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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
點擊次數(shù):1881 更新時間:2022-04-25

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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的經(jīng)緯度和高度,以便實現(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、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。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。

GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點,使其在各類大地測量控制網(wǎng)的加強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。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。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)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(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),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,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。接收機硬件和機內(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 接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失?,F(xiàn)今各種類型的接受機體積越來越小,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、揚聲器、按鍵、擴展功能插槽、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,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)點數(shù)據(jù)的預(yù)警器到達這個點時,在達到坐標(biāo)點的前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)點的多少是有關(guān)系的,主要就是利用衛(wèi)星的定位來實現(xiàn)了。

試機辨真假

GPS預(yù)警器:一個預(yù)警點報警一次,單向預(yù)警;定點報警,不受干擾;預(yù)警準(zhǔn)確率可達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)警點報警兩次(駛向預(yù)警點和離開預(yù)警點都報警);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程的GPS智能車載終端。遠程的GPS智能車載終端將車輛所處的位置信息、運行速度、運行軌跡等數(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)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的,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0二進制碼元組成的偽隨機碼(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,還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機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所處的位置,至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。

GPS接收機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接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離,由于含有接收機衛(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接收機對收到的衛(wèi)星信號,進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本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機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和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的,起始歷元的相位整數(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定位分為單點定位和相對定位(差分定位)。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式,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)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點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)采用相位觀測值進行相對定位。

在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、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,接收機間距離較遠時(大氣有明顯差別),應(yīng)選用雙頻接收機。

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)星上沒有頻率補償,每天將會增大11千米的誤差。”(這種效應(yīng)實事上更為復(fù)雜,因為衛(wèi)星沿著一個偏心軌道,有時離地球較近,有時又離得較遠。)

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、地殼運動監(jiān)測、 市政規(guī)劃控制等;

(2)海洋應(yīng)用,包括遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調(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探測等。

主要是為船舶,汽車,飛機等運動物體進行定位導(dǎo)航。例如:

船舶遠洋導(dǎo)航和進港引水

飛機航路引導(dǎo)和進場降落

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,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

工程機械(輪胎吊,推土機等)控制

精細農(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。實踐證明,在幾十公里范圍內(nèi)的點位誤差只有2厘米左右,達到了常規(guī)方法難以實現(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)成較強的網(wǎng)形,提高點位精度,同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效。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?;诂F(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,最遠可達 100,000 米。作為安全型號,“safePXV”P+F定位系統(tǒng)實現(xiàn)了安全級別“SIL 3/PL e”,并且只使用一個傳感器。

 

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