Kaj je GPS-sprejemnik: opis in načelo delovanja

Verjetno so vsi uporabljali GPS sprejemnike neposredno ali posredno. Najdemo jih v večini pametnih telefonov, številnih novih avtomobilih, ki se uporabljajo za komercialne namene po vsem svetu. Te drobne naprave lahko takoj in popolnoma brezplačno določijo natančno lokacijo in čas skoraj povsod po svetu. Vse, kar je za to potrebno, je prisotnost samega sprejemnika GPS, ki je vsak dan cenejši in manjši.

Vendar teh majhnih in poceni modulov ne smemo jemati kot samoumevne. Da bi vedno in povsod lahko natančno določili lokacijo, so desetletja inženirskega razvoja odšli. Od konca sedemdesetih let prejšnjega stoletja se je začelo na desetine satelitov GPS, od katerih je vsaka opremljena z natančno atomsko uro in se še naprej redno sproščajo v orbito Zemlje. Nenehno pošiljajo podatke na Zemljo prek namenskih RF kanalov. Pocket GPS sprejemniki so opremljeni z majhnimi antenami in procesorji, ki neposredno prejmejo signal, ki ga pošiljajo sateliti, in izračunajo položaj in čas na letalu.

Kako deluje GPS?

Orbitalne skupine in zemeljske postaje se uporabljajo za določanje položaja in časa skoraj povsod na Zemlji. Na nadmorski višini več kot 19 tisoč km nad Zemljo je ves čas prispelo vsaj 24 aktivnih satelitov. Njihovi položaji so izračunani tako, da jih je točno polovica vedno na nebu nad katerokoli točko planeta. Glavni namen satelitov je prenos informacij na zemljo pri frekvencah v območju 1,1-1,5 GHz. Z uporabo teh podatkov in matematičnih izračunov lahko zemeljski sprejemnik ali modul GPS izračuna njegovo lokacijo in trenutni čas.

V letu 2010 je bil obnovljen alternativni sistem globalnega pozicioniranja GLONASS. Ima tudi 24 satelitov in oddaja na 1,2–1,6 GHz.

Kanali

Število kanalov, s katerimi deluje modul GPS, vpliva na čas prvega popravka (TTFF). Ker ni znano, kateri sateliti so na vidiku, več frekvenc lahko preverite takoj, hitreje se izvede popravek. Po vzpostavitvi povezave ali sprejemanju popravka nekateri moduli onemogočijo dodatne kanale za varčevanje z energijo. Če uporabniku ni treba počakati malo dlje, zadostuje 12 ali 14 kanalov za odlično delovanje sprejemnika.

Trilateracija

To je matematična metoda, ki se uporablja za izračun položaja z več kontrolnimi točkami. Da bi GPS sprejemnik lahko izračunal točen položaj in čas, mora vzpostaviti komunikacijo z vsaj štirimi sateliti. Za izračun razdalje do objekta po metodi triangulacije sta potrebni 2 točki. V primeru GPS morate določiti 4 vrednosti - zemljepisno širino, dolžino, nadmorsko višino in čas.

Določitev lokacije in časa

Podatki, ki se na vsak satelit prenesejo na Zemljo, vsebujejo več različnih informacij, ki sprejemniku GPS omogočajo natančno izračunavanje njegove lokacije in časa. Pomemben del opreme na vsakem od njih je izjemno natančen. atomske ure. Podatki o času se pošljejo na Zemljo skupaj z orbitalnim položajem in časom prihoda na različne točke orbite. Z drugimi besedami, modul GPS sprejema časovni žig vseh vidnih satelitov, pa tudi informacije o njihovi lokaciji. Iz teh podatkov lahko izračunate razdaljo do vsakega od njih. Če antena vidi vsaj 4 satelite, lahko natančno izračunate položaj sprejemnika.

Obstaja tudi stran globalnega sistema za določanje položaja. Poleg zgornjih elementov obstajajo tudi zemeljske postaje, ki lahko komunicirajo s satelitskim omrežjem in nekaterimi GPS sprejemniki. Tak sistem se imenuje kontrolni segment in izboljšuje natančnost meritev. Njeni primeri so WAAS in DGPS. Prvi uporablja večina sprejemnikov in zmanjša napako na 5 m. Drugi zahteva sprejemnik določene vrste in zagotavlja centimeter napako. Naprave te vrste so drage in ponavadi večje, ker zahtevajo dodatno anteno.

Natančnost Dodaj v košarico

Merilna natančnost sprejemnika GPS ali GLONASS je odvisna od številnih spremenljivk, predvsem od razmerja signal / šum, položaja satelita, vremenskih razmer in prisotnosti ovir, kot so zgradbe in gore. Ti dejavniki lahko povzročijo napake pri izračunu lokacije uporabnika. Hrup običajno povzroči napako od 1 do 10 m. Planine, zgradbe in drugi predmeti, ki lahko motijo ​​signal satelita, lahko povzročijo trikrat večjo napako. Za normalno delovanje mora biti sprejemnik GPS sposoben sprejeti signal s 4 satelitov. Povezava s prvim od njih omogoča pridobivanje podatkov o almanahu in s tem o razpoložljivosti preostalega. Čeprav je možno najti manj kot 4 satelite, je lahko napaka merjenja precej velika. Najbolj natančno določanje položaja se zgodi, če je odprt pogled na čisto nebo, brez kakršnih koli ovir, z več kot štirimi sateliti. Za boj proti tem napakam je nastalo več orodij.

Podprti gps

Eden od teh podpornih sistemov je Assisted GPS ali AGPS. Ta metoda uporablja brezžična (zemeljska) omrežja za prenašanje satelitskega signala, ko je šibak ali ga ni mogoče sprejeti. AGPS pomaga pri dveh stvareh. Prvič, prejemniku zagotavlja podatke o almanah in točen čas. Drugič, uporablja večjo računsko moč in dober zemeljski satelitski signal za interpretacijo nastalih razdrobljenih informacij, da se zagotovi bolj zanesljivo določanje položaja. AGPS večinoma izvajajo zunanji sprejemniki GPS, nameščeni na stolpih. Komunikacija z njimi vam omogoča, da hitro poslušate satelit in pridobite natančnejše informacije. Ta metoda se uporablja v GPS sprejemnikih za "Android" v mobilnih telefonih. Zato so pametni telefoni pogosto bolj specifični izdelki. AGPS je prisoten v kamerah, pregleduje GPS sprejemnike in nekatere avtomobile. Njegova uporaba je najbolj koristna v mestih, kjer je signal v labirintu zgradb včasih precej težko sprejemljiv.

Diferencialni GPS

Druga metoda je diferencialni geolokacijski sistem DGPS. Ta sistem za določanje položaja uporablja tudi zemeljske postaje. Vendar pa se razlikuje po tem, da najde razliko med odčitki satelita in sprejemnika. Postaje se lahko nahajajo na razdalji do 370 km od sprejemnika in je pomembno omeniti, da se z naraščanjem razdalje od njih natančnost meritev poslabša. DGPS izvaja zemeljska postaja, ki oddaja signal, ki narekuje napako med dejanskim in izmerjenim psevdorangom. Ta vrednost se izračuna tako, da se hitrost svetlobe pomnoži s časom, ko vzame signal satelitov do sprejemnika.

Primer ene vrste DGPS je sistem širokega razpona WAAS. Prvotno je bil zasnovan za pomoč GPS sprejemnikom zrakoplovov. WAAS uporablja sistem posebej zgrajenih zemeljskih postaj. Obstaja niz standardov točnosti, ki jih morajo meritve izpolnjevati. V vodoravni in navpični smeri v 95% primerov njihova napaka ne sme presegati 7,6 m. Zemeljske postaje pošiljajo svoje meritve glavnim postajam, ki pošljejo popravke satelitom WAAS vsakih 5 sekund ali več. Od satelita se signal prenaša nazaj na sprejemnike na Zemlji, kjer se popravljeni podatki uporabljajo za izboljšanje natančnosti GPS. V nekaterih krajih lahko WAAS zagotovi napako do 1 m vodoravno in 1,5 m navpično. Čeprav je WAAS prisoten le v Severni Ameriki, podobni sistemi obstajajo v mnogih drugih delih sveta.

Oblike sporočil

Podatki GPS so prikazani v različnih formatih prek serijskega vmesnika. Obstajajo standardni in nestandardni (lastniški) formati sporočil. Skoraj vsi GPS sprejemniki oddajajo podatke NMEA. To je standard za oblikovanje informacij v obliki nizov, ki se imenujejo stavki. Vsak vsebuje različne podatke, ločene z vejicami. Skupaj je 19 vrst takšnih predlogov. Tukaj je primer niza NMEA, ki ga je prejel sprejemnik in vzpostavil komunikacijo s satelitom:

$ GPGGA, 235317.000,4003.9039, N, 10512.5793, W, 1,08,1.6,1577.9, M, -20.7, M ,, 0000 * 5F.

Ponudba vsebuje naslednje informacije:

• GMT: 23:53:17;
• zemljepisna širina: severno, 40.039039 °;
• zemljepisna dolžina: zahodna, 10.5125793 °;
• število satelitov: 08;
• višina: 1577 m.

Podatki so ločeni z vejicami, da bi računalniki in mikrokrmilniki lažje brali in analizirali. Poslani so v serijska vrata v intervalih, ki se imenujejo stopnje posodobitve. Večina sprejemnikov posodobi te informacije enkrat na sekundo (tj. Pri 1 Hz), vendar najboljši GPS sprejemniki lahko izvedejo več posodobitev na sekundo. Pri sodobnih modelih je ta vrednost 5–20 Hz.

Branje podatkov

Večina modulov GPS je opremljena s serijskimi vrati, ki omogoča povezavo z mikrokrmilnikom ali računalnikom.

Ko je naprava vklopljena, se podatki NMEA (ali sporočila v drugi obliki) pošljejo iz serijskega priključka za prenos (TX) pri določeni hitrosti prenosa in hitrosti posodabljanja, tudi če satelit ne sprejema signala. Da bi mikrokrmilnik lahko prebral informacije, morate priključek TX GPS povezati z vhodom RX. Za konfiguriranje modula morate priključiti njegov RX vhod na TX izhod krmilne naprave.

Mikrokontroler običajno analizira NMEA podatke. Analiza predloga je narejena tako, da se iz nje preprosto izvleče informacija.

Na primer, mikrokontroler mora le odčitati višino GPS. Namesto da obravnava celotno besedilo, analizira stavek GPGGA in izbere samo višino. Ko so potrebne informacije izbrane, jih je mogoče manipulirati za izvajanje drugih dejanj.

Platforma Arduino lahko zlahka analizira NMEA podatke s pomočjo knjižnice Tiny GPS.

Povežite se z računalnikom

Preprost način neposrednega ogleda podatkov NMEA je uporaba sprejemnika GPS za prenosni računalnik ali računalnik. Če želite vzpostaviti povezavo, je potrebno napajati le napravo za geolokacijo in priključiti TX priključek zunanjega modula na vhod RX računalnika.

Sprejemnik GPS lahko priključite tudi na vrata USB. Hkrati se lahko napaja iz lastnega vira in preko povezave z osebnim računalnikom. V prvem primeru se sproščena linija uporablja za zaznavanje povezave USB-GPS sprejemnika z gostiteljem. Pri priključitvi na računalnik se napajanje izvaja prek univerzalnega serijskega vodila, zato ni potreben dodaten vir.

Poleg tega sprejemnik Bluetooth-GPS omogoča brezžično komunikacijo z osebnimi računalniki in združljivimi napravami istega proizvajalca. To omogoča hitro izmenjavo skupnih podatkov, kot so poti in točke.

Po priključitvi morate odpreti program serijskega terminala tako, da nastavite hitrost prenosa enako hitrosti modula GPS. Tudi če sprejemnik ne vzpostavi komunikacije s satelitom, se na zaslonu prikaže tok stavkov NMEA.

Nastavitev sprejemnika

Za konfiguracijo sprejemnika GPS in GLONASS je pomembno poznati vrsto vgrajenega čipov. Na čipsetu je močan procesor, ki je odgovoren za uporabniški vmesnik, vse izračune in analogne kroge antene. Poleg tega vam nabor vezij omogoča sprejemanje podatkov za konfiguriranje parametrov, kot so hitrost posodobitve, hitrost prenosa, izbira ponudbe itd.

Za pošiljanje ukazov sprejemniku prek serijskih vrat potrebujete niz ukazov ali referenčni priročnik. Toda preden se potopite v preučevanje ukazov za določen modul, morate preveriti razpoložljivost programske opreme, ki močno olajša delo z napravo in njeno konfiguracijo.

Nekateri čipi omogočajo uporabo alternativnih protokolov, kot so binarni SiRF, UBX ali lastna sporočila. Ti protokoli vsebujejo podobne informacije, vendar izmenjujejo podatke v obliki binarne (namesto ASCII) kode za hitrejšo komunikacijo.

Ko komunicirate s sprejemnikom GPS, se morajo ukazi končati s kontrolno vsoto. V večini primerov za to potrebujete za vsak stavek ukaz XOR.

Antena

Majhen GPS-modul sprejema signale s satelitov, ki se nahajajo na razdalji 19 tisoč km, ki se nahajajo ne le nad glavo, temveč tudi kjerkoli na nebu. Za boljše delovanje antene in satelitov potrebujete neposredno vidljivost. Vreme, oblaki, viharji ne bi smeli vplivati ​​na signal, toda drevesa, zgradbe, gore, streha nad glavo bodo povzročili neželene motnje, zaradi česar bo trpela natančnost GPS-a.

Razvili so številne možnosti za antene. Ena najpogostejših je keramična patch antena. Ima nizek profil, nizke stroške in kompaktnost, toda v primerjavi z drugimi vrstami je potreben slabši. Da bi dobili dober signal, mora biti usmerjen navzgor na odprto nebo, tj. Ko je dobiček največji.

Vijačne antene se uporabljajo v nekaterih modulih GPS. Zasedajo več prostora, vendar njihova oblika omogoča boljši signal v poljubni orientaciji zaradi manjšega dobička.

Nekateri moduli uporabljajo antene SMA. To omogoča vgradnjo na mestih, ki niso lokacija samega sprejemnika, kar je koristno v primerih, ko glavni sistem nima dostopa do odprtega neba (na primer v zgradbi ali avtomobilu).