1.Технический принцип
GPS (глобальная система позиционирования) основана на методе спутниковой триангуляции. Она состоит из трех частей: космический сегмент (спутниковая группировка), наземный сегмент (станция мониторинга) и пользовательский сегмент.(GPS-трекер).
(1) запуск спутникового сигнала
На средней околоземной орбите высотой около 20 200 км размещено более 24 спутников (включая запасные), каждый из которых непрерывно отправляет навигационные сообщения, содержащие орбитальные параметры и временные метки.
(2)прием и разрешение сигнала
Пользовательское устройство(GPS-трекер) необходимо захватить не менее 4 спутниковых сигналов, рассчитайте расстояние, измерив разницу во времени распространения сигнала (Δt) (формула: расстояние =
скорость света ×Δt), и построить виртуальную сферу со спутником в качестве центра сферы. Точка пересечения — трехмерные координаты приемника (долгота, широта, высота) .
(3)исправление ошибок
Параметры коррекции ионосферной задержки и данные компенсации погрешности орбиты спутника, предоставляемые наземной системой мониторинга, используются для повышения точности позиционирования до уровня метров (гражданские) или сантиметров (военные) .
2.Процесс позиционирования
GPS-позиционирование делится на четыре этапа для достижения замкнутого цикла процесса от захвата сигнала до высокоточного вывода:
(1)Получение сигнала и синхронизация
TheGPS-трекер сканирует спутниковый сигнал и декодирует эфемериды (данные об орбите спутника) и параметры часов в навигационном сообщении.
(2)Измерение псевдорасстояния
Сравнивая время передачи спутникового сигнала (полученное из сообщения) со временем приема (по местным часам), вычисляется приблизительное расстояние (псевдорасстояние), содержащее ошибку.
(3)координатное решение
Данные псевдодальности 4 или более спутников используются для составления уравнений, а трехмерное пространственное положение приемника определяется методом наименьших квадратов (для устранения отклонения часов требуется ≥4 спутника).
(4)динамическая коррекция
В сочетании с технологией дифференциального GPS (DGPS) или динамического позиционирования в реальном времени (РТК) посредством взаимодействия данных между опорной станцией и мобильной станцией устраняются такие ошибки, как эффект многолучевого распространения и атмосферные помехи, а точность повышается до сантиметрового уровня.
3.Сценарий применения
Технология GPS проникла в промышленность, сельское хозяйство, военную сферу и повседневную жизнь:
(1)Транспорт и навигация
Навигация по транспорту в режиме реального времени, планирование оптимального маршрута для объезда загруженных участков (точность позиционирования 5-10 метров) .
Беспилотные автомобили используют данные ЛиДАР и GPS для определения местоположения на уровне полосы движения (погрешность ≤20 см).
(2)Точное земледелие
Автоматическое управление сельскохозяйственной техникой и вариативное внесение удобрений (погрешность точности посева ≤ 2 см) сокращают потери ресурсов.
Беспилотное картографирование сельскохозяйственных угодий и мониторинг вредителей для повышения эффективности работы
(3)Армия и безопасность
Наведение ракет (точность военной GPS ≤ 10 см), передвижение войск и осведомлённость обстановки на поле боя.
Быстрое обнаружение людей, терпящих бедствие, при проведении спасательных работ (например, пропавших альпинистов).
(4)Исследования и инжиниринг
Геологический мониторинг (например, измерение смещений сейсмических разломов с точностью до миллиметра) .
Мониторинг деформаций строительных конструкций и диагностика состояния мостов.
(5)Повседневная жизнь
Навигация по мобильной карте, электронное управление ограждением для велосипедов общего пользования.
Запись треков активного отдыха (например, отслеживание маршрута марафона) .
3.преимущество
(1)высокоточное позиционирование
Точность гражданских GPS составляет 5–10 метров (без ограничений политики ЮАР), военных версий — до сантиметров.
(2)Глобальный охват
98% поверхности Земли может принимать спутниковые сигналы, географических ограничений нет (в полярных регионах сигналы слабые) .
(3)реального времени и непрерывности
Частота динамического позиционирования цели до 10 Гц, поддержка непрерывного отслеживания высокоскоростных движущихся объектов (таких как самолеты, высокоскоростные железные дороги).
(4)Низкая стоимость и простота использования
Гражданские приемники стоят всего 100 юаней и не требуют дополнительной инфраструктурной поддержки.
4.недостаток
(1)Слабая приспособляемость к окружающей среде
Сцены внутри помещений, туннели и подземные гаражи не могут быть обнаружены из-за перекрытия сигнала (для устранения слепоты необходимо использовать технологию Вай-Фи или Bluetooth) .
Высотные здания или густые лесные массивы подвержены эффекту многолучевого распространения (отражение сигнала приводит к дрейфу позиционирования, ошибка ≥50 м) .
(2)Зависимость от высоких технологий
Полностью зависит от спутниковых сигналов, уязвим для солнечных бурь, человеческого вмешательства (например, спуфинга GPS), что приводит к сбоям в позиционировании.
Высокоточные приложения полагаются на наземные системы дополнения (такие как DGPS), что увеличивает стоимость и сложность развертывания.
(3) Потребление энергии и ограничения оборудования
Высокое энергопотребление в режиме непрерывного позиционирования (например, срок службы батареи смартфона сокращается на 20%-30%).
Экстремальные погодные условия (ливень или гроза) могут ухудшить качество приема сигнала и повлиять на стабильность местоположения.
5.Резюме
Технология GPS-отслеживания с ее глобальным покрытием, высокой точностью и режимом реального времени стала одной из основных инфраструктур современного общества. Несмотря на ограничения, связанные с отказами в помещениях и помехами окружающей среды, сценарии ее применения продолжают расширяться за счет интеграции технологии позиционирования с несколькими источниками (например, двухрежимный прием Бэйдоу + GPS) и усовершенствованного дифференциального алгоритма. В будущем ожидается, что сочетание развертывания низкоорбитальных спутниковых созвездий и технологии связи 5G еще больше прорвется через границу позиционирования внутри и снаружи помещений и будет способствовать инновациям в области умных городов и беспилотного вождения .