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很多人都不知道德國P+F倍加福定位系統(tǒng)所有的功能與用途
P+F定位系統(tǒng)是以確定空間位置為目標(biāo)而構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)的一個集合體或裝置（部件）。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時觀測到至少4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時等功能。這項技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時到達(dá)目的地。
主流P+F定位系統(tǒng)除美國的GPS外，還有中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)等。
P+F定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）是一個由覆蓋的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣，GPSP+F定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。
GPS衛(wèi)星P+F定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分———GPS星座；地面控制部分———地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分———GPS 信號接收機(jī)。
GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)，使其在各類大地測量控制網(wǎng)的加強(qiáng)改造和建立以及在公路工程測量和大型構(gòu)造物的變形測量中得到了較為廣泛的應(yīng)用。GPS導(dǎo)航儀 簡單地說，GPS導(dǎo)航儀就是能夠幫助用戶準(zhǔn)確定位當(dāng)前位置，并且根據(jù)既定的目的地計算行程，通過地圖顯示和語音提示兩種方式引導(dǎo)用戶行至目的地的汽車駕駛輔助設(shè)備。
空間
GPS的空間部分是由24 顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4 顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續(xù)的導(dǎo)航能力。GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無法解讀,主要為美方服務(wù)。C/ A 碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。
地面控制
地面控制部分由一個主控站,5 個監(jiān)測站和3 個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機(jī)。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時,把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS 衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間,但導(dǎo)航精度會逐漸降低。
用戶設(shè)備
用戶設(shè)備部分即GPS 信號接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電源時機(jī)內(nèi)電池自動充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。現(xiàn)今各種類型的接受機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。
一部完整的GPS汽車導(dǎo)航儀是由芯片、天線、處理器、內(nèi)存、顯示屏、揚(yáng)聲器、按鍵、擴(kuò)展功能插槽、電子地圖、導(dǎo)航軟件10個主要部分組成。
判斷GPS導(dǎo)航儀的優(yōu)劣，導(dǎo)航儀所能接收到的GPS衛(wèi)星數(shù)量和路徑規(guī)劃能力是關(guān)鍵。導(dǎo)航儀所能接收到的有效衛(wèi)星數(shù)量越多，說明它當(dāng)前的信號越強(qiáng)，導(dǎo)航工作的狀態(tài)也就越穩(wěn)定。如果一臺導(dǎo)航儀經(jīng)常搜索不到衛(wèi)星或者在導(dǎo)航過程中頻繁地中斷信號影響了正常的導(dǎo)航工作，那它首先質(zhì)量就不過關(guān)更談不上優(yōu)劣了。
預(yù)警器
GPS預(yù)警器是通過GPS衛(wèi)星在GPS預(yù)警器中設(shè)定坐標(biāo)來完成的，比如遇到一個電子眼，然后通過相關(guān)設(shè)備在電子眼的正下方設(shè)立一個坐標(biāo)，這樣，使得裝上這個坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)警器到達(dá)這個點(diǎn)時，在達(dá)到坐標(biāo)點(diǎn)的前300米左右就會開始預(yù)警，告訴車主前面有電子眼測速，不能超速駕駛，這樣就起到一個預(yù)警作用。這樣的準(zhǔn)確率跟數(shù)據(jù)點(diǎn)的多少是有關(guān)系的，主要就是利用衛(wèi)星的定位來實(shí)現(xiàn)了。
試機(jī)辨真假
GPS預(yù)警器：一個預(yù)警點(diǎn)報警一次，單向預(yù)警；定點(diǎn)報警，不受干擾；預(yù)警準(zhǔn)確率可達(dá)98%以上。可選擇的音樂和語音種類多，音質(zhì)較好。
假GPS預(yù)警器：同一個預(yù)警點(diǎn)報警兩次（駛向預(yù)警點(diǎn)和離開預(yù)警點(diǎn)都報警）；會受某些公共設(shè)施如電塔干擾誤報警；多有漏報，準(zhǔn)確性率低不足70%；報警音樂和語音單一，音質(zhì)較差
GPStar智能GPS系統(tǒng)
主要由兩大部分組成，即：本地的監(jiān)控中心軟件管理平臺和遠(yuǎn)程的GPS智能車載終端。遠(yuǎn)程的GPS智能車載終端將車輛所處的位置信息、運(yùn)行速度、運(yùn)行軌跡等數(shù)據(jù)傳回到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接收到這些數(shù)據(jù)后，會立即進(jìn)行分析、比對等處理，并將處理結(jié)果以正常信息或者報警信息兩類形式顯示給管理員，由管理員決定是否要對目標(biāo)車輛采取必要措施。
GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。
可見GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。
GPS接收機(jī)可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。
GPS接收機(jī)對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。
GPS接收機(jī)對收到的衛(wèi)星信號，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達(dá)到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。
按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。
在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。
相對論為GPS提供了所需的修正
P+F定位系統(tǒng)GPS衛(wèi)星的定時信號提供緯度、經(jīng)度和高度的信息，精確的距離測量需要精確的時鐘。因此精確的GPS接受器就要用到相對論效應(yīng)。
準(zhǔn)確度在30米之內(nèi)的GPS接受器就意味著它已經(jīng)利用了相對論效應(yīng)。華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家Clifford M. Will詳細(xì)解釋說：“如果不考慮相對論效應(yīng)，衛(wèi)星上的時鐘就和地球的時鐘不同步。”相對論認(rèn)為快速移動物體隨時間的流逝比靜止的要慢。Will計算出，每個GPS衛(wèi)星每小時跨過大約1.4萬千米的路程，這意味著它的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。
而引力對時間施加了更大的相對論效應(yīng)。大約2萬千米的高空，GPS衛(wèi)星經(jīng)受到的引力拉力大約相當(dāng)于地面上的四分之一。結(jié)果就是星載時鐘每天快45微秒， GPS要計入共38微秒的偏差。Ashby解釋說：“如果衛(wèi)星上沒有頻率補(bǔ)償，每天將會增大11千米的誤差。”(這種效應(yīng)實(shí)事上更為復(fù)雜，因?yàn)樾l(wèi)星沿著一個偏心軌道，有時離地球較近，有時又離得較遠(yuǎn)。)
P+F定位系統(tǒng)的主要用途：
(1)陸地應(yīng)用，主要包括車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監(jiān)測、地殼運(yùn)動監(jiān)測、 市政規(guī)劃控制等；
(2)海洋應(yīng)用，包括遠(yuǎn)洋船優(yōu)良航程航線測定、船只實(shí)時調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺定位、海平面升降監(jiān)測等；
(3)航空航天應(yīng)用，包括飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙 感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、航空救援和載人航天器防護(hù)探測等。
主要是為船舶，汽車，飛機(jī)等運(yùn)動物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如：
船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水
飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場降落
汽車自主導(dǎo)航
地面車輛跟蹤和城市智能交通管理
緊急救生
個人旅游及野外探險
個人通訊終端（與手機(jī)，PDA，電子地圖等集成一體）
電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時間同步
準(zhǔn)確時間的授入
準(zhǔn)確頻率的授入
各種等級的大地測量，控制測量
道路和各種線路放樣
水下地形測量
地殼形變測量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測
GIS應(yīng)用
工程機(jī)械（輪胎吊，推土機(jī)等）控制
精細(xì)農(nóng)業(yè)
◆GPS在道路工程中的應(yīng)用
GPS在道路工程中的應(yīng)用，主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點(diǎn)等。隨著高等級公路的迅速發(fā)展，對勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長，已知點(diǎn)少，因此，用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。如今，國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高精度控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。實(shí)踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點(diǎn)位誤差只有2厘米左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的精度，同時也大大提前了工期。GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測量中。由于無需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時對檢測常規(guī)測量的支點(diǎn)也非常有效。GPS技術(shù)在隧道測量中也具有廣泛的應(yīng)用前景，GPS測量無需通視，減少了常規(guī)方法的中間環(huán)節(jié)，因此，速度快、精度高，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
數(shù)據(jù)矩陣P+F定位系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)矩陣碼，這些代碼并排排列在用作信息載體的碼帶上。基于現(xiàn)代二維攝像頭技術(shù)的讀頭可讀取這些二維碼并評估在 X 軸、Y 軸和 Z 軸方向上的準(zhǔn)確位置，最遠(yuǎn)可達(dá) 100,000 米。作為安全型號，“safePXV”P+F定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了安全級別“SIL 3/PL e”，并且只使用一個傳感器。
