¿Qué significa GPS?

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Análisis:

Se desarrolló el Sistema de Posicionamiento Global (Sistema de Posicionamiento Global, generalmente denominado GPS) por el Departamento de Defensa de EE. UU. Un sistema de navegación con referencia espacial para todo clima que satisface las necesidades de los usuarios militares ubicados en cualquier parte del mundo o en el espacio cercano a la Tierra para determinar de manera continua y precisa la posición tridimensional y el movimiento y el tiempo tridimensionales. . Es un sistema de posicionamiento por satélite en órbita circular de media distancia. Puede proporcionar posicionamiento preciso, medición de velocidad y estándares de tiempo de alta precisión para la mayoría de las áreas (98%) de la superficie terrestre. El sistema consta de 24 satélites GPS en el espacio; 1 estación de control principal, 3 estaciones de inyección de datos y 5 estaciones de seguimiento en tierra, además de receptores GPS como terminales de usuario. Se necesitan al menos 4 de estos satélites para determinar rápidamente la ubicación y la altitud del usuario en la Tierra; cuantos más satélites se puedan conectar, más precisa será la posición decodificada.

Este sistema fue desarrollado por el ejército de los Estados Unidos en la década de 1970 y finalizado por completo en 1994. Los usuarios sólo necesitan poseer un receptor GPS y no necesitan pagar tarifas adicionales. Las señales GPS se dividen en dos categorías: servicio de posicionamiento estándar civil (sps, servicio de posicionamiento estándar) y servicio de posicionamiento de precisión militar (pss, servicio de posicionamiento preciso). Se agregan errores a las señales civiles y la precisión del posicionamiento final es de unos 100 metros, la precisión de las regulaciones militares es de menos de diez metros. Después del año 2000, la administración Clinton decidió cancelar el error añadido a las señales civiles. Por lo tanto, el GPS civil ahora también puede alcanzar una precisión de posicionamiento de unos diez metros.

El sistema GPS tiene las siguientes ventajas: todo clima, no afectado por ningún clima; cobertura global (hasta 98%); velocidad y sincronización tridimensionales de alta precisión; alta eficiencia; amplia aplicación, posicionamiento extraíble; a diferencia del sistema de posicionamiento de doble estrella, el receptor no necesita enviar ninguna señal durante el uso, lo que aumenta la ocultación y mejora la eficiencia de su aplicación militar.

Predecesor

El predecesor del sistema GPS fue un sistema de posicionamiento por satélite de meridianos (Transit) desarrollado por el ejército estadounidense. Fue desarrollado en 1958 y puesto en uso oficialmente en 1964. Este sistema funciona con una red estelar compuesta por 5 a 6 satélites, orbita la Tierra hasta 13 veces al día y no puede proporcionar información de altitud, y su precisión de posicionamiento tampoco es satisfactoria. Sin embargo, el sistema de meridianos permitió al departamento de I+D adquirir experiencia preliminar en posicionamiento por satélite y verificó la viabilidad del posicionamiento mediante sistemas satelitales, allanando el camino para el desarrollo del sistema GPS. Porque el posicionamiento por satélite muestra grandes ventajas en la navegación y el sistema de meridianos tiene enormes defectos en la navegación submarina y naval. La Armada, el Ejército, la Fuerza Aérea y los departamentos civiles de los EE. UU. sienten la urgente necesidad de un nuevo sistema de navegación por satélite. Con este fin, el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de Estados Unidos propuso un plan llamado Tinmation para utilizar de 12 a 18 satélites para formar una red de posicionamiento global con una altitud de 10.000 km, y lanzó un satélite de prueba cada uno en 1967, 1969 y 1974. En estos satélites se probaron inicialmente sistemas de sincronización de relojes atómicos, que son la base para el posicionamiento preciso del sistema GPS. La Fuerza Aérea de Estados Unidos propuso el plan 621-B para formar de 3 a 4 constelaciones con 4 a 5 satélites por constelación, excepto uno de estos satélites, todos usan órbitas sincrónicas y el resto usan órbitas inclinadas con un período de 24 horas. Está previsto propagar señales de satélite basadas en códigos pseudoaleatorios (PRN). Su potente función puede detectar la densidad de la señal cuando es inferior al 1% del ruido ambiental. La aplicación exitosa de códigos pseudoaleatorios es una base importante para el éxito del sistema GPS. El plan de la Armada se utiliza principalmente para proporcionar posicionamiento 2D de baja dinámica para barcos, mientras que el plan de la Fuerza Aérea puede proporcionar servicios de alta dinámica, pero el sistema es demasiado complejo. Dado que desarrollar dos sistemas al mismo tiempo causaría enormes costos y ambos planes están diseñados para proporcionar posicionamiento global, en 1973 el Departamento de Defensa de Estados Unidos fusionó los dos en uno y estableció la Iniciativa Conjunta de Posicionamiento y Navegación por Satélite liderada por el Departamento de Defensa. Liderazgo de la Oficina de Planificación de Defensa (JPO) y también estableció oficinas en la Agencia Espacial de la Fuerza Aérea en Los Ángeles. Los miembros de la agencia incluyen representantes del Ejército, la Armada, la Infantería de Marina, el Departamento de Transporte, la Agencia de Cartografía de Defensa, la OTAN y Australia de los EE. UU.

Plan

El plan GPS original nació bajo el liderazgo de la Oficina de Planificación Conjunta, que colocó 24 satélites en tres órbitas a 120 grados entre sí. Hay 8 satélites en cada órbita y se pueden observar de 6 a 9 satélites desde cualquier punto de la Tierra. De esta manera, la precisión del código aproximado puede alcanzar los 100 m y la precisión del código fino puede ser de 10 m. Debido a la compresión presupuestaria, el departamento de planificación GPS tuvo que reducir el número de lanzamientos de satélites y en su lugar distribuyó 18 satélites en 6 órbitas a 60 grados entre sí. Sin embargo, esta solución hace que la fiabilidad del satélite no esté garantizada. La última modificación se realizó en 1988: 21 satélites en funcionamiento y 3 satélites de respaldo trabajaron en 6 órbitas con una separación de 30 grados entre sí. Así es también como funcionan hoy en día los satélites GPS.

Implementación del Plan

La implementación del plan GPS*** se divide en tres etapas:

La primera etapa es la demostración del programa y la etapa de diseño preliminar.

De 1978 a 1979, se lanzaron 4 satélites de prueba utilizando cohetes Gemini desde la base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California. Los satélites orbitaban con un semieje mayor de 26.560 km y una inclinación de 64 grados. La altitud orbital es de 20.000 km. Esta etapa desarrolló principalmente receptores terrestres y estableció una red de seguimiento terrestre, y los resultados fueron satisfactorios.

La segunda etapa es la etapa de desarrollo y prueba integral.

De 1979 a 1984 se lanzaron sucesivamente siete satélites de prueba más, denominados BLOQUE I, y se desarrollaron receptores para diversos fines. Los experimentos muestran que la precisión del posicionamiento GPS supera con creces el estándar de diseño. Utilizando el posicionamiento con código aproximado, la precisión puede alcanzar los 14 metros.

La tercera etapa es la etapa práctica de networking.

El primer satélite GPS en funcionamiento se lanzó con éxito el 4 de febrero de 1989. Los satélites en esta etapa se denominaron BLOQUE II y BLOQUE IIA. Esta etapa declara que el sistema GPS ha entrado en estado de construcción. A finales de 1993 se había construido una práctica red GPS, la constelación GPS (21+3), y en el futuro se sustituirán los satélites averiados según lo previsto.

El satélite GPS fue desarrollado por el Departamento Espacial de Rockefeller International. El satélite pesa 774 kg y tiene una vida útil de 7 años. El satélite adopta una estructura de panal, con un cuerpo principal cilíndrico y un diámetro de 1,5 m. Hay dos paneles de vela de células solares de doble pala orientados al sol (BLOQUE I) instalados a ambos lados del satélite, con una longitud total de 5,33 m y un área de recepción de luz solar de 7,2 m2. El sistema de orientación solar controla la rotación de las velas de las baterías de las dos alas para que los paneles estén siempre alineados con el sol, proporciona energía continuamente al satélite y carga tres juegos de baterías de níquel cadmio de 15 Ah para garantizar que el satélite pueda funcionar normalmente en el parte de sombra de la tierra. En la parte inferior de la estrella está instalada una antena direccional multihaz de 12 unidades, que puede transmitir señales en dos bandas L (ondas de 19 cm y 24 cm) con un ángulo de apertura de aproximadamente 30 grados. Se instalan antenas omnidireccionales de telemetría y control remoto en ambos extremos de la estrella para la comunicación con la red de monitoreo terrestre. Además, el satélite también está equipado con un sistema de control de actitud y un sistema de control de órbita para mantener el satélite a una altitud y ángulo adecuados y alinearlo con precisión con el suelo visible del satélite.

Se puede ver en el principio de funcionamiento del sistema GPS que cuanto mayor sea la precisión del reloj satelital, mayor será la precisión del posicionamiento. Los primeros satélites experimentales utilizaban osciladores de cuarzo desarrollados por la Universidad Hopkins, con una estabilidad de frecuencia relativa de 10-11/día. El error es de 14 metros. Después de 1974, los satélites GPS utilizaron relojes atómicos de rubidio, con una estabilidad de frecuencia relativa de 10?12/día y un error de 8 m. En 1977, el modelo BOKCK II adoptó un reloj atómico de cesio desarrollado por Maass Frequency and Time Systems, y su frecuencia relativamente estable alcanzó 10?13/día, y el error se redujo a 2,9 m. En 1981, el reloj atómico de hidrógeno desarrollado por Hughes Company con una frecuencia relativamente estable de 10 ± 14/día permitió al satélite BLOCK IIR tener un error de sólo 1 m.

Principio del sistema GPS

Cuando la Unión Soviética lanzó el primer satélite artificial, investigadores del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad John Hobskin en Estados Unidos propusieron que ya que la estación de observación podría ser conocida Si se conoce la posición del satélite, también se debe medir la posición del receptor. Ésta es la idea básica de los satélites de navegación. El principio básico del sistema de navegación GPS es medir la distancia entre un satélite de posición conocida y el receptor del usuario, y luego combinar los datos de múltiples satélites para conocer la ubicación del receptor. Para lograrlo, la posición del satélite se puede encontrar en las efemérides del satélite en función del tiempo registrado por el reloj a bordo.

La distancia entre el usuario y el satélite se obtiene registrando el tiempo que tarda la señal del satélite en propagarse hasta el usuario y luego multiplicándolo por la velocidad de la luz (debido a la interferencia de la ionosfera en la atmósfera, esta distancia es no la distancia real entre el usuario y el satélite, sino Pseudodistancia (PR): cuando el satélite GPS está funcionando normalmente, transmitirá continuamente mensajes de navegación utilizando códigos pseudoaleatorios (denominados pseudocódigos) compuestos por símbolos binarios 1 y 0. Hay dos tipos de pseudocódigos utilizados por el sistema GPS, respectivamente, son el código C/A civil y el código P(Y) militar. La frecuencia del código C/A es de 1.023MHz, el período de repetición es de un milisegundo y el. el espacio entre códigos es de 1 microsegundo, lo que equivale a 300 m; la frecuencia del código P es de 10,23 MHz y el período de repetición es de 266,4. El espacio entre códigos es de 0,1 microsegundos, lo que equivale a 30 m. Código P y tiene mejor confidencialidad. El mensaje de navegación incluye efemérides del satélite, condiciones de trabajo, corrección del reloj, corrección del retraso ionosférico y corrección de la refracción y otra información. Se demodula a partir de la señal del satélite y se transmite en la frecuencia portadora con 50b/s. Modulación. Cada cuadro principal del mensaje de navegación contiene 5 subtramas, cada una de las cuales tiene una duración de 6 segundos; se repite cada treinta segundos y se actualiza cada hora. El contenido de los dos últimos cuadros incluye principalmente telemetría. código, código de conversión, 1º, 2º y 3º bloques de datos, los más importantes son los datos de efemérides. Cuando el usuario recibe el mensaje de navegación, puede extraer la hora del satélite y compararla con su propio reloj para conocer la distancia entre ellos. satélite y el usuario, y luego utiliza los datos de efemérides del satélite en el mensaje de navegación para calcular el mensaje de lanzamiento del satélite. Se puede ver la posición del usuario, la velocidad y otra información en el sistema de coordenadas geodésicas WGS-84. La parte satelital del sistema de navegación GPS es transmitir continuamente mensajes de navegación. Sin embargo, debido al reloj y al satélite utilizados por el receptor del usuario, el reloj satelital no siempre se puede sincronizar, por lo que además de las coordenadas tridimensionales x del usuario. y, y z, a Δt, que es la diferencia de tiempo entre el satélite y el receptor, deben introducirse como un número desconocido, y luego se usan cuatro ecuaciones para resolver estos cuatro números desconocidos. Entonces, si quieres saber el. ubicación del receptor, debe poder recibir señales de al menos 4 satélites.

Tecnología diferencial

Para mejorar la precisión para uso civil, la comunidad científica utiliza otra tecnología. se desarrolla, llamado Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (DGPS), que utiliza puntos de coordenadas de referencia conocidos cercanos (obtenidos de otros métodos de medición) para corregir el error del GPS en tiempo real) el valor del error se agrega a la consideración de su propio cálculo de coordenadas. y se puede obtener un valor más preciso.

El GPS tiene navegación 2D y puntos de navegación 3D. No puede proporcionar servicio de navegación 3D cuando la señal del satélite es insuficiente y la precisión de la altitud tampoco es alta. suficiente, a veces alcanza un error de 10 veces. Sin embargo, el error mejorado en longitud y latitud es muy pequeño. El localizador de satélite tarda mucho en capturar la señal del satélite en áreas con muchos edificios de gran altura. > Función GPS. >

Sincronización precisa: ampliamente utilizada en observatorios, estaciones base de sistemas de comunicación y estaciones de televisión

Construcción de ingeniería: el equipo GPS se usa ampliamente para mediciones de ingeniería en la construcción de carreteras, puentes, y túneles

Exploración y cartografía: utilizado en exploración de campo y planificación urbana

Navegación:

Navegación con armas: misiles guiados de precisión, misiles de crucero

Navegación de vehículos: despacho de vehículos, sistema de seguimiento

Navegación de barcos: navegación oceánica, desvío de puertos/aguas interiores

Navegación de aeronaves: navegación de rutas, control de aproximación y aterrizaje

Navegación interestelar: posicionamiento en órbita satelital

Navegación personal: viajes personales y aventuras al aire libre

Posicionamiento:

Sistema antirrobo del vehículo

Antirrobo para teléfonos móviles, PDA, PPC y otros dispositivos móviles de comunicación, mapa electrónico, sistema de posicionamiento

Sistema antipérdida para niños y grupos especiales

Encuesta agrícola

Seis características del GPS

Capítulo Primero, todo clima, no afectado por ningún clima

Segundo, cobertura global (hasta 98%);

Tercero, velocidad y sincronización de punto fijo de siete dimensiones de alta precisión

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Cuarto, es rápido, ahorra tiempo y es eficiente

Quinto; , es ampliamente utilizado y multifuncional;

Sexto, se puede mover y posicionar.