高一物理質(zhì)點參考系和坐標(biāo)系3

§1.1質(zhì)點、參考系和坐標(biāo)系一、機械運動1、定義：物體的空間位置隨時間的變化。2、注：①運動是絕對的，靜止是相對的；②自然界中一切物體都在不停地運動著；③描述物體的運動必須要有個參照標(biāo)準(zhǔn)；④位置的變化：一個物體相對于另一物體物體的一部分相對于另一部分。二、物體和質(zhì)點1、質(zhì)點的定義：用來代替物體的有質(zhì)量的點。2、物體可以看作質(zhì)點的條件：物體的形狀、大小、體積對所研究的問題的影響可以忽略不計。3、注：①質(zhì)點是一種科學(xué)抽象的理想模型；②物體本身大小不是能否看成質(zhì)點的標(biāo)準(zhǔn)；③物體能否看成質(zhì)點取決于所研究問題的性質(zhì)，同一物體有時可看成質(zhì)點，有時不可看作質(zhì)點。三、參考系1、定義：描述一個物體的運動時，選定作為參考的其他物體。2、注：①描述物體是否運動是看相對于參考系的位置是否改變，事先假定參考系不動；②選取不同的參考系來觀察同一物體的運動結(jié)果往往是不同；③參考系的選取可以是任意的，實際解題應(yīng)以觀測方便和使物體的運動盡可能簡單為原則；④通常選取地面為參考系；⑤比較兩個物體的運動應(yīng)選同一參考系。三、坐標(biāo)系1、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）2、坐標(biāo)系：x/m0123-1一維二維（直角坐標(biāo)系）x/my/m102-2-1-1-221

24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站(差分臺)進行GPS觀測，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準(zhǔn)確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。全球定位系統(tǒng)屬于美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成。該系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?/p>

GPS衛(wèi)星已發(fā)展至BlockII型式的定位衛(wèi)星，由RockwellInternational制造，在軌道上重量約1,900磅，太陽能接收板長度約17呎，于1994年完成第24顆衛(wèi)星的發(fā)射。因此目前太空中有24顆GPS衛(wèi)星可供定位運用，繞行地球一周需12恒星時，每日可繞行地球2周，這也就是說，不論任何時間，任何地點，至少有4顆以上的衛(wèi)星出現(xiàn)在我們的上空。

目前全球有五個地面衛(wèi)星監(jiān)控站，分布于夏威夷、亞森欣島、迪亞哥加西亞、瓜加林島、科羅拉多泉，這些衛(wèi)星地面控制站，同時監(jiān)控GPS衛(wèi)星的運作狀態(tài)及它們在太空中的精確位置，主地面控制站更負責(zé)傳送衛(wèi)星瞬時常數(shù)(Ephemera'sConstant)及時脈偏差(ClockOffsets)的修正量，再由衛(wèi)星將這些修正量提供給GPS接收器做為定位運用。

GPS的定位是利用衛(wèi)星基本三角定位原理，GPS接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離，以距離來判定衛(wèi)星在太空中的位置，這是一種高軌道與精密定位的觀測方式。假設(shè)衛(wèi)星在11,000英哩高處，測量我們的距離，首先以11,000英哩為半徑，以此衛(wèi)星為圓心畫一圓，而我們位置正處于球面上。再假設(shè)第二顆衛(wèi)星距離我們12,000英哩，而我們正處于這二顆球所交集的圓周上?，F(xiàn)在我們再以第三顆衛(wèi)星做精密定位，假設(shè)高度13,000英哩，我們即可進一步縮小范圍到二點位置上，但其中一點為非我們所在的位置極有可能在太空中的某一點，因此，我們舍棄這一點參考點，選擇另一點為位置參考點。

如果要獲得更精確的定位，則必定要再測量第四個顆衛(wèi)星，從基本物理的觀念上來說，以訊號傳輸?shù)臅r間乘以速度即是我們與衛(wèi)星的距離，我們將此測得的距離稱為虛擬距離，在GPS的測量上，我們測的是無線信號，速度幾乎達18萬6千英哩/Sec的光速，而時間卻短的驚人，甚至只要0.06秒，時間的測量需要二個不同的時表，一個時表裝置于衛(wèi)星上以記錄無線電信號傳送的時間，另一個時表則裝置在接收器上，用以記錄無線電信號接收的時間，雖然衛(wèi)星傳送信號至接收器的時間極短，但時間上并不同步，假設(shè)衛(wèi)星與接收器同時發(fā)出聲音給我們，我們會聽到二種不同的聲音，這是因為衛(wèi)星從11,000英哩遠的地方傳來，所以會有延遲的時間，因此，我們可以延遲接收器的時間，從此延遲的時間╳速度，就是接收器到衛(wèi)星的距離，此即為GPS的基本定位原理。

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