隔5分钟。这标志着我国既有铁路干线提速已经跨 入世界先进行列。回答1—2题。
1．这次铁路大提速主要应用到的地理信息技术是（ ） A．地理信息系统 B．遥感技术 C．遥感技术和全球定位系统 D．全球定位系统和地理信息系统
Page 46
计算过程： A：125-120=5，时差5×4=20分钟，按照东加西减的 口诀（多数地理老师会讲）列车到达长春的时刻为13： 52左右（那经度的20‘也考虑进去，如果仅仅比较分钟 没有差别的话，一般这种题计算到度就能够看出结果了） B：120-113=7，时差7×4=28分钟，同样得出列车到 达长沙站的时刻大约10：47（当地地方时） C：120-109（近似）=11，时差11×4=44分钟，同理， 列车到达西安站的时刻大约11：39（当地地方时） D：120-113=7，时差7×4=28分钟，同理，列车到达 广州站的时刻大约12：00（当地地方时） 比较列车到达时刻距离12：00的大小即可得出当时当地 看到太阳位置接近正南的程度，距离12点的时差越小， 就越接近正南
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一、全新的定位工具
全球定位系统(GPS)：
具有在海、陆、空进行 全方位、实时三维导航与定 位功能的新一代卫星导航与 定位系统。通俗地说：利用 卫星，在全球范围内适时进 行导航、定位的系统。
Page 10
全球定位系统是美国从本世纪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。目前 的全球覆盖率为98%。 在美国,GPS全球卫星定位 技术与“阿波罗”飞船登月,航天飞机升空,共同位 列为20世纪“三大航天工程” 。
2．理解二维定位原理、三球定位原理和 GPS定位原理；
3．了解其他卫星定位系统与导航系统。
Page 5
能力目标：
1．通过运用二维定位系统、三球定位系 统和GPS定位系统，分析三者的不同，培养 对比分析的能力；
2．培养理论联系实际的能力。
Page 6
情感态度与价值观目标：
认识国内外卫星定位与导航系统，客观地 认识目前我国全球定位系统的发展现状，树立 民族自信心和自豪感。
它能够实时测量 “四度”：经度、纬 度、高度、速度。
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二、GPS的系统组成
GPS由空间系统、地面监测系统、 用户系统三部分组成。
Page 12
系统结构
空间位 置
组成和分布
GPS卫星星
座
空间
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
全球 定位 系统
地面监控系 统
（3）诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的 卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。
Page 18
注入站：在每颗卫星运行到上空时，将 导航数据及主控站的指令注入到卫星。
Page 19
监测站：1个设在夏威夷，其余四个分别 设在科罗拉多、迪戈加西亚、卡瓦加兰和阿森 松。任务是观测和接收GPS卫星的信号并监测 其工作状况，将采集到的资料传送到主控站。
2．简述全球定位系统的定位原理。
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答 案
1.见前面课件。
2．GPS定位原理类似于三球定位原理。由 若干已知空间位置的卫星发射信号，在地面（或 空中）的GPS接收机跟踪接收GPS卫星发出的信 号，测量卫星到接收机天线的传播时间，计算出 卫星到接收机的距离。如果接收到三颗卫星的信 号，GPS接收机即以各种卫星为圆心，以其到接 收机的距离为半径画三个球面，并确定球面与地 面的交点为接收机的位置。
O
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（三）GPS定位原理
GPS 的定位原理类似于三球定位原理，接收 装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离， 以距离来判定卫星在太空中的位置。
以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距 离，时间的测量需要二个时表，一个装置於卫星上 以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置 在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间。
Page 20
阿松森监测站
科 罗 拉 多 监 测 站
夏 威 夷 监 测 站
Page 21
（三）用户系统
由GPS接收机硬件和 处理软件组成。主要功能 是跟踪接收GPS卫星发射 的信号，测量信号从卫星 到接收机天线的传播时间， 解译GPS卫星发送的导航 信息，实时计算接收机的 三维位置和时间。
Page 22
维位置、速度和精密时间，不受 天气的影响。 （3）高精度 （4）自动测量
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四、GPS定位的基本原理
（一）二维定位原理
如图：假设站点C和D为用于导航 的无线电发射台，B为需要确定的船 只位置，无线电发射台发射无线电 信号，船上接收机捕捉到这些信号， 测出信号从发射台到接收机的传播 时间，计算出船只到C和D的距离R1 和R2。可以确定两个圆，进而确定 交点A和B为船只位置，判定船只位 置不是A，而是B。
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北斗导航系统
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北斗导航系统
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北斗系统主要有三大功能：
1.快速定位，为服务 区域内的用户提供全天 候、实时定位服务，定 位精度与GPS相当；
3.特别适合于集团用户大范围监控管理和数 据采集用户数据传输应用。
4.融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两 大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。
5.自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强， 适合关键部门应用。
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三、GPS系统的特点
（1）全球，全天候工作 （2）实时性,能提供连续、实时的三
测地接收机 用于精密大地测量 授时接收机 用于天文台及无线电通讯
定位精度高，仪器结构复杂，价 格较贵
利用GPS卫星提供的高精度时 间进行授时
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应用领域
性能
优点
功能
手持 型 GPS 接受 机多 为导 航使 用
液晶显示，不需要地面 能够计算当地的国际标
导航画面 设备，只要 准时间，处于运动状态
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全球定位 系统
（GPS）
课堂小结
全新的定位工具
空间系统
GPS系统组成
地面监控系统 用户系统
GPS定位原理
二维定位原理 三球定位原理
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GPS定位原理
1．GPS由空间系统、地面监测系统、用 户系统三部分组成。
2．GPS定位原理类似于三球定位原理。由 若干已知空间位置的卫星发射信号，在地面（或 空中）的GPS接收机跟踪接收GPS卫星发出的信 号，测量卫星到接收机天线的传播时间，计算出 卫星到接收机的距离。如果接收到三颗卫星的信 号，GPS接收机即以各种卫星为圆心，以其到接 收机的距离为半径画三个球面，并确定球面与地 面的交点为接收机的位置。
注：长春（43°53′N；125°20′E） 长沙 （28°11′N;113°00′E） 西安（34°15′N；108°55′E）广州（23°00′N；113°11′E） A．D21 B．D201 C．D584 D．D776
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答案：1．D 2．D
解析：2题考查主要知识点： （1）当地地方时为12：00的时刻太阳位置正南，跟北 京时间无直接联系 （2）北京时间是东经120度地方时 （3）全国列车时刻表是以北京时间（东经120度的地 方时）为基准制定的 （4）纬度位置跟太阳高度角有关，与太阳南北位置无 关（相关知识参见本版太阳高度角一帖）每一个经度对应 时间4分钟（每15个经度对应一个小时，这个是课本常识） 因而，只需计算出列车到达终点的地方时，比较那个终点 的地方时距离12：00最近即是天线 • 锥形（螺旋）天线 • 四丝螺旋天线 • 空间螺旋天线 • 背腔平面盘旋天线
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用户系统示意
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用户系统类型
类型
应用
导航接收机 用于运动载体的导航，分为车 载型、航海型、航空型和星载 型
能够实时给出载体的位置和速度， 价格便宜，应用广泛
什么是GPS GPS的应用与发展
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导入新课
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上述几张图片都在向我们展示一种 全新的定位工具，那就是——
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第一节 什么是GPS
全新的定位工具 GPS的系统组成 GPS的基本原理
Page 4
教学目标
知识目标：
1．了解什么是GPS，认识GPS系统组成 及其各有什么作用；
主控站收集各监控站提供的GPS卫星观测 数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站 自身的工作状态数据。根据这些数据，完成各 项工作：
（1）及时编算每颗卫星的导航电文并传送 给注入站；
（2）控制和协调监测站间、注入站间的工 作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫 星是否将导航电文发给了GIS用户系统；
2.短报文通信，一次 可传送多达120个汉字的 信息；
3.精密授时，精度达 20纳秒。
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北斗应用有五大优势：
1.它同时具备定位与通讯功能，不需要其他 通讯系统支持。而GPS只能定位。
2.覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗系统覆 盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也 可为周边国家服务。
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巩固训练
一、填空：
1．全球定位系统由__空__间__系__统____ 、 _地__面__监__控__系__统___ 、__用__户__系__统______三部分组 成。2．GPS的空间系统由_2_1__颗工作卫星和 __3__颗备用卫星组成。
A
C
D
R1 BR2
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（二）三球定位原理
假设卫星位置为A、B、C，
O为需要确定的地面接收机的
位置。测量卫星发射的信号到 地面接收机的时间，算出A、 B、C到O的距离R1、R2、R3， 已知球心和半径，可以确定三 个球面，这三个球面与地球表
B
A
R2R2
R1
C R3
面的交点就是接收机的位置。
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2．根据提速动车组时刻表，乘坐1中哪一车次的 旅客到达终点时看到太阳最接近正南方向( )
动车车次 始发站
D21
北京
D201 D584 D776
南昌 宝鸡 深圳
终点站 开车时间
长春 07：15
长沙 西安 广州
08：00 11：11 11：18
终到时间 13：31 11：15 12：23 12：28
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（二）地面监控部分
观测和接收GPS卫星发出的信号并 监测卫星状况。
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主控站位于美国科罗拉多的斯平士的联合空间 执行中心，三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、 印度洋的狄哥·伽西亚和太平洋的卡瓦加兰三个军 事基地上，五个监测站设在主控站和三个注入站以 及夏威夷岛。
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清晰，配 收到卫星信 还能指出正北方，并将
有背景灯，号，就能快 经过的地点、路线记录
方便夜间 速定位，不 下来，方便返回时用；
操作，功 受天气、行 计算两点的距离，实现
能齐全 政区域的限 坐标系之间的相互转换；
制
计算日出、日落时间。
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手持型GPS接受机
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读一读
中国的“北斗导航系统”
地面
GPS信 号接收机
用户
由分布在全球的5个地面站组成（5个监控站、 1个主控站和3个注入站）
导航接收机、测地型接收机、授时接收机 实时计算出三维坐标\速度以及时间
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（一）空间部分
为了减少误 差，一般要求4 颗卫星，用于定 位的4颗卫星称 为定位星座。
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各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55º， 轨道平面间距60º。在每一轨道平面内，各卫星 升交角距差90º。
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教学重难点
重点：
GPS系统的定义及其组成； GPS定位的基本原理。
难点：
GPS定位的基本原理； 理解二维定位原理、三球定位原理和 GPS定位原理。
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常规定位方法的局限性:
1．需要事先布设大量的地面控制点； 2．无法同时精确确定点的三维坐标； 3．观测受气候、环境条件限制； 4．观测点之间需要保证通视； 5．受系统误差影响大； 6．难以确定地心坐标。
卫星传送信号至接收器的时间并不同步，这是因为 卫星从11 000英哩远的地方传来会有延迟的时间，因 此，我们可以计算延迟的时间×速度，就是接收器到 卫星的距离。
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考虑到各种误差的影响，为了达到定位 精度要求，至少需要同步观测4颗以上的卫 星。
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1．全球定位系统由哪几部分组成？各 有什么作用？
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针对练习
我国既有铁路干线第六次大面提速后，在提速干线上旅 客列车最高运行时速达200千米以上，并首次实现了旅客列 车追踪间隔5分钟。这标志着我国既有铁路干线提速已经跨 入世界先进行列。回答1—2题。
1．这次铁路大提速主要应用到的地理信息技术是（ ） A．地理信息系统 B．遥感技术 C．遥感技术和全球定位系统 D．全球定位系统和地理信息系统
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计算过程： A：125-120=5，时差5×4=20分钟，按照东加西减的 口诀（多数地理老师会讲）列车到达长春的时刻为13： 52左右（那经度的20‘也考虑进去，如果仅仅比较分钟 没有差别的话，一般这种题计算到度就能够看出结果了） B：120-113=7，时差7×4=28分钟，同样得出列车到 达长沙站的时刻大约10：47（当地地方时） C：120-109（近似）=11，时差11×4=44分钟，同理， 列车到达西安站的时刻大约11：39（当地地方时） D：120-113=7，时差7×4=28分钟，同理，列车到达 广州站的时刻大约12：00（当地地方时） 比较列车到达时刻距离12：00的大小即可得出当时当地 看到太阳位置接近正南的程度，距离12点的时差越小， 就越接近正南
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一、全新的定位工具
全球定位系统(GPS)：
具有在海、陆、空进行 全方位、实时三维导航与定 位功能的新一代卫星导航与 定位系统。通俗地说：利用 卫星，在全球范围内适时进 行导航、定位的系统。
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全球定位系统是美国从本世纪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。目前 的全球覆盖率为98%。 在美国,GPS全球卫星定位 技术与“阿波罗”飞船登月,航天飞机升空,共同位 列为20世纪“三大航天工程” 。
2．理解二维定位原理、三球定位原理和 GPS定位原理；
3．了解其他卫星定位系统与导航系统。
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能力目标：
1．通过运用二维定位系统、三球定位系 统和GPS定位系统，分析三者的不同，培养 对比分析的能力；
2．培养理论联系实际的能力。
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情感态度与价值观目标：
认识国内外卫星定位与导航系统，客观地 认识目前我国全球定位系统的发展现状，树立 民族自信心和自豪感。
它能够实时测量 “四度”：经度、纬 度、高度、速度。
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二、GPS的系统组成
GPS由空间系统、地面监测系统、 用户系统三部分组成。
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系统结构
空间位 置
组成和分布
GPS卫星星
座
空间
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
全球 定位 系统
地面监控系 统
（3）诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的 卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。
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注入站：在每颗卫星运行到上空时，将 导航数据及主控站的指令注入到卫星。
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监测站：1个设在夏威夷，其余四个分别 设在科罗拉多、迪戈加西亚、卡瓦加兰和阿森 松。任务是观测和接收GPS卫星的信号并监测 其工作状况，将采集到的资料传送到主控站。
2．简述全球定位系统的定位原理。
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答 案
1.见前面课件。
2．GPS定位原理类似于三球定位原理。由 若干已知空间位置的卫星发射信号，在地面（或 空中）的GPS接收机跟踪接收GPS卫星发出的信 号，测量卫星到接收机天线的传播时间，计算出 卫星到接收机的距离。如果接收到三颗卫星的信 号，GPS接收机即以各种卫星为圆心，以其到接 收机的距离为半径画三个球面，并确定球面与地 面的交点为接收机的位置。
O
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（三）GPS定位原理
GPS 的定位原理类似于三球定位原理，接收 装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离， 以距离来判定卫星在太空中的位置。
以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距 离，时间的测量需要二个时表，一个装置於卫星上 以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置 在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间。
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阿松森监测站
科 罗 拉 多 监 测 站
夏 威 夷 监 测 站
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（三）用户系统
由GPS接收机硬件和 处理软件组成。主要功能 是跟踪接收GPS卫星发射 的信号，测量信号从卫星 到接收机天线的传播时间， 解译GPS卫星发送的导航 信息，实时计算接收机的 三维位置和时间。
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维位置、速度和精密时间，不受 天气的影响。 （3）高精度 （4）自动测量
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四、GPS定位的基本原理
（一）二维定位原理
如图：假设站点C和D为用于导航 的无线电发射台，B为需要确定的船 只位置，无线电发射台发射无线电 信号，船上接收机捕捉到这些信号， 测出信号从发射台到接收机的传播 时间，计算出船只到C和D的距离R1 和R2。可以确定两个圆，进而确定 交点A和B为船只位置，判定船只位 置不是A，而是B。