¿Qué es el sistema de posicionamiento global?
(1) La composición del sistema GPS
El sistema GPS consta de tres partes: la parte espacial: la constelación de satélites GPS; la parte de control terrestre: el sistema de monitoreo terrestre; Equipo parte-receptor de señal GPS.
Constelación de satélites GPS:
La constelación de satélites GPS que consta de 21 satélites en funcionamiento y 3 satélites de respaldo en órbita se denomina constelación GPS (21+3). Estos 24 satélites están distribuidos uniformemente en 6 planos orbitales. El ángulo de inclinación orbital es de 55 grados y los planos orbitales están separados por 60 grados, es decir, los nodos ascendentes de las órbitas están separados por 60 grados en ascensión recta. La distancia de elevación entre los satélites en cada plano orbital difiere en 90 grados: los satélites en el plano orbital están 30 grados por delante de los satélites correspondientes en el plano orbital adyacente al oeste.
Para un satélite GPS a una altitud de 20.000 kilómetros, la Tierra gira una vez alrededor de las estrellas y orbita la Tierra dos veces. Es decir, el tiempo que tarda en orbitar la Tierra una vez es de 12 estrellas. De esta manera, los observadores terrestres verán el mismo satélite GPS cuatro minutos antes cada día. El número de satélites sobre el horizonte varía según el tiempo y la ubicación. Se pueden ver un mínimo de 4 satélites y un máximo de 11 satélites. Cuando se utilizan señales GPS para navegación y posicionamiento, para determinar las coordenadas tridimensionales de la estación, se deben observar cuatro satélites GPS, lo que se denomina constelación de posicionamiento. La distribución geométrica de la posición de estos cuatro satélites durante el proceso de observación tiene un cierto impacto en la precisión del posicionamiento. Para un lugar donde ni siquiera se pueden medir coordenadas puntuales precisas en un momento determinado, este período de tiempo se denomina "período de brecha". Sin embargo, esta diferencia horaria es muy corta y no afecta a las mediciones de navegación y posicionamiento en tiempo real, continuas, de alta precisión y en todo clima en la mayoría de las áreas del mundo. La cantidad de satélites GPS en funcionamiento es básicamente la misma que la cantidad de satélites de prueba.
Sistema de monitorización terrestre:
Para la navegación y posicionamiento, el satélite GPS es un punto conocido dinámico. La posición de las estrellas se calcula a partir de las efemérides transmitidas por el satélite, que describen el movimiento y los parámetros orbitales del satélite. Las efemérides transmitidas por cada satélite GPS las proporciona el sistema de monitorización terrestre. El equipo terrestre debe monitorear y controlar si los diversos equipos del satélite funcionan correctamente y si el satélite ha estado funcionando a lo largo de la órbita predeterminada. Otra función importante del sistema de vigilancia terrestre es mantener la hora estándar de todos los satélites: el sistema horario GPS. Esto requiere que la estación terrestre monitoree la hora de cada satélite y encuentre la diferencia en los relojes. Luego se envía al satélite mediante la estación de inyección terrestre y luego se envía al equipo del usuario mediante el mensaje de navegación. El sistema de monitoreo terrestre por satélite en funcionamiento GPS incluye una estación de control principal, tres estaciones de inyección y cinco estaciones de monitoreo.
Receptor de señal GPS:
La tarea del receptor de señal GPS es capturar las señales de los satélites bajo prueba seleccionados de acuerdo con un cierto ángulo de corte de la altitud del satélite, seguimiento el movimiento de estos satélites, y monitorear La señal GPS recibida se transforma, amplifica y procesa para medir el tiempo de propagación de la señal GPS desde el satélite a la antena receptora, interpretar el mensaje de navegación enviado por el satélite GPS y calcular los tres- posición dimensional de la estación en tiempo real, e incluso la velocidad y el tiempo tridimensionales.
Las señales de navegación y posicionamiento enviadas por los satélites GPS son un recurso de información que pueden disfrutar innumerables usuarios. Para la mayoría de los usuarios en tierra, océano y espacio, siempre que el usuario tenga un dispositivo receptor que pueda recibir, rastrear, convertir y medir señales de GPS, es decir, un receptor de señales de GPS. Las señales GPS se pueden utilizar para mediciones de navegación y posicionamiento en cualquier momento. Dependiendo del propósito de uso, diferentes usuarios requieren diferentes receptores de señal GPS. Actualmente, decenas de fábricas de todo el mundo producen cientos de productos de receptores GPS. Estos productos se pueden clasificar según sus principios, usos y funciones.
En el posicionamiento estático, el receptor GPS queda fijo durante el proceso de adquisición y seguimiento de satélites GPS. El receptor mide el tiempo de viaje de la señal GPS con alta precisión y calcula las coordenadas tridimensionales de la posición de la antena del receptor utilizando las posiciones conocidas de los satélites GPS en órbita. El posicionamiento dinámico utiliza un receptor GPS para medir la trayectoria de los objetos en movimiento. El objeto en movimiento donde se encuentra el receptor de señal GPS se llama portador (como un velero, un avión en el aire, un vehículo, etc.). La antena del receptor GPS en el portador está en relación con la tierra durante el proceso de. El seguimiento del satélite GPS y las señales GPS del receptor en movimiento se utilizan para medir los parámetros de estado (posición tridimensional instantánea y velocidad tridimensional) del portador en movimiento en tiempo real.
El hardware del receptor, el software interno y el paquete de software de posprocesamiento de datos GPS constituyen un equipo completo de usuario de GPS. La estructura del receptor GPS se divide en dos partes: la unidad de antena y la unidad receptora.
Para los receptores geodésicos, estas dos unidades generalmente se dividen en dos partes separadas. Durante la observación, la unidad de antena se coloca en la estación, la unidad receptora se coloca en un lugar apropiado cerca de la estación y las dos unidades se conectan con cables para formar una unidad completa. Algunos incluso integran la unidad de antena y la unidad de recepción en un todo y las colocan en el lugar de prueba durante la observación.
Los receptores GPS generalmente utilizan baterías como fuente de energía. Utilice fuentes de alimentación de CC internas y externas al mismo tiempo. El propósito de configurar la batería interna es permitir una observación continua sin interrupción al reemplazar la batería externa. Cuando utilice la batería externa, la batería incorporada se cargará automáticamente. Después de apagarse, la batería de la máquina suministra energía a la memoria RAM para evitar la pérdida de datos.
En los últimos años se han introducido en China varios tipos de receptores geodésicos GPS. Cuando se utilizan varios tipos de receptores geodésicos GPS para un posicionamiento relativo preciso, la precisión del receptor de doble frecuencia puede alcanzar 5 mm + 1 ppm. La precisión del receptor de frecuencia única puede alcanzar 10 mm + 2 ppm. dentro de una cierta distancia. La precisión del posicionamiento diferencial puede alcanzar niveles de submetros a centímetros.
Actualmente, diversos modelos de receptores GPS son cada vez más pequeños y ligeros, lo que los hace adecuados para observaciones de campo. Ya se encuentran disponibles receptores de sistemas de posicionamiento y navegación global compatibles con GPS y GLONASS.
(2) Principio de posicionamiento GPS
El principio de posicionamiento básico del GPS es que el satélite envía continuamente sus propios parámetros de efemérides e información horaria. Después de recibir esta información, el usuario calcula la posición tridimensional, la dirección tridimensional, la velocidad de movimiento y la información de tiempo del receptor.
(3) Características del sistema GPS
El sistema GPS tiene las siguientes características principales: alta precisión, para todo clima, alta eficiencia, multifunción, operación simple y amplia solicitud.
La práctica de aplicación de alta precisión de posicionamiento ha demostrado que la precisión de posicionamiento relativo del GPS puede alcanzar 10-6100-500KM, 10-71000KM, 100-9. En el posicionamiento de precisión de ingeniería de 300-1500M, la solución. de más de 1 hora de observación El error de posición del avión es inferior a 1 mm. En comparación con la longitud lateral medida por el medidor de distancia de ondas electromagnéticas ME-5000, la diferencia máxima de longitud lateral es de 0,5 mm y el error de corrección es de 0,3 mm.
El tiempo de observación es corto. Con la mejora continua del sistema GPS y la actualización continua del software, el posicionamiento estático relativo dentro de 20 km solo toma entre 15 y 20 minutos. En la medición rápida de posicionamiento relativo estático, cuando la distancia entre cada estación móvil y la estación de referencia está dentro de los 15 km, el tiempo de observación de la estación móvil es de solo 1 a 2 minutos, y luego se puede ubicar en cualquier momento, y la observación de cada estación sólo toma unos segundos.
No se requiere visibilidad entre estaciones. La medición GPS no requiere una línea de visión clara entre las estaciones, pero el cielo sobre la estación es muy amplio, lo que puede ahorrar muchos costos de licitación. Como no es necesario ver las posiciones de los puntos entre puntos, la densidad se puede ajustar según sea necesario, lo que hace que la selección de puntos sea muy flexible, y también se puede omitir la medición de puntos de transmisión y puntos de transición en la red geodésica clásica.
La geodesia clásica puede proporcionar coordenadas tridimensionales y utilizar diferentes métodos para medir planos y elevaciones respectivamente. El GPS puede determinar de forma simultánea y precisa las coordenadas tridimensionales de un sitio. El nivel actual de GPS puede alcanzar el cuarto nivel de precisión.
Funcionamiento sencillo: con la mejora continua de los receptores GPS, el grado de automatización es cada vez mayor, y algunos han llegado al nivel de "idiotas" los receptores se vuelven más pequeños y ligeros, lo que reduce en gran medida el; Costo de operación. Medir el estrés laboral y la intensidad laboral de los trabajadores. Hacer que el trabajo de campo sea fácil y agradable.
Operación en todo clima Actualmente, las observaciones GPS se pueden realizar en cualquier momento las 24 horas del día y no se ven afectadas por el clima nublado y oscuro, el clima con niebla y viento, la lluvia y la nieve, y tienen muchas funciones. y amplias aplicaciones.
De estas características se desprende que el sistema GPS no solo se puede utilizar para medición y navegación, sino también para medición de velocidad y medición de tiempo. La precisión de la medición de la velocidad puede alcanzar 0,1 M/S y la precisión de la medición del tiempo puede alcanzar decenas de nanosegundos. Sus campos de aplicación están en constante expansión. Perspectivas de aplicación de los sistemas GPS El objetivo principal del diseño de sistemas GPS es para fines militares, como la navegación y la recopilación de inteligencia. Sin embargo, aplicaciones y desarrollos posteriores han demostrado que el sistema GPS no solo puede lograr los objetivos anteriores, sino que también puede utilizar las señales de navegación y posicionamiento enviadas por los satélites GPS para realizar un posicionamiento relativo estático con una precisión de nivel centimétrico o incluso milimétrico, y Posicionamiento dinámico con precisión de nivel de metro a submetro Medición de velocidad con precisión de submetro a centímetro y medición de tiempo con precisión de nanosegundos. Por tanto, el sistema GPS presenta perspectivas de aplicación muy amplias.
Uso del sistema de posicionamiento global
El GPS se estableció originalmente para proporcionar un posicionamiento preciso al ejército y todavía está controlado por el ejército de EE. UU. Los productos GPS militares se utilizan principalmente para determinar y rastrear las coordenadas de los soldados y el equipo que viajan en el campo, proporcionar navegación para buques de guerra en el mar y proporcionar información de ubicación y navegación para aviones militares.
En la actualidad, la aplicación del sistema GPS será muy extensa. Podemos utilizar señales GPS para guiar la geodesia de misiles de navegación marítima, terrestre y aérea, transferir el tiempo de posicionamiento preciso y medir la velocidad de estudios de ingeniería. En el campo de la topografía y la cartografía, la tecnología de posicionamiento por satélite GPS se ha utilizado para establecer una red nacional de control geodésico de alta precisión para determinar los parámetros geodinámicos globales utilizados para establecer datos geodésicos terrestres y oceánicos, realizar estudios conjuntos de alta precisión entre islas y tierras; estudios oceánicos utilizados para monitorear la tierra. El estado de movimiento de las placas y la deformación de la corteza terrestre utilizados en mediciones de ingeniería se han convertido en el principal medio para establecer redes de control urbano y de ingeniería.
El mapeo rápido de reconocimientos aéreos con poco o ningún control terrestre a través de las posiciones de las cámaras utilizadas para determinar momentos de la fotografía aérea ha llevado a una revolución tecnológica en los sistemas de información geográfica y el monitoreo por teledetección del medio ambiente global.
Muchas organizaciones comerciales y gubernamentales también utilizan dispositivos GPS para rastrear la ubicación de sus vehículos, a menudo con la ayuda de tecnología de comunicaciones inalámbricas. Algunos receptores GPS integran radios, teléfonos inalámbricos y terminales de datos móviles para satisfacer las necesidades de gestión de flotas.
Debido a la aparición de entornos diversificados de recursos espaciales, sistemas como GPS GLONASSINMARSAT tienen funciones de navegación y posicionamiento, formando un entorno diversificado de recursos espaciales. Este entorno diversificado de recursos espaciales ha impulsado la formación de una estrategia internacional consistente, es decir, por un lado, hacer pleno uso de los sistemas existentes y, por el otro, construir activamente sistemas GNSS civiles. Para 2010, se construirá un sistema GNSS puramente civil en todo el mundo, formando una tendencia tripartita de GPS/GLONASS/GNSS, eliminando fundamentalmente la dependencia de un sistema único y formando un entorno de recursos seguro disponible y compartido internacionalmente. El mundo puede entrar en el ámbito de aplicación más elevado de la navegación por satélite como método de navegación único. A su vez, esta estrategia internacional y no gubernamental influyó y obligó a Estados Unidos a realizar más ajustes públicos en su política de uso del GPS. En resumen, el establecimiento de recursos y entornos espaciales diversificados ha creado un buen entorno internacional sin precedentes para el desarrollo y la aplicación del GPS.