1. Műszaki alapelv
A GPS (globális helymeghatározó rendszer) a műholdas háromszögelés módszerén alapul. Három részből áll: űrszegmensből (műholdkonstelláció), földi szegmensből (megfigyelőállomás) és felhasználói szegmensből.(GPS nyomkövető).
(1) műholdjel indítása
Több mint 24 műhold (beleértve a tartalékokat is) kering egy körülbelül 20 200 km hosszú, közepes méretű Föld körüli pályán, amelyek mindegyike folyamatosan navigációs üzeneteket küld, amelyek pályaparamétereket és időbélyegeket tartalmaznak.
(2) jelvétel és -megoldás
A felhasználói eszköz (GPS nyomkövető) legalább 4 műholdjelet kell rögzítenie, a távolságot a jel terjedési időkülönbségének (Δt) mérésével számítsa ki (képlet: távolság =
fénysebesség ×Δt), és konstruáljunk egy virtuális gömböt, amelynek középpontja a műhold. A metszéspont a vevő háromdimenziós koordinátái (hosszúság, szélesség, magasság).
(3)hibajavítás
A földi megfigyelőrendszer által biztosított ionoszféra késleltetés-korrekciós paraméterek és a műholdpálya-hibakompenzációs adatok segítségével a pozicionálás pontossága méteres (polgári) vagy centiméteres (katonai) szintre javítható.
2. Pozicionálási folyamat
A GPS-pozicionálás négy szakaszra oszlik, hogy zárt hurkú folyamatot valósítson meg a jelvételtől a nagy pontosságú kimenetig:
(1) Jelvétel és szinkronizálás
AGPS nyomkövető beolvassa a műholdjelet, és dekódolja az efemeriszt (műholdpálya-adatokat) és az órajel-paramétereket a navigációs üzenetben.
(2) Pszeudo-távolságmérés
A műholdjel átviteli idejének (az üzenetből kapott) és a vételi időnek (helyi óra) összehasonlításával kiszámítható a hibát tartalmazó hozzávetőleges távolság (pszeudo-távolság).
(3) koordináta megoldás
4 vagy több műhold pszeudo-távolságadatait használják fel egyenletek felállítására, és a vevő háromdimenziós térbeli helyzetét a legkisebb négyzetek módszerével oldják meg (≥4 műhold szükséges az órajel-eltérés kiküszöböléséhez).
(4) dinamikus korrekció
A differenciális GPS (DGPS) vagy a valós idejű dinamikus pozicionálási (RTK) technológiával kombinálva, a referenciaállomás és a mobilállomás közötti adatkölcsönhatás révén kiküszöbölhetők az olyan hibák, mint a többutas hatás és a légköri interferencia, és a pontosság centiméteres szintre javul.
3. Alkalmazási forgatókönyv
A GPS-technológia behatolt az iparba, a mezőgazdaságba, a hadseregbe és a mindennapi életbe:
(1) Közlekedés és navigáció
Járműnavigáció valós idejű optimális útvonaltervezése a forgalmi dugók elkerülése érdekében (5-10 méteres pozicionálási pontosság).
Az önvezető járművek integrálják a LiDAR és a GPS adatokat a sávszintű helymeghatározáshoz (hiba ≤20 cm).
(2) Precíziós mezőgazdaság
A mezőgazdasági gépek automatikus vezetése és a változó trágyázás (vetési pontossági hiba ≤ 2 cm) csökkenti az erőforrás-pazarlást.
Személyzet nélküli mezőgazdasági területek feltérképezése és kártevő-monitorozás a munkahatékonyság javítása érdekében
(3) Katonaság és biztonság
Rakétairányítás (katonai GPS pontosság ≤ 10 cm), csapatmozgás és harctéri helyzetfelismerés.
A bajba jutott személyek gyors megtalálása vészhelyzeti mentés során (pl. eltűnt hegymászók).
(4)Kutatás és mérnöki tudományok
Geológiai monitoring (pl. szeizmikus törésvonalak elmozdulásának mérése milliméteres pontossággal).
Építőmérnöki deformációfelügyelet és hídállapot-diagnózis.
(5)Mindennapi élet
Mobil térképes navigáció, megosztott kerékpárok elektronikus kerítéskezelése.
Szabadtéri tevékenységek nyomon követése (pl. maraton útvonalának nyomon követése).
3. előny
(1) nagy pontosságú pozicionálás
A polgári GPS pontossága 5-10 méter (nincsenek dél-afrikai politikai korlátozások), a katonai változatoknál akár centiméter is lehet.
(2) Globális lefedettség
A Föld felszínének 98%-a képes fogni a műholdjeleket, nincsenek földrajzi korlátozások (a sarkvidékeken gyenge a jel).
(3) valós idejű és folytonos
Akár 10 Hz-es dinamikus célpozicionálási frekvencia, támogatja a nagy sebességű mozgó tárgyak (például repülőgépek, nagysebességű vasút) folyamatos követését.
(4) Alacsony költség és könnyű használat
A civil vevőegységek ára mindössze 100 jüan, és nincs szükség további infrastrukturális támogatásra.
4. hiányosság
(1) Gyenge környezeti alkalmazkodóképesség
A beltéri jelenetek, alagutak és földalatti garázsok nem találhatók meg a jel eltakarása miatt (a vakság elhárításához Wi-Fi vagy Bluetooth technológiát kell használni).
A magas épületek vagy a sűrű erdőterületek hajlamosak a többutas terjedésre (a jel visszaverődése pozicionálási eltérést okoz, hiba ≥50 m).
(2) Magas szintű technológiai függőség
Teljes mértékben függ a műholdjelektől, ki van téve a napviharoknak, az emberi beavatkozásnak (például a GPS-hamisításnak), ami helymeghatározási hibákat eredményez.
A nagy pontosságú alkalmazások földi kiegészítő rendszerekre (például DGPS) támaszkodnak, ami növeli a telepítési költségeket és a bonyolultságot.
(3) Energiafogyasztás és hardverkorlátok
Magas energiafogyasztás folyamatos pozicionálási módban (pl. okostelefon akkumulátorának élettartama 20%-30%-kal csökkent).
A szélsőséges időjárás (zápor vagy zivatar) csökkentheti a jel vételi minőségét és befolyásolhatja a helymeghatározás stabilitását.
5. Összefoglalás
A GPS-követő technológia globális lefedettségével, nagy pontosságával és valós idejű megjelenítésével a modern társadalom egyik alapvető infrastruktúrájává vált. A beltéri meghibásodások és a környezeti interferencia korlátai ellenére alkalmazási lehetőségei folyamatosan bővülnek a több forrásból származó helymeghatározó technológia (például a Beidou + GPS kettős módú vétel) és a továbbfejlesztett differenciális algoritmus integrálásával. A jövőben az alacsony pályájú műholdkonstellációk és az 5G kommunikációs technológia kombinációja várhatóan tovább fogja áttörni a beltéri és kültéri helymeghatározás határait, és előmozdítja az innovációt az intelligens városok és a pilóta nélküli vezetés területén.