1. Principio tecnico
Il GPS (Global Positioning System) si basa sul metodo della triangolazione satellitare. È composto da tre parti: segmento spaziale (costellazione satellitare), segmento terrestre (stazione di monitoraggio) e segmento utente.(Localizzatore GPS).
(1)lancio del segnale satellitare
Sono oltre 24 i satelliti (inclusi quelli di riserva) distribuiti su un'orbita terrestre media di circa 20.200 km, ognuno dei quali invia continuamente messaggi di navigazione contenenti parametri orbitali e timestamp.
(2) ricezione e risoluzione del segnale
Il dispositivo utente (Localizzatore GPS) deve catturare almeno 4 segnali satellitari, calcolare la distanza misurando la differenza di tempo di propagazione del segnale (Δt) (formula: distanza =
velocità della luce ×Δt) e costruisci una sfera virtuale con il satellite al centro. Il punto di intersezione è costituito dalle coordinate tridimensionali del ricevitore (longitudine, latitudine, altitudine).
(3)correzione degli errori
I parametri di correzione del ritardo ionosferico e i dati di compensazione dell'errore dell'orbita satellitare forniti dal sistema di monitoraggio a terra vengono utilizzati per migliorare la precisione del posizionamento a livello di metri (civile) o centimetri (militare).
2. Processo di posizionamento
Il posizionamento GPS è suddiviso in quattro fasi per realizzare un processo a ciclo chiuso, dall'acquisizione del segnale all'output ad alta precisione:
(1)Acquisizione e sincronizzazione del segnale
ILLocalizzatore GPS analizza il segnale satellitare e decodifica le effemeridi (dati dell'orbita del satellite) e i parametri dell'orologio nel messaggio di navigazione.
(2) Misurazione della pseudo-distanza
Confrontando il tempo di trasmissione del segnale satellitare (ricavato dal messaggio) con il tempo di ricezione (orologio locale), si calcola la distanza approssimativa (pseudodistanza) contenente l'errore.
(3) soluzione coordinata
I dati di pseudo-distanza di 4 o più satelliti vengono utilizzati per stabilire le equazioni e la posizione spaziale tridimensionale del ricevitore viene risolta con il metodo dei minimi quadrati (sono necessari ≥4 satelliti per eliminare la deviazione dell'orologio).
(4)correzione dinamica
In combinazione con la tecnologia GPS differenziale (DGPS) o di posizionamento dinamico in tempo reale (RTK), attraverso l'interazione dei dati tra la stazione di riferimento e la stazione mobile, vengono eliminati errori quali l'effetto multi-path e l'interferenza atmosferica e la precisione viene migliorata a livello centimetrico.
3. Scenario applicativo
La tecnologia GPS è penetrata nell'industria, nell'agricoltura, nell'esercito e nella vita quotidiana:
(1)Trasporti e navigazione
Pianificazione in tempo reale del percorso ottimale tramite la navigazione del veicolo per evitare tratti congestionati (precisione di posizionamento di 5-10 metri).
I veicoli senza conducente integrano i dati LiDAR e GPS per ottenere il posizionamento a livello della corsia (errore ≤20 cm).
(2)Agricoltura di precisione
La guida automatica delle macchine agricole e la fertilizzazione variabile (errore di precisione della semina ≤ 2 cm) riducono lo spreco di risorse.
Mappatura dei terreni agricoli senza personale e monitoraggio dei parassiti per migliorare l'efficienza del lavoro
(3)Militare e sicurezza
Guida missilistica (precisione GPS militare ≤ 10 cm), movimento delle truppe e consapevolezza della situazione sul campo di battaglia.
Localizzazione rapida delle persone in difficoltà durante i soccorsi di emergenza (ad esempio, alpinisti dispersi).
(4)Ricerca e ingegneria
Monitoraggio geologico (ad esempio misurazione dello spostamento della faglia sismica con precisione millimetrica).
Monitoraggio delle deformazioni nell'ingegneria edile e diagnosi dello stato di salute dei ponti.
(5)Vita quotidiana
Navigazione tramite mappe mobili, gestione elettronica delle recinzioni per biciclette condivise.
Registrazione delle attività all'aperto (ad esempio, monitoraggio del percorso della maratona).
3.vantaggio
(1)posizionamento ad alta precisione
Precisione GPS civile di 5-10 metri (nessuna restrizione della politica sudafricana), versioni militari fino a pochi centimetri.
(2)Copertura globale
Il 98% della superficie terrestre può ricevere segnali satellitari, senza restrizioni geografiche (le regioni polari hanno segnali deboli).
(3)tempo reale e continuità
frequenza di posizionamento dinamico del bersaglio fino a 10 Hz, supporto di oggetti in movimento ad alta velocità (come aerei, treni ad alta velocità) e tracciamento continuo.
(4)Basso costo e facilità d'uso
i ricevitori civili costano appena 100 yuan e non richiedono alcun supporto infrastrutturale aggiuntivo.
4. difetto
(1)Scarsa adattabilità ambientale
Le scene in interni, i tunnel e i garage sotterranei non possono essere individuati a causa dell'occlusione del segnale (per riparare la cecità è necessario utilizzare la tecnologia Wi-Fi o Bluetooth).
Le zone con grattacieli o foreste dense sono soggette all'effetto multipath (la riflessione del segnale provoca una deriva del posizionamento, errore ≥50 m).
(2)Alta dipendenza tecnologica
Completamente dipendenti dai segnali satellitari, vulnerabili alle tempeste solari e alle interferenze umane (come lo spoofing del GPS), con conseguenti errori di posizionamento.
Le applicazioni ad alta precisione si basano su sistemi di aumento terrestre (come DGPS), che aumentano i costi e la complessità di implementazione
(3) Consumo energetico e limitazioni hardware
Elevato consumo energetico in modalità di posizionamento continuo (ad esempio, la durata della batteria dello smartphone è ridotta del 20%-30%).
Condizioni meteorologiche estreme (temporali o temporali) possono ridurre la qualità della ricezione del segnale e influire sulla stabilità della posizione.
5.Riepilogo
La tecnologia di tracciamento GPS, con la sua copertura globale, l'elevata precisione e la capacità di operare in tempo reale, è diventata una delle infrastrutture fondamentali della società moderna. Nonostante i limiti imposti dai guasti interni e dalle interferenze ambientali, i suoi scenari applicativi continuano ad espandersi grazie all'integrazione di tecnologie di posizionamento multi-sorgente (come la ricezione dual-mode Beidou + GPS) e algoritmi differenziali avanzati. In futuro, si prevede che la combinazione tra l'implementazione di costellazioni satellitari a bassa orbita e la tecnologia di comunicazione 5G supererà ulteriormente i confini del posizionamento indoor e outdoor e promuoverà l'innovazione nei settori delle smart city e della guida autonoma.