Co to jest odbiornik GPS: opis i zasady działania

Prawdopodobnie wszyscy bezpośrednio lub pośrednio korzystali z odbiorników GPS. Można je znaleźć w większości smartfonów, wielu nowych samochodów, używanych do celów komercyjnych na całym świecie. Te małe urządzenia mogą natychmiast i całkowicie określić dokładną lokalizację i czas niemal w dowolnym miejscu na świecie. Wszystko, czego potrzeba, to obecność samego odbiornika GPS, które stają się coraz tańsze i mniejsze każdego dnia. Nie powinieneś jednak zabierać tych małych i niedrogich modułów. Przez dziesięciolecia rozwoju inżynierii, aby zawsze móc zlokalizować dokładnie, gdziekolwiek się znajdują. Od końca lat 70-tych uruchomiono dziesiątki satelitów GPS, z których każdy wyposażony jest w precyzyjne zegary atomowe i są one regularnie kierowane na orbitę wokół Ziemi. Ciągle przesyłają dane do Ziemi na dostarczonych kanałach częstotliwości radiowych. Kieszonkowe odbiorniki GPS są wyposażone w maleńkie anteny i procesory, które bezpośrednio odbierają sygnał wysyłany przez satelity, a na bieżąco obliczają pozycję i czas.


Jak działa GPS?

Aby określić pozycję i czas, prawie wszędzie w Ziemi, używa się grupy orbitalnej i stacji naziemnych. Co najmniej 24 satelity są stale rozmieszczone na wysokości ponad 19 000 km nad Ziemią. Ich pozycje są zaprojektowane w taki sposób, że na niebie nad każdym punktem planety zawsze znajdowała się dokładnie połowa. Głównym celem satelitów jest przekazywanie informacji na Ziemię na częstotliwości w zakresie 11-15GHz Dzięki tym danym i obliczeniom matematycznym odbiornik naziemny lub moduł GPS może obliczyć swoje położenie i aktualny czas. W 2010 roku przywrócono alternatywny globalny system pozycjonowania GLONASS. Ma również 24 satelity i nadaje na częstotliwościach 12-16 GHz.

Kanały

Liczba kanałów, na których działa moduł GPS wpływa na czas pierwszej naprawy (TTFF). Ponieważ nie wiadomo, które satelity są w polu widzenia, im więcej częstotliwości można sprawdzić natychmiast, tym szybciej zostanie wprowadzona korekta. Po ustanowieniu połączenia lub otrzymaniu poprawki niektóre moduły odłączają dodatkowe kanały w celu oszczędzania energii. Jeśli użytkownik nie ma nic przeciwko oczekiwaniu nieco dłużej, 12 lub 14 kanałów wystarcza do doskonałej pracy odbiornika.

Trilateracja

Jest to matematyczna metoda używana do obliczania pozycji z kilkoma punktami kontrolnymi. Aby odbiornik GPS obliczył dokładną pozycję i czas, musi ustanowić połączenie z co najmniej 4 satelitami. Aby obliczyć odległość do obiektu za pomocą metody triangulacji, potrzebne są dwa punkty. Ale w przypadku GPS konieczne jest określenie wartości 4 - szerokości, długości, wysokości i czasu.

Definicja miejsca i czasu

Dane transmitowane na Ziemię z każdego satelity zawierają kilka różnych informacji, które pozwalają odbiornikowi GPS dokładnie obliczyć jego lokalizację i czas. Ważnym elementem wyposażenia każdego z nich jest niezwykle dokładny zegar atomowy. Dane czasu są wysyłane na Ziemię wraz z pozycją orbitalną iczasami przybywa w różnych punktach orbity. Innymi słowy, moduł GPS odbiera znacznik czasu ze wszystkich widocznych satelitów, a także informacje o ich położeniu. Na podstawie tych danych można obliczyć odległość do każdego z nich. Jeśli antena widzi nie mniej niż 4 satelity, możesz dokładnie obliczyć położenie odbiornika. Nadal istnieje strona globalnego systemu pozycjonowania. Wraz z wymienionymi elementami istnieją stacje naziemne, które mogą współdziałać z siecią satelitarną i osobnymi odbiornikami GPS. Taki system nazywany jest segmentem kontrolnym i zwiększa dokładność pomiarów. Jej przykładami są WAAS i DGPS. Pierwszy jest używany przez większość odbiorników i redukuje błąd do 5 m. Drugi wymaga obecności odbiornika określonego typu i zapewnia błąd centymetra. Urządzenia tego typu są drogie i wydają się być większe, ponieważ wymagają dodatkowej anteny.

Dokładność geopolityczna

Błąd pomiaru odbiornika GPS lub GLONASS zależy od wielu zmiennych, przede wszystkim stosunku sygnału do szumu, położenia satelity, warunków pogodowych i obecności przeszkód, takich jak budynki i góry. Czynniki te mogą powodować błędy w obliczeniach lokalizacji użytkownika. Hałas generuje zwykle błąd od 1 do 10 m. Góry, budynki i inne obiekty, które mogą zakłócać przechodzenie sygnału z satelity, mogą powodować 3 razy większy błąd. Do normalnej pracy odbiornik GPS musi być w stanie odbierać sygnał z 4 satelitów. Łączenie z pierwszym pozwala uzyskać informacje o almanachu, a co za tym idzie, dostępności innych. Chociażmożesz określić lokalizację i używając mniej niż 4 satelity, błąd pomiaru może być dość duży. Dokładne pozycjonowanie jest dokładnie wtedy, gdy istnieje otwarte badanie czystego nieba, wolne od przeszkód, ponad 4 satelity nad głową. Aby zwalczyć te błędy, stworzono kilka pomocy.

Wspomagany GPS

Jednym z tych systemów pomocniczych jest Assisted GPS i AGPS. Ta metoda wykorzystuje sieci bezprzewodowe (naziemne) do retransmisji sygnału satelitarnego, gdy jest on słaby lub nie można go odebrać. AGPS pomaga w dwóch sprawach. Po pierwsze, dostarcza odbiorcy dane almanachu i dokładny czas. Po drugie, wykorzystuje wyższą moc obliczeniową i dobry naziemny sygnał satelitarny do interpretacji uzyskanych fragmentarycznych informacji w celu zapewnienia bardziej wiarygodnego określenia położenia. AGPS jest wykonywany głównie przez zewnętrzne odbiorniki GPS zainstalowane na wieży celi. Nawiązanie połączenia z nimi pozwala szybciej dostroić się do satelity, a także uzyskać dokładniejsze informacje. Ta metoda jest używana przez odbiorniki GPS na Androida i telefony komórkowe. Właśnie dlatego smartfony są często bardziej specyficznymi produktami. AGPS jest obecny w aparatach, geodezyjnych odbiornikach GPS i niektórych samochodach. Jego zastosowanie jest najbardziej opłacalne w miastach, w których sygnał w labiryncie budynków jest czasami dość trudny do zaakceptowania.

Różnicowy GPS

Inną metodą jest geostacjonarny system różnicowy DGPS. Ten system określania lokalizacji jest również dostępnywykorzystuje stacje naziemne. Różni się jednak tym, że znajduje różnicę między odczytem satelity a odbiornikiem. Stacje mogą być zlokalizowane w odległości 370 km od odbiornika, i ważne jest, aby pamiętać, że odległość z dokładnością pogarsza im. DGPS jest przeprowadzana przez stację naziemną przesyłającą sygnał, który dyktuje błąd między rzeczywistymi a zmierzonymi pseudo-danymi. Wartość ta jest obliczana przez pomnożenie prędkości światła przez czas, w którym sygnał satelitarny przechodzi do odbiornika. Przykładem jednego z typów DGPS jest rozległy system WAAS. Został pierwotnie zaprojektowany do obsługi antenowych odbiorników GPS. WAAS wykorzystuje system specjalnie zbudowanych stacji naziemnych. Istnieje zestaw standardów dokładności, które muszą spełniać pomiary. W kierunkach poziomych i pionowych w 95% przypadków błędu nie przekracza 76 m. Stacje naziemne wysłać ich pomiaru na głównych stacjach, które wysyłają korekty satelitów WAAS co 5 sekund lub więcej. Od satelity sygnał jest przesyłany z powrotem do odbiornika na Ziemi, gdzie poprawione dane są wykorzystywane do zwiększenia dokładności GPS. W niektórych miejscach WAAS może powodować błąd do 1 m w poziomie i 15 m w pionie. Chociaż WAAS jest obecny tylko w Ameryce Północnej, podobne systemy istnieją w wielu innych częściach świata.

Formaty wiadomości

Dane GPS są wyświetlane w różnych formatach za pośrednictwem interfejsu szeregowego. Istnieją standardowe i niestandardowe (własne) formaty wiadomości. Prawie wszystkie odbiorniki GPSdane wyjściowe NMEA. Jest to standard formatowania informacji w postaci łańcuchów zwanych zdaniami. Każda z nich zawiera różne dane oddzielone przecinkami. W sumie istnieje 19 rodzajów takich ofert. Oto przykład NMEA-strings otrzymane od odbiornika, nawiązał kontakt z satelity: $ GPGGA, 23531700040039039N, 105125793W, 1081615779M, -20.7M ,, 0000 * 5F. W zdaniu zawiera następujące informacje:
  • Greenwich Mean Time: 23:53:17;
  • szerokość geograficzna: północ, 40039039 °;
  • długość geograficzna: zachodnia, 105125793 °;
  • liczba satelitów: 08;
  • ,
  • , wysokość: 1577 m
  • Dane oddzielone przecinkami uproszczenia odczyt i analiza komputerów i mikrokontrolerów.. Są wysyłane do portu szeregowego w odstępach zwanych szybkością aktualizacji. Większość odbiorników zaktualizować te informacje raz na sekundę (czyli z częstotliwością 1 Hz), ale najlepszy GPS-odbiorniki zdolnymi do wykonania wiele aktualizacji na sekundę. W przypadku nowoczesnych modeli wartość ta wynosi 5-20 Hz.

    odczyt danych

    Większość jednostek GPS wyposażone są w port szeregowy, który pozwala podłączyć je do komputera lub mikrokontrolera. Po włączeniu urządzenia dane NMEA (lub wiadomości w innym formacie) są wysyłane z nadajnika szeregowego (TX) z pewną prędkością transmisji i szybkością aktualizacji, nawet w przypadku braku odbioru satelitarnego. Do mikrokontrolera przy skanowaniu informacje niezbędne do połączenia z GPS TX konkluzja wejście RX. Aby skonfigurować moduł, należy podłączyć jego wejście RX do wyjścia urządzenia sterującego TX. Mikrokontroler zazwyczaj analizuje dane NMEA. Analiza oferty przeprowadzana jest prostąprzydzielanie informacji z niego. Na przykład mikrokontroler musi odczytać tylko wysokość GPS. Zamiast zajmować się całym tekstem, analizuje propozycję GPGGA i wybiera tylko wysokość. Po wybraniu niezbędnych informacji można manipulować nimi w celu wykonania innych czynności. Platforma Arduino może również łatwo analizować dane NMEA za pomocą biblioteki Tiny GPS.

    Podłączanie do komputera

    Prostym sposobem bezpośredniego przeglądania danych NMEA jest użycie odbiornika GPS do laptopa lub komputera. Aby utworzyć połączenie, wystarczy podłączyć urządzenie geolokalizacyjne i podłączyć wyjście TX modułu zewnętrznego do wejścia RX komputera. Możliwe jest również podłączenie odbiornika GPS do portu USB. W takim przypadku może on być zasilany zarówno z własnego źródła, jak i poprzez połączenie z komputerem PC. W pierwszym przypadku zwolniona linia służy do wykrywania obecności połączenia odbiornika GPS USB z hostem. Po podłączeniu do komputera zasilanie jest przesyłane przez uniwersalną magistralę szeregową, więc żadne dodatkowe źródło nie jest wymagane. Ponadto odbiornik Bluetooth-GPS zapewnia bezprzewodowe połączenie zarówno z komputerem PC, jak iz kompatybilnymi urządzeniami tego samego producenta. Pozwala to na szybką wymianę danych ogólnych, takich jak trasy i punkty pośrednie. Po podłączeniu należy otworzyć program terminalu szeregowego, ustawiając szybkość transmisji równą prędkości modułu GPS. Nawet jeśli odbiornik nie nawiązał połączenia z satelitą, na ekranie pojawi się strumień propozycji NMEA.

    Ustawianie odbiornika

    Aby skonfigurować odbiornik GPS i GLONASS, należy znać typ chipsetu, który jest na nim zainstalowany. Zestaw układów zawiera potężny procesor, który jest odpowiedzialny za interfejs użytkownika, wszystkie obliczenia, a także obwody anteny analogowej. Ponadto chipset pozwala na przyjęcie danych do regulacji parametrów, takich jak częstotliwość odświeżania, prędkość transmisji, wybór oferty itp. Aby wysłać polecenie do odbiornika przez port szeregowy, potrzebny będzie zestaw poleceń lub instrukcja obsługi. Ale przed zanurzeniem się w badaniu poleceń dla konkretnego modułu, należy sprawdzić dostępność oprogramowania, które znacznie ułatwia pracę z urządzeniem i jego konfiguracją. Niektóre chipsety umożliwiają używanie alternatywnych protokołów, takich jak binarne SiRF, UBX lub niestandardowe wiadomości. Te protokoły zawierają podobne informacje, ale wymieniają dane w binarnym (zamiast ASCII) kodzie w celu szybszej komunikacji. Podczas komunikacji z odbiornikiem GPS zespół musi wypełnić sumę kontrolną. W większości przypadków dla każdej propozycji należy wykonać polecenie XOR.

    Antena

    Najmniejszy moduł GPS odbiera sygnały z satelitów, rozmieszczone w odległości 19 tysięcy kilometrów, które znajdują się nie tylko nad głową, ale także w dowolnym miejscu na niebie. Dla lepszej wydajności anteny i satelitów wymagana jest bezpośrednia widoczność. Pogoda, chmury, burze śnieżne nie powinny wpływać na sygnał, ale drzewa, budynki, góry i dach nad głową stworzą niechciane przeszkody, a na tym ucierpi dokładność GPS.Opracowano wiele wariantów anten. Jedną z najczęstszych jest ceramiczna antena łatkowa. Ma niski profil, niski koszt i kompaktowość, ale w porównaniu z innymi typami ma gorzej. Aby uzyskać dobry sygnał, należy go skierować na otwarte niebo, to znaczy, gdy wzmocnienie jest maksymalne. Niektóre moduły GPS używają anten śrubowych. Zajmują więcej miejsca, ale ich forma pozwala uzyskać najlepszy sygnał w dowolnej orientacji kosztem mniejszego wzmocnienia. Niektóre moduły używają anten SMA. Pozwala to na zamontowanie ich w miejscach innych niż lokalizacja samego odbiornika, co przyda się w przypadkach, gdy główny system nie ma dostępu do otwartego nieba (na przykład w budynku lub w samochodzie).

    Powiązane publikacje