1.Technisches Prinzip
GPS (Global Positioning System) basiert auf der Satellitentriangulationsmethode. Es besteht aus drei Teilen: Raumsegment (Satellitenkonstellation), Bodensegment (Überwachungsstation) und Benutzersegment(GPS-Tracker).
(1) Start eines Satellitensignals
Mehr als 24 Satelliten (einschließlich Ersatzsatelliten) sind in einer mittleren Erdumlaufbahn von etwa 20.200 km verteilt und senden jeweils kontinuierlich Navigationsnachrichten mit Bahnparametern und Zeitstempeln.
(2)Signalempfang und -lösung
Das Benutzergerät (GPS-Tracker) muss mindestens 4 Satellitensignale empfangen, berechnen Sie die Entfernung durch Messen der Signallaufzeitdifferenz (Δt) (Formel: Entfernung =
Lichtgeschwindigkeit × Δt) und konstruieren Sie eine virtuelle Kugel mit dem Satelliten als Mittelpunkt. Der Schnittpunkt sind die dreidimensionalen Koordinaten des Empfängers (Länge, Breite, Höhe).
(3)Fehlerkorrektur
Die vom Bodenüberwachungssystem bereitgestellten Parameter zur Korrektur der ionosphärischen Verzögerung und die Daten zur Kompensation von Satellitenbahnfehlern werden verwendet, um die Positionierungsgenauigkeit auf Meter (zivil) oder Zentimeter (militärisch) zu verbessern.
2.Positionierungsprozess
Die GPS-Positionierung ist in vier Phasen unterteilt, um einen geschlossenen Prozess von der Signalerfassung bis zur hochpräzisen Ausgabe zu erreichen:
(1)Signalerfassung und -synchronisation
DerGPS-Tracker scannt das Satellitensignal und dekodiert Ephemeriden (Satellitenorbitdaten) und Uhrparameter in der Navigationsnachricht.
(2)Pseudo-Distanzmessung
Durch Vergleich der Sendezeit des Satellitensignals (aus der Nachricht gewonnen) mit der Empfangszeit (lokale Uhr) wird die ungefähre Entfernung (Pseudoentfernung) berechnet, in der der Fehler enthalten ist.
(3) Koordinatenlösung
Die Pseudoentfernungsdaten von 4 oder mehr Satelliten werden zum Aufstellen von Gleichungen verwendet und die dreidimensionale räumliche Position des Empfängers wird mit der Methode der kleinsten Quadrate berechnet (um die Uhrabweichung zu eliminieren, sind ≥4 Satelliten erforderlich).
(4) dynamische Korrektur
In Kombination mit der Technologie für differentielles GPS (DGPS) oder dynamische Positionierung in Echtzeit (RTK) werden durch die Dateninteraktion zwischen der Referenzstation und der Mobilstation Fehler wie Mehrwegeeffekte und atmosphärische Störungen eliminiert und die Genauigkeit auf den Zentimeterbereich verbessert.
3.Anwendungsszenario
Die GPS-Technologie hat in Industrie, Landwirtschaft, Militär und Alltag Einzug gehalten:
(1)Transport und Navigation
Fahrzeugnavigation plant in Echtzeit den optimalen Weg, um überlastete Abschnitte zu vermeiden (Positionierungsgenauigkeit 5–10 Meter).
Fahrerlose Fahrzeuge integrieren LiDAR- und GPS-Daten, um eine fahrspurgenaue Positionierung (Fehler ≤ 20 cm) zu erreichen.
(2)Präzisionslandwirtschaft
Automatisches Fahren von Landmaschinen und variable Düngung (Aussaatgenauigkeitsfehler ≤ 2 cm), Reduzierung der Ressourcenverschwendung.
Unbemannte Ackerlandkartierung und Schädlingsüberwachung zur Verbesserung der Arbeitseffizienz
(3)Militär und Sicherheit
Raketenlenkung (militärische GPS-Genauigkeit ≤ 10 cm), Truppenbewegung und Bewusstsein für die Lage auf dem Schlachtfeld.
Schnelle Ortung von Personen in Not bei der Notfallrettung (z. B. vermisste Bergsteiger) .
(4)Forschung und Entwicklung
Geologische Überwachung (z. B. seismische Verwerfungsverschiebungsmessung mit Millimetergenauigkeit) .
Deformationsüberwachung im Bauwesen und Diagnose des Brückenzustands.
(5)Alltag
Mobile Kartennavigation, elektronisches Zaunmanagement für Leihfahrräder.
Trackaufzeichnung von Outdoor-Aktivitäten (zB Marathon-Strecken-Tracking) .
3.Vorteil
(1)Hochpräzise Positionierung
Zivile GPS-Genauigkeit von 5–10 Metern (keine SA-Richtlinienbeschränkungen), Militärversionen bis zu Zentimetern.
(2)Weltweite Abdeckung
98 % der Erdoberfläche können Satellitensignale empfangen, keine geografischen Einschränkungen (Polarregionen haben schwache Signale).
(3)Echtzeit und Kontinuität
dynamische Zielpositionierungsfrequenz bis zu 10 Hz, unterstützt kontinuierliche Verfolgung sich schnell bewegender Objekte (wie Flugzeuge, Hochgeschwindigkeitszüge).
(4)Niedrige Kosten und Benutzerfreundlichkeit
Zivile Empfänger kosten nur 100 Yuan und erfordern keine zusätzliche Infrastrukturunterstützung.
4.Mangel
(1)Schwache Umweltanpassungsfähigkeit
Innenaufnahmen, Tunnel und Tiefgaragen können aufgrund von Signalunterbrechungen nicht geortet werden (zur Behebung der Signalunterbrechung muss WLAN- oder Bluetooth-Technologie verwendet werden).
Hochhäuser oder dichte Waldgebiete sind anfällig für Mehrwegeeffekte (Signalreflexion führt zu Positionierungsdrift, Fehler ≥50 m).
(2)Hohe Technologieabhängigkeit
Vollständig abhängig von Satellitensignalen, anfällig für Sonnenstürme und menschliche Eingriffe (wie GPS-Spoofing), was zu Positionierungsfehlern führt.
Hochpräzise Anwendungen sind auf terrestrische Erweiterungssysteme (wie DGPS) angewiesen, was die Kosten und die Komplexität der Bereitstellung erhöht.
(3)Stromverbrauch und Hardwarebeschränkungen
Hoher Stromverbrauch im kontinuierlichen Positionierungsmodus (z. B. verringert sich die Akkulaufzeit des Smartphones um 20–30 %).
Extreme Wetterbedingungen (Regensturm oder Gewitter) können die Qualität des Signalempfangs beeinträchtigen und die Standortstabilität beeinflussen.
5.Zusammenfassung
GPS-Tracking-Technologie mit globaler Abdeckung, hoher Präzision und Echtzeit ist zu einer zentralen Infrastruktur der modernen Gesellschaft geworden. Trotz Einschränkungen durch Störungen in Innenräumen und Umwelteinflüsse erweitern sich ihre Anwendungsszenarien durch die Integration von Multi-Source-Positionierungstechnologie (wie Beidou + GPS-Dualmodus-Empfang) und einem verbesserten Differenzialalgorithmus. Die Kombination aus dem Einsatz von Satellitenkonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen und 5G-Kommunikationstechnologie dürfte künftig die Grenzen zwischen Innen- und Außenortung weiter durchbrechen und Innovationen in den Bereichen Smart Cities und autonomes Fahren fördern.