1. Princípio técnico
O GPS (Sistema de Posicionamento Global) é baseado no método de triangulação de satélites. É composto por três partes: segmento espacial (constelação de satélites), segmento terrestre (estação de monitoramento) e segmento do usuário.(rastreador GPS).
(1)lançamento de sinal de satélite
Mais de 24 satélites (incluindo reservas) estão distribuídos em uma órbita média da Terra de cerca de 20.200 km, cada um dos quais envia continuamente mensagens de navegação contendo parâmetros orbitais e registros de data e hora.
(2) recepção e resolução de sinais
O dispositivo do usuário (rastreador GPS) precisa capturar pelo menos 4 sinais de satélite, calcule a distância medindo a diferença de tempo de propagação do sinal (Δt) (fórmula: distância =
velocidade da luz ×Δt) e construir uma esfera virtual com o satélite como centro. O ponto de intersecção são as coordenadas tridimensionais do receptor (longitude, latitude, altitude).
(3)correção de erros
Os parâmetros de correção de atraso ionosférico e os dados de compensação de erro de órbita do satélite fornecidos pelo sistema de monitoramento terrestre são usados para melhorar a precisão do posicionamento ao nível de metros (civil) ou centímetros (militar).
2.Processo de posicionamento
O posicionamento GPS é dividido em quatro etapas para atingir um processo de circuito fechado, desde a captura do sinal até a saída de alta precisão:
(1)Aquisição e sincronização de sinais
Orastreador GPS verifica o sinal do satélite e decodifica efemérides (dados da órbita do satélite) e parâmetros do relógio na mensagem de navegação.
(2)Medição de pseudo-distância
Comparando o tempo de transmissão do sinal do satélite (obtido da mensagem) com o tempo de recepção (relógio local), calcula-se a distância aproximada (pseudodistância) contendo o erro.
(3)solução coordenada
Os dados de pseudo alcance de 4 ou mais satélites são usados para estabelecer equações, e a posição espacial tridimensional do receptor é resolvida pelo método dos mínimos quadrados (≥4 satélites são necessários para eliminar o desvio do relógio).
(4)correção dinâmica
Combinado com a tecnologia GPS diferencial (DGPS) ou posicionamento dinâmico em tempo real (RTK), por meio da interação de dados entre a estação de referência e a estação móvel, erros como efeito multicaminho e interferência atmosférica são eliminados, e a precisão é melhorada ao nível de centímetros.
3. Cenário de aplicação
A tecnologia GPS penetrou na indústria, na agricultura, nas forças armadas e na vida cotidiana:
(1)Transporte e Navegação
Navegação de veículos com planejamento em tempo real do caminho ideal para evitar trechos congestionados (precisão de posicionamento de 5 a 10 metros).
Veículos autônomos integram dados LiDAR e GPS para obter posicionamento no nível da faixa (erro ≤20 cm).
(2)Agricultura de precisão
Condução automática de máquinas agrícolas e fertilização variável (erro de precisão de semeadura ≤ 2 cm), reduzem o desperdício de recursos.
Mapeamento de terras agrícolas não tripulado e monitoramento de pragas para melhorar a eficiência do trabalho
(3)Militar e Segurança
Orientação de mísseis (precisão do GPS militar ≤ 10 cm), movimentação de tropas e conscientização da situação no campo de batalha.
Localização rápida de pessoas em perigo em resgate de emergência (por exemplo, alpinistas desaparecidos).
(4)Pesquisa e Engenharia
Monitoramento geológico (por exemplo, medição de deslocamento de falhas sísmicas com precisão milimétrica).
Monitoramento de deformações em engenharia de construção e diagnóstico de saúde de pontes.
(5)Vida cotidiana
Navegação por mapa móvel, gerenciamento de cerca eletrônica de bicicletas compartilhadas.
Registro de atividades ao ar livre (por exemplo, rastreamento de rota de maratona).
3.vantagem
(1) posicionamento de alta precisão
Precisão de GPS civil de 5 a 10 metros (sem restrições de política da SA), versões militares de até centímetros.
(2)Cobertura global
98% da superfície da Terra pode receber sinais de satélite, sem restrições geográficas (regiões polares têm sinais fracos).
(3)tempo real e continuidade
frequência de posicionamento dinâmico de alvos de até 10 Hz, suporte a objetos em movimento de alta velocidade (como aeronaves, trens de alta velocidade) e rastreamento contínuo.
(4)Baixo custo e facilidade de uso
receptores civis custam apenas 100 yuans e não há suporte de infraestrutura adicional.
4. deficiência
(1) Fraca adaptabilidade ambiental
Cenas internas, túneis e garagens subterrâneas não podem ser localizadas devido à oclusão do sinal (tecnologia Wi-Fi ou Bluetooth deve ser usada para reparar a cegueira).
Arranha-céus ou áreas de florestas densas são propensas ao efeito multitrajeto (a reflexão do sinal leva ao desvio de posicionamento, erro ≥50 m).
(2)Alta dependência tecnológica
Totalmente dependente de sinais de satélite, vulnerável a tempestades solares, interferência humana (como falsificação de GPS), resultando em falha de posicionamento.
As aplicações de alta precisão dependem de sistemas de aumento terrestre (como DGPS), o que aumenta o custo e a complexidade da implantação
(3)Consumo de energia e limitações de hardware
Alto consumo de energia no modo de posicionamento contínuo (por exemplo, a vida útil da bateria do smartphone diminuiu em 20%-30%).
Condições climáticas extremas (tempestades ou trovoadas) podem reduzir a qualidade da recepção do sinal e afetar a estabilidade da localização.
5. Resumo
A tecnologia de rastreamento GPS, com sua cobertura global, alta precisão e tempo real, tornou-se uma das principais infraestruturas da sociedade moderna. Apesar das limitações de falhas internas e interferências ambientais, seus cenários de aplicação continuam a se expandir, integrando tecnologias de posicionamento multifonte (como a recepção bimodo Beidou +GPS) e algoritmos diferenciais aprimorados. No futuro, espera-se que a combinação da implantação de constelações de satélites de órbita baixa e da tecnologia de comunicação 5G rompa ainda mais as fronteiras do posicionamento interno e externo e promova a inovação nas áreas de cidades inteligentes e direção autônoma.