Što je GPS-prijemnik: opis i načelo rada

Vjerojatno su svi koristili GPS prijemnike izravno ili neizravno. Oni se nalaze u većini pametnih telefona, mnogo novih automobila, koji se koriste u komercijalne svrhe širom svijeta. Ovi sitni uređaji mogu odmah i potpuno besplatno odrediti točnu lokaciju i vrijeme gotovo bilo gdje u svijetu. Sve što je potrebno za to je prisutnost samog GPS prijemnika, a oni postaju sve jeftiniji i manji svaki dan.

Međutim, ti mali i jeftini moduli ne bi se trebali uzimati zdravo za gotovo. Kako bi se uvijek i svugdje moglo točno odrediti mjesto, desetljeća inženjerskog razvoja su otišla. Od kraja 70-ih godina pokrenuto je na desetke GPS satelita, od kojih je svaki opremljen preciznim atomskim satom, te se i dalje redovito lansiraju u Zemljinu orbitu. Kontinuirano šalju podatke na Zemlju putem namjenskih RF kanala. Džepni GPS prijemnici opremljeni su sićušnim antenama i procesorima koji izravno primaju signal koji šalju sateliti te izračunavaju položaj i vrijeme u letu.

Kako funkcionira GPS?

Orbitalne grupacije i zemaljske postaje koriste se za određivanje položaja i vremena gotovo bilo gdje na Zemlji. Na nadmorskoj visini većoj od 19 tisuća km iznad Zemlje stalno je raspoređeno najmanje 24 aktivna satelita. Njihovi položaji su izračunati tako da točno polovica njih uvijek bude na nebu iznad bilo koje točke planeta. Glavna svrha satelita je prijenos informacija na Zemlju na frekvencijama u rasponu 1,1-1,5 GHz. Pomoću ovih podataka i matematičkih izračuna, zemaljski prijemnik ili GPS modul može izračunati njegovu lokaciju i trenutno vrijeme.

U 2010. godini obnovljen je alternativni globalni sustav pozicioniranja GLONASS. Također ima 24 satelita i emitira na 1,2–1,6 GHz.

kanali

Broj kanala s kojima radi GPS modul utječe na vrijeme prve korekcije (TTFF). Budući da nije poznato koji su sateliti na vidiku, što više frekvencija možete odmah provjeriti, to će se brže izvršiti korekcija. Nakon uspostavljanja veze ili primanja popravka, neki moduli onemogućuju dodatne kanale radi uštede energije. Ako korisniku ne smeta čekati još malo, dovoljan je 12 ili 14 kanala za izvrsno funkcioniranje prijemnika.

trilateration

To je matematička metoda koja se koristi za izračunavanje položaja s nekoliko kontrolnih točaka. Da bi GPS prijamnik mogao izračunati točnu poziciju i vrijeme, mora uspostaviti komunikaciju s najmanje 4 satelita. Za izračun udaljenosti do objekta metodom triangulacije potrebna su 2 boda. No, u slučaju GPS-a, morate odrediti 4 vrijednosti - zemljopisnu širinu, dužinu, nadmorsku visinu i vrijeme.

Određivanje mjesta i vremena

Podaci koji se prenose na Zemlju iz svakog satelita sadrže nekoliko različitih informacija koje GPS prijemniku omogućuju da točno izračuna svoje mjesto i vrijeme. Važan dio opreme na svakoj od njih je iznimno precizan. atomski satovi. Podaci o vremenu šalju se na Zemlju zajedno s orbitalnom pozicijom i vremenom dolaska na različite točke orbite. Drugim riječima, GPS modul prima vremensku oznaku sa svih vidljivih satelita, kao i informacije o njihovoj lokaciji. Iz ovih podataka možete izračunati udaljenost do svakog od njih. Ako antena vidi najmanje 4 satelita, tada možete točno izračunati položaj prijemnika.

Tu je i strana globalnog sustava pozicioniranja. Osim gore navedenih elemenata, postoje zemaljske postaje koje mogu komunicirati sa satelitskom mrežom i nekim GPS prijemnicima. Takav se sustav naziva kontrolni segment i poboljšava točnost mjerenja. Njezini primjeri su WAAS i DGPS. Prvi se koristi kod većine prijemnika i smanjuje grešku na 5 m. Drugi zahtijeva prijemnik određene vrste i daje grešku od centimetra. Uređaji ove vrste su skupi i obično su veći jer zahtijevaju dodatnu antenu.

Točnost Dodaj u košaricu

Točnost mjerenja GPS ili GLONASS prijemnika ovisi o brojnim varijablama, prvenstveno o omjeru signal-šum, položaju satelita, vremenskim uvjetima i prisutnosti prepreka kao što su zgrade i planine. Ti čimbenici mogu stvoriti pogreške u izračunavanju lokacije korisnika. Buka obično stvara pogrešku od 1 do 10 m. Planine, zgrade i drugi objekti koji mogu ometati signal sa satelita mogu uzrokovati 3 puta veću pogrešku. Za normalan rad GPS prijemnik mora biti u mogućnosti primati signal s 4 satelita. Veza s prvim od njih omogućuje dobivanje podataka o almanahu, a time i dostupnosti ostatka. Iako je moguće locirati s manje od 4 satelita, pogreška mjerenja može biti prilično velika. Najpreciznije određivanje položaja događa se kada je otvoren pogled na vedro nebo, bez prepreka, s više od 4 satelita iznad glave. U borbi protiv tih pogrešaka nastalo je nekoliko alata.

Potpomognuti GPS

Jedan od tih sustava potpore je Assisted GPS ili AGPS. Ova metoda koristi bežične (zemaljske) mreže za prijenos satelitskog signala kada je slab ili nemoguć za primanje. AGPS pomaže u dvije stvari. Prvo, daje primatelju podatke o almanahu i točno vrijeme. Drugo, ona koristi veću računalnu snagu i dobar zemaljski satelitski signal za tumačenje dobivenih fragmentiranih informacija kako bi se osiguralo pouzdanije određivanje položaja. AGPS uglavnom izvode vanjski GPS prijemnici instalirani na tornjevima ćelija. Komunikacija s njima omogućuje vam brzo podešavanje satelita, kao i dobivanje točnijih informacija. Ova metoda se koristi u GPS prijamnicima za "Android" u mobilnim telefonima. Zato su pametni telefoni često specifičniji proizvodi. AGPS je prisutan u kamerama, pregledavajući GPS prijamnike i neke automobile. Njegova uporaba je najkorisnija u gradovima gdje je signal u labirintu zgrada ponekad vrlo teško primiti.

Diferencijalni GPS

Druga metoda je diferencijalni DGPS geolokacijski sustav. Ovaj sustav pozicioniranja koristi i zemaljske postaje. Međutim, razlikuje se po tome što pronalazi razliku između očitanja satelita i prijemnika. Stanice se mogu nalaziti na udaljenosti do 370 km od prijemnika, a važno je napomenuti da se s povećanjem udaljenosti od njih točnost mjerenja pogoršava. DGPS se izvodi zemaljskom stanicom koja odašilje signal koji diktira pogrešku između stvarne i izmjerene pseudogruge. Ova se vrijednost izračunava množenjem brzine svjetlosti do trenutka kada je signal od satelita primljen na prijemnik.

Primjer jedne vrste DGPS-a je sustav širokog raspona WAAS. Izvorno je bio dizajniran da pomogne GPS prijemnicima zrakoplova. WAAS koristi sustav posebno izgrađenih zemaljskih postaja. Postoji skup standarda točnosti koje mjerenja moraju zadovoljiti. U vodoravnom i okomitom smjeru u 95% slučajeva, njihova pogreška ne smije prelaziti 7,6 m. Zemaljske postaje šalju svoja mjerenja glavnim postajama, koje svakih 5 sekundi ili više šalju ispravke satelita WAAS. Od satelita, signal se prenosi natrag do prijemnika na Zemlji, gdje se korigirani podaci koriste za poboljšanje točnosti GPS-a. U nekim mjestima WAAS može dati pogrešku do 1 m vodoravno i 1,5 m okomito. Iako je WAAS prisutan samo u Sjevernoj Americi, slični sustavi postoje u mnogim drugim dijelovima svijeta.

Formati poruka

GPS podaci prikazuju se u različitim formatima putem serijskog sučelja. Postoje standardni i nestandardni (vlasnički) formati poruka. Gotovo svi GPS prijemnici emitiraju NMEA podatke. To je standard za oblikovanje informacija u obliku nizova, nazvanih rečenica. Svaka sadrži različite podatke odvojene zarezima. Ukupno postoji 19 vrsta takvih prijedloga. Evo primjera NMEA niza primljenog od primatelja koji je uspostavio komunikaciju sa satelitom:

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

Ponuda sadrži sljedeće informacije:

• GMT: 23:53:17;
• zemljopisna širina: sjever, 40.039039 °;
• dužina: zapadna, 10.5125793 °;
• broj satelita: 08;
• visina: 1577 m.

Podaci su odvojeni zarezima kako bi računala i mikrokontroleri lakše čitali i analizirali. Oni se šalju u serijski port u intervalima koji se nazivaju stope ažuriranja. Većina prijemnika ažurira ove informacije jednom u sekundi (tj. Na 1 Hz), ali najbolji GPS prijamnici mogu izvesti više ažuriranja u sekundi. Za suvremene modele ta je vrijednost 5–20 Hz.

Čitanje podataka

Većina GPS modula opremljena je serijskim priključkom koji vam omogućuje povezivanje s mikrokontrolerom ili računalom.

Nakon što je uređaj uključen, NMEA podaci (ili poruke u drugom formatu) šalju se iz serijskog priključka za prijenos (TX) uz određenu brzinu prijenosa i brzinu ažuriranja, čak i ako nema satelitskog prijema. Da bi mikrokontroler mogao pročitati informacije, morate spojiti TX GPS pin na RX ulaz. Za konfiguriranje modula, potrebno je spojiti njegov RX ulaz na TX izlaz upravljačkog uređaja.

Mikrokontroler obično analizira NMEA podatke. Analiza prijedloga je napravljena jednostavnim izvlačenjem informacija.

Na primjer, mikrokontroler treba samo čitati GPS nadmorsku visinu. Umjesto da se bavi čitavim tekstom, on analizira GPGGA rečenicu i odabire samo visinu. Nakon odabira potrebnih informacija, njime se može manipulirati za obavljanje drugih radnji.

Arduino platforma također može lako analizirati NMEA podatke pomoću Tiny GPS biblioteke.

Povežite se s računalom

Jednostavan način izravnog prikaza NMEA podataka je korištenje GPS prijemnika za prijenosno računalo ili računalo. Da biste uspostavili vezu, potrebno je napajati uređaj za geolokaciju i spojiti TX pin vanjskog modula na RX ulaz računala.

Također je moguće spojiti GPS prijemnik na USB priključak. Istodobno se može napajati i iz vlastitog izvora i putem veze s računalom. U prvom slučaju, puštena linija se koristi za otkrivanje povezivanja USB-GPS prijemnika s domaćinom. Kada je spojen na računalo, napajanje se vrši preko univerzalne serijske sabirnice, tako da nije potreban dodatni izvor.

Osim toga, Bluetooth-GPS prijemnik omogućuje bežičnu komunikaciju s računalima i kompatibilnim uređajima istog proizvođača. To omogućuje brzu razmjenu zajedničkih podataka, kao što su rute i putne točke.

Nakon spajanja, potrebno je otvoriti program serijskog terminala podešavanjem brzine prijenosa jednakom brzini GPS modula. Čak i ako prijemnik nije uspostavio komunikaciju sa satelitom, na zaslonu će se pojaviti niz NMEA rečenica.

Postavljanje prijemnika

Za konfiguriranje GPS i GLONASS prijemnika, važno je znati tip čipseta koji je ugrađen u njega. Čipset sadrži snažan procesor koji je odgovoran za korisničko sučelje, sve izračune, kao i za analogne antenske krugove. Osim toga, skup čipova omogućuje primanje podataka za konfiguriranje parametara kao što su brzina ažuriranja, brzina prijenosa, odabir ponude itd.

Za slanje naredbi prijemniku preko serijskog porta, potreban vam je skup naredbi ili referentni priručnik. No, prije nego što uđete u proučavanje naredbi za određeni modul, morate provjeriti dostupnost softvera, što uvelike olakšava rad s uređajem i njegovom konfiguracijom.

Neki čipseti dopuštaju upotrebu alternativnih protokola, kao što su binarni SiRF, UBX ili vlastite poruke. Ti protokoli sadrže slične informacije, ali razmjenjuju podatke u obliku binarnog (umjesto ASCII) koda za bržu komunikaciju.

Kada komuniciraju s GPS prijemnikom, naredbe moraju završiti s kontrolnom sumom. U većini slučajeva, za to, za svaku rečenicu morate pokrenuti XOR naredbu.

antena

Mali GPS-modul prima signale sa satelita koji se nalaze na udaljenosti od 19 tisuća km, koji se nalaze ne samo iznad glave, već i bilo gdje na nebu. Za bolju izvedbu antene i satelita potrebna vam je izravna vidljivost. Vrijeme, oblaci, mećave ne bi smjeli utjecati na signal, ali stabla, zgrade, planine, krov nad glavom stvorit će neželjene smetnje, a točnost GPS-a će patiti od toga.

Razvijene su mnoge mogućnosti za antene. Jedna od najčešćih je keramička antena. Ima nizak profil, nisku cijenu i kompaktnost, ali, u usporedbi s drugim tipovima, potrebno je još i gore. Da bi se dobio dobar signal, on mora biti usmjeren prema gore na otvoreno nebo, tj. Kada je pojačanje maksimalno.

Antene s vijcima koriste se u nekim GPS modulima. Zauzimaju više prostora, ali njihov oblik omogućuje vam bolji signal u bilo kojoj orijentaciji zbog manjeg dobitka.

Neki moduli koriste SMA antene. Time je moguće postaviti ih na mjesta koja nisu na samom prijemniku, što je korisno u slučajevima kada glavni sustav nema pristup otvorenom nebu (na primjer, u zgradi ili automobilu).