Verjetno so vsi neposredno ali posredno uporabljali GPS-sprejemnike. Najdemo jih v večini pametnih telefonov, veliko novih avtomobilov, ki se uporabljajo za komercialne namene po vsem svetu. Te drobne naprave lahko takoj in popolnoma določijo natančno lokacijo in čas skoraj kjerkoli na planetu. Vse, kar je potrebno, je prisotnost samega sprejemnika GPS, ki je vsak dan cenejši in manjši. Vendar teh majhnih in poceni modulov ne smete vzeti kot zapadle. Desetletja inženirskega razvoja, da lahko vedno najdejo natančno kjerkoli že so. Od poznih 70-ih let se je začelo na ducate satelitov GPS, ki so bili opremljeni z natančnimi atomskimi urami in se še naprej redno usmerjajo v bližnjo orbito Zemlje. Nenehno pošiljajo podatke na Zemljo na zagotovljenih radijskih frekvenčnih kanalih. Pocket GPS sprejemniki so opremljeni z majhnimi antenami in procesorji, ki neposredno prejmejo signal, ki ga pošiljajo sateliti, in na letalo izračunajo položaj in čas.

Kako deluje GPS?

Za določitev položaja in časa, kjerkoli na Zemlji, se uporabljajo orbitalne skupine in zemeljske postaje. Vsaj 24 satelitov je stalno nameščenih na nadmorski višini več kot 19.000 km nad Zemljo. Njihovi položaji so zasnovani tako, da je na nebu nad katerokoli točko planeta vedno točno polovica. Glavni namen satelitov je prenos informacij na Zemljo na frekvencah v območju 11-15GHz S temi podatki in matematičnimi izračuni lahko zemeljski sprejemnik ali modul GPS izračuna njegovo lokacijo in trenutni čas. V letu 2010 je bil vzpostavljen alternativni sistem globalnega pozicioniranja za GLONASS. Ima tudi 24 satelitov in oddaja na frekvencah 12-16 GHz.

Kanali

Število kanalov, na katerih deluje modul GPS, vpliva na čas prvega popravka (TTFF). Ker ni znano, kateri sateliti so v vidnem polju, več frekvenc je mogoče takoj preveriti, hitreje se izvede popravek. Po vzpostavitvi povezave ali sprejemanju popravka nekateri moduli prekinejo dodatne kanale za varčevanje z energijo. Če uporabnik ne moti čakanja dlje, 12 ali 14 kanalov je dovolj za odlično delo 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 povezavo z vsaj štirimi sateliti. Za izračun razdalje do objekta z metodo triangulacije sta potrebni dve točki. V primeru GPS pa je potrebno določiti vrednost 4 - zemljepisna širina, dolžina, višina in čas.

Opredelitev 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 element opreme na vsakem od njih je izjemno natančna atomska ura. Podatki o času so poslani na Zemljo skupaj z orbitalnim položajem invčasih prihajajo 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 najmanj 4 satelite, lahko natančno izračunate položaj sprejemnika. Še vedno obstaja stran globalnega sistema za določanje položaja. Poleg navedenih elementov obstajajo tudi zemeljske postaje, ki lahko komunicirajo s satelitskim omrežjem in ločenimi GPS sprejemniki. Tak sistem se imenuje kontrolni segment in poveča natančnost meritev. Njeni primeri so WAAS in DGPS. Prvi se uporablja pri večini sprejemnikov in zmanjšuje napako na 5 m, druga zahteva prisotnost sprejemnika določenega tipa in zagotavlja napako centimeter. Naprave te vrste so drage in ponavadi večje, ker zahtevajo dodatno anteno.

Geopolitična natančnost

Napaka merjenja sprejemnika GPS ali GLONASS je odvisna od številnih spremenljivk, predvsem 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 ponavadi ustvari napako od 1 do 10 m. Planine, zgradbe in drugi predmeti, ki lahko motijo ​​prehod signala s satelita, lahko povzročijo 3-krat večjo napako. Za normalno delovanje mora biti sprejemnik GPS sposoben sprejeti signal s 4 satelitov. Povezovanje s prvim vam omogoča, da dobite informacije o almanahu in posledično o dostopnosti drugih. Čepravlahko določite lokacijo in z manj kot štirimi sateliti je lahko napaka merjenja precej velika. Točno pozicioniranje je natanko takrat, ko je odprt pregled jasnega neba, brez ovir, c več kot 4 sateliti nad glavo. Za boj proti tem napakam je bilo ustvarjenih več pomoči.

Podprti GPS

Eden od teh pomožnih sistemov je Assisted GPS in AGPS. Ta metoda uporablja brezžična (zemeljska) omrežja za ponovno oddajanje satelitskega signala, ko je šibek ali ga ni mogoče sprejeti. AGPS pomaga pri dveh stvareh. Prvič, prejemniku zagotavlja podatke o almanah in točen čas. In drugič, uporablja večjo računalniško moč in dober zemeljski satelitski signal, da razloži nastale fragmentarne informacije, da bi zagotovil zanesljivejšo določitev lokacije. AGPS večinoma izdelujejo zunanji GPS sprejemniki, ki so nameščeni v celičnem stolpu. Povezovanje z njimi vam omogoča hitrejše iskanje satelita in natančnejše informacije. Ta način uporabljajo sprejemniki GPS za Android in mobilne telefone. Zato so pametni telefoni pogosto bolj specifični izdelki. AGPS je prisoten v kamerah, geodetskih GPS sprejemnikih in nekaterih avtomobilih. Njegova uporaba je najbolj donosna v mestih, kjer je signal v labirintu stavb včasih težko sprejemljiv.

Diferencialni GPS

Druga metoda je geostacionarni diferencialni sistem DGPS. Na voljo je tudi sistem določanja lokacijeuporablja 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, pri čemer je pomembno omeniti, da se glede oddaljenosti od njih točnost meritev poslabša. DGPS izvaja zemeljska postaja, ki oddaja signal, ki narekuje napako med dejanskimi in izmerjenimi psevdo-podatki. Ta vrednost se izračuna tako, da se hitrost svetlobe pomnoži s časom prenosa satelitskega signala na sprejemnik. Primer enega od tipov DGPS je sistem širokega območja WAAS. Prvotno je bil zasnovan za pomoč sprejemnikom aerial GPS. WAAS uporablja sistem posebej zgrajenih zemeljskih postaj. Zagotovljen je niz standardov za natančnost, ki jih morajo meritve izpolnjevati. V vodoravni in navpični smeri v 95% primerov njihova napaka ne sme presegati 76 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 sprejemnik na Zemlji, kjer se popravljeni podatki uporabljajo za povečanje natančnosti GPS-a. V nekaterih krajih lahko WAAS zagotovi napako do 1 m vodoravno in 15 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 (lastni) formati sporočil. Skoraj vsi GPS sprejemnikiizhodne podatke NMEA. To je standard za oblikovanje informacij v obliki nizov, ki se imenujejo stavki. Vsak od njih vsebuje različne podatke, ločene z vejicami. Skupaj je 19 vrst takšnih ponudb. Tukaj je primer niza NMEA, ki ga je prejel sprejemnik, ki komunicira s satelitom: $ GPGGA, 23531700040039039N, 105125793W, 1081615779M, -20.7M, 0000 * 5F. Stavek vsebuje naslednje informacije:

Greenwichov čas: 23:53:17;

širina: sever, 40039039 °;

zemljepisne dolžine: zahodna, 105125793 °;

število satelitov: 08;

Višina: 1577 m.

Podatki so ločeni z vejicami, da se poenostavi branje in analiza z računalniki in mikrokontrolerji. Poslani so v serijska vrata v presledku, imenovanem hitrost posodobitve. Večina sprejemnikov posodobi te informacije enkrat na sekundo (tj. 1 Hz), vendar so najboljši GPS sprejemniki sposobni izvajati več posodobitev na sekundo. Za moderne modele je ta vrednost 5-20 Hz.

Branje podatkov

Večina modulov ima serijska vrata GPS, ki jim omogočajo priključitev na mikrokrmilnik ali računalnik. Ko je naprava vklopljena, se podatki NMEA (ali sporočila v drugačni obliki) pošljejo iz serijskega oddajnika (TX) z določeno hitrostjo prenosa in hitrostjo posodobitve, tudi če ni satelitskega sprejema. Da bi mikrokrmilnik lahko prebral informacije, morate priključiti izhod TX GPS na vhod RX. Za konfiguriranje modula morate njegov RX vhod povezati z izhodno napravo TX. Mikrokontroler običajno analizira NMEA podatke. Analiza ponudbe poteka preprostododeljevanje informacij iz njega. Na primer, mikrokrmilnik mora brati le višino GPS-a. Namesto da obravnava celotno besedilo, analizira predlog 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.

Povezovanje z računalnikom

Enostaven način neposrednega ogleda podatkov NMEA je uporaba sprejemnika GPS za prenosni računalnik ali računalnik. Če želite vzpostaviti povezavo, morate le povezati napravo za geolokacijo in priključiti izhod TX zunanjega modula na vhod RX računalnika. Sprejemnik GPS lahko priključite tudi na vrata USB. V tem primeru se lahko napaja iz svojega vira in prek povezave z računalnikom. V prvem primeru se sproščena linija uporablja za zaznavanje prisotnosti povezave USB-GPS sprejemnika z gostiteljem. Pri priključitvi na računalnik se napajanje izvaja preko univerzalnega serijskega vodila, zato ni potreben dodaten vir. Poleg tega sprejemnik Bluetooth-GPS omogoča brezžično povezavo z računalnikom in združljivimi napravami istega proizvajalca. To omogoča hitro izmenjavo splošnih podatkov, kot so poti in točke. Po priključitvi morate odpreti serijski terminalski program tako, da nastavite hitrost prenosa, enako hitrosti modula GPS. Tudi če sprejemnik ni vzpostavil povezave s satelitom, se bo na zaslonu pojavil tok predlogov NMEA.

Nastavitev sprejemnika

Za konfiguracijo sprejemnika GPS in GLONASS je pomembno vedeti, kakšen tip čipov je nameščen na njem. Niz čipov vsebuje zmogljiv procesor, ki je odgovoren za uporabniški vmesnik, vse izračune in analogne kroge antene. Poleg tega vam omogoča, da sprejmete podatke za prilagajanje parametrov, kot so hitrost osveževanja, hitrost prenosa, izbira ponudbe itd. Toda pred potopitvijo v preučevanje ukazov za določen modul je potrebno preveriti razpoložljivost programske opreme, ki močno olajša delo z napravo in njeno konfiguracijo. Nekateri čipi omogočajo uporabo alternativnih protokolov, kot so binarna sporočila SiRF, UBX ali po meri. Ti protokoli vsebujejo podobne informacije, vendar izmenjujejo podatke v binarni (namesto v ASCII) kodi za hitrejšo komunikacijo. Pri komunikaciji s sprejemnikom GPS mora ekipa dokončati kontrolno vsoto. V večini primerov morate za vsak predlog izvesti ukaz XOR.

Antena

Najmanjši modul GPS sprejema signale s satelitov, ki so razporejeni na razdalji 19 tisoč kilometrov, ki se nahajajo ne le nad glavo, temveč tudi kjerkoli na nebu. Za boljše delovanje antene in satelitov je potrebna neposredna vidljivost. Vreme, oblaki, snežne nevihte ne bi smeli vplivati ​​na signal, toda drevesa, zgradbe, gore, streha nad glavo bodo povzročili neželene ovire, zaradi česar bo trpela natančnost GPS.Razvite so bile številne različice anten. Ena najpogostejših je keramična patch antena. Ima nizek profil, nizko ceno in kompaktnost, vendar se v primerjavi z drugimi vrstami slabša. Da bi dobili dober signal, mora biti usmerjen navzgor v odprto nebo, to je, ko je dobiček maksimalen. Nekateri moduli GPS uporabljajo vijačne antene. Zasedajo več prostora, toda njihova oblika vam omogoča, da dobite najboljši signal v vsaki usmeritvi na račun nižjega dobička. Nekateri moduli uporabljajo antene SMA. To omogoča, da se jih namesti na mesta, ki niso na lokaciji prejemnika, kar bo koristno v primerih, ko glavni sistem nima dostopa do odprtega neba (na primer v zaprtih prostorih ali avtomobilih).