第三节 全球定位系统及其应用第二课时教学设计

第三节 全球定位系统及其应用

教学目的：

了解GPS原理；了解GPS在各个部门中的应用

重点与难点：

GPS应用

教学过程：

地理信息技术是现代地理科学研究的主要技术手段之一，包括：GPS、RS、GIS，三者的结合即为数字地球。

一、全球定位系统的概述

1、概念

阅读：P95页阅读材料：“从军用到民用——全球定位系统无处不在”

提问：在日常生活中，你接触过GPS吗？

全球定位系统（Global Positioning System 简称GPS ）是利用卫星，在全球范围内实时进行导航、定位的系统。

2、全球定位系统的特点

（1）全球，全天候工作。

（2）能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间，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，而且其应用领域不断扩大。

3、发展

阅读：1、P95页“导航与定位技术的发展”

2、P97页“卫星导航定位系统的新时代”

（1）GPS的“昨天”

思维拓展：你知道古代的定位方式吗？（变成艺术字）

①无线电导航系统

②最早的卫星定位系统

③全球定位系统（GPS）

（2）GPS的“今天”

①各国的发展

②各领域的应用

4、GPS定位原理：４颗卫星定位一点

GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后经过计算，求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。

5、组成：空间星座、地面监控系统、用户系统

（1）空间部分：包括24颗可操作的工作卫星，以55°倾角分布在地球上空20,200 km(10,900NM)的六个轨道面上，运行周期为12恒星时。这些卫星在轨道上的分布状态使地球上的任何位置在任意时刻都可以同时接受到至少6颗卫星的定位信号，这些卫星则不断的给全球用户用户发送位置和时间的广播数据。

（2）地面控制部分：负责卫星控制、时间同步、卫星的跟踪和监测。

——卫星轨道控制

——向卫星发送星历

GPS的地面控制系统由位于美国科罗拉多的主控站、以及分布全球的三个注入站和五个监测站组成。

主控站：

位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；

注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去

监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；

通讯辅助系统：

连接主控站、注入站和监测站。

（3）用户系统：用于接收GPS卫星发射的信号

天线

接收机——对天线接收的信号进行处理，获取观测值。

微处理机——选择合适的卫星进行观测，以获得最佳几何图形；对观测值进

行对流层折射改正，电离层折射改正及其它改正；根据观测值及卫星星历进行平差计算，求得用户所需的三维坐标和速度等；对整个用户设备进行控制、自检核，并通过输入输出设备和操作人员保持联系。

输入输出设备

手持型GPS接收机

应用领域性能优点不需要地面辅助设备，只要收到卫星信号，就能快速定位，不受天气、行政区域的限制功能能够计算当地的国际标准时间，处于运动状态，还能指出正北方向，并将经过的地点、路线记录下来，方便返回时用；计算两点间的距离，实现坐标系间的相互转换；计算日出、日落时间

液晶显示，导航画面手持型清晰，GPS接收配有背机多为导景灯，航使用方便夜间操作，功能键齐全

例：下列关于全球定位系统的叙述。不正确的是（

B

）

A. GPS是利用卫星进行导航、定位的系统

B. GPS包括两大部分，即空间部分和地面控制部分

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大部分，即空间星座、地面控制系统和用户系统。

阅读：P99页下面一段, 思考：GPS静态导航定位与动态导航定位的区别? 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 接收机侧定一个运动物体的运行轨迹。

GPS 信号接收机所位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）

二、全球定位系统的应用领域

1、在军事领域中的应用

例：1999年3月27日，北约部队一架F—117A隐形战斗机被南联盟防空部队击落。飞行员跳伞后在脚触地的一刹那，通过手持型信号发射器发出紧急呼救信号，当间谍卫星把呼救信号传送到北约空袭南联盟指挥所后，美军立即安排了救援行动。6小时后，当一架EA—6B电子干扰机发现飞行员的准确位置时，一架MH—60G搜索与救援直升机降落在飞行员面前，把飞行员接上直升机并安全返回基地。据此回答

飞行员发出的呼救信号是（

B

）

A．GIS系统信号

B．GPS系统信号

C．RS系统信号

D ．以上都不对

2、在交通领域中的应用

阅读：P100页的“车载GPS的功用”

接收显示信息→车载电台发送信息→监控站调度管理→驾驶员接受调度信息调节行为

【阅读指导】

GPS 在航海、航空导航中的应用

应用类型

应用领域

应用作用

向用户提供船舶位置、航速、

避免船只冲撞，确保航行

安全

航海

航向信息、海图、海迹显示

应用

把自己的位置和航向发送到

便于中心的跟踪、搜寻和

航海管理中心

救援

航空

空域航路、着陆、机场监视

实现空域划分、空中交通

应用

和管理

流量管理、飞行路径管理

活动：假如你是一家物流公司的老板,你将如何利用GPS对人、车、物来进行有效监控和管理？

结构整合：

第四节 数字地球

教学目的：

1、举例说出全球定位系统（GPS）在定位导航中的应用。

2、结合实例，了解遥感（RS）在资源普查、环境和灾害监测中的应用。

3、运用相关资料，了解地理信息系统（GIS）在城市管理中的功能。

重点与难点：

理解数字地球的定义，特点；理解数字城市的意义；明确3S技术的概念和区别

教学过程：

一、数字地球的概述

阅读：P103页的阅读教材“走近数字地球”

1、数字地球的提出

阅读：P104页的阅读教材“数字地球的提出”

1998年，美国副总统戈尔，《数字地球：展望21世纪我们这颗行星》

2、数字地球的概念

数字地球（Digital Earth）就是用数字的手法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现网上流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。

把地球上每一个确定点（点的范围因需要可大可小）的相关信息和数据组织起来，然后进一步组合地球上所有这样的点，构造一个能包容自然和人类大多数数据和信息的虚拟地球。

3、数字地球的核心（思想）

一是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会等诸方面的问题。二是最大限度地利用资源，并使人们能够通过一定方式方便地获得他们所想了解的有关地球的信息。

4、数字地球的特点

“虚拟地球”，可以嵌入海量地理数据，可以多分辨率、三维地表示地球。

5、数字地球的分类

（1）研究型数字地球系统：如航空航天数字模拟、数字海洋、数字矿山等；

（2）社会管理型数字地球系统：如数字城市、数字区域、数字国家等；

（3）大众教育与娱乐型数字地球系统：因特网技术与虚拟现实技术相结合，提供多层次的人机交流。

6、数字地球的关键技术

请同学们阅读：教材P104页—105页的正文部分，思考：数字地球涉及的多项关键技术有哪些？

（1）信息高速公路与高速网络技术；

信息高速公路是把信息的快速传输比喻为“高速公路”。所谓“信息高速公路”，就是一个高速度、大容量、多媒体的信息传输网络。其速度之快，比目前网络的传输速度高1万倍；其容量之大，一条信道就能传输大约500个电视频道或50万路电话。此外，信息来源、内容和形式也是多种多样的。网络用户可以

在任何时间、任何地点以声音、数据、图像或影像等多媒体方式相互传递信息。

（2）高分辨率卫星遥感技术：提供反映地表地理要素动态变化的数据，形成数字地球最基本的空间数据。

（3）空间信息技术与空间数据基础设施：GIS的优势是将空间信息应用在地球研究中。GIS、GPS与网络结合，构成数字地球的空间核心技术。

（4）大容量数据存储技术：已基本成熟，如纳米技术等。

（5）可视化和虚拟现实(virtual reality)技术：可视化技术可以将抽象数据具体化，是实现数字地球与人交互的窗口和工具。虚拟现实（VR）技术能够生成虚拟环境。

阅读：P106页的“一次虚拟旅行”

工具应用戴上头盔看到出现在太空中蔚蓝色的、美丽的地球显示器使用“数会看到大洲、国家、城市，最后是房屋、据手套”树木以及其他各种自然和人造物体乘上深人查看细节“魔毯”可以询问所在地区的土地利用，动植物种使用语音类，实时的天气，道路，以及人口等方面识别装置的文本、图像、视频信息使用虚拟能够跨越时空，返回到数日、数年、数世技术纪以前的环境，甚至可以与恐龙接触

（6）高性能计算能力。

最基础和基本的技术核心是“3S”技术及其集成。

练习：

例1、“数字地球”的出现是科技创新的又一典范。这意味着（

B

）

A. 科技创新日益全球化

B. 科学技术是先进生产力的集中体现

C. 科技的发展离不开雄厚的经济实力

D. 任何科技必然为政治服务

例2、“数字地球”的核心技术包括（

A

）

①

遥感技术

②

全球定位系统

③

地理信息系统

④

现代通信技术

A. ①

②

③

B. ②

③

④

C. ①

②

④

D. ①

③

④

例3、

数字地球”的组成除了地图测绘系统（EOS）、全球定位系统（GPS）外，还包括（

C

）

A．航空遥感

B . WPS

C ．地理信息系统

D ．汉字处理系统

解析：“数字地球”是地图测绘、航空卫星遥感、探空和深钻技术的深化，是对地图测绘系统（EOS）、全球定位系统（GPS）与地理信．息系统（GIS）的综合，实现地球图层间物质流、能量流与信息流数据的集成，便于对全球化问题进行广泛研究。

二、数字地球与我们的生活

“数字城市”：从广义上说，是通过宽带多媒体信息网络、地理信息系统等

基础设施平台，整合城市信息资源并加以充分利用，建立电子商务、电子政务、科技信息系统、劳动和社会保障信息系统等子系统，通过发展信息家电、网上教育、远程医疗，建设信息化社区，最终实现城市国民经济和社会发展的全面信息化。

“数字化社区”：顾名思义，就是通过数字技术将管理、服务的提供者与每个住户相联结的社区。这种数字化的网络系统

·

使社区的管理者与住户之间可以实时地进行各种形式的信息交互，由于现代网络浏览器的先进性以及多态的表现性，加上各种网络多媒体技术的应用，从而营造出了一个丰富多彩的虚拟社区。

“地球村”：信息高速公路的出现，国际互联网的使用，“数字地球”的产生，“缩小”了我们生活的空间，“缩短”了我们联系交往的时间，使我们生活的世界成为一个全球性、同时性的“地球村”。

“数字化生存”：我国

IT 界有关人士这样描述未来普通人的数字化生存状态：宽带将代替电话拨号的窄带方式成为家庭和外部信息交流的高速公路。单芯片技术产生的数字产品会不断丰富、满足用户高品质数字化生活的需要。所有产品通过有线网络或无线网络联成一体并实现设备之间的数据交换、资源共享以及自动化控制。

利用数字地球保障儿童的安全：儿童如果独自外出，他的母亲可以打开实时跟踪屏，利用接收到的信息来看护自己的孩子。

结构整合：

练习：

1、下列与数字地球含义不相符的是：（

C

）

A地球信息模型

B虚拟现实地球

C数字化地球

D地球信息系统

2、实现人们“信息就在指尖上”梦想的地理信息技术是：（

D

）

A、GPS技术

B、GIS技术

C、RS技术

D、数字地球技术

3、数字地球数据传输的基础是：（

A

）

A信息高速公路

B空间信息技术

C空间数据基础设施

D高速科学计算能力

4、数字地球最基本的空间数据源是：（

B

）

A手工测绘数据

B卫星遥感数据

C现有地图数据

DGPS数据

5、数字地球的空间核心技术是：(

B

)

A高速网络技术

B“3S”技术

C虚拟现实技术

D海量数据存储技术

6、数字城市的基本空间数据是：(

A

)

A城市电子地图系统

B城市交通信息系统

C城市人口信息系统

D城市电子政务系统

7、被称为数字地球雏形的是：(

A

)

A、GIS技术

B、GPS技术

C、RS技术

D、VR技术

8、材料：“数字北京”的概念是1999年底提出的。

“数字北京”工程将通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台，整合信息资源，建立电子政务、电子商务、社会劳动保障等信息系统及信息化社区，逐步实现全市国民经济和社会信息化。请回答：

“数字北京”给普通北京市民带来了哪些便利？

答：数字化交通为人们的出行提供实时交通路况信息，也在文化娱乐、商业活动、远程教育等领域显示优势。

9、在一个漆黑的夜晚，一位独居的老太太突发心脏病，在倒地的一刹那间，她手上的手表式GPS发出红色急救信号。医护人员从“医疗急救GIS”中的地图上迅速找到了她的住址，立即调度装有车载定位系统的救护车按照电子地图上的路径提示，在最短时间内抵达老人的房间，为她量血压、测心跳、输氧气……

（1）该项“信息化服务”的实现得益于

数字地球的应用

。

（2）材料中涉及到的地理信息技术有

GIS、GPS

。

（3）根据用途分类，“手表式GPS”和“车载定位系统”属于

导航型接收机

，在该项“信息化服务”中主要应用了GPS技术的

定位与导航

功能。

（4）该项“信息化服务”利用了GIS的

查询

、

分析

功能。

5、该信息化服务系统工程可能是：（

B

）

A、人口地理信息系统

B、医疗地理信息系统

C、城市交通地理信息系统

D、电力地理信息系统