Co je přijímač GPS: popis a princip činnosti

Pravděpodobně každý přímo nebo nepřímo používá GPS přijímače. Najdou se ve většině smartphonů, mnoho nových vozů, které se používají pro komerční účely po celém světě. Tato drobná zařízení mohou okamžitě a úplně určit přesnou polohu a čas téměř kdekoli na planetě. Vše, co je zapotřebí, je přítomnost samotného přijímače GPS a každý den se stává levnějším a menším. Tyto malé a levné moduly byste však neměli považovat za splatné. Po desetiletí vývoje inženýrství je vždy možné přesně lokalizovat kdekoli. Od konce sedmdesátých let byly spuštěny desítky satelitů GPS, z nichž každý byl vybaven přesnými atomovými hodinami, a stále je pravidelně směrován na oběžnou dráhu blízkou Zemi. Neustále posílají data na Zemi na poskytovaných rádiových frekvenčních kanálech. Pocket GPS přijímače jsou vybaveny malými anténami a procesory, které přímo přijímají signál posílaný družicemi, a v pohotovosti vypočítají polohu a čas.


Jak funguje GPS?

Pro určení polohy a času téměř kdekoliv na Zemi pomocí orbitální seskupení a pozemní stanice. Přinejmenším 24 satelitů je neustále rozmístěno v nadmořské výšce přes 19 000 km nad zemí. Jejich pozice jsou navržena tak, že na obloze nad jakýmkoli bodem planety vždy byla přesně polovina z nich. Hlavním účelem satelitů je přenos informací na Zemi na frekvencích v rozmezí 11-15GHz Pomocí těchto dat a matematických výpočtů může pozemský přijímač nebo modul GPS vypočítat jeho polohu a aktuální čas. V roce 2010 byl obnoven alternativní globální systém určování polohy pro GLONASS. Má také 24 družic a vysílá na frekvencích 12-16 GHz.

Kanály

Počet kanálů, na kterých modul GPS pracuje, ovlivňuje čas prvního fixu (TTFF). Vzhledem k tomu, že není známo, které satelity jsou v zorném poli, čím více frekvencí lze okamžitě ověřit, tím rychleji bude provedena korekce. Po vytvoření připojení nebo při příjmu opravy některé moduly odpojí další kanály pro úsporu energie. Pokud uživatel nevadí čekání trochu déle, 12 nebo 14 kanálů stačí k vynikající práci přijímače.

Trilaterace

Jedná se o matematickou metodu používanou pro výpočet pozice s několika kontrolními body. Aby mohl přijímač GPS vypočítat přesnou polohu a čas, musí vytvořit spojení s alespoň čtyřmi družicemi. Pro výpočet vzdálenosti objektu pomocí metody triangulace jsou potřebné dva body. V případě GPS je však nutné určit hodnotu 4 - zeměpisné šířky, délky, výšky a času.

Definice polohy a času

Data přenášená na Zemi z každého satelitu obsahují několik různých informací, které umožňují GPS přijímač přesně vypočítat jeho polohu a čas. Důležitým prvkem zařízení na každém z nich je velmi přesné atomové hodiny. Časová data jsou odeslána na Zemi společně s orbitální pozicí aněkdy přijíždějící na různá místa na oběžné dráze. 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 ne méně než 4 družice, můžete přesně vypočítat polohu přijímače. Stále existuje strana globálního polohovacího systému. Spolu s uvedenými prvky existují pozemní stanice, které mohou komunikovat se satelitní sítí a samostatnými GPS přijímači. Takový systém se nazývá řídicí segment a zvyšuje přesnost měření. Jejími příklady jsou WAAS a DGPS. První z nich používá většina přijímačů a snižuje chybu na 5 m. Druhý vyžaduje přítomnost přijímače specifického typu a chybu centimetru. Zařízení tohoto typu jsou drahé a mají tendenci být větší, protože vyžadují další anténu.

přesnost určování zeměpisné polohy

Přesné měření GPS nebo GLONASS, závisí na mnoha faktorech, zejména na poměru signál /šum, pozice satelitu, povětrnostních podmínek a přítomnost překážek, jako jsou budovy a hor. Tyto faktory mohou způsobit chyby při výpočtu polohy uživatele. Hluk obvykle způsobuje chybu od 1 do 10 m. Hory, budovy a další objekty, které mohou rušit průchod signálu ze satelitu, mohou způsobit třikrát větší chybu. Při normálním provozu musí přijímač GPS přijímat signál ze 4 satelitů. Spojení s první umožňuje získat informace o almanachu a následně o dostupnosti ostatních. I kdyžmůžete určit polohu a s méně než 4 satelity, může být chyba měření poměrně velká. Přesné umístění je přesně tam, kde je otevřený průzkum jasných obložek, bez jakýchkoliv překážek, c více než 4 družice nad hlavou. V boji proti těmto chybám bylo vytvořeno několik pomůcek.

Asistované GPS

Jedním z těchto pomocných systémů je asistované GPS a AGPS. Tato metoda používá bezdrátové (pozemní) sítě k přenosu satelitního signálu, když je slabý nebo nemůže být přijat. AGPS pomáhá ve dvou věcech. Nejprve poskytuje příjemci almanachové údaje a přesný čas. Za druhé, využívá vyšší výpočetní výkon a dobrý satelitní signál na zemi, aby interpretoval výsledné fragmentární informace, aby zajistil spolehlivější určení polohy. AGPS je vyráběna převážně externími přijímači GPS instalovanými na věži s buňkami. Připojení k nim umožňuje rychlejší naladění satelitu a získání přesnějších informací. Tato metoda je používána přijímači GPS pro Android a mobilní telefony. To je důvod, proč jsou smartphony často více specifickými produkty. AGPS se nachází v kamerách, geodetických přijímačích GPS a některých automobilech. Jeho využití je nejvýnosnější ve městech, kde je signál v labyrintu budov někdy obtížně přijatelný.

Diferenciální GPS

Další metodou je DGPS geostacionární diferenciální systém. Tento systém určování polohy je také k dispozicipoužívá 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 pokud se vzdálenosti od nich zhoršují, přesnost měření se zhoršuje. DGPS se provádí pozemní stanicí, která vysílá signál, který určuje chybu mezi skutečnými a naměřenými pseudo-daty. Tato hodnota se vypočte vynásobením rychlosti světla v okamžiku, kdy satelitní signál přechází do přijímače. Příkladem jednoho z typů DGPS je širokopásmový systém WAAS. Původně byl navržen tak, aby pomohl anténám GPS přijímačům. Systém WAAS používá systém speciálně postavených pozemních stanic. K dispozici je soubor standardů pro přesnost, které musí splňovat měření. Ve vodorovném a svislém směru by v 95% případů jejich chyba neměla překročit 76 m. Pozemní stanice posílají své měření na hlavní stanice, které posílají korekce na satelity WAAS každých 5 sekund nebo více. Ze satelitu se signál přenese zpět do přijímače na Zemi, kde se korigované údaje používají ke zvýšení přesnosti GPS. Na některých místech může WAAS poskytnout chybu až 1 m vodorovně a 15 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 prostřednictvím sériového rozhraní. K dispozici jsou standardní a nestandardní (vlastní) formáty zpráv. Téměř všechny GPS přijímačevýstupní data NMEA. Toto je standard pro formátování informací ve formě řetězců nazvaných věty. Každá z nich obsahuje různé údaje oddělené čárkami. Celkem existuje 19 druhů takových nabídek. Zde je příklad NMEA-struny obdržené od přijímače, navázal kontakt s družicí: $ GPGGA, 23531700040039039N, 105125793W, 1081615779M, -20.7M ,, 0000 * 5F. Věta obsahuje následující informace:
  • Greenwich čas: 23:53:17;
  • zeměpisná šířka: sever, 40039039 °;
  • zeměpisná délka: západní, 105125793 °;
  • počet satelitů: 08;
  • , výška: 1577 m
  • Údaje oddělené čárkami zjednodušit čtení a analýzu počítače a mikroprocesory.. Jsou odesílány na sériový port v intervalu nazvaném rychlost aktualizace. Většina přijímačů aktualizovat informaci jednou za sekundu (tj s frekvencí 1 Hz), ale nejlepší GPS-přijímače jsou schopny plnit více aktualizací za sekundu. Pro moderní modely je tato hodnota 5-20 Hz.

    Údaje o čtení

    Většina GPS jednotky jsou vybaveny sériovým portem, který umožňuje jejich připojení k počítači nebo mikroprocesoru. Po zapnutí datového zařízení NMEA (nebo jiný formát zprávy) je odeslán z sériový přenos terminál (TX) určité přenosové rychlosti a rychlosti inovace, a to i při absenci příjmu z družice. Aby mohl mikrokontrolér číst informace, musíte připojit výstup TX GPS k vstupu RX. Chcete-li konfigurovat modul, musíte připojit jeho vstup RX k výstupu řídicího zařízení TX. Mikrokontrolér obvykle analyzuje data NMEA. Analýza nabídky se provádí jednoduchým způsobempřidělování informací z ní. Například mikrokontrolér musí číst pouze výšku GPS. Místo toho, aby se zabýval celým textem, analyzuje návrh GPGGA a vybírá pouze výšku. Poté, co jsou vybrány potřebné informace, mohou být manipulovány k provedení dalších akcí. Platforma Arduino také může snadno analyzovat data NMEA pomocí knihovny Tiny GPS.

    Připojení k počítači

    Jednoduchým způsobem, jak přímo zobrazit údaje NMEA, je použít přijímač GPS pro laptop nebo počítač. Chcete-li vytvořit spojení, stačí připojit zařízení pro geolokaci a připojit výstup TX externího modulu k vstupu RX počítače. Je také možné připojit přijímač GPS k portu USB. V tomto případě může být krmen jak ze svého vlastního zdroje, tak prostřednictvím připojení k počítači. V prvním případě se uvolněná linka používá k detekci přítomnosti připojení USB přijímače GPS k hostiteli. Při připojení k počítači je napájení napájeno univerzální sériovou sběrnicí, takže není vyžadován žádný další zdroj. Navíc přijímač Bluetooth-GPS poskytuje bezdrátové připojení k počítači i kompatibilním zařízením stejného výrobce. To umožňuje rychlou výměnu obecných dat, například tras a trasových bodů. Po připojení je třeba program sériového terminálu otevřít nastavením přenosové rychlosti, která odpovídá rychlosti modulu GPS. Dokonce i když přijímač nevytvořil spojení se satelitem, objeví se na obrazovce proud návrhů NMEA.

    Nastavení přijímače

    Chcete-li konfigurovat přijímač GPS a GLONASS, je důležité znát typ čipsetu, který je na něm nainstalován. Sada čipů obsahuje výkonný procesor, který je zodpovědný za uživatelské rozhraní, všechny výpočty a analogové obvody antény. Chipset navíc umožňuje přijímat data pro nastavení parametrů, jako je obnovovací frekvence, přenosová rychlost, volba nabídky atd. Chcete-li odeslat příkaz k přijímači prostřednictvím sériového portu, budete potřebovat sadu příkazů nebo referenční příručku. Ale před ponořením do studie příkazů pro konkrétní modul je nutné zkontrolovat dostupnost softwaru, který velmi usnadňuje práci se zařízením a jeho konfigurací. Některé čipové sady umožňují používat alternativní protokoly jako binární SiRF, UBX nebo vlastní zprávy. Tyto protokoly obsahují podobné informace, ale výměna dat v binárním (místo ASCII) kódu pro rychlejší komunikaci. Při komunikaci s přijímačem GPS musí tým dokončit kontrolní součet. Ve většině případů musíte pro každý návrh provést příkaz XOR.

    Anténa

    Nejmenší modul GPS přijímá signály ze satelitů vzdálených ve vzdálenosti 19 tisíc kilometrů, které se nacházejí nejen nad hlavou, ale také kdekoli na obloze. Pro lepší výkon mezi anténou a satelity je nutná přímá viditelnost. Počasí, mraky, sněhové bouře by neměly mít vliv na signál, ale stromy, budovy, hory, střešní režie vytvářejí nežádoucí překážky a GPS přesnost to bude trpět.Bylo vyvinuto mnoho variant antén. Jednou z nejběžnějších je keramická patchová anténa. Je vybaven nízkým profilem, nízkými náklady a kompaktností, ale ve srovnání s jinými typy se zhoršuje. Chcete-li získat dobrý signál, musí být nasměrován nahoru na otevřenou oblohu, to znamená, když je zisk maximální. Některé moduly GPS používají šroubové antény. Oni zabírají více místa, ale jejich forma umožňuje získat nejlepší signál v jakékoli orientaci na úkor nižšího zisku. Některé moduly používají antény SMA. Umožňuje je namontovat na jiné místo, než je umístění samotného přijímače, což bude užitečné v případech, kdy hlavní systém nemá přístup na otevřenou oblohu (například uvnitř nebo v autě).

    Související publikace