Co je GPS přijímač: popis a princip činnosti

Pravděpodobně každý použil přijímače GPS přímo nebo nepřímo. Najdete je ve většině smartphonů, mnoho nových automobilů, které se používají pro komerční účely po celém světě. Tato malá zařízení mohou okamžitě a zcela zdarma určit přesnou polohu a čas téměř kdekoli na světě. Vše, co je k tomu zapotřebí, je přítomnost samotného přijímače GPS a každý den se stává levnější a menší.

Nicméně tyto malé a levné moduly by neměly být považovány za samozřejmé. Aby bylo možné vždy a všude být schopno přesně určit umístění, desetiletí vývoje inženýrství zmizely. Od konce sedmdesátých let byly spuštěny desítky satelitů GPS, z nichž každý je vybaven přesnými atomovými hodinami a pokračují v pravidelném uvedení do oběžné dráhy Země. Neustále posílají data na Zemi prostřednictvím vyhrazených RF kanálů. Pocket GPS přijímače jsou vybaveny malými anténami a procesory, které přímo přijímají signál posílaný družicemi a vypočítávají polohu a čas za letu.

Jak funguje GPS?

Orbitální seskupení a pozemní stanice se používají k určení polohy a času téměř kdekoli na Zemi. V nadmořské výšce přesahující 19 tisíc kilometrů nad zemí neustále nasazovaly nejméně 24 aktivních družic. Jejich pozice jsou počítána tak, že přesně polovina z nich je vždy na obloze nad jakýmkoli bodem planety. Hlavním účelem satelitů je přenos informací na zemi při frekvencích v rozsahu 1,1-1,5 GHz. Pomocí těchto údajů a matematických výpočtů může zemní přijímač nebo modul GPS vypočítat jeho polohu a aktuální čas.

V roce 2010 byl obnoven alternativní globální systém určování polohy GLONASS. Má také 24 družic a vysílá na 1,2-1,6 GHz.

Kanály

Počet kanálů, se kterými pracuje modul GPS, ovlivňuje čas první korekce (TTFF). Vzhledem k tomu, že není známo, které satelity jsou v dohledu, čím více frekvencí můžete okamžitě zkontrolovat, tím rychleji bude provedena korekce. Po vytvoření připojení nebo při příjmu opravy některé moduly vypnou další kanály pro úsporu energie. Pokud uživatel nevadí čekání trochu déle, stačí 12 nebo 14 kanálů pro vynikající provoz přijímače.

Trilaterace

Jedná se o matematickou metodu, která se používá k výpočtu polohy s několika kontrolními body. Aby GPS přijímač mohl vypočítat přesnou polohu a čas, musí komunikovat s minimálně 4 družicemi. Pro výpočet vzdálenosti objektu podle metody triangulace je zapotřebí 2 bodů. V případě GPS však musíte určit 4 hodnoty - zeměpisné šířky, délky, nadmořské výšky a času.

Určení polohy a času

Data přenášená na Zemi z každého satelitu obsahují několik různých informací, které umožňují GPS přijímač přesně vypočítat jeho polohu a čas. Důležitá část zařízení na každém z nich je velmi přesná. atomové hodiny. Časová data jsou odesílána na Zemi spolu s orbitální pozicí a časem příjezdu v různých bodech oběžné dráhy. Jinými slovy, modul GPS přijímá časové razítko ze všech viditelných satelitů, stejně jako informace o jejich poloze. Z těchto dat můžete vypočítat vzdálenost pro každou z nich. Pokud anténa vidí alespoň 4 satelity, můžete přesně vypočítat polohu přijímače.

Existuje také strana globálního systému určování polohy. Kromě výše uvedených prvků existují pozemní stanice, které mohou komunikovat se satelitní sítí a některými GPS přijímači. Takový systém se nazývá řídicí segment a zlepšuje přesnost měření. Jejími příklady jsou WAAS a DGPS. První je používána většinou přijímačů a snižuje chybu na 5 m. Druhý vyžaduje přijímač určitého typu a poskytuje chybu centimetru. Zařízení tohoto typu jsou drahé a mají tendenci být větší, protože vyžadují další anténu.

Přesnost Přidat do košíku

Přesnost měření přijímače GPS nebo GLONASS závisí na množství proměnných, především na poměru signál / šum, družicové poloze, povětrnostních podmínkách a přítomnosti překážek, jako jsou budovy a hory. Tyto faktory mohou způsobit chyby při výpočtu polohy uživatele. Hluk obvykle způsobuje chybu v rozmezí 1 až 10 m. Hory, budovy a další objekty, které mohou zasahovat do signálu ze satelitu, mohou způsobit 3x větší chybu. Při normálním provozu musí přijímač GPS přijímat signál ze 4 satelitů. Spojení s první z nich umožňuje získání dat o almanachu a tudíž dostupnosti ostatních. Ačkoli je možné lokalizovat s méně než 4 družicemi, chyba měření může být poměrně velká. Nejpřesnější stanovení polohy nastane, když je otevřený pohled na jasnou oblohu, bez jakýchkoliv překážek, s více než čtyřmi družicemi nad hlavou. K boji proti těmto chybám vzniklo několik nástrojů.

Asistované GPS

Jedním z těchto podpůrných systémů je asistovaná GPS nebo AGPS. Tato metoda používá bezdrátové (pozemské) sítě k přenosu satelitního signálu, když je slabý nebo nemožný příjem. AGPS pomáhá ve dvou věcech. Nejprve poskytuje příjemci almanachové údaje a přesný čas. A za druhé, využívá vyšší výpočetní výkon a dobrý pozemní satelitní signál, aby interpretoval výsledné fragmentované informace, aby poskytl spolehlivější určování polohy. AGPS se provádí převážně externími přijímači GPS instalovanými na věžových panelech. Komunikace s nimi umožňuje rychlé naladění satelitu a získání přesnějších informací. Tato metoda se používá v přijímačích GPS pro Android v mobilních telefonech. To je důvod, proč jsou smartphony často více specifickými produkty. AGPS se nachází v kamerách, mapuje GPS přijímače a některé automobily. Jeho využití je prospěšné ve městech, kde je občas obtížné přijímat signál v bludišti budov.

Diferenciální GPS

Další metodou je diferenciální geolokační systém DGPS. Tento polohovací systém také používá pozemní stanice. Nicméně se liší tím, že zjišťuje rozdíl mezi čtením satelitu a přijímačem. Stanice mohou být umístěny ve vzdálenosti až 370 km od přijímače a je důležité si uvědomit, že se vzdálenost od nich zvyšuje, přesnost měření se zhoršuje. DGPS se provádí pozemní stanicí, která vysílá signál, který určuje chybu mezi skutečnou a měřenou pseudoranžou. Tato hodnota je vypočtena vynásobením rychlosti světla v okamžiku, kdy signál přijme ze satelitu k přijímači.

Příkladem jednoho typu DGPS je širokopásmový systém WAAS. Původně byl navržen tak, aby pomáhal přijímačům GPS letadel. Systém WAAS používá systém speciálně postavených pozemních stanic. Existuje soubor přesných standardů, které musí splňovat měření. Ve vodorovném a svislém směru by v 95% případů jejich chyba neměla překročit 7,6 m. Pozemní stanice vysílají své měření do hlavních stanic, které posílají korekce na satelity WAAS každých 5 sekund nebo více. Ze satelitu se signál přenese zpět do přijímačů na Zemi, kde se opravená data používají ke zlepšení přesnosti GPS. Na některých místech může WAAS poskytnout chybu až 1 m vodorovně a 1,5 m vertikálně. Ačkoli WAAS je přítomen pouze v Severní Americe, podobné systémy existují i ​​v mnoha dalších částech světa.

Formáty zpráv

Data GPS se zobrazují v různých formátech pomocí sériového rozhraní. K dispozici jsou standardní a nestandardní (vlastní) formáty zpráv. Téměř všechny přijímače GPS generují data NMEA. Jedná se o standard pro formátování informací ve formě řetězců, nazvaných věty. Každý obsahuje různé údaje oddělené čárkami. Celkově existuje 19 typů takových návrhů. Zde je příklad řetězce NMEA přijatého od přijímače, který založil komunikaci se satelitem:

$ GPGGA, 235317.000,4003.9039, N, 10512.5793, W, 1,08,1,6,1577.9, M, -20,7, M1 0000 * 5F.

Nabídka obsahuje následující informace:

• GMT: 23:53:17;
• severní šířka, 40,039039 °;
• západní délka, 10,5125793 °;
• počet satelitů: 08;
• výška: 1577 m.

Data jsou oddělena čárkami, která usnadňují čtení a analýzu počítačů a mikrokontrolérů. Jsou odesílány do sériového portu v intervalech nazývaných aktualizace. Většina přijímačů tuto informaci aktualizuje jednou za sekundu (tj. Při 1 Hz), ale nejlepší GPS přijímače mohou provádět více aktualizací za sekundu. Pro moderní modely je tato hodnota 5-20 Hz.

Čtení dat

Většina modulů GPS je vybavena sériovým portem, který umožňuje připojení k mikrokontroléru nebo počítači.

Po zapnutí zařízení jsou data NMEA (nebo zprávy v jiném formátu) odesílána ze sériového vysílacího konektoru (TX) s určitou přenosovou rychlostí a rychlostí aktualizace, a to i v případě, že satelit není přijímán. Aby mohl mikrokontrolér číst informace, musíte připojit pin TX GPS k vstupu RX. Chcete-li konfigurovat modul, musíte připojit jeho vstup RX k výstupu TX řídicího zařízení.

Mikrokontrolér obvykle analyzuje data NMEA. Analýza návrhu se provádí jednoduše odebráním informací.

Například mikrokontrolér potřebuje pouze číst výšku GPS. Namísto toho, aby se zabýval celým textem, analyzuje větu GPGGA a vybírá pouze výšku. Poté, co byly vybrány potřebné informace, lze je manipulovat s jinými akcemi.

Platforma Arduino také může snadno analyzovat data NMEA pomocí knihovny Tiny GPS.

Připojení k počítači

Jednoduchým způsobem, jak přímo zobrazit data NMEA, je použít přijímač GPS pro laptop nebo počítač. Chcete-li vytvořit připojení, je nutné napájet zařízení pro geolokaci a připojit kolík TX externího modulu k vstupu RX počítače.

Je také možné připojit přijímač GPS k portu USB. Současně může být napájen jak z vlastního zdroje, tak prostřednictvím připojení k počítači. V prvním případě se uvolněná linka používá k detekci připojení přijímače USB-GPS k hostiteli. Při připojení k počítači je napájení dodáváno prostřednictvím univerzální sériové sběrnice, takže není vyžadován žádný další zdroj.

Navíc přijímač Bluetooth-GPS poskytuje bezdrátovou komunikaci s oběma počítači a kompatibilními zařízeními od stejného výrobce. To umožňuje rychlou výměnu společných dat, například tras a trasových bodů.

Po připojení je třeba program sériového terminálu otevřít nastavením přenosové rychlosti, která odpovídá rychlosti modulu GPS. I když přijímač neuskutečnil komunikaci s družicí, na obrazovce se objeví proud věty NMEA.

Nastavení přijímače

Chcete-li konfigurovat přijímač GPS a GLONASS, je důležité vědět, jaký typ čipové sady je nainstalován. Chipset obsahuje výkonný procesor, který je zodpovědný za uživatelské rozhraní, všechny výpočty, stejně jako analogové obvody antény. Chipset navíc umožňuje přijímat data pro konfiguraci parametrů, jako je rychlost aktualizace, přenosová rychlost, výběr nabídky atd.

Chcete-li odeslat příkazy k přijímači přes sériový port, potřebujete sadu příkazů nebo referenční příručku. Ale než se ponoříte do studie příkazů pro konkrétní modul, je třeba zkontrolovat dostupnost softwaru, což velmi usnadňuje práci se zařízením a jeho konfigurací.

Některé čipové sady umožňují použití alternativních protokolů, jako jsou binární SiRF, UBX nebo vlastní zprávy. Tyto protokoly obsahují podobné informace, ale výměnu dat v podobě binárního (místo ASCII) kódu pro rychlejší komunikaci.

Při komunikaci s přijímačem GPS musí být příkazy ukončeny kontrolním součtem. Ve většině případů musíte pro každou větu spustit příkaz XOR.

Anténa

Malý GPS modul přijímá signály ze satelitů, které se nacházejí ve vzdálenosti 19 tisíc km, které se nachází nejen nad hlavou, ale také kdekoli na obloze. Pro lepší výkon mezi anténou a satelity potřebujete přímou viditelnost. Počasí, mraky, vánice by neměly mít vliv na signál, ale stromy, budovy, hory, střešní režie způsobí nežádoucí rušení a přesnost GPS to bude trpět.

Vyvinuto mnoho možností pro antény. Jednou z nejběžnějších je keramická patchová anténa. Má nízký profil, nízké náklady a kompaktnost, ale ve srovnání s jinými typy je to horší. Abyste získali dobrý signál, musí směřovat směrem nahoru k otevřenému nebi, tj. Když je zisk maximální.

Šroubové antény se používají v některých modulech GPS. Zajišťují více místa, ale jejich tvar vám umožňuje získat lepší signál v jakékoliv orientaci kvůli nižším ziskům.

Některé moduly používají antény SMA. Umožňuje je namontovat na jiné místo, než je umístění samotného přijímače, což je užitečné v případech, kdy hlavní systém nemá přístup na otevřenou oblohu (například v budově nebo v autě).