单元活动 全球定位系统与交通运输优质课一等奖

全球定位系统与交通运输

【教学目标】

知识目标：了解GPS的构成；了解GPS的应用；了解GPS手持机的使用；掌握GPS的概念、原理。

能力目标：学会使用GPS手持机，看懂其显示的信息；培养学生的实践、探险能力，能够科学有效地运用GPS。

【教学重点】

GPS的应用领域

【教学难点】

GPS工作原理；GPS手持机的使用。

【教具使用】

PPT演示

【教学方法】

教师讲授，学生操作。

【教学过程】

〖引入新课〗

1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着空间科技的发展跨入了一个崭新的时代，随着人造地球卫星的不断发射，利用卫星定位测量已成为现实。

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。 在美国，GPS全球卫星定位技术与“阿波罗”飞船登月、航天飞机升空共同给列为20世纪“三大航天工程”。

〖新课讲授〗

一、全球定位系统的构成

「出示投影片」

PPT1：GPS卫星、空间GPS系统、GPS地面监控站示意图(根据内容逐一展示)。

「讲课」

GPS的全称是“授时与测距导航系统-全球定位系统”(navigation system timing and ranging-global positioning system)。

它主要由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户设备系统。我们来逐一介绍：

(1)空间卫星系统作为空间部分，由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55，轨道平面间距60。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。GPS工作卫星组网

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保障全球任一时刻，任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测(最多可达11颗)，实现连续，实时地导航和定位。 看GPS卫星图，它的两侧有两块双叶太阳能板，能自动双向定位，以保证卫星正常工作用电。

(2)地面支撑系统作为地面监控部分，由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的一个主控站，五个监测站和三个信息注入站构成。

主控站位于美国科罗拉多的斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心(CSOC)，三个注入站分别设在大西洋，印度洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的阿松森(Ascension)岛，印度洋的狄哥・伽西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)，五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。

①主控站是根据各监控站提供的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：如及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站；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GPS用户系统；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。 ②监测站是用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点，5个监控站均为无人守值的数据采集中心。

③信息注入站

接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。

(3)用户设备系统主要由GPS卫星接收机和GPS数据处理软件等组成。它接受GPS卫星发射的信号，经数据处理完成定位和导航功能。

它的定位原理并不复杂。工作卫星不间断的发送自身的星历参数和时间信息，GPS用户则用接收机接收这些信息，经过计算便可以求出自身所在地点的三维方向以及运动的速度和时间信息等。

目前生产了各类接收机，越来越方便使用和携带。我们将在第三部分来介绍如何使用手持GPS接收机，也就是GPS手持机。

「转承」

由GPS的定位不受天气等因素的影响，所以其有着极大的优越性，其应用领域也是越来越广泛，拓展到各行各业中来了，下面来介绍GPS的应用领域

二、GPS的应用

GPS现在主要是用来定位、导航和测量。

在军事上GPS的应用：军事是GPS技术最早的应用领域，主要是为各种军事活动提供定位导航。在现代战争中，不仅陆、海、空三军，而且许多高科技武器弹药等，也都开始采用GPS技术进行定位导航。

还扩展到成为目前精确制导武器复合制导的一种重要技术手段。例如：未配置GPS制导系统之前，美军的BGM-109C“战斧”巡航导弹的圆概论误差约为9米；在其“惯性+地形匹配”制导系统中加入GPS后，其误差降至3米，制导精度大大提高。

「转承」

后来，GPS又开始发展到民用上。民用的GPS主要用于交通车辆导航管理、航空器的定位以及导航，以及大地测量、野外勘测、紧急求援、旅游探险、农业监控、生态研究等方面。

下面我们主要看看GPS在交通上的应用和在旅游探险中的应用。

在交通上的应用，航海是GPS导航应用的最大用户，现在很难想象那艘船舶不装备GPS导航系统和设备。

A.GPS自助导航系统，向用户提供位置，航速，航向和时间信息，以及海涂航迹显示等。

B.港口管理和进港引导系统，主要用于港口，码头的船舶高度整理，进港船舶引导，以

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确保航行安全和秩序。

C.航路管理系统，主要用于近海和内河船舶导航和管理。有了跟踪监视系统，一旦发生海难，船舶可将有关信息及时准确地送到有关地救援中心，以便实施海上紧急搜救工作。

GPS还在陆，空上有很大的作用，GPS导航系统与电子地图，无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪，提供出行路线功能和导航，信息查询，话务指挥和紧急救援等许多功能。

大家看一下知识窗，GPS在公共交通车辆导航中的作用，它具体的例证了以上几个功能，如GPS系统的智能调度功能，使装有GPS的出租车配备合理，能最大程度的满足乘客的要求，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等功能。

GPS在旅游探险中的应用，GPS接收机是旅游，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的位置，确定的前往目的地的最优行进方式和路线。野外探险者则可以快捷的找到合适的道路和宿营地点，并在出现险情时迅速定位、报警，求得快捷的救援行动。

余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站仅几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹。在茫茫荒漠中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有一台中文显示GPS接收机，这种惨剧又何以发生。在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下，危险无时无刻不存在，手持GPS接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进，从而可以安全返航。目前，许多休闲俱乐部围绕GPS功能相继推出“穿越”，“寻宝”，“野外拓展”等都市游戏，丰富了人们的周末生活，提高了人们的生活品位，深得户外运动爱好者的欢迎。 「转承」

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。下面我们来了解了一下GPS手持机，了解GPS手持机的使用，即如何利用GPS手持机来定位和导航

三、学用GPS手持机

GPS接收机是用于接受GPS卫星定位信息的用户设备，其有两大主要用途：定位和导航。GPS12是美国GARMIN公司于1998年推出的全中文接收机，是目前国内市场上的一款主流机型。如图1-1所示，它的功能键：最上的是内置天线，左边从上到下有导航键，开机键和退出键；右边则是翻页键，定位键和输入键；中间是光标键；下面则是显示屏。GPS的主要用途是定位和导航。

首先我们来学习如何用GPS来定位：地球上的任何一个地点，都有特定的经度、纬度和高度。用GPS接收机定位，详细步骤如下：

A：开机接收卫星信号，显示〈收星画面〉。

收星画面是开机后的第一个画面，表示卫星的分布与接收状态。接收到的卫星不能低于3颗，要选屋外无障碍物的地区接收。

卫星方位：上北下南，左西右东。

卫星仰角：

中心相当于所处位置正上方，大圆代表地平线，中间圆为45度仰角。

卫星编号：图中数字表示地平线上方的卫星，数字反白表示卫星未收到。

黑框条图：表示接收到的卫星信号的强弱，黑条越高，代表信号越强；如果是白框条，表示该颗卫星正处于跟踪状态；如果黑条和白框条都没有，表示还未收到卫星信号。一般来说，圆圈中卫星越靠近中心，则表示接收到的卫星信号越强。如图中接收到10颗卫星，而且信号比较强。

B：连续按[翻页]键或[退出]键，切换至，如图所示，其上表示了接收点的信息有：

航向：运动时的方向，它的角度是以正北为0°，顺时针逐渐增加，正东为90°，正西为270°，因此运动时可以据此来判断北的方向。

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航速：为固定显示数据不能更改，当接收卫星后卫星会自动根据你的运动情况测定该值。

航程：相当于里程表，记录航行过的实际路程。

高度：显示你所处点的海拔高度。图中高度是17m。

坐标：接收点的经纬度。图中坐标是N32°36′53.9〃，E120°54′19.2〃。

时间：采用卫星钟授时。

C：[定位]键，显示〈标定位置画面〉如图所示，图中显示航点编号为005，经纬度为N32°03.232′，E118°45.923′等信息。

D：移动[光标]键至航点编号处，按[输入]键确定，按上下[光标]键可对航点名称进行重新编号，最后再按[输入]键确定。

E：移动[光标]键选中[平均]处，[平均]反白处，按[输入]键确定，此时机器开始自动平滑，提高定位精度。

F：[误差]处为平滑参考值，数字越小，精度越高，待[误差]处数字固定不变或达到期望值，此时光标在[存入]处，按[输入]键，存点完毕。

这就是定位，它不仅可以为你定位，而且可以为你导航，这样不管你是身处浩瀚的沙漠之中，还是在波浪滔天的大海上，都不会为迷失方向而发愁。

使用GPS接收机导航，首先要建立航路点，然后才能进行导航。

建立航路点

第一种方法：按[定位]键记录各个位置，建立航路点。方法参照上节所述。

第二种方法：直接输入经纬度建立航路点

A．开机接收卫星信号，显示〈收星画面〉如图所示。

B．连续按[翻页]键或[退出]键，直到显示〈功能设定画面〉。

C．移动[光标]键选中[航点]，按[输入]键确定，显示〈航点画面〉。

D．移动[光标]键选中航点编号，按[输入]键确定，用[光标]键选择所要的航点编号，按[输入]键确定，图中确定的是004号航点。

E．移动[光标]键选中经纬度，进行经纬度编辑，输入航路点的经纬度，方法同上，按[输入]键确定。

F．最后移动[光标]键选中画面下部的[完成]，按[输入]键确定，录入完成，回到〈功能设定画面〉如图所示。

通过一系列的过程，进行导航。

「活动」

有条件的学校有GPS的话，可以带学生用GPS到室外进行实地的定位：让学生用GPS手持机定位自己所处的位置。

「讨论」

在沙漠中不知道东南西北怎么样来进行导航？

教师提示(可以走几步，来看GPS手持机的数据变化)。

〖课堂总结〗

本节主要介绍了GPS的原理和组成系统，同时也了解了GPS的应用，最主要的就是你们了解GPS手持机的使用。

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