Pravdepodobne každý priamo alebo nepriamo používa GPS prijímače. Nachádzajú sa vo väčšine smartphonov, veľa nových automobilov, ktoré sa používajú na komerčné účely na celom svete. Tieto drobné zariadenia dokážu okamžite a úplne určiť presnú polohu a čas takmer kdekoľvek na planéte. Všetko, čo sa vyžaduje, je prítomnosť samotného prijímača GPS a každý deň sa stáva lacnejším a menším. Nemali by ste však tieto malé a lacné moduly považovať za potrebné. Počas desaťročí vývoja inžinierskych technológií je vždy možné presne lokalizovať kdekoľvek. Od konca 70. rokov boli spustené desiatky satelitov GPS, z ktorých každý bol vybavený presnými atómovými hodinami a pravidelne smerovali k obežnej dráhe blízkej Zeme. Neustále posielajú údaje na zem na poskytovaných rádiových frekvenčných kanáloch. Pocket GPS prijímače sú vybavené malými anténami a procesormi, ktoré priamo prijímajú signály vysielané satelitmi a za chodu vypočítavajú polohu a čas.

Ako funguje systém GPS?

Na určenie polohy a času sa takmer kdekoľvek na Zemi používajú orbitálna skupina a pozemné stanice. Najmenej 24 satelitov sa neustále rozmiestňuje v nadmorskej výške nad 19 000 km nad zemou. Ich pozície sú navrhnuté tak, že na oblohe nad akýmkoľvek bodom planéty vždy bola presne polovica z nich. Hlavným účelom satelitov je prenos informácií na Zemi na frekvenciách v rozmedzí 11-15GHz. Pomocou týchto údajov a matematických výpočtov môže terestriálny prijímač alebo modul GPS počítať jeho polohu a aktuálny čas. V roku 2010 bol obnovený alternatívny globálny systém určovania polohy pre spoločnosť GLONASS. Má tiež 24 satelitov a vysiela na frekvenciách 12-16 GHz.

Kanály

Počet kanálov, na ktorých funguje modul GPS, ovplyvňuje čas prvej opravy (TTFF). Keďže nie je známe, ktoré satelity sú v zornom poli, čím viac frekvencií je možné okamžite overiť, tým rýchlejšia bude korekcia. Po vytvorení spojenia alebo prijímaní opravy niektoré moduly odpojí ďalšie kanály na úsporu energie. Ak sa používateľovi nevadí čakať o niečo dlhšie, 12 alebo 14 kanálov stačí na vynikajúcu prácu prijímača.

Trilateration

Toto je matematická metóda používaná na výpočet pozície s niekoľkými kontrolnými bodmi. Aby prijímač GPS vypočítal presnú polohu a čas, musí vytvoriť spojenie s najmenej štyrmi družicami. Na výpočet vzdialenosti objektu pomocou metódy triangulácie sú potrebné dva body. V prípade GPS je však potrebné určiť hodnotu 4 - zemepisnú šírku, zemepisnú dĺžku, výšku a čas.

Definícia polohy a času

Údaje prenášané na Zemi z každého satelitu obsahujú niekoľko rôznych informácií, ktoré umožňujú prijímaču GPS presne určiť jeho polohu a čas. Dôležitým prvkom zariadenia na každom z nich je veľmi presné atómové hodiny. Časové údaje sa posielajú na Zem spolu s orbitálnou pozíciou aniekedy prichádzajúci na rôzne miesta na obežnej dráhe. Inými slovami, GPS modul prijíma časová pečiatka všetkých viditeľných satelitov, rovnako ako informácie o ich umiestnení. Z týchto údajov môžete vypočítať vzdialenosť pre každú z nich. V prípade, že anténa vidí najmenej 4 satelity, je možné presne výpočet polohy prijímača. Stále existuje stránka globálneho systému určovania polohy. Spolu s uvedenými prvkami existujú pozemné stanice, ktoré môžu komunikovať so satelitnou sieťou a samostatnými prijímačmi GPS. Takýto systém sa nazýva riadiaci segment a zvyšuje presnosť meraní. Jej príklady sú WAAS a DGPS. Prvý používa väčšina prijímačov a znižuje chybu 5 m. Druhý vyžaduje určitý typ prijímača a poskytuje chyba centimeter. Zariadenia tohto typu sú drahé a majú tendenciu byť väčšie, pretože vyžadujú ďalšiu anténu.

presnosť určovania zemepisnej polohy

Presné meranie GPS alebo GLONASS, závisí od mnohých faktorov, najmä na pomere signál /šum, pozície satelitu, poveternostných podmienok a prítomnosť prekážok, ako sú budovy a hôr. Tieto faktory môžu spôsobiť chyby vo výpočte polohy používateľa. Šum sa obvykle generuje chybu od 1 do 10 m. Hory, budovy a iné predmety, ktoré môžu zabrániť priechodu signálov zo satelitov, môže spôsobiť 3 krát väčší chybu. Pri normálnej prevádzke musí prijímač GPS prijímať signál zo 4 satelitov. Ako prvý, kto vám umožní almanach dát a tým aj dostupnosť ostatných. hocimôžete určiť polohu a s menej ako 4 satelitmi, chyba merania môže byť dosť veľká. Presné polohovanie je práve vtedy, keď je otvorený prieskum jasných oblúkov, bez prekážok, c viac ako 4 satelity nad hlavou. Na boj s týmito chybami sa vytvorilo niekoľko pomôcok.

Asistované GPS

Jedným z týchto pomocných systémov je asistovaný GPS a AGPS. Táto metóda používa bezdrôtové (terestriálne) siete na retransmisiu satelitného signálu, keď je slabá alebo nemôže byť prijatá. AGPS pomáha v dvoch veciach. Najprv poskytuje príjemcovi almanachové dáta a presný čas. A po druhé, využíva vyššiu výpočtovú silu a dobrý pozemný satelitný signál na interpretáciu výsledných fragmentárnych informácií s cieľom poskytnúť spoľahlivejšie určenie polohy. AGPS je vyrábaný predovšetkým externými prijímačmi GPS inštalovanými na bunkovej veži. Pripojenie k nim vám umožňuje rýchlejšie naladiť satelit, ako aj získať presnejšie informácie. Táto metóda používajú prijímače GPS pre Android a mobilné telefóny. To je dôvod, prečo sú smartphony často špecifickejšími produktmi. AGPS je prítomná v kamierach, geodetických prijímačoch GPS a niektorých autách. Jeho využitie je najvýhodnejšie v mestách, kde je signál v labyrinte budov občas veľmi ťažko prijateľný.

Diferenciálna GPS

Ďalšou metódou je geostacionárny diferenciálny systém DGPS. Tento systém určovania polohy je tiež k dispozíciipoužíva pozemné stanice. Rozlišuje sa však v tom, že nájde rozdiel medzi čítaním satelitu a prijímača. Stanice môžu byť umiestnené vo vzdialenosti až 370 km od prijímača a je dôležité poznamenať, že vzdialenosť od nich sa zhoršuje presnosť meraní. DGPS sa vykonáva pozemnou stanicou vysielajúcou signál, ktorý určuje chybu medzi skutočnými a nameranými pseudo-dátami. Táto hodnota sa vypočíta vynásobením rýchlosti svetla v čase, keď satelitný signál prechádza do prijímača. Príkladom jedného z typov DGPS je rozsiahly systém WAAS. Bol pôvodne navrhnutý tak, aby podporoval antény GPS prijímačov. Systém WAAS používa systém špeciálne postavených pozemných staníc. Poskytuje sa súbor noriem pre presnosť, ktoré musia spĺňať merania. Vo vodorovnom a zvislom smere by v 95% prípadov ich chyba nemala prekročiť 76 m. Pozemné stanice odosielajú svoje merania hlavným staniciam, ktoré vysielajú korekcie na satelity WAAS každých 5 sekúnd alebo viac. Zo satelitu sa signál prenáša naspäť na prijímač na Zemi, kde sa korigované dáta používajú na zvýšenie presnosti GPS. V niektorých miestach môže WAAS poskytnúť chybu až do 1 m horizontálne a 15 m vertikálne. Hoci WAAS je prítomný len v Severnej Amerike, podobné systémy existujú v mnohých iných častiach sveta.

Formáty správ

Dáta GPS sa zobrazujú v rôznych formátoch prostredníctvom sériového rozhrania. Existujú štandardné a neštandardné (vlastné) formáty správ. Takmer všetky prijímače GPSvýstup NMEA údajov. Toto je štandard pre formátovanie informácií vo forme reťazcov nazývaných vety. Každá z nich obsahuje rôzne údaje oddelené čiarkami. Celkovo existuje 19 druhov takýchto ponúk. Tu je príklad NMEA-struny prijaté od prijímača, nadviazal kontakt s družicou: $ GPGGA, 23531700040039039N, 105125793W, 1081615779M, -20.7M ,, 0000 * 5F. Veta obsahuje nasledujúce informácie:

Greenwich čas: 23:53:17;

zemepisná šírka: severná, 40039039 °;

zemepisná dĺžka: západná, 105125793 °;

počet satelitov: 08;

Výška: 1577 m.

Údaje sú oddelené čiarkami na zjednodušenie čítania a analýzy počítačmi a mikrokontrolérmi. Odošlú sa na sériový port v intervale nazvanom rýchlosť aktualizácie. Väčšina prijímačov aktualizuje túto informáciu raz za sekundu (t. J. 1 Hz), ale najlepšie prijímače GPS dokážu vykonať niekoľko aktualizácií za sekundu. Pre moderné modely je táto hodnota 5-20 Hz.

Čítanie údajov

Väčšina modulov má sériový port GPS, ktorý umožňuje pripojenie k mikrokontroléru alebo počítaču. Po zapnutí dátového zariadenia NMEA (alebo iný formát správy) je odoslaný zo sériového vysielacieho terminálu (TX) pri určitej prenosovej rýchlosti a rýchlosti inovácie, a to aj pri absencii príjmu z družice. Aby mikrokontrolér mohol čítať informácie, musíte pripojiť výstup TX GPS k vstupu RX. Na konfiguráciu modulu musíte pripojiť RX vstup na výstup TX riadiaceho zariadenia. Mikrokontrolér zvyčajne analyzuje údaje NMEA. Analýza ponuky sa uskutočňuje jednoduchou analýzouinformácie. Napríklad mikrokontrolér potrebuje načítať iba výšku GPS. Namiesto riešenia celého textu analyzuje návrh GPGGA a vyberá len výšku. Po výbere potrebných informácií sa môže manipulovať s ďalšími akciami. Platforma Arduino môže tiež ľahko analyzovať údaje NMEA pomocou knižnice Tiny GPS.

Pripojenie k počítaču

Jednoduchým spôsobom, ako priamo zobraziť údaje NMEA, je použiť prijímač GPS pre prenosný počítač alebo počítač. Ak chcete vytvoriť spojenie, stačí pripojiť zariadenie na geolokáciu a pripojiť výstup TX externého modulu k vstupu RX počítača. Je tiež možné pripojiť prijímač GPS k portu USB. V tomto prípade môže byť kŕmené ako zo svojho vlastného zdroja, tak prostredníctvom pripojenia k počítaču. V prvom prípade sa uvoľnená linka používa na detekciu prítomnosti pripojenia prijímača USB-GPS k hostiteľovi. Pri pripojení k počítaču je napájanie napájané univerzálnou sériovou zbernicou, takže nie je potrebný žiadny ďalší zdroj. Okrem toho prijímač GPS Bluetooth poskytuje bezdrôtové pripojenie k počítaču a kompatibilným zariadeniam toho istého výrobcu. To umožňuje rýchlu výmenu všeobecných údajov, ako sú trasy a trasové body. Po pripojení musíte otvoriť program sériového terminálu nastavením rýchlosti prenosu, ktorá sa rovná rýchlosti modulu GPS. Aj keď prijímač nevytvoril spojenie so satelitom, na obrazovke sa objaví prúd návrhov NMEA.

Nastavenie prijímača

Ak chcete nakonfigurovať GPS a GLONASS Typ čipsetu je dôležité vedieť, že je nainštalovaný. Čipová sada obsahuje výkonný procesor, ktorý je zodpovedný za užívateľské rozhranie, všetky výpočty a analógových obvodov antény. Okrem toho je chipset je schopný prijímať dáta upraviť parametre, ako je obnovovacia frekvencia, rýchlosť, výber ponúk, a tak ďalej. D. Ak chcete poslať príkaz k prijímaču cez sériový port, budete potrebovať sadu príkazov alebo manuálu. Ale skôr, než sa ponoríme do študijných skupín pre konkrétne moduly potrebné pre kontrolu softvér, ktorý uľahčuje prácu s prístrojom a jeho nastavenia. Niektoré čipovej sady umožňujú použitie alternatívnych protokolov, ako sú binárne SiRF, UBX alebo svoju vlastnú zvukovú správu. Tieto správy obsahujú rovnaké informácie, ale komunikovať v binárnom kóde (skôr než ASCII) pre rýchlejšiu komunikáciu. Pri komunikácii s prijímačom GPS musí tím dokončiť kontrolný súčet. Vo väčšine prípadov je pre každý návrh potrebné vykonať príkaz XOR.

Anténa

Najmenší GPS modul prijíma satelitný signál, diaľkové vo vzdialenosti 19-tisíc kilometrov., Ktoré sú umiestnené nielen na hlave, ale aj kdekoľvek na oblohe. Pre lepší výkon medzi anténou a satelitmi je potrebná priama viditeľnosť. Počasím, zamračené, snehové búrky by nemala mať vplyv na signál, ale stromy, budovy, hory, prístrešok vznikne nechcený šum a presnosť GPS z toho trpí.Boli vyvinuté mnohé varianty antén. Jednou z najbežnejších je keramická anténa. Má nízky profil, nízke náklady a kompaktnosť, ale v porovnaní s inými typmi sa zhoršuje. Ak chcete získať dobrý signál, musí byť nasmerovaný do otvoreného neba, to znamená, keď je maximálny zisk. Niektoré moduly GPS používajú skrutkové antény. Zaberajú viac priestoru, ale ich forma vám umožňuje získať najlepší signál v akejkoľvek orientácii na úkor nižšieho zisku. Niektoré moduly používajú antény SMA. Umožňuje ich pripojenie na iné miesta, ako je umiestnenie samotného prijímača, čo bude užitočné v prípadoch, keď hlavný systém nemá prístup na otvorené nebo (napríklad do interiéru alebo do automobilov).