GPS
El GPS tiene las características de alta flexibilidad de posicionamiento, alta precisión, rapidez, coordenadas tridimensionales, operación en todo clima, fácil operación y cobertura global continua. Se ha convertido en un medio importante para obtener datos espaciales actuales. y se utiliza ampliamente en el estudio de recursos y la recopilación de datos de ubicación espacial.
(1) Descripción general del desarrollo del GPS
Antes de la aparición de los sistemas de posicionamiento por satélite, los sistemas de navegación inalámbricos eran la herramienta más importante para la navegación y el posicionamiento remotos. Las desventajas del sistema de navegación por radio son que el área de trabajo cubierta es pequeña, la atmósfera afecta fácilmente la propagación de las ondas de radio y la precisión del posicionamiento no es alta.
El sistema Transit de Estados Unidos, que se desarrolló en 1958 y se puso en uso oficialmente en 1964, es el sistema de posicionamiento por satélite más antiguo del mundo. Dado que el sistema tiene una pequeña cantidad de satélites (no más de 6), una baja altitud operativa (promedio de 1.000 kilómetros) y un largo intervalo de tiempo entre los satélites de observación desde la estación terrestre (promedio de 1,5 horas), no puede proporcionar información real continua. Tiempo de navegación tridimensional y la precisión es baja.
El Sistema de Posicionamiento Global es un plan formulado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos en 1973. Fue desarrollado en la década de 1970 y duró 20 años. Se completó por completo en 1994. Una nueva generación de navegación y posicionamiento por satélite. Sistema con capacidades de navegación y posicionamiento tridimensional.
La red GPS está formada por 24 satélites. Estos satélites transmiten continuamente información horaria precisa y su posición a las estaciones terrestres. El receptor GPS utiliza las señales enviadas por los satélites GPS para determinar la posición de los satélites en el espacio y calcula la distancia entre ellos en función del tiempo de transmisión de las ondas de radio. Después de calcular las posiciones relativas de al menos 3 a 4 satélites, Se puede utilizar el receptor GPS. Utilice trigonometría para determinar su posición. Cada satélite GPS tiene cuatro relojes atómicos de alta precisión y una base de datos actualizada en tiempo real que registra las posiciones y trayectorias actuales de otros satélites. Cuando un receptor GPS determina la posición de un satélite, puede descargar la información de posición de todos los demás satélites, lo que le ayuda a obtener la información que necesita de otros satélites más rápidamente.
Actualmente, hay varios sistemas GPS en funcionamiento en todo el mundo, incluidos el GLONASS de Estados Unidos y Rusia, el Galileo de la Agencia Espacial Europea y el sistema Beidou de mi país.
(2) Sistema GPS americano
El GPS americano consta principalmente de tres partes: la parte espacial, la estación terrestre y el usuario. La parte espacial es una red global de satélites compuesta por 24 satélites, que se encuentran en una órbita circular a unos 20.000 kilómetros de altura sobre la tierra. El ángulo de inclinación del plano orbital es de 63°. Sólo hay tres órbitas en el sistema cuyos diámetros ecuatoriales de los nodos ascendentes difieren entre sí en 120°. Hay 8 satélites distribuidos uniformemente en cada órbita, y los satélites en dos órbitas adyacentes son. 30° de separación. La actitud del satélite adopta un método de estabilización de tres ejes para garantizar que el puerto de radiación de la antena de navegación del satélite esté siempre alineado con el suelo. El transmisor de telemetría del satélite con una frecuencia operativa de 2200 a 2300 MHz envía diversos datos de telemetría desde el satélite al grupo de estaciones terrestres. El receptor del satélite recibe información de navegación con una frecuencia de 1750 a 1850 MHz enviada al satélite por la estación terrestre, incluidos los parámetros de corrección del reloj, los parámetros de corrección atmosférica, la constelación de satélites y los almanaques de los 24 satélites. El receptor de satélite también recibe instrucciones de control del grupo de estaciones terrestres.
Los satélites están equipados con relojes atómicos de precisión con una estabilidad de 1×10-13. Los relojes atómicos de cada satélite están sincronizados entre sí y con los relojes atómicos del grupo de estaciones terrestres. De esta forma se establece el sistema horario preciso del sistema GPS, que se denomina hora GPS. Las efemérides enviadas al suelo se basan en la hora del GPS y se transmiten de forma secuencial. El propósito de transmitir frecuencias duales es corregir el retraso adicional causado por la ionosfera.
La precisión de posicionamiento actual proporcionada por el sistema GPS es superior a 10 metros. Para obtener una mayor precisión de posicionamiento, generalmente se utiliza tecnología GPS diferencial para colocar un receptor GPS en una estación base para observación. Sobre la base de las coordenadas precisas conocidas de la estación base, se calcula el número de corrección de distancia desde la estación base al satélite y la estación base envía estos datos en tiempo real. Mientras realiza observaciones GPS, el receptor del usuario también recibe los números de corrección enviados por la estación base y corrige sus resultados de posicionamiento, mejorando así la precisión del posicionamiento.
(3) GLONASS ruso
GLONASS es un sistema de posicionamiento por satélite similar al sistema GPS estadounidense que la antigua Unión Soviética comenzó a construir a principios de los años 1980. También es monitorizado por satélite. constelaciones y terreno Consta de tres partes: estación de control y equipo de usuario. Ahora está gestionado por la Agencia Espacial Rusa. La precisión de posicionamiento de un solo punto del sistema GLONASS es de 16 metros en dirección horizontal y 25 metros en dirección vertical.
El satélite GLONASS fue puesto en órbita por un vehículo de lanzamiento de tres estrellas Proton. El satélite adopta un sistema de estabilización de tres ejes, tiene una masa de 1.400 kilogramos y una vida orbital diseñada de 5 años. Todos los satélites GLONASS utilizan relojes de cesio de precisión como referencia de frecuencia. El primer satélite GLONASS fue lanzado el 12 de octubre de 1982.
La constelación de satélites del sistema GLONASS está formada por 24 satélites, distribuidos uniformemente en tres planos orbitales casi circulares, con 8 satélites en cada plano orbital, una altitud orbital de 19.100 kilómetros y un período operativo de 11 horas. 15 minutos y la inclinación orbital es de 64,8°.
A diferencia del sistema GPS de EE. UU., el sistema GLONASS utiliza acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) para distinguir diferentes satélites según las frecuencias portadoras; el GPS es acceso múltiple por división de código (CDMA), basado en códigos de modulación. entre satélites. Las frecuencias de las dos portadoras lanzadas por cada satélite GLONASS son L1 = 1602 0,5625 k (MHz) y L2 = 1246 + 0,4375 k (MHz), donde k (l ~ 24) es el número de frecuencia de cada satélite Todos los GPS La portadora. Las frecuencias de los satélites son las mismas, L1=1575,42 MHz y L2=1227,6 MHz.
Para mejorar aún más las capacidades de posicionamiento del sistema GLONASS y abrir un vasto mercado civil, Rusia ha adoptado una política diferente a la del sistema GPS estadounidense, es decir, ha adoptado una política abierta para los militares. y uso civil del sistema GLONASS y sin cifrado. Está previsto actualizarlo al sistema GLONASS-M en 4 años, mejorar algunas instalaciones de la estación de control y medición terrestre, extender la vida útil en órbita del satélite a 8 años y lograr una alta precisión de posicionamiento del sistema. aumenta de 10 a 15 metros y se mejorará la sincronización. La precisión se mejora a 20 ~ 30 nanosegundos y la precisión de la velocidad alcanza 0,01 metros/segundo.
El objetivo principal del sistema GLONASS es la navegación y el posicionamiento. Por supuesto, al igual que el sistema GPS, también se puede utilizar ampliamente en varios niveles y tipos de aplicaciones de medición, aplicaciones GIS y aplicaciones de tiempo-frecuencia. .
(4) Sistema Galileo de la Agencia Espacial Europea
A finales de marzo de 2002, la Unión Europea aprobó oficialmente el lanzamiento del plan del sistema global de posicionamiento y navegación por satélite "Galileo". Según el plan, el primer satélite del sistema se lanzó en 2004 y hasta 2008 se lanzaron 30 satélites para construir toda la red del sistema de navegación. La inversión en la primera fase, de 2002 a 2005, alcanzó los 1.100 millones de euros, la mitad de los cuales corrió a cargo de la Unión Europea y la otra mitad de la Agencia Espacial Europea.
Galileo es el sistema de navegación y posicionamiento por satélite multimodo global e independiente de Europa, que proporciona servicios de posicionamiento de alta precisión y alta confiabilidad y logrará un control y gestión no militares completos. Galileo puede cooperar con los sistemas GPS estadounidense y GLONASS ruso en múltiples sistemas. En el futuro, cualquier usuario podrá utilizar un receptor para recopilar datos de cada sistema o una combinación de datos de cada sistema para lograr los requisitos de posicionamiento y navegación reales. -tiempo Información de precisión de posicionamiento a nivel de medidor, que no está disponible en los sistemas de navegación por satélite existentes.
Galileo consta de tres partes: parte espacial, parte terrestre y parte usuario. La parte espacial está formada por 30 satélites en órbita de media altitud (MEO) distribuidos en 3 órbitas. En cada plano orbital hay 10 satélites, 9 de los cuales están en funcionamiento normal y 1 de ellos en reserva. 56°. El segmento terrestre incluye el segmento de control terrestre global, el segmento de misión terrestre global, la red de área global, el centro de gestión de navegación, las instalaciones de apoyo terrestre y las agencias de gestión terrestre. El usuario final es principalmente el receptor del usuario y sus productos equivalentes.
Galileo formará un sistema compuesto de navegación por satélite junto con las señales de navegación de GPS y GLONASS. Por tanto, el receptor del usuario será un receptor multipropósito y compatible.
Además de los servicios básicos como navegación, posicionamiento y cronometraje, Galileo también proporciona servicios especiales como búsqueda y salvamento (función SAR). El sistema se puede aplicar en el despacho de operaciones de seguridad ferroviaria, sistemas de transporte marítimo, despacho de transporte de flotas terrestres, agricultura de precisión y sistemas de navegación y aterrizaje de aeronaves.
(5) El sistema "Beidou" de mi país
La investigación de la tecnología GPS de mi país comenzó en la década de 1980. En la década de 1990, la investigación, el desarrollo y la aplicación de la tecnología GPS han logrado grandes avances. .
En 1983, los científicos chinos propusieron la idea de utilizar dos satélites de punto fijo sincrónicos para el posicionamiento y la navegación. Este sistema se denomina "sistema de posicionamiento de doble estrella". En 1993, nuestro país llevó a cabo trabajos de prueba del "Sistema de posicionamiento de doble estrella", y el proyecto se estableció oficialmente en 1994. En 2003, nuestro país lanzó con éxito el tercer satélite de navegación y posicionamiento "Beidou" al espacio. La inserción en órbita marcó que nuestro país ha establecido con éxito un sistema de navegación por satélite independiente: el sistema de posicionamiento y navegación por satélite Beidou de primera generación.
El sistema de navegación por satélite Beidou consta de tres partes: satélites espaciales, estaciones centrales de control en tierra y terminales de usuario. La parte espacial es "Beidou" 1, que consta de dos satélites de trabajo y un satélite de respaldo. El satélite de respaldo fue lanzado en 2003, y los dos satélites de posicionamiento fueron lanzados el 31 de octubre y el 21 de diciembre de 2000, respectivamente.
Los usuarios utilizan el sistema "Beidou" de primera generación para el posicionamiento. Primero envían una solicitud a la estación central terrestre, y luego la estación central terrestre envía una señal, que es reflejada por dos satélites y transmitida. al usuario. La estación central terrestre calcula la información obtenida mediante dos métodos y lleva tiempo completar el posicionamiento. El sistema Beidou de primera generación se diferencia del sistema GPS en que el cálculo de todas las posiciones del usuario no se realiza en el satélite, sino que se completa en la estación central terrestre. Por lo tanto, la estación central terrestre puede retener la información de ubicación y hora de todos los usuarios de Beidou y es responsable del monitoreo y gestión de todo el sistema.
El sistema "Beidou" utiliza posicionamiento activo, mientras que GPS y GLONASS son posicionamiento pasivo. Ésta es su diferencia esencial. El llamado posicionamiento activo significa que los usuarios deben contactar los satélites de navegación y posicionamiento a través de la estación central terrestre, mientras que el posicionamiento pasivo significa que los usuarios contactan directamente los satélites para determinar su posición. Las funciones principales de GPS y GLONASS son el posicionamiento y la sincronización. Cabe decir que en términos de conveniencia y precisión del acceso de los usuarios a estos dos servicios, el sistema Beidou de primera generación todavía está en desventaja. Pero el sistema "Beidou" tiene una función de comunicación más que estos dos sistemas de posicionamiento global. Antes de 2010, se completará el sistema de navegación y posicionamiento "Beidou" de segunda generación de mi país que integra posicionamiento pasivo y posicionamiento activo. Para entonces, todas las áreas de la economía nacional obtendrán mayores beneficios de él.
La investigación de la ciencia del suelo implica una gran cantidad de trabajo de campo. Antes de que el GPS entrara en la etapa civil, se utilizaban brújulas, barómetros, reglas métricas y otros equipos para el posicionamiento en el campo. Estos métodos eran lentos en el posicionamiento y tenían poca precisión. , y tenía baja repetibilidad, lo que no favorece la investigación de posicionamiento a largo plazo. La aparición del GPS ha superado estas deficiencias no solo puede posicionarse rápidamente y con alta precisión, sino que también se puede combinar con GIS y RS para generar directamente nuevos recursos de datos y actualizar dinámica y rápidamente datos de recursos del suelo en tiempo casi real. situación del uso de la tierra.