Вероятно всички директно или индиректно използват GPS-приемници. Те се намират в повечето смартфони, много нови автомобили, използвани за търговски цели по целия свят. Тези малки устройства могат незабавно и напълно да определят точното местоположение и времето на почти навсякъде по света. Всичко, което се изисква, е наличието на самия GPS приемник и те стават по-евтини и по-малки всеки ден. Въпреки това не трябва да приемате тези малки и евтини модули като дължими. В продължение на десетилетия инженерно развитие, винаги да можете да намирате точно където и да се намирате. От края на 70-те години бяха пуснати десетки GPS сателити, всяка от които оборудвана с прецизни атомни часовници и те продължават да се насочват редовно към близостта на Земята. Те непрекъснато изпращат данни на Земята по предоставените радиочестотни канали. Джобните GPS приемници са оборудвани с миниатюрни антени и процесори, които директно получават сигнала, изпратен от сателити, и в движение изчисляват позицията и времето.

Как работи GPS?

За да се определи позицията и времето, почти навсякъде в Земята, се използват орбиталната група и наземните станции. Най-малко 24 сателита са постоянно разположени на надморска височина над 19 000 км над Земята. Техните позиции са проектирани по такъв начин, че в небето над всяка точка на планетата винаги е била точно половината от тях. Основната цел на сателитите е прехвърлянето на информация на Земята на честоти от порядъка на 11-15GHz. С тези данни и математически изчисления наземният приемник или GPS модулът могат да изчислят неговото местоположение и текущото време. През 2010 г. е възстановена алтернативна система за глобално позициониране за GLONASS. Той също така разполага с 24 спътника и излъчва на честоти 12-16 GHz.

Канали

Броят на каналите, по които работи GPS модулът, влияе върху времето на първото фиксиране (TTFF). Тъй като не е известно кои сателити са в зрителното поле, колкото повече честоти могат да бъдат проверени незабавно, толкова по-бързо ще бъде направена корекцията. След установяване на връзка или получаване на корекция, някои модули изключват допълнителни канали за икономия на енергия. Ако потребителят няма нищо против да чака малко по-дълго, 12 или 14 канала са достатъчни за отличната 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. Необходими са две точки, за да се изчисли разстоянието до обект, използвайки метода на триангулация. Но в случай на GPS е необходимо да се определи стойността на 4 - географска ширина, дължина, височина и време.

Определение на място и време

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. Важен елемент на оборудването на всеки от тях е изключително точният атомен часовник. Данните за времето се изпращат на Земята заедно с орбиталната позиция ипонякога пристигащи 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 един от тях. Ако антената вижда не по-малко от 4 спътника, тогава можете точно да изчислите позицията на приемника. Все още има страна на глобалната система за позициониране. Наред с изброените елементи има и наземни станции, които могат да взаимодействат със сателитната мрежа и отделни GPS приемници. Такава система се нарича контролен сегмент и увеличава точността на измерванията. Нейни примери са WAAS и DGPS. Първият се използва от повечето приемници и намалява грешката до 5 м. Втората изисква наличието на специфичен тип приемник и осигурява грешка от сантиметър. Устройствата от този тип са скъпи и са по-големи, защото изискват допълнителна антена.

Геополитическа точност

Грешката в измерването на приемника GPS или GLONASS зависи от редица променливи, предимно съотношението сигнал /шум, положението на сателита, метеорологичните условия и наличието на препятствия като сгради и планини. Тези фактори могат да създадат грешки при изчисляването на местоположението на потребителя. Шумът обикновено генерира грешка от 1 до 10 м. Планини, сгради и други обекти, които могат да попречат на преминаването 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. Свързването с първия ви позволява да получите информация за алманаха и следователно за достъпността на другите. въпреки чеможете да определите местоположението и с по-малко от 4 спътника, грешката при измерването може да бъде доста голяма. Точното позициониране е точно когато има открит преглед на ясно небе, без никакви препятствия, с повече от 4 спътника над главата. За борба с тези грешки са създадени няколко помощи.

Асистиран GPS

Една от тези спомагателни системи е Assisted GPS и AGPS. Този метод използва безжични (наземни) мрежи за препредаване на сателитен сигнал, когато е слаб или не може да бъде получен. AGPS помага в две неща. Първо, той предоставя на получателя данните за алманах и точното време. На второ място, той използва по-висока изчислителна мощност и добър наземен сателитен сигнал, за да интерпретира получената фрагментарна информация, за да осигури по-надеждно определяне на местоположението. AGPS се произвежда основно от външни GPS приемници, инсталирани на клетъчната кула. Свързването с тях ви позволява по-бързо да настроите сателита, както и да получите по-точна информация. Този метод се използва от GPS приемници за Android и мобилни телефони. Ето защо смартфоните често са по-специфични продукти. AGPS присъства в камери, геодезически GPS приемници и някои автомобили. Използването му е най-изгодно в градовете, където сигналът в лабиринта на сгради понякога е доста труден за приемане.

Диференциален GPS

Друг метод е геостационарната диференциална система DGPS. Тази система за определяне на местоположението също е достъпнаизползва 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 по отношение на разстоянията от тях точността на измерванията се влошава. DGPS се извършва от наземна станция, предаваща сигнал, който диктува грешката между действителните и измерените псевдо-данни. Тази стойност се изчислява чрез умножаване на скоростта на светлината до момента, в който спътниковият сигнал преминава към приемника. Пример за един от DGPS типовете е широкообхватната система на WAAS. Първоначално той е проектиран да помага на въздушни GPS приемници. WAAS използва система от специално изградени наземни станции. Предвиден е набор от стандарти за точност, които измерванията трябва да отговарят. В хоризонтална и вертикална посока, в 95% от случаите, тяхната грешка не трябва да надвишава 76 м. Наземните станции изпращат своите измервания до основните станции, които изпращат корекции на спътниците WAAS на всеки 5 секунди или повече. От сателита, сигналът се предава обратно на приемника на Земята, където коригираните данни се използват за увеличаване на точността на GPS. На някои места WAAS може да осигури грешка до 1 m хоризонтално и 15 m вертикално. Въпреки че WAAS присъства само в Северна Америка, подобни системи съществуват и в много други части на света.

Формати на съобщения

GPS данните се показват в различни формати чрез сериен интерфейс. Има стандартни и нестандартни (собствени) формати за съобщения. Почти всички GPS приемнициизвеждане на NMEA данни. Това е стандартът за форматиране на информацията под формата на низове, наречени изречения. Всяка от тях съдържа различни данни, разделени със запетаи. Общо има 19 вида такива оферти. Ето пример за NMEA низ, получен от приемника, който комуникира със сателита: $ GPGGA, 23531700040039039N, 105125793W, 1081615779M, -20.7M, 0000 * 5F. Изречението съдържа следната информация:

Време по Гринуич: 23:53:17;

ширина: север, 40039039 °;

дължина: западна, 105125793 °;

брой на спътниците: 08;

Височина: 1577 м.

Данните се разделят със запетаи, за да се опрости четенето и анализа от компютри и микроконтролери. Те се изпращат към серийния порт на интервал, наречен скорост на обновяване. Повечето приемници актуализират тази информация веднъж в секунда (т.е. 1 Hz), но най-добрите GPS приемници могат да извършват няколко актуализации в секунда. За съвременните модели тази стойност е 5-20 Hz.

Четене на данни

Повечето модули имат GPS сериен порт, който им позволява да бъдат свързани към микроконтролер или компютър. След като устройството е включено, NMEA данните (или съобщенията в различен формат) се изпращат от сериен предавател (TX) с определена скорост на предаване и скорост на актуализацията, дори при липса на сателитно приемане. За да може микроконтролерът да прочете информацията, трябва да свържете изхода TX GPS към входа RX. За да конфигурирате модула, трябва да свържете неговия RX вход към изхода на TX контролното устройство. Микроконтролерът обикновено анализира NMEA данните. Анализът на офертата се извършва с простразпределяне на информация от него. Например, един микроконтролер трябва да чете само височината на GPS. Вместо да се занимава с целия текст, той анализира предложението на GPGGA и избира само височината. След като се избере 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.

Свързване към компютър

Един лесен начин за директно преглеждане на NMEA данни е използването на GPS приемник за лаптоп или компютър. За да създадете връзка, трябва само да свържете устройството за геолокация и да свържете изхода TX на външния модул към входа на компютъра. Също така е възможно да свържете GPS приемника към USB порта. В този случай той може да бъде захранван както от собствения си източник, така и от връзка към компютъра. В първия случай освободената линия се използва за откриване на присъствието на връзка с USB-GPS приемник към хоста. Когато е свързан към компютър, захранването се подава чрез универсална серийна шина, така че не се изисква допълнителен източник. В допълнение, Bluetooth-GPS приемникът осигурява безжична връзка както към компютъра, така и към съвместимите устройства на същия производител. Това позволява бърз обмен на общи данни, като маршрути и пътни точки. След свързване, трябва да отворите серийната терминална програма, като настроите скоростта 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 предложения.

Настройка на приемника

За да конфигурирате GPS приемника и GLONASS е важно да знаете вида на чипсет, който е инсталиран на него. Набор от чипове съдържа мощен процесор, който отговаря за потребителския интерфейс, всички изчисления, както и аналогови антена. В допълнение, чипсетът ви позволява да приемате данни за настройка на параметри, като честота на опресняване, скорост на предаване, избор на оферта и т.н. Но преди да се потопите в изучаването на команди за даден модул, е необходимо да проверите наличието на софтуер, който значително улеснява работата с устройството и неговата конфигурация. Някои чипсети ви позволяват да използвате алтернативни протоколи като двоични SiRF, UBX или персонализирани съобщения. Тези протоколи съдържат подобна информация, но обменят данни в двоичен (вместо с ASCII) код за по-бърза комуникация. Когато комуникирате с GPS приемник, екипът трябва да завърши контролната сума. В повечето случаи, за всяко предложение, трябва да изпълните командата XOR.

Антена

Най-малкият GPS модул получава сигнали от спътници, разположени на разстояние от 19 хиляди километра, които са разположени не само над главата, но и навсякъде в небето. За по-добра работа между антената и спътниците е необходима директна видимост. Времето, облаците, снежните бури не трябва да засягат сигнала, но дървета, сгради, планини, покриви над главата ще създадат нежелани препятствия, а GPS точността ще пострада от това.Разработени са много варианти на антени. Една от най-често срещаните е керамичната антена. Той се отличава с нисък профил, ниска цена и компактност, но в сравнение с други видове се влошава. За да получите добър сигнал, той трябва да бъде насочен нагоре към открито небе, т.е. когато печалбата е максимална. Някои GPS модули използват винтови антени. Те заемат повече място, но формата им ви позволява да получите най-добрия сигнал във всяка ориентация за сметка на по-ниска печалба. Някои модули използват SMA антени. Това прави възможно монтирането им на места, различни от местоположението на самия приемник, което ще бъде полезно в случаите, когато основната система няма достъп до открито небе (например, на закрито или на коли).