¿Cómo funciona el GPS?

Principio:

El principio básico del sistema de navegación GPS es medir la distancia desde un satélite con una posición conocida hasta el receptor del usuario y luego combinar los datos de múltiples satélites para comprender la ubicación exacta del receptor. Para lograrlo, la posición del satélite se encuentra en las efemérides del satélite en función del tiempo registrado por el reloj de abordo.

La distancia del usuario al satélite se calcula registrando el tiempo que tarda la señal del satélite en propagarse hasta el usuario y multiplicándolo por la velocidad de la luz. (Debido a la interferencia de la ionosfera atmosférica, esta distancia no es la distancia real entre el usuario y el satélite, sino un pseudorango (PR,): cuando los satélites GPS funcionan normalmente, utilizarán información de navegación para transmitir continuamente números binarios. de 1 y 0 Hay dos tipos de códigos pseudoaleatorios utilizados por el sistema GPS, a saber, el código C/A civil y el código P(Y) militar. La frecuencia del código C/A es 1.023MHz, el período de repetición es 1. milisegundo y la distancia del código es 1 microsegundo, lo que equivale a 300 metros.

La frecuencia del código P es 10,23 MHz, el período de repetición es 266,4 días y la distancia del código es 266,4 días es 0,1 microsegundos. , equivalente a 30 metros. El código Y se forma sobre la base del código P y tiene mejor confidencialidad. El mensaje de navegación incluye efemérides del satélite, estado de funcionamiento, corrección del reloj, corrección del retraso ionosférico y corrección de la refracción atmosférica. /p>

El mensaje de navegación se demodula a partir de la señal del satélite y la transmisión de frecuencia portadora utiliza una modulación de 50 b/s.

Cada cuadro principal de la información de navegación contiene cinco subtramas. El tiempo de subtrama es 6. segundos, los primeros tres subcuadros tienen cada uno 10 códigos de caracteres, se repiten cada 30 segundos y se actualizan cada hora.

Los dos últimos cuadros ***15000b contienen código de telemetría, código de conversión. , bloque 2 y bloque 3, el más importante de los cuales son los datos de efemérides.

Después de que el usuario recibe el mensaje de navegación, puede extraer la hora del satélite y compararla con su propio reloj conociendo la distancia entre ellos. satélite y el usuario, y luego utilizando los datos de efemérides del satélite en el mensaje de navegación para calcular la posición del satélite cuando se lanzó el mensaje, se puede conocer la posición y la velocidad del usuario en el sistema de coordenadas geodésicas WGS-84.

Se puede ver que la función de la parte satelital en el sistema de navegación GPS es transmitir continuamente información de navegación. Sin embargo, dado que el reloj utilizado por el receptor del usuario y el reloj satelital a bordo no siempre se pueden sincronizar, además del. Las coordenadas tridimensionales del usuario x, y, z. Además, Δt, que es la diferencia de tiempo entre el satélite y el receptor, también se introduce como un número desconocido, y luego se utilizan cuatro ecuaciones para resolver estas cuatro incógnitas. p>

Entonces, si desea conocer la posición del receptor, un receptor GPS debe poder recibir señales de al menos cuatro satélites y puede recibir información horaria con una precisión de nanosegundos, que puede usarse para medir el tiempo.

Las efemérides de pronóstico se utilizan para predecir la apariencia aproximada de los satélites en los próximos meses. Las efemérides de transmisión se utilizan para calcular las coordenadas de los satélites necesarias para el posicionamiento, con una precisión que oscila entre unos pocos metros y decenas de metros (. los satélites individuales son diferentes y cambian de vez en cuando); la precisión de un receptor de posicionamiento por satélite GPS es de unos pocos metros a unos pocos. Varía desde diez metros (los satélites individuales son diferentes y varían de vez en cuando y la información del sistema GPS); como el estado del satélite, se puede obtener a partir de mediciones codificadas en el receptor GPS. La distancia entre el satélite y el receptor se denomina pseudodistancia porque incluye el error del reloj del satélite del receptor y el error de propagación atmosférica. El pseudorango medido por el código CA se llama pseudorango del código CA y la precisión es de aproximadamente 20 metros. El pseudorango medido por el código P se llama pseudorango del código P y la precisión es de aproximadamente 2 metros.

Un receptor GPS recupera la onda portadora decodificando la señal del satélite recibida o utilizando otras técnicas para eliminar la información modulada en la onda portadora. Estrictamente hablando, la fase de la portadora debería llamarse fase de batido de la portadora, que es la diferencia entre la fase de la portadora de la señal del satélite recibida afectada por el cambio de frecuencia Doppler y la fase de la señal generada por la oscilación local del receptor.

Generalmente, cuando el reloj del receptor determina la época para la medición, la señal del satélite se rastrea en cualquier momento y se puede registrar el valor de cambio de fase. Sin embargo, el valor de fase inicial del receptor y del oscilador del satélite sí lo es. No se conoce al comienzo de la observación. También se desconoce el número entero de la fase de época, es decir, el grado de ambigüedad de todo el ciclo, y solo se puede utilizar como parámetro en el esquema de procesamiento de datos.

La precisión de la observación de fase es de nivel milimétrico, pero la premisa es resolver el problema de la ambigüedad, por lo que solo se puede utilizar en el caso de posicionamiento relativo y períodos de observación continua, y solo se puede utilizar. para lograr un nivel de precisión de posicionamiento mejor que los metros.

Según el método de posicionamiento, el posicionamiento GPS se divide en posicionamiento de un solo punto y posicionamiento relativo (posicionamiento diferencial). El posicionamiento de un solo punto determina la posición del receptor en función de los datos de observación del receptor. Solo puede utilizar observaciones de pseudorango y se puede utilizar para posicionamiento de navegación aproximado, como vehículos y barcos.

El posicionamiento relativo (posicionamiento diferencial) es un método para determinar la posición relativa entre puntos de observación basándose en los datos de observación de dos o más receptores. Puede utilizar observación de pseudorango o observación de fase. debe usarse para posicionamiento relativo durante mediciones topográficas o de ingeniería.

Las observaciones GPS incluyen errores como diferencias de reloj entre satélites y receptores, retrasos en la propagación atmosférica y efectos de trayectorias múltiples. Los cálculos de posicionamiento también se ven afectados por errores de efemérides de transmisión por satélite, que afectan en gran medida el posicionamiento relativo. están compensados ​​o debilitados, por lo que la precisión del posicionamiento mejorará enormemente. El receptor de doble frecuencia puede compensar los errores en la ionosfera atmosférica en función de las dos frecuencias observadas. Lo principal es que cuando los requisitos de precisión son altos y la distancia entre los receptores es larga (existen diferencias obvias en la atmósfera), se deben seleccionar receptores de doble frecuencia.

El principio básico del posicionamiento GPS es utilizar la posición instantánea del satélite en movimiento a alta velocidad como datos iniciales conocidos y utilizar el método de intersección hacia atrás de la distancia espacial para determinar la posición del punto a ser medido.

Suponiendo que el receptor GPS está colocado en el suelo en el punto a medir en el instante t, se puede determinar el instante Δt en el que la señal GPS llega al receptor. Además, otros datos como las efemérides del satélite. recibido por el receptor también se puede determinar mediante las siguientes cuatro ecuaciones.

Información ampliada:

Configuración de GPS

GPS Si se trata de un nuevo posicionamiento del teléfono, se ha mencionado anteriormente. Además, hay algunas configuraciones, sistemas de coordenadas de uso común, datos de mapas, orientaciones de referencia, sistemas métricos/imperiales, formatos de interfaz de datos, etc.

Sistema de coordenadas: Los más utilizados son LAT/LON y UTM. LAT/LON representa latitud/longitud, aquí se ignora UTM.

Dato cartográfico: Habitualmente se utiliza WGS84.

Rumbo de referencia: En realidad existen dos tipos de norte, el norte magnético y el norte verdadero (CB y ZBY para abreviar). El norte señalado por la brújula es el norte magnético y el norte señalado por la Osa Mayor es el norte verdadero. Los dos tienen diferentes ángulos en diferentes áreas y el norte en el mapa es el norte verdadero.

Métrico/Imperial: Tu elección.

Formato de interfaz de datos: esto es más detallado. El GPS

puede generar datos de ubicación en tiempo real para que otros dispositivos los utilicen, lo que implica un protocolo de intercambio de datos.

Casi todos los receptores GPS siguen las especificaciones estándar establecidas por la Asociación Nacional de

Electrónica Marítima

de EE. UU. para la comunicación entre todos los estándares de equipos electrónicos marítimos, incluida la transmisión de datos. Formatos y protocolos de transmisión de datos. N

MEA

Hay tres protocolos, a saber, 0180, 0182 y 0183, de los cuales 0183 se considera un superconjunto de los dos primeros protocolos y actualmente se usa ampliamente.

Representación de latitud y longitud

Hablemos de representación de datos. Generalmente, los datos que se obtienen del GPS son longitud y latitud. Hay muchas formas de expresar la latitud y la longitud.

1.)ddd.ddddd, grado. Parte decimal del grado (5 dígitos)

2.) ddd.mm.mmm, grado.

Parte decimal del minuto (3 dígitos)

3.) ddd.mm.ss, grados.segundo

No todos los GPS tienen estas pantallas, GPS315 solo puede seleccionar el segundo elemento y el tercer elemento.

En el sistema de coordenadas LAT/LON, las latitudes están distribuidas uniformemente, con latitudes de 180 grados desde el Polo Sur al Polo Norte. El diámetro de la Tierra es 12756 KM, la circunferencia es 12756*PI y la latitud en un grado es 12756 x PI /360 = 111,133 KM (no exacto).

La longitud no es el caso. Solo cuando la latitud es cero, es decir, en el ecuador, la distancia entre un grado de longitud es 111,319 KM. A medida que aumenta la latitud, la distancia entre las líneas de longitud se vuelve. cada vez más cerca, y finalmente se cruza con los polos norte y sur. Por lo tanto, la unidad de distancia de longitud está estrechamente relacionada con la latitud en la que se determina la longitud. La fórmula de cálculo simple es:

La longitud de 1° de longitud = 111.413cos φ, y la latitud es φ. . (La fórmula no es exacta)

Referencia: Enciclopedia Baidu----GPS