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    GPS、GIS与导航全概述

    2006-06-14 中国自动化

          GPS全球定位系统叫做Global Position System开头字母的缩写。它是美国从上世纪70年代开始研制,历时20年,耗资近200亿美元,于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距,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。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今,GPS已经成为当今世界上最实用,也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 
       二、GPS发展历程
       GPS实施计划共分三个阶段:
       第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。
       第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。
       第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。
       三、GPS组成
       GPS系统主要包括有三大组成部分即空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分。
       GPS系统的空间部分由24颗GPS工作卫星所组成,这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座,其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星,均匀分布在6个轨道面上,地面高度为20000余公里,轨道倾角为55度,扁心率约为0,周期约为12小时,卫星向地面发射两个波段的载波信号,载波信号频率分别为1.57542GHz(L1波段)和1.2276GHz(L2波段),卫星上安装了精度很高的原子钟(铯钟或氢钟其稳定度可达10-12至10-14量级。),以确保频率的稳定性,在载波上调制有表示卫星位置 的广播星历,用于测距的C/A代码和P代码,以及其它系统信息,能在全球范围内,向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。每颗卫星在L波段的两个频率上(L1=1.57542GHz,L2=1.2276GHz)连续发射用C/A代码、P代码调制的扩频信号。为了接收来自卫星的信息,GPS接收机必须了解各个卫星的固有代码。使用在标准测位用叫做C/A代码,为了补足高精度测位所使用的P代码,也使用了C/A代码。所谓C/A是Clear and Acquisition或Coarce and Acquisition的简称,P是Precision或Protect的意思。
       C/A代码每1ms重复一次(位率1.023MHz,L2上不用)。P代码(主要为军用)每七天重复一次(位率10.23MHz),卫星发射功率约35W因此到达地面的信号强度可达-105——-125dbm。
       地面控制部分是整个系统的中枢,由美国国防部JPO管理,它由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。卫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,求出时钟差。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的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础,均为美国所控制。
       用户设备部分主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。GPS卫星接收机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,实时地计算出观测站的三维位置,甚至三维速度和时间,最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
       四、GPS测量原理
       GPS定位是利用三点定位原理,即知道未知点距离已知点的距离,未知点必然位于以已知点为球心的,距离为半径的球上,测出未知点和三个已知点的距离,则未知点在三个球圆周的相交处(为两个点时,因有接收方向,故有一个处于接收背面的点可以舍去),从而准确的测出未知点的位置。
       GPS接收机收到来自卫星无线电波的信号,根据电波到达所需要的时间,测出距卫星的距离(s=t×c距离,t为电波到达的时间,c是电磁波的速度约为3000000米/秒)。测量与时间有着极大的关系,先介绍一下时间有关的术语。
       原子时:1967年10月的第13次国际度量衡总会中,规定铯原子钟作为决定国际性时间的基本标准器。简单的说,是规定铯原子的振动频率为9.192631770GHz,以此种频率为基准,来表示刻划的时刻叫做原子时。由于铯原子振动频率稳定度极高(如前述能达到10-12至10-14量级),能达到三万年相差不超过一秒的时间精度。
       星历:精确描述天体(如GPS卫星)位置的以时间为变量的函数的一组参数。目前,GPS星历有“广播星历”和后处理的“精密星历”。
     测量精度很大程度上取决于时间精度,这也是卫星上搭载了原子钟的原因,为了准确地得到电磁波到达的时间,需要GPS接收机也要有同样高精度的时间,为了把接收机制造成小型和价廉起见,不可能使用昂贵的原子钟。解决方法是,追加另一颗卫星的信息,来寻求正确的时间,这样一来,为了进行正确的测位,必须接收来自四颗卫星的电磁波,目前,多数导航是通过这种方法实现的。
        五、GPS的信号
        GPS卫星发射两种频率的载波信号,即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:
     C/A代码:C/A代码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A代码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A代码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。 
       P代码:P代码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P代码与W代码进行模二相加生成保密的Y代码,此时,一般用户无法利用P代码来进行导航定位。 
       Y代码:见P代码。
       导航信息:导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星历。 
       六、GPS定位方法
       GPS定位的方法是多种多样的,用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准,作如下划分: 
       l 根据定位所采用的观测值 
       伪距定位:伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值,所采用的伪距观测值既可以是C/A代码伪距,也可以是P代码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单,对定位条件的要求低,不存在整周模糊度的问题,可以非常容易地实现立即寻址;其缺点是观测值精度低,C/A 代码伪距观测值的精度一般为30米,而P代码伪距观测值的精度一般也在3米左右,从而导致定位成果精度低,另外,若采用精度较高的P代码伪距观测值,还存在AS的问题。 
       载波相位定位:载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值,即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高,一般优于2个毫米;其缺点是数据处理过程复杂,存在整周模糊度的问题。
       l 根据定位的模式
       绝对寻址:绝对寻址又称为单点定位,这是一种采用一台接收机进行定位的模式,它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单,可以单机作业。绝对寻址一般用于导航和精度要求不高的应用中。 
       相对定位:相对定位又称为差分定位,这种定位模式采用两台以上的接收机,同时对一组相同的卫星进行观测,以确定接收机天线间的相互位置关系。 
       l 根据获取定位结果的时间
       立即寻址:立即寻址是根据接收机观测到的资料,实时地解算出接收机天线所在的位置。 
        非立即寻址:非立即寻址又称后处理定位,它是通过对接收机接收到的资料进行后处理以进行定位得方法。 
        l 根据定位时接收机的运动状态 
        动态定位:所谓动态定位,就是在进行GPS定位时,认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说,在数据处理时,将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。 
       静态定位:所谓静态定位,就是在进行GPS定位时,认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说,在数据处理时,将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中,静态定位一般用于高精度的测量定位,其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测,时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。
        七、GPS应用
        GPS最初为美国军方所专用,由其控制和操作。海湾战争后,开放了C/A代码,并且降低了它的精度。尽管如此,GPS全天候向全球瞬时提供高精度定位及时间信息,引起了全世界的强烈兴趣。各国科技工作者研究出种种方法,如相位法、差分测量法等等,大大提高了测量结果的精度,满足了各国广泛应用的要求,同时也推动了GPS导航定位技术的迅速发展,下面是GPS在一些典型应用:
     n 高空科学气球GPS跟踪定位系统
     n 移动车辆GPS自动定位技术
     n 3GPS精密计时
     n 利用GPS技术确定地球卫星轨道
     n 舰船、飞机的导航定位
     n 导弹的精确制导
     目前,全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。下面以它在交通运输系统中的运用为例,简要说明一下:
       1、 GPS在道路工程中的应用
       GPS在道路工程中的应用,目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展,对勘测技术提出了更高的要求,由于线路长,已知点少,因此,用常规测量手段不仅布网困难,而且难以满足高精度的要求。目前,国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网,如沪宁、沪杭高速公路的上海段就是利用GPS建立了首级控制网,然后用常规方法布设导线加密。实践证明,在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右,达到了常规方法难以实现的精度,同时也大大提前了工期。
       2、 GPS在汽车导航和交通管理中的运用
       三维导航是GPS的首要功能,飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用GPS导航接收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD—ROM驱动器、LCD显示器组成。
       GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信号(三颗以上),求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。为提高汽车导航定位精度,通常采用差分GPS技术。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到GPS卫星信号时,系统可自动导入自律导航系统,此时由车速传感器检测出汽车的行进速度,通过微处理单元的数据处理,从速度和时间中直接算出前进的距离,陀螺传感器直接检测出前进的方向,陀螺仪还能自动存储各种资料,即使在更换轮胎暂时停车时,系统也可以重新设定。
       由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标资料、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差,为修正这两者的误差,与地图上的路线统一,需采用地图匹配技术,加一个地图匹配电路,对汽车行驶的路线与电子地图上道路误差进行实时相关匹配作自动修正,此时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理,得到汽车在电子地图上的正确位置,以指示出正确行驶路线。CD-ROM用于存储道路资料等信息,LCD显示器用于显示导航的相关信息。
     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,可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能,这些功能包括:
     l 车辆跟踪 
     l 提供出行路线规划和导航
     l 信息查询
     l 话务指挥
     l 紧急援助
       GPS除了用于导航、定位、测量外,由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息,因此,以空间卫星上的精确时钟为基础,在地面监测站的监控下,传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用。全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一,其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。
       八、导航的概念
       导航是一个技术门类的总称,它是引导飞机、船舶、车辆以及个人(总称作运载体)安全、准确地沿着选定的路线,准时到达目的地的一种手段。导航的基本功能是回答:我现在在哪里?我要去哪里?如何去? 
       九、导航系统概念
       导航应由导航系统完成,包括装在运载体上的导航设备以及装在其它地方与导航设备配合使用的导航台。从导航台的位置来看,主要有: 
     陆基导航系统: 即导航台位于陆地上,导航台与导航设备之间用无线电波联系。
     星基导航系统:导航台设在人造卫星上,扩大覆盖范围。
     GPS导航系统属于星基导航系统。
       十、主要导航系统简介
     在卫星定位系统出现之前,远程导航与定位主要用无线导航系统。
     1、 无线电导航系统
     Ø 罗兰--C:工作在100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作区域2000KM,一般精度200-300M。
     Ø Omega(奥米茄):工作在十几千赫。由八个地面导航台组成,可覆盖全球。精度几英里。
     Ø 多卜勒系统:利用多卜勒频移原理,通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角),推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。
     缺点:覆盖的工作区域小;电波传播受大气影响;定位精度不高。
     2、 卫星定位系统
     Ø 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小(5-6颗),运行高度较低(平均1000KM),从地面站观测到卫星的时间隔较长(平均1.5h),因而它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低。
     Ø 全球导航卫星系统GLONASS:GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写,是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统,也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统从理论上有24颗卫星,但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题,实际上的可用卫星远远少于24,目前有8颗供使用的卫星。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成,均匀分布在3个近圆形的轨道平面上,每个轨道面8颗卫星,轨道高度19100公里,运行周期11小时15分,轨道倾角64.8°。与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式,根据载波频率来区分不同卫星(GPS是码分多址(CDMA),根据调制码来区分卫星)。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz),其中k=1~24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同,均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码:S代码和P代码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。另外,俄计划将系统发播频率改为GPS的频率,并得到美罗克威尔公司的技术支持。下表是GPS与GLONASS的比较:
     项目 GPS系统 GLONASS系统
     星座卫星数 24 24
     轨道面个数 6 3
     轨道高度 20183公里 19100公里
     运行周期 11小时58分 11小时15分
     轨道倾角 55度 65度
     载波频率 L1:1575.42MHz L1:1602.56-1615.50MHz
     L2:1227.60MHz L2:1246.44-1256.50MHz
     传输方式 码分多址 频分多址
     调制码 C/A代码和P代码 S代码和P代码
     时间系统 UTC UTC
     坐标系统 WGS-84 SGS-E90
     SA 有(2000年5月1日取消) 无
     AS 有 无
     GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化,它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题,可以满足不同用户的需要。
     十、GPS优点
     GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其它导航系统相比,主要特点有如下六个方面。 
     1、定位精度高
     GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。
     2、观测时间短
     随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20km以内相对静态定位,仅需15~20min;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15km以内时,流动站观测时间只需1~2min,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟,立即寻址速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在1s甚至更小的时间内便可完成,这对高动态用户来讲尤其重要。 
     3、执行操作简便
     随着GPS接收机不断改进,自动化程度越来越高,有的已达“傻瓜化”的程度;接收机的体积越来越小,重量越来越轻,极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。
     4、全球、全天候作业
     由于GPS卫星数目较多且分布合理,所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星,从而保障了全球。全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在一天24h内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
     5、功能多、应用广
     GPS系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s,测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。
     十一、汽车GPS导航系统与汽车GPS防盗系统
     GPS防盗车安全系统是GPS与通信技术结合,对移动的车辆进行监控,通过中心控制台确定车辆的移动方位。当汽车失窃时,可以报由中心控制台来发现其逃跑路线,进而实施截获,也是GPS的一种实际运用,目前国内有多家从事GPS防盗系统开发、生产的厂家。
     汽车GPS导航系统则是GPS与GIS(地理信息系统)、语音技术、操作系统、数据库、多媒体技术及多种测量技术等相结合的产物。移动车辆接收来自GPS的定位信号,并在数字化的电子地图上显示出来,并通过语音提示,对驾驶者进行道路指引。
       GIS概述
       一、GIS的定义
       GIS是地理信息系统 (Geographic information System)的简写,它是一套可以整合各项相关地理资料的信息化操作系统,其架构于一完整丰富的地理数据库之上,并具有资料撷取、编修、更新、储存、查询、处理、分析及展示等不同功能。
     举例如都市信息系统、土地监控系统、地籍信息系统、交通信息系统及环境监控系统、流域管理系统等等,皆属于地理信息系统的一环。
     就GIS系统所处理的资料来说,我们可以简单的将其分类为空间数据与属性数据二种。
       空间资料(Spatial Data)是与地理位置有关的资料,一般来说是以坐标的方式来表示,如经纬度坐标、世界横麦卡托坐标皆是。
       属性资料(Attribute Data)则是与地理位置无关的资料,如街道名称、河川名称/长度、或与地籍有关的地号、地目、所有人等等均属此类。
       在空间资料中的各个对象,彼此之间有其空间关联性,再加上空间资料与属性资料之间的连结关系,也就构成一个GIS系统兼具查询、显示、分析、数据管理等之多功能、效率高之整合性系统。
       二、地图的本质
       地图是一种储存地理资料的工具,目前保留下来的最早期地图,就是为了记录土地的所有权而制作的。
     我们可以由地图上量取地面的一些性质或是一组地理现象之间彼此的关联性;地图是一种以图像的方式,来呈现地球上的现象;地图是一个地方的图画,而这个图画显示了物体在哪里;地图可以表现房间里的物;地图可以表现城镇中的房子、建筑 物和街道;地图可以表现县市或国家中的城镇、湖泊和山脉;地图还可以表现我们居住地方许多其它的东西。
        地图是许多决策支持分析时的重要工具,有许多作业是野外的现场所无法进行分析的,例如:坡度的计算、视域图的计算等,都有赖于图面上的分析。在进行环境影响评估的时候,我们可以由图面上的作业来分析那些地区是冲击比较大;那些是冲击比较小的。随着环境问题的日益严重,有关于自然环境的分析及研究成为众所瞩目的问题,地图的使用是自然环境分析时的利器,可以解决许多问题,所以地图的使用也日形重要,不再是地理学者的专利,可以预见的是地图的分析功能越来越重要。
        不论在旅行、航海、储存资料、研究、环境规划、野外实习等都可使用地图来作为辅助的工具。
        三、地图的分类
        每一张地图都是一种真实世界的缩影,在地图和真实世界之间也就存在着一个比例,依据这一个比例的大小,可以将地图分成大比例、中比例和小比例地图。
        大小比例尺并没有一定的定义,根据每一个国家的幅员大小、社会经济条件而有不同的定义。
        一般而言,大于1:50,000的地图,都可以称为大比例尺地图,亦即一般普通目的地图都落在这一类。相对的,主题地图大都是小比例尺的地图,如台湾地区的气候图等。
        四、地图学的数学问题
        地图是用来表现地理现象的一种模型,所以绘制地图的第一个工作是调查地面现象的实际情形,诸如这些现象分布的位置、形状、面积、距离等等,都是所要调查的空间特性资料。
        地理现象的位置是所有空间特性的基础,有了位置资料我们就可以进一步求算距离、面积、形状等,和地图绘制非常相关的一个工作就是测量,测量工作的目的在于调查和记录空间资料的位置。
        为了记录测量的结果,我们必须要有一套坐标系统,使得地表上的任一个地点都有独特的坐标值,如此我们才可以明确地记录各种地理现象的位置,如:海岸线位置、国界、测站的位置等,然后才可以进一步将这些现象绘制在地图上。
        五、投影
        绘图之前,地图学者必须依据所欲绘制地区的范围和图面的大小来决定一个比例尺,这个比例尺可以视为绘图所依据的地球仪和实际地球之间的比例。
        比例尺决定之后,绘图者必须想办法将地球仪上面的球面位置转绘成地图上的平面坐标。这是一个比较棘手的问题,因为地球的外形近似于一个球体,无法原原本本的被转换成平面,必须加以拉扯、变形之后,才可能转换到平面上的坐标。以科学性的叙述而言,这个工作是将地球仪上的几何现象投影到一个平面上,所以我们称这种转换为地图投影。
        地图学者已发明了三百种左右的投影方法。从球面上转换成平面的过程,我们没有办法将球面上的所有几何性质都完整地保留至平面上,所以每个投影方法一定都有一些扭曲或变形,亦即有它的优点和缺点,绘图者可以依据制图目的和需要来选择一个合适的方法,读图的时候也必须了解各种投影的意义和它的变形程度,才能充分掌握地图上的信息。
        六、经度与纬度的定义
        根据地球的形状和转动的方向,古代的希腊人发明了以经线和纬线来界定地球表面位置的坐标系统。
        这套系统以南极、北极和赤道作为基准。南北极则是地球的旋转和地表相交的二个端点,那么赤道又是什么呢?我们可以想象有一个很大的平面,它通过地球的中心,而且与地球的旋转轴垂直,这一个平面和地球表面切割出来的圈就是赤道。
        如果我们以二个数值来表现地面上任一地点的坐标值,那么其中一个可以由距离赤道的远近来界定,这个值也就是纬度,我们以赤道的纬度为零,赤道以北为北纬,赤道以南为南纬,距离赤道越近的地方纬度就越小,南北极的纬度最大,各为九十度。
        经线是和赤道垂直相交的一组线,从南极连接至北极。纬度是用来界定地面上任一地点的南北方向的值,经度则是用来定义东西向的值,由于地球一圈是360度,所以全世界的经度也分成360度。


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