1. Principio técnico
El GPS (Sistema de Posicionamiento Global) se basa en el método de triangulación satelital. Se compone de tres partes: segmento espacial (constelación de satélites), segmento terrestre (estación de monitoreo) y segmento de usuario.(Rastreador GPS).
(1) lanzamiento de señal satelital
Más de 24 satélites (incluidos los de repuesto) están distribuidos en una órbita terrestre media de unos 20.200 km, cada uno de los cuales envía continuamente mensajes de navegación que contienen parámetros orbitales y marcas de tiempo.
(2) recepción y resolución de señales
El dispositivo del usuario(Rastreador GPS) necesita capturar al menos 4 señales de satélite, calcule la distancia midiendo la diferencia de tiempo de propagación de la señal (Δt) (fórmula: distancia =
Velocidad de la luz ×Δt) y construir una esfera virtual con el satélite como centro. El punto de intersección son las coordenadas tridimensionales del receptor (longitud, latitud, altitud).
(3)corrección de errores
Los parámetros de corrección del retardo ionosférico y los datos de compensación de errores de órbita del satélite proporcionados por el sistema de monitoreo terrestre se utilizan para mejorar la precisión de posicionamiento al nivel de metros (civil) o centímetros (militar).
2. Proceso de posicionamiento
El posicionamiento GPS se divide en cuatro etapas para lograr un proceso de circuito cerrado desde la captura de la señal hasta la salida de alta precisión:
(1)Adquisición y sincronización de señales
ElRastreador GPS escanea la señal del satélite y decodifica las efemérides (datos de la órbita del satélite) y los parámetros del reloj en el mensaje de navegación.
(2)Medición de pseudodistancia
Comparando el tiempo de transmisión de la señal del satélite (obtenido del mensaje) con el tiempo de recepción (reloj local), se calcula la distancia aproximada (pseudodistancia) que contiene el error.
(3)solución de coordenadas
Los datos de pseudorango de 4 o más satélites se utilizan para establecer ecuaciones, y la posición espacial tridimensional del receptor se resuelve mediante el método de mínimos cuadrados (se requieren ≥4 satélites para eliminar la desviación del reloj).
(4)corrección dinámica
Combinado con tecnología de GPS diferencial (DGPS) o posicionamiento dinámico en tiempo real (RTK), a través de la interacción de datos entre la estación de referencia y la estación móvil, se eliminan errores como el efecto multitrayecto y la interferencia atmosférica, y se mejora la precisión al nivel centimétrico.
3. Escenario de aplicación
La tecnología GPS ha penetrado en la industria, la agricultura, el ejército y la vida cotidiana:
(1)Transporte y navegación
Navegación vehicular con planificación en tiempo real de la ruta óptima para evitar tramos congestionados (precisión de posicionamiento 5-10 metros).
Los vehículos sin conductor integran datos LiDAR y GPS para lograr un posicionamiento a nivel de carril (error ≤20 cm).
(2)Agricultura de precisión
La conducción automática de maquinaria agrícola y la fertilización variable (error de precisión de siembra ≤ 2 cm) reducen el desperdicio de recursos.
Mapeo de tierras agrícolas sin personal y monitoreo de plagas para mejorar la eficiencia del trabajo
(3)Militar y seguridad
Guiado de misiles (precisión GPS militar ≤ 10 cm), movimiento de tropas y conocimiento de la situación en el campo de batalla.
Localización rápida de personas en peligro en rescates de emergencia (por ejemplo, escaladores desaparecidos).
(4)Investigación e Ingeniería
Monitoreo geológico (por ejemplo, medición del desplazamiento de fallas sísmicas con precisión milimétrica).
Monitoreo de deformaciones en ingeniería de construcción y diagnóstico de salud de puentes.
(5)Vida cotidiana
Navegación cartográfica móvil, gestión de vallas electrónicas de bicicletas compartidas.
Registro de seguimiento de actividades al aire libre (por ejemplo, seguimiento de ruta de maratón).
3.ventaja
(1) posicionamiento de alta precisión
Precisión del GPS civil de 5 a 10 metros (sin restricciones de política SA), versiones militares hasta centímetros.
(2)Cobertura global
El 98% de la superficie de la Tierra puede recibir señales de satélite, sin restricciones geográficas (las regiones polares tienen señales débiles).
(3) tiempo real y continuidad
Frecuencia de posicionamiento de objetivo dinámico de hasta 10 Hz, admite seguimiento continuo de objetos en movimiento de alta velocidad (como aviones, trenes de alta velocidad).
(4)Bajo costo y facilidad de uso
Los receptores civiles cuestan tan sólo 100 yuanes y no requieren ningún soporte de infraestructura adicional.
4. deficiencia
(1) Adaptabilidad ambiental débil
No se pueden localizar escenas interiores, túneles y garajes subterráneos debido a la oclusión de la señal (se debe utilizar tecnología Wi-Fi o Bluetooth para reparar la ceguera).
Los edificios altos o las áreas de bosques densos son propensos al efecto de trayectos múltiples (la reflexión de la señal provoca una deriva de posicionamiento, error ≥50 m).
(2) Dependencia de alta tecnología
Completamente dependiente de las señales de satélite, vulnerable a tormentas solares, interferencia humana (como suplantación de GPS), lo que resulta en fallas de posicionamiento.
Las aplicaciones de alta precisión dependen de sistemas de aumento terrestre (como DGPS), lo que aumenta el costo y la complejidad de la implementación.
(3)Consumo de energía y limitaciones de hardware
Alto consumo de energía en modo de posicionamiento continuo (por ejemplo, la duración de la batería del teléfono inteligente disminuyó entre un 20% y un 30%).
Las condiciones climáticas extremas (tormentas de lluvia o tormentas eléctricas) pueden reducir la calidad de recepción de la señal y afectar la estabilidad de la ubicación.
5. Resumen
La tecnología de rastreo GPS, con su cobertura global, alta precisión y tiempo real, se ha convertido en una infraestructura fundamental de la sociedad moderna. A pesar de las limitaciones de las fallas en interiores y las interferencias ambientales, sus aplicaciones se expanden continuamente gracias a la integración de tecnologías de posicionamiento multifuente (como la recepción dual Beidou + GPS) y algoritmos diferenciales mejorados. En el futuro, se espera que la combinación del despliegue de constelaciones de satélites en órbita baja y la tecnología de comunicación 5G impulse aún más el posicionamiento en interiores y exteriores e impulse la innovación en los campos de las ciudades inteligentes y la conducción autónoma.