Какво е GPS-приемник: описание и принцип на работа

Вероятно всички използват GPS приемници директно или индиректно. Те се намират в повечето смартфони, много нови автомобили, използвани за търговски цели по целия свят. Тези малки устройства могат незабавно и напълно безплатно да определят точното местоположение и време почти навсякъде по света. Всичко, което е необходимо за това е наличието на самия GPS приемник и те стават все по-евтини и по-малки всеки ден.

Тези малки и евтини модули обаче не трябва да се приемат за даденост. За да могат винаги и навсякъде точно да определят местоположението, десетилетия на инженерно развитие са изминали. От края на 70-те години са пуснати десетки GPS сателити, всяка от които е снабдена с прецизен атомния часовник и те продължават да бъдат редовно пускани в орбита на Земята. Те непрекъснато изпращат данни на Земята чрез специални RF канали. Джобните GPS приемници са оборудвани с миниатюрни антени и процесори, които получават директно сигнала, изпратен от сателитите, и изчисляват позицията и времето в движение.

Как работи GPS?

Орбиталните групи и наземните станции се използват за определяне на позицията и времето почти навсякъде по Земята. На надморска височина над 19 хиляди километра над Земята постоянно се разгръщат най-малко 24 активни спътника. Позициите им се изчисляват по такъв начин, че точно половината от тях винаги са в небето над всяка точка на планетата. Основната цел на сателитите е обмен на информация на земята на честоти в диапазона 1.1-1.5 GHz. Използвайки тези данни и математически изчисления, наземен приемник или GPS модул може да изчисли неговото местоположение и текущото време.

През 2010 г. беше възстановена алтернативната система за глобално позициониране GLONASS. Той също така разполага с 24 спътника и излъчва на 1.2–1.6 GHz.

канали

Броят на каналите, с които работи GPS модулът, влияе върху времето на първата корекция (TTFF). Тъй като не е известно кои сателити се виждат, колкото повече честоти можете да проверите веднага, толкова по-бързо ще бъде направена корекцията. След установяване на връзка или получаване на корекция, някои модули забраняват допълнителни канали, за да пестят енергия. Ако потребителят няма нищо против да чака по-дълго, 12 или 14 канала са достатъчни за отлична работа на приемника.

трилатерация

Това е математически метод, използван за изчисляване на позиция с няколко контролни точки. За да може GPS приемникът да изчисли точната позиция и време, той трябва да установи връзка с поне 4 спътника. За да се изчисли разстоянието до обекта по метода на триангулация, са необходими 2 точки. Но в случай на GPS, трябва да определите 4 стойности - географска ширина, дължина, надморска височина и време.

Определяне на местоположението и времето

Данните, предавани на Земята от всеки спътник, съдържат няколко различни части от информация, които позволяват на GPS приемника точно да изчисли своето местоположение и време. Важна част от оборудването на всеки от тях е изключително точна. атомни часовници. Данните за времето се изпращат на Земята заедно с орбиталната позиция и времето на пристигане в различни точки на орбитата. С други думи, GPS модулът получава времеви отпечатък от всички видими сателити, както и информация за тяхното местоположение. От тези данни можете да изчислите разстоянието до всеки от тях. Ако антената вижда най-малко 4 спътника, можете да изчислите точно позицията на приемника.

Има и страна на глобалната система за позициониране. В допълнение към горните елементи има наземни станции, които могат да комуникират със сателитната мрежа и някои GPS приемници. Такава система се нарича контролен сегмент и подобрява точността на измерването. Нейни примери са WAAS и DGPS. Първият се използва от повечето приемници и намалява грешката до 5 м. Втората изисква приемник от определен тип и осигурява грешка от сантиметър. Устройствата от този тип са скъпи и са по-големи, защото изискват допълнителна антена.

Точност Добави в количката

Точността на измерване на GPS или GLONASS приемника зависи от редица променливи, главно от съотношението сигнал / шум, положение на сателит, метеорологични условия и наличие на препятствия като сгради и планини. Тези фактори могат да създадат грешки при изчисляването на местоположението на потребителя. Шумът обикновено създава грешка от 1 до 10 м. Планини, сгради и други обекти, които могат да попречат на сигнала от сателита, могат да причинят 3 пъти по-голяма грешка. За нормална работа GPS приемникът трябва да може да приема сигнал от 4 спътника. Връзката с първата от тях позволява да се получат данни за алманаха и следователно за наличието на останалите. Въпреки че е възможно да се локализира с по-малко от 4 спътника, грешката при измерването може да бъде доста голяма. Най-точното определяне на позицията се случва, когато има отворен изглед на ясно небе, без никакви препятствия, с повече от 4 спътника. За борба с тези грешки са създадени няколко инструмента.

Подпомогнат GPS

Една от тези поддържащи системи е Assisted GPS или AGPS. Този метод използва безжични (наземни) мрежи за предаване на сателитен сигнал, когато е слабо или невъзможно да се получи. AGPS помага в две неща. Първо, той предоставя на получателя данни с алманах и точно време. Второ, той използва по-висока изчислителна мощност и добър наземен сателитен сигнал, за да интерпретира получената фрагментирана информация, за да осигури по-надеждно определяне на местоположението. AGPS се извършва основно от външни GPS приемници, инсталирани на клетъчни кули. Комуникацията с тях ви позволява бързо да настроите сателита, както и да получите по-точна информация. Този метод се използва в GPS приемници за "Android" в мобилните телефони. Ето защо смартфоните често са по-специфични продукти. AGPS присъства в камерите, изследва GPS приемници и някои автомобили. Използването му е най-полезно в градовете, където сигналът в лабиринта от сгради понякога е доста труден за получаване.

Диференциален GPS

Друг метод е диференциалната DGPS геолокационна система. Тази система за позициониране също използва наземни станции. Въпреки това, той се различава в това, че намира разликата между показанията на сателита и приемника. Станциите могат да бъдат разположени на разстояние до 370 км от приемника и е важно да се отбележи, че с увеличаването на разстоянието точността на измерването се влошава. DGPS се изпълнява от наземна станция, предаваща сигнал, който диктува грешката между действителната и измерената псевдоподобност. Тази стойност се изчислява чрез умножаване на скоростта на светлината до момента, в който се приема сигнала от сателита към приемника.

Пример за един тип DGPS е широкообхватната система WAAS. Първоначално той е проектиран да помага на GPS приемници на самолети. WAAS използва система от специално изградени наземни станции. Съществува набор от стандарти за точност, на които измерванията трябва да отговарят. В хоризонтално и вертикално направление в 95% от случаите, тяхната грешка не трябва да надвишава 7.6 м. Наземните станции изпращат своите измервания до главните станции, които изпращат корекции на спътниците на WAAS на всеки 5 секунди или повече. От сателит, сигналът се предава обратно на приемниците на Земята, където коригираните данни се използват за подобряване на точността на GPS. На някои места WAAS може да осигури грешка до 1 м хоризонтално и 1,5 м вертикално. Въпреки че WAAS присъства само в Северна Америка, подобни системи съществуват и в много други части на света.

Формати на съобщенията

GPS данните се показват в различни формати чрез сериен интерфейс. Има стандартни и нестандартни (собственически) формати за съобщения. Почти всички GPS приемници извеждат NMEA данни. Това е стандарт за форматиране на информация под формата на низове, наречени изречения. Всяка от тях съдържа различни данни, разделени със запетаи. Общо има 19 вида такива предложения. Ето пример за NMEA низ, получен от получателя, който е установил комуникация със сателита:

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

Офертата съдържа следната информация:

• GMT: 23:53:17;
• ширина: север, 40.039039 °;
• дължина: западна, 10.5125793 °;
• брой спътници: 08;
• височина: 1577 m.

Данните се разделят със запетая, за да се улесни четенето и анализирането на компютри и микроконтролери. Те се изпращат към серийния порт на интервали, наричани скорости на обновяване. Повечето приемници актуализират тази информация веднъж в секунда (т.е. при 1 Hz), но най-добрите GPS приемници могат да изпълняват множество актуализации в секунда. За съвременните модели тази стойност е 5–20 Hz.

Четене на данни

Повечето GPS модули са оборудвани със сериен порт, който ви позволява да ги свържете към микроконтролер или компютър.

След като устройството бъде включено, NMEA данните (или съобщенията в друг формат) се изпращат от серийния конектор за предаване (TX) при определена скорост на предаване и скорост на обновяване, дори ако няма прием от сателита. За да може микроконтролерът да чете информацията, трябва да свържете TX GPS щифта към RX входа. За да конфигурирате модул, трябва да свържете неговия RX вход към TX изхода на управляващото устройство.

Микроконтролерът обикновено анализира NMEA данните. Анализът на предложението се прави чрез просто извличане на информация от него.

Например, микроконтролерът трябва само да прочете височината на GPS. Вместо да се занимава с целия текст, той анализира изречението на GPGGA и избира само височината. След като е избрана необходимата информация, тя може да бъде манипулирана за извършване на други действия.

Платформата Arduino също може лесно да анализира NMEA данните с помощта на Tiny GPS библиотеката.

Свържете се с компютър

Един прост начин за директно преглеждане на NMEA данните е да се използва GPS приемник за лаптоп или компютър. За да създадете връзка, е необходимо само да захранвате устройството за геолокация и да свържете пинов TX на външния модул към RX входа на компютъра.

Също така е възможно да свържете GPS приемник към USB порт. В същото време тя може да се захранва както от собствения си източник, така и чрез връзка с компютър. В първия случай освободената линия се използва за откриване на свързването на USB-GPS приемника към хоста. Когато е свързан към компютър, захранването се осигурява чрез универсална серийна шина, така че не се изисква допълнителен източник.

В допълнение, Bluetooth-GPS приемникът осигурява безжична комуникация както с персонални компютри, така и със съвместими устройства от същия производител. Това позволява бърз обмен на общи данни, като маршрути и пътни точки.

След свързване, трябва да отворите програмата на серийния терминал, като зададете скорост на предаване, равна на скоростта на GPS модула. Дори ако приемникът не е установил връзка със сателита, на екрана ще се появи поток от NMEA изречения.

Настройка на приемника

За да конфигурирате GPS и GLONASS приемника, е важно да знаете вида на инсталирания в него чипсет. Чипсетът съдържа мощен процесор, отговорен за потребителския интерфейс, всички изчисления, както и аналогови антена. В допълнение, чипсетът ви позволява да получавате данни, за да конфигурирате параметри като скорост на актуализация, скорост на трансфер, избор на оферти и др.

За да изпращате команди към приемника през серийния порт, ви е необходим набор от команди или справочно ръководство. Но преди да се потопите в изучаването на команди за конкретен модул, трябва да проверите наличието на софтуер, който значително улеснява работата с устройството и неговата конфигурация.

Някои чипсети позволяват използването на алтернативни протоколи, като например двоични SiRF, UBX или собствени съобщения. Тези протоколи съдържат подобна информация, но обменят данни под формата на двоичен (вместо ASCII) код за по-бърза комуникация.

Когато комуникирате с GPS приемник, командите трябва да завършват с контролна сума. В повечето случаи за това за всяко изречение трябва да изпълните командата XOR.

антена

Малък GPS-модул получава сигнали от сателити, които се намират на разстояние 19 хил. Км, които се намират не само над главата, но и навсякъде в небето. За по-добра работа между антената и сателитите е необходима директна видимост. Времето, облаците, виелиците не трябва да засягат сигнала, но дървета, сгради, планини, покрив над главата ще създадат нежелани смущения, а точността на GPS ще пострада от това.

Разработени са много опции за антени. Една от най-често срещаните е керамичната антена. Тя е с нисък профил, ниска цена и компактност, но в сравнение с други видове, тя се влошава. За да се получи добър сигнал, той трябва да бъде насочен нагоре към открито небе, т.е. когато усилването е максимално.

Винтовите антени се използват в някои GPS модули. Те заемат повече място, но тяхната форма ви позволява да получите по-добър сигнал във всяка ориентация поради по-ниска печалба.

Някои модули използват SMA антени. Това прави възможно монтирането им на места, различни от местоположението на самия приемник, което е полезно в случаите, когато основната система няма достъп до открито небе (например в сграда или кола).