1. Principiu tehnic
GPS (Sistemul de Poziționare Globală) se bazează pe metoda triangulației satelitare. Este compus din trei părți: segmentul spațial (constelația de sateliți), segmentul terestru (stația de monitorizare) și segmentul utilizatorului.(Urmăritor GPS).
(1) lansarea semnalului satelitar
Peste 24 de sateliți (inclusiv cei de rezervă) sunt distribuiți pe o orbită terestră medie de aproximativ 20.200 km, fiecare dintre aceștia trimițând continuu mesaje de navigație care conțin parametri orbitali și marcaje temporale.
(2) recepționarea și rezolvarea semnalelor
Dispozitivul utilizatorului (Urmăritor GPS) trebuie să capteze cel puțin 4 semnale de la sateliți, se calculează distanța măsurând diferența de timp de propagare a semnalului (Δt) (formula: distanță =
viteza luminii ×Δt) și construiți o sferă virtuală cu satelitul ca centru al sferei. Punctul de intersecție reprezintă coordonatele tridimensionale ale receptorului (longitudine, latitudine, altitudine).
(3)corectarea erorilor
Parametrii de corecție a întârzierii ionosferice și datele de compensare a erorilor orbitei satelitului furnizate de sistemul de monitorizare la sol sunt utilizate pentru a îmbunătăți precizia poziționării la nivelul metrilor (civil) sau centimetrilor (militar).
2. Procesul de poziționare
Poziționarea GPS este împărțită în patru etape pentru a realiza un proces în buclă închisă, de la capturarea semnalului până la ieșirea de înaltă precizie:
(1) Achiziția și sincronizarea semnalelor
Cel/Cea/Cei/CeleUrmăritor GPS scanează semnalul satelitului și decodează efemeridele (datele orbitei satelitului) și parametrii ceasului din mesajul de navigație.
(2) Măsurarea pseudo-distanței
Prin compararea timpului de transmisie a semnalului satelitului (obținut din mesaj) cu timpul de recepție (ceasul local), se calculează distanța aproximativă (pseudo-distanța) care conține eroarea.
(3) soluție în coordonate
Datele de pseudo-distanță a 4 sau mai mulți sateliți sunt utilizate pentru a stabili ecuații, iar poziția spațială tridimensională a receptorului este rezolvată prin metoda celor mai mici pătrate (sunt necesari ≥4 sateliți pentru a elimina abaterea ceasului).
(4) corecție dinamică
Combinată cu tehnologia GPS diferențial (DGPS) sau cu tehnologia de poziționare dinamică în timp real (RTK), prin interacțiunea datelor dintre stația de referință și stația mobilă, erorile precum efectul de cale multiplă și interferențele atmosferice sunt eliminate, iar precizia este îmbunătățită până la nivelul centimetric.
3. Scenariu de aplicare
Tehnologia GPS a pătruns în industrie, agricultură, armată și viața de zi cu zi:
(1) Transport și navigație
Navigație vehicul, planificare în timp real a traseului optim pentru a evita secțiunile aglomerate (precizie de poziționare 5-10 metri).
Vehiculele fără șofer integrează date LiDAR și GPS pentru a realiza poziționarea la nivel de bandă (eroare ≤20 cm).
(2) Agricultura de precizie
Acționarea automată a utilajelor agricole și fertilizarea variabilă (eroare de precizie a semănatului ≤ 2 cm), reduc risipa de resurse.
Cartografierea terenurilor agricole fără personal și monitorizarea dăunătorilor pentru îmbunătățirea eficienței muncii
(3) Armată și securitate
Ghidare rachetă (precizie GPS militară ≤ 10 cm), mișcarea trupelor și conștientizarea situației pe câmpul de luptă.
Localizarea rapidă a persoanelor aflate în pericol în timpul salvării de urgență (de exemplu, alpiniști dispăruți).
(4) Cercetare și inginerie
Monitorizare geologică (de exemplu, măsurarea deplasării faliilor seismice cu precizie milimetrică).
Monitorizarea deformărilor în ingineria construcțiilor și diagnosticarea stării podurilor.
(5) Viața de zi cu zi
Navigare mobilă cu hartă, gestionarea gardurilor electronice pentru bicicletele partajate.
Înregistrarea activităților în aer liber (de exemplu, urmărirea traseului maratonului).
3. avantaj
(1) poziționare de înaltă precizie
Precizie GPS civilă de 5-10 metri (fără restricții de politică SA), versiuni militare de până la centimetri.
(2) Acoperire globală
98% din suprafața Pământului poate recepționa semnale de la sateliți, fără restricții geografice (regiunile polare au semnale slabe).
(3) timp real și continuitate
Frecvență dinamică de poziționare a țintei de până la 10Hz, suportă urmărirea continuă a obiectelor în mișcare de mare viteză (cum ar fi aeronave, trenuri de mare viteză).
(4) Cost redus și ușurință în utilizare
Receptoarele civile costă doar 100 de yuani și nu necesită suport suplimentar pentru infrastructură.
4. deficiență
(1) Adaptabilitate slabă la mediu
Scenele interioare, tunelurile și garajele subterane nu pot fi localizate din cauza ocluziei semnalului (trebuie utilizată tehnologia Wi-Fi sau Bluetooth pentru a remedia orbirea).
Clădirile înalte sau zonele cu păduri dense sunt predispuse la efectul de căi multiple (reflecția semnalului duce la o abatere de poziționare, eroare ≥50 m).
(2) Dependență ridicată de tehnologie
Complet dependent de semnalele sateliților, vulnerabil la furtuni solare, interferențe umane (cum ar fi falsificarea GPS-ului), ceea ce duce la erori de poziționare.
Aplicațiile de înaltă precizie se bazează pe sisteme de augmentare terestră (cum ar fi DGPS), ceea ce crește costul și complexitatea implementării.
(3) Consumul de energie și limitările hardware
Consum ridicat de energie în modul de poziționare continuă (de exemplu, durata de viață a bateriei smartphone-ului a scăzut cu 20%-30%).
Vremea extremă (furtună sau furtună) poate reduce calitatea recepției semnalului și poate afecta stabilitatea locației.
5. Rezumat
Tehnologia de urmărire GPS, cu acoperirea sa globală, precizia ridicată și funcționarea în timp real, a devenit una dintre infrastructurile de bază ale societății moderne. În ciuda limitărilor generate de defecțiunile în interior și interferențele de mediu, scenariile sale de aplicare continuă să se extindă prin integrarea tehnologiei de poziționare multi-sursă (cum ar fi recepția dual-mode Beidou + GPS) și a unui algoritm diferențial îmbunătățit. În viitor, se așteaptă ca combinarea implementării constelațiilor de sateliți pe orbită joasă și a tehnologiei de comunicații 5G să depășească și mai mult limitele poziționării în interior și în exterior și să promoveze inovația în domeniile orașelor inteligente și al conducerii fără pilot.