高二地理 第三章第三節(jié) 全球定位系統及其應用 課件必修三

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1、第三章第三章第第三三節(jié)節(jié)全球定位系統及其應用全球定位系統及其應用 一、一、全球定位系統全球定位系統(一)全球定位系統的概念(一)全球定位系統的概念 全球定位系統全球定位系統(Global positioning system,簡稱,簡稱GPS)是具有在是具有在海、陸、空海、陸、空進進行行全方位全方位、實時、實時三維導航三維導航與與定定位功能位功能的新一代的新一代衛(wèi)星導航衛(wèi)星導航與與定定位系統位系統??缭秸系K跨越障礙 全球定位系統的特點是什么全球定位系統的特點是什么 (1)全球,全天候工作全球,全天候工作。 (2)能為用戶提供能為用戶提供連續(xù)連續(xù)、實時的三維位置實時的三維位置、三維速度三維速度和

2、和精精密時間密時間,不受天氣不受天氣的影響。的影響。 (3)定位精度高定位精度高:單機定位精度優(yōu)于:單機定位精度優(yōu)于10米,采用差分定位,米,采用差分定位,精度可達厘米級和毫米級。精度可達厘米級和毫米級。 (4)功能多,應用廣功能多,應用廣:隨著人們對:隨著人們對GPS認識的加深,認識的加深,GPS不僅在測量、導航、測速、測時等方面取得更廣泛的應不僅在測量、導航、測速、測時等方面取得更廣泛的應用而且其應用領域不斷擴大。用而且其應用領域不斷擴大。 閱讀指導閱讀指導 GPS的起源的起源 在衛(wèi)星定位系統出現之前,在衛(wèi)星定位系統出現之前,遠程導航與定位主要用無線電導遠程導航與定位主要用無線電導航系統。

3、航系統。1無線電導航系統無線電導航系統 缺點:覆蓋的工作區(qū)域小;電缺點:覆蓋的工作區(qū)域??;電波傳播受大氣影響;定位精度不波傳播受大氣影響;定位精度不高。高。2衛(wèi)星定位系統衛(wèi)星定位系統 最早的衛(wèi)星定位系統是美國的最早的衛(wèi)星定位系統是美國的子午儀子午儀系統系統(TRANSIT),1958年研制年研制1964年年正式投入使用。由于該系統衛(wèi)星數目較正式投入使用。由于該系統衛(wèi)星數目較少少(56顆顆),運行高度較低,運行高度較低(平均平均1 000 km),從地面站觀測到衛(wèi)星的時間間隔,從地面站觀測到衛(wèi)星的時間間隔較長較長(平均平均15 h),因而它無法提供連,因而它無法提供連續(xù)的實時三維導航,而且精度較

4、低。為續(xù)的實時三維導航,而且精度較低。為滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實時和滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實時和三維導航的迫切要求,三維導航的迫切要求,1973年美國國防年美國國防部制定了部制定了GPS計劃。計劃。3GPS發(fā)展歷程發(fā)展歷程 GPS實施計劃共分實施計劃共分三個階段三個階段: 第一階段為方案論證和初步設計階段第一階段為方案論證和初步設計階段。從從1973年到年到1979年,共發(fā)射了年,共發(fā)射了4顆試驗顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網。蹤網。 第二階段為全面研制和試驗階段第二階段為全面研制和試驗階段。從。從1979年到年到1984年,又陸續(xù)發(fā)

5、射了年,又陸續(xù)發(fā)射了7顆試顆試驗衛(wèi)星。研制了各種用途的接收機。實驗衛(wèi)星。研制了各種用途的接收機。實驗表明,驗表明,GPS定位精度遠遠超過設計標定位精度遠遠超過設計標準。準。 第三階段為實用組網階段第三階段為實用組網階段。1989年年2月月4日第一顆日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)工作衛(wèi)星發(fā)射成功,表明射成功,表明GPS系統進入工程系統進入工程建設階段。建設階段。1993年底實用的年底實用的GPS網即網即(21+3)GPS星座已經建成,星座已經建成,今后將根據計劃更換失效的衛(wèi)星。今后將根據計劃更換失效的衛(wèi)星。(二)全球定位系統的組成(二)全球定位系統的組成系統結構系統結構 空間空間位置位置組成和分布組成

6、和分布全全球球定定位位系系統統GPS衛(wèi)星衛(wèi)星星座星座地面地面監(jiān)控監(jiān)控系統系統GPS信信號接收號接收機機空空間間由由2l顆工作衛(wèi)星和顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)顆在軌備用衛(wèi)星組成,星組成,24顆衛(wèi)星均勻分布在顆衛(wèi)星均勻分布在6個個軌道平面內軌道平面內地地 面面由分布在全球的由分布在全球的5個地面站個地面站(包括包括5個監(jiān)控個監(jiān)控站、站、1個主控站和個主控站和3個注入站,主控站和個注入站,主控站和注入站都位于監(jiān)控站里注入站都位于監(jiān)控站里)組成組成用用 戶戶導航型接收機、測地型接導航型接收機、測地型接收機、授時接收機收機、授時接收機v請思考:請思考:讀讀右圖,右圖,相相鄰兩個鄰兩個GPS星座衛(wèi)星軌星座

7、衛(wèi)星軌道平面之間道平面之間的夾角是多的夾角是多少度少度?()v每個衛(wèi)星每個衛(wèi)星軌道上各有軌道上各有幾顆衛(wèi)星幾顆衛(wèi)星?它們兩兩相它們兩兩相隔多少度隔多少度? ()604顆顆;90(1)GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 由由21顆工作衛(wèi)星和顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)顆在軌備用衛(wèi)星組成。星組成。GPS衛(wèi)星星座記作衛(wèi)星星座記作(2l+3)GPS星座。星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平個軌道平各個軌道平面之間的夾角為各個軌道平面之間的夾角為60度度(2)地面監(jiān)控系統地面監(jiān)控系統 對于導航定位來說對于導航定位來說GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據衛(wèi)星發(fā)射的星歷置是依

8、據衛(wèi)星發(fā)射的星歷描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數算得的。每顆算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)衛(wèi)星所播發(fā)的星歷是由地面監(jiān)控系統提供的星歷是由地面監(jiān)控系統提供的。的。衛(wèi)星上的各種設備是否正常工作以及衛(wèi)衛(wèi)星上的各種設備是否正常工作以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行,都要由星是否一直沿著預定軌道運行,都要由地面設備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系地面設備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同統另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準一時間標準GPS時間系統。這就需時間系統。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間求出鐘差。要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給

9、衛(wèi)星,衛(wèi)星再由然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星,衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設備。導航電文發(fā)給用戶設備。GPS工作衛(wèi)星工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統包括一個主控站、三個的地面監(jiān)控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。注入站和五個監(jiān)測站。地面監(jiān)控系統地面監(jiān)控系統(1 1)主控站)主控站(2 2)監(jiān)測站)監(jiān)測站(3 3)注入站)注入站請你說說各自的組成和功能請你說說各自的組成和功能?監(jiān)測站監(jiān)測站獲取獲取GPSGPS數據數據, ,并將并將數據送至主控站。數據送至主控站。主控站主控站-控制、調度衛(wèi)星。控制、調度衛(wèi)星。注入站注入站 將主控站的改正參將主控站的改正參數等注入每顆衛(wèi)星。數等注入每顆衛(wèi)星。 美國全球定位系統

10、地面監(jiān)控系統美國全球定位系統地面監(jiān)控系統 由均勻分布在美國本土和三大洋的美由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的軍基地上的1 1個個主控站、主控站、3 3個注入站、個注入站、5 5個個監(jiān)測站監(jiān)測站構成。該系統的功能是:對空構成。該系統的功能是:對空間衛(wèi)星系統進行監(jiān)測、控制,并向每顆間衛(wèi)星系統進行監(jiān)測、控制,并向每顆衛(wèi)星注入更新的導航電文。衛(wèi)星注入更新的導航電文。 主控站位于美國科羅拉多的斯平士主控站位于美國科羅拉多的斯平士(Colorado SpringsColorado Springs)的聯合空間執(zhí)行中心)的聯合空間執(zhí)行中心(CSOCCSOC),三個注入站分別設在),三個注入站分別設在大

11、西洋、印大西洋、印度洋和太平洋的三個美國軍事基地上度洋和太平洋的三個美國軍事基地上,即大西,即大西洋的阿松森島(洋的阿松森島(AscensionAscension)、印度洋的迭)、印度洋的迭哥哥伽西亞伽西亞( (島島Diego Garcia)Diego Garcia)和太平洋的夸和太平洋的夸賈林島賈林島Kwajalein),Kwajalein),五個監(jiān)測站設在主控站和五個監(jiān)測站設在主控站和三個注入站以及夏威夷島。三個注入站以及夏威夷島。 (3)GPS信號接收機信號接收機 組成組成:GPS衛(wèi)星接收機衛(wèi)星接收機 GPS數據處理軟件數據處理軟件 任務任務:能夠能夠捕獲捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止到按一定

12、衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測角所選擇的待測衛(wèi)星的信號衛(wèi)星的信號,實時地計,實時地計算出測站的三維坐標,甚至三維速度和算出測站的三維坐標,甚至三維速度和時間。時間。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號,是一種衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號,是一種可供無數用戶可供無數用戶共享共享的信息資源。對于陸的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶,只要用戶地、海洋和空間的廣大用戶,只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備即信號的接收設備即GPS信號接收機??尚盘柦邮諜C??梢栽谝栽谌魏螘r候任何時候用用GPS信號進行導航定位信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同,用戶要求測量。

13、根據使用目的的不同,用戶要求的的GPS信號接收機也各有差異。目前世信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產界上已有幾十家工廠生產GPS接收機,接收機,產品也有幾百種。這些產品可以按照原產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。理、用途、功能等來分類。 手機和手表上的GPS 手持型的GPS 測繪使用的GPS 航空與航海使用的GPS GPSGPS信信號號接接收收機機(三) . GPS 接收機的類型類型類型應應 用用特點特點導航型導航型接收機接收機測地型測地型接收機接收機授時接授時接收機收機閱讀指導閱讀指導手持型手持型 CPS 接收機接收機應用領域應用領域性能性能優(yōu)點優(yōu)點功

14、能功能手持型手持型 GPS 接收機接收機多為導多為導航使用航使用液晶顯液晶顯示,導示,導航畫面航畫面清晰,清晰,配有背配有背景燈,景燈,方便夜方便夜問操作問操作功能鍵功能鍵齊全齊全不需要地不需要地面輔助設面輔助設備,只要備,只要收到衛(wèi)星收到衛(wèi)星信號,就信號,就能快速定能快速定位,不受位,不受天氣、行天氣、行政區(qū)域的政區(qū)域的限制限制能夠計算當地的能夠計算當地的國際標準時問,國際標準時問,處于運動狀態(tài)還處于運動狀態(tài)還能指出能指出 i 北方北方向,并將經過的向,并將經過的地點、路線記錄地點、路線記錄下來,方便返回下來,方便返回時用;計算兩點時用;計算兩點間的距離,實現間的距離,實現坐標系間的相互坐標

15、系間的相互轉換;計算日出、轉換;計算日出、日落時間日落時間閱讀閱讀: P97“終結終結GPS壟斷壟斷 許多國家發(fā)展衛(wèi)星許多國家發(fā)展衛(wèi)星導航定位系統導航定位系統”,了解世界上發(fā)展,了解世界上發(fā)展GPS的一些國家概況。的一些國家概況。 1 1、GPSGPS在軍事上的應用在軍事上的應用3 3、GPSGPS在交通上的應用在交通上的應用4 4、GPSGPS在旅游探險中的應用在旅游探險中的應用2 2、民用、民用GPSGPS 軍事是軍事是GPSGPS技術最早的應用領域技術最早的應用領域, ,主要是為主要是為各種軍事活動提供定位導航各種軍事活動提供定位導航. .在現代戰(zhàn)爭中,在現代戰(zhàn)爭中,不僅陸、海、空三軍,

16、而且許多高科技武器彈不僅陸、海、空三軍,而且許多高科技武器彈藥等,也都開始采用藥等,也都開始采用GPSGPS技術進行定位導航。技術進行定位導航。 目前精確制導武器復合制導的重要技術目前精確制導武器復合制導的重要技術手段。裝備手段。裝備GPSGPS制導系統之前制導系統之前, ,美軍美軍BGM-BGM-10C“10C“戰(zhàn)斧戰(zhàn)斧”巡航導彈誤差約為巡航導彈誤差約為9 9米;在其米;在其“慣慣性和地形匹配性和地形匹配”制導系統中加入制導系統中加入GPSGPS后,誤差后,誤差降至降至3 3米,制導精度大大提高。米,制導精度大大提高。 2 2、民用、民用GPSGPS 主要用于交通車輛導航管理、主要用于交通車

17、輛導航管理、航空器定位及導航,以及大地測航空器定位及導航,以及大地測量野外勘測、緊急求援、旅游探量野外勘測、緊急求援、旅游探險、農業(yè)監(jiān)測、生態(tài)研究等方面。險、農業(yè)監(jiān)測、生態(tài)研究等方面。3 3、GPSGPS在交通上的應用在交通上的應用4 4、戶外旅游探險:、戶外旅游探險: 余純順余純順在羅布泊探險遇難時離最近的補給站在羅布泊探險遇難時離最近的補給站僅幾百米。風沙淹埋了前人走過的足跡,在茫茫僅幾百米。風沙淹埋了前人走過的足跡,在茫?;哪杏挚视逐I的他終于倒下了。如果當時他有荒漠中又渴又餓的他終于倒下了。如果當時他有一臺一臺 GPSGPS接收機,慘劇又何以發(fā)生?接收機,慘劇又何以發(fā)生? 在地廣人稀沒

18、有任何參照物可用以辨別方向在地廣人稀沒有任何參照物可用以辨別方向的情況下,危險無時無刻不在的情況下,危險無時無刻不在, ,手持手持GPSGPS接收機沿接收機沿著機中記錄的安全軌跡小心行進,可安全返航。著機中記錄的安全軌跡小心行進,可安全返航。 目前,許多休閑俱樂部圍繞目前,許多休閑俱樂部圍繞GPSGPS功能相繼推出功能相繼推出“穿越穿越”、“尋寶尋寶”、“野外拓展野外拓展”等都市游戲,豐富等都市游戲,豐富了人們周末生活,提高了人們生活品位,深得戶了人們周末生活,提高了人們生活品位,深得戶外運動愛好者的歡迎。外運動愛好者的歡迎。內置天線內置天線翻頁翻頁光標鍵光標鍵定位鍵定位鍵輸入鍵輸入鍵顯示屏顯

19、示屏導航鍵導航鍵開機鍵開機鍵退出鍵退出鍵圖圖1-1地平線地平線衛(wèi)星編號衛(wèi)星編號衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號圖圖1-21-2 C:C:定位定位 鍵,顯示標定位置畫面如圖鍵,顯示標定位置畫面如圖1-41-4所所示,經緯度為示,經緯度為N32N3203.23203.232,E118E11845.92345.923海拔高度海拔高度1717米等信息米等信息圖1-4第三章第三章第第三三節(jié)節(jié)全球定位系統及其應用全球定位系統及其應用 二、二、全球定位系統與定位導航全球定位系統與定位導航1 . GPS 靜態(tài)導航定位與動態(tài)導航定位靜態(tài)導航定位與動態(tài)導航定位靜態(tài)定位中靜態(tài)定位中, GPS 接收機在接收機在捕獲和跟蹤捕獲和跟蹤

20、GPS 衛(wèi)星的過程衛(wèi)星的過程中固定不變,接收機高精度地中固定不變,接收機高精度地測量測量 GPS 信號的傳播時間,信號的傳播時間,利用利用 GPS 衛(wèi)星在軌的已知位衛(wèi)星在軌的已知位置,解算出接收機天線所在位置,解算出接收機天線所在位置的三維坐標。置的三維坐標。而而動態(tài)定位動態(tài)定位則是用則是用 GPS 接收機側定接收機側定一個運動物體的運行軌跡。一個運動物體的運行軌跡。 GPS 信信號接收機所位于的運動物體叫做載號接收機所位于的運動物體叫做載體(如航行中的船艦,空中的飛機,體(如航行中的船艦,空中的飛機,行走的車輛等)。載體上的行走的車輛等)。載體上的 GPS 接接收機天線在跟蹤收機天線在跟蹤

21、GPS 衛(wèi)星的過程中衛(wèi)星的過程中相對地球而運動,接收機用相對地球而運動,接收機用 GPS 信信號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數(瞬間三維位置和三維速度)(瞬間三維位置和三維速度)2 . GPS 的用途的用途 GPS 最初就是為軍方提供精最初就是為軍方提供精確定位而建立的,至今它仍然由確定位而建立的,至今它仍然由美國軍方控制。軍用美國軍方控制。軍用 GPS 產品產品主要用來確定并跟蹤在野外行進主要用來確定并跟蹤在野外行進中的士兵和裝備的坐標、給海中中的士兵和裝備的坐標、給海中的軍艦導航、為軍用飛機提供位的軍艦導航、為軍用飛機提供位置和導航信息等。置和導航信息等。2 .

22、 GPS 的用途的用途 目前目前 GPS 系統的應用已系統的應用已經十分廣泛,我們可以應用經十分廣泛,我們可以應用 GPS 信號進行??蘸完懙氐男盘栠M行??蘸完懙氐膶Ш?、導彈的制導、大地測量導航、導彈的制導、大地測量和工程側量的精密定位、時間和工程側量的精密定位、時間的傳遞和速度的測量等。的傳遞和速度的測量等?!?閱讀指導閱讀指導 】 車載車載 GPS 的功用的功用信息接收信息接收信息發(fā)射信息發(fā)射應用領域應用領域通過車載通過車載 GPS, 可以在顯示屏可以在顯示屏上及時查看車上及時查看車輛所在的經緯輛所在的經緯度、運行軌跡、度、運行軌跡、速度、行進方速度、行進方向等向等車載電臺把定車載電臺把定

23、位信息發(fā)送給位信息發(fā)送給監(jiān)控中心,在監(jiān)控中心,在電子地圖電子地圖上上 顯顯示出來,可對示出來,可對車輛進行調度車輛進行調度指揮指揮城城市市公共汽車公共汽車調度管理,旅調度管理,旅游區(qū)車輛報警游區(qū)車輛報警與調度,海關、與調度,海關、公安、海防等公安、海防等部門對車輛的部門對車輛的調度與監(jiān)控調度與監(jiān)控【 閱讀指導閱讀指導 】 GPS 在航海、航空導航中的應用在航海、航空導航中的應用應用類型應用類型應用領域應用領域應用作用應用作用航海航海應用應用航空航空應用應用向用戶提供船舶位置、向用戶提供船舶位置、航速、航向信息、海航速、航向信息、海圖、海跡顯示圖、海跡顯示避免船只沖撞,避免船只沖撞,確保航行安全

24、確保航行安全把自己的位置把自己的位置和航向發(fā)送到和航向發(fā)送到航海管理航海管理 中中 心心便于中心的跟便于中心的跟蹤、搜尋和救援蹤、搜尋和救援空域航路、著空域航路、著陸、機場監(jiān)視陸、機場監(jiān)視和管理和管理實現空域劃分、空實現空域劃分、空中交通流量管理、中交通流量管理、飛行路徑管理飛行路徑管理例例1 下列關于全球定位系統的下列關于全球定位系統的敘述。不正確的是敘述。不正確的是( ) A GPS是利用衛(wèi)星進行導航、定位的系統是利用衛(wèi)星進行導航、定位的系統BGPS包括兩大部分,即空間部分和包括兩大部分,即空間部分和地面控制部分地面控制部分C GPS衛(wèi)星星座由衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成顆衛(wèi)星組成D野外旅行,

25、只要擁有野外旅行,只要擁有GPS信號接收信號接收機,可隨時知道自己所處的經緯度機,可隨時知道自己所處的經緯度B解析解析:全球定位系統包括三大部分。:全球定位系統包括三大部分。即空間星座、地面控制系統和用戶系統。即空間星座、地面控制系統和用戶系統。例例 2 1999 年年 3 月月 27 日,北約部隊一架日,北約部隊一架 F 一一 117A 隱形戰(zhàn)斗機被南聯盟防空部隱形戰(zhàn)斗機被南聯盟防空部隊擊落。飛行員跳傘后在腳觸地的一剎隊擊落。飛行員跳傘后在腳觸地的一剎那,通過手持型信號發(fā)射器發(fā)出緊急呼那,通過手持型信號發(fā)射器發(fā)出緊急呼救信號,當間諜衛(wèi)星把呼救信號傳送到救信號,當間諜衛(wèi)星把呼救信號傳送到北約空

26、襲南聯盟指揮所后,美軍立即安北約空襲南聯盟指揮所后,美軍立即安排了救援行動。排了救援行動。 6 小時后,當一架小時后,當一架 EA 一一 6B 電子干擾機發(fā)現飛行員的準確位電子干擾機發(fā)現飛行員的準確位置時,一架置時,一架 MH 一一 6oG 搜索與救援直搜索與救援直升機降落在飛行員面前,把飛行員接上升機降落在飛行員面前,把飛行員接上直升機并安全返回基地。據此回答(直升機并安全返回基地。據此回答( l )一(一( 2 )題。)題。(1)飛行員發(fā)出的呼救信號是()飛行員發(fā)出的呼救信號是( )A , GIS 系統信號系統信號 B . GPS 系統信號系統信號 C . RS 系統信號系統信號 D 以上

27、都不對以上都不對B(2)北約轟炸的科索沃,)北約轟炸的科索沃,其氣候屬于(其氣候屬于( )A 溫帶海洋性氣候溫帶海洋性氣候 B 溫帶季風氣候溫帶季風氣候 C 地中海氣候地中海氣候 D 熱帶沙漠氣候熱帶沙漠氣候C例例 3 在伊拉克戰(zhàn)爭中,伊拉克點在伊拉克戰(zhàn)爭中,伊拉克點燃巴格達周圍的戰(zhàn)壕石油阻礙美燃巴格達周圍的戰(zhàn)壕石油阻礙美軍進攻,但美軍事專家指出,煙軍進攻,但美軍事專家指出,煙霧對于美軍的衛(wèi)星制導導彈沒有霧對于美軍的衛(wèi)星制導導彈沒有影響影響 , 請問美軍的衛(wèi)星制導導請問美軍的衛(wèi)星制導導彈采彈采 用的技術是(用的技術是( ) A GIS 系統系統 B . RS 技術技術 C . GPS 技術技術 D . lT技術技術C解析:美軍使用的導彈采用全球定位系統枝術,實行定解析:美軍使用的導彈采用全球定位系統枝術,實行定位轟炸,煙霧不會產生形響。位轟炸,煙霧不會產生形響。

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