1. Principe technique
Le GPS (Global Positioning System) repose sur la triangulation des satellites. Il est composé de trois parties : le segment spatial (constellation de satellites), le segment terrestre (station de surveillance) et le segment utilisateur.(traceur GPS).
(1) lancement du signal satellite
Plus de 24 satellites (y compris les satellites de rechange) sont répartis sur une orbite terrestre moyenne d'environ 20 200 km, chacun d'entre eux envoyant en continu des messages de navigation contenant des paramètres orbitaux et des horodatages.
(2) réception et résolution du signal
L'appareil utilisateur(traceur GPS) doit capturer au moins 4 signaux satellites, calculez la distance en mesurant la différence de temps de propagation du signal (Δt) (formule : distance =
vitesse de la lumière ×Δt), et construisons une sphère virtuelle dont le satellite est le centre. Le point d'intersection correspond aux coordonnées tridimensionnelles du récepteur (longitude, latitude, altitude).
(3)correction d'erreur
Les paramètres de correction du retard ionosphérique et les données de compensation des erreurs d'orbite des satellites fournis par le système de surveillance au sol sont utilisés pour améliorer la précision du positionnement au niveau des mètres (civil) ou des centimètres (militaire).
2. Processus de positionnement
Le positionnement GPS est divisé en quatre étapes pour réaliser un processus en boucle fermée depuis la capture du signal jusqu'à la sortie de haute précision :
(1) Acquisition et synchronisation du signal
Letraceur GPS scanne le signal satellite et décode les éphémérides (données d'orbite du satellite) et les paramètres d'horloge dans le message de navigation .
(2)Mesure de pseudo-distance
En comparant l'heure de transmission du signal satellite (obtenu à partir du message) avec l'heure de réception (horloge locale), la distance approximative (pseudo-distance) contenant l'erreur est calculée .
(3)solution de coordonnées
Les données de pseudo-portée de 4 satellites ou plus sont utilisées pour établir des équations, et la position spatiale tridimensionnelle du récepteur est résolue par la méthode des moindres carrés (≥ 4 satellites sont nécessaires pour éliminer l'écart d'horloge).
(4)correction dynamique
Associée à la technologie GPS différentiel (DGPS) ou au positionnement dynamique en temps réel (RTK), grâce à l'interaction des données entre la station de référence et la station mobile, les erreurs telles que l'effet multi-trajets et les interférences atmosphériques sont éliminées et la précision est améliorée au niveau centimétrique.
3. Scénario d'application
La technologie GPS a pénétré l’industrie, l’agriculture, l’armée et la vie quotidienne :
(1)Transport et navigation
Navigation du véhicule, planification en temps réel du chemin optimal pour éviter les sections encombrées (précision de positionnement de 5 à 10 mètres).
Les véhicules sans conducteur intègrent les données LiDAR et GPS pour obtenir un positionnement au niveau de la voie (erreur ≤ 20 cm).
(2) Agriculture de précision
La conduite automatique des machines agricoles et la fertilisation variable (erreur de précision de semis ≤ 2 cm) réduisent le gaspillage des ressources.
Cartographie des terres agricoles et surveillance des ravageurs sans pilote pour améliorer l'efficacité du travail
(3) Militaire et sécurité
Guidage de missiles (précision GPS militaire ≤ 10 cm), mouvement de troupes et connaissance de la situation sur le champ de bataille.
Localisation rapide de personnes en détresse lors de secours d'urgence (ex : alpinistes disparus).
(4)Recherche et ingénierie
Surveillance géologique (par exemple mesure du déplacement d'une faille sismique avec une précision millimétrique).
Surveillance des déformations de l'ingénierie de construction et diagnostic de l'état de santé des ponts.
(5)La vie quotidienne
Navigation cartographique mobile, gestion électronique des clôtures de vélos partagés.
Enregistrement des pistes d'activités de plein air (par exemple, suivi du parcours d'un marathon).
3.avantage
(1) positionnement de haute précision
Précision du GPS civil de 5 à 10 mètres (aucune restriction de politique SA), versions militaires jusqu'à centimètres.
(2)Couverture mondiale
98 % de la surface de la Terre peut recevoir des signaux satellites, sans restrictions géographiques (les régions polaires ont des signaux faibles).
(3) temps réel et continuité
fréquence de positionnement de cible dynamique jusqu'à 10 Hz, prise en charge des objets en mouvement à grande vitesse (tels que les avions, les trains à grande vitesse) suivi continu.
(4) Faible coût et facilité d'utilisation
Les récepteurs civils coûtent à peine 100 yuans et ne nécessitent aucune infrastructure supplémentaire.
4.défaut
(1)Faible adaptabilité environnementale
Les scènes intérieures, les tunnels et les garages souterrains ne peuvent pas être localisés en raison de l'occlusion du signal (la technologie Wi-Fi ou Bluetooth doit être utilisée pour réparer la cécité).
Les immeubles de grande hauteur ou les zones forestières denses sont sujets à l'effet multitrajet (la réflexion du signal entraîne une dérive de positionnement, erreur ≥ 50 m).
(2) Forte dépendance à la technologie
Entièrement dépendant des signaux satellites, vulnérable aux tempêtes solaires, aux interférences humaines (comme l'usurpation d'identité GPS), entraînant un échec de positionnement.
Les applications de haute précision s'appuient sur des systèmes d'augmentation terrestres (tels que le DGPS), ce qui augmente les coûts et la complexité du déploiement.
(3)Consommation d'énergie et limitations matérielles
Consommation d'énergie élevée en mode de positionnement continu (par exemple, la durée de vie de la batterie du smartphone est réduite de 20 à 30 %).
Les conditions météorologiques extrêmes (orages ou tempêtes) peuvent réduire la qualité de réception du signal et affecter la stabilité de l'emplacement.
5.Résumé
La technologie de suivi GPS, avec sa couverture mondiale, sa haute précision et son temps réel, est devenue l'une des infrastructures essentielles de la société moderne. Malgré les limitations liées aux pannes en intérieur et aux interférences environnementales, ses applications continuent de se développer grâce à l'intégration de technologies de positionnement multi-sources (comme la réception bimode Beidou + GPS) et à un algorithme différentiel amélioré. À l'avenir, le déploiement combiné de constellations de satellites en orbite basse et de la technologie de communication 5G devrait repousser les limites du positionnement intérieur et extérieur et promouvoir l'innovation dans les domaines des villes intelligentes et de la conduite autonome.