Che cos'è il ricevitore GPS: descrizione e principio di funzionamento

Probabilmente tutti hanno usato i ricevitori GPS direttamente o indirettamente. Si trovano nella maggior parte degli smartphone, molte macchine nuove, usate per scopi commerciali in tutto il mondo. Questi piccoli dispositivi possono istantaneamente e completamente libero determinare la posizione esatta e il tempo quasi ovunque nel mondo. Tutto ciò che è necessario per questo è la presenza del ricevitore GPS stesso, e stanno diventando sempre meno costosi e più piccoli ogni giorno.

Tuttavia, questi moduli piccoli e poco costosi non dovrebbero essere dati per scontati. Per riuscire sempre e ovunque a determinare con precisione la posizione, sono passati decenni di sviluppo ingegneristico. Dalla fine degli anni '70, sono state lanciate dozzine di satelliti GPS, ognuno dei quali è dotato di un orologio atomico di precisione, e continuano a essere regolarmente lanciati nell'orbita terrestre. Inviano continuamente dati sulla Terra tramite canali RF dedicati. I ricevitori tascabili GPS sono dotati di minuscole antenne e processori che ricevono direttamente il segnale inviato dai satelliti e calcolano la posizione e il tempo al volo.

Come funziona il GPS?

Il raggruppamento orbitale e le stazioni terrestri sono utilizzati per determinare la posizione e il tempo quasi ovunque sulla Terra. A un'altitudine di oltre 19 mila km sopra la Terra, sono stati schierati costantemente almeno 24 satelliti attivi. Le loro posizioni sono calcolate in modo tale che esattamente la metà di esse sia sempre nel cielo sopra qualsiasi punto del pianeta. Lo scopo principale dei satelliti è trasferimento di informazioni a terra a frequenze comprese tra 1,1 e 1,5 GHz. Utilizzando questi dati e calcoli matematici, un ricevitore di terra o un modulo GPS può calcolare la sua posizione e l'ora corrente.

Nel 2010 è stato ripristinato il sistema di posizionamento globale alternativo GLONASS. Ha anche 24 satelliti e trasmissioni a 1,2-1,6 GHz.

canali

Il numero di canali con cui funziona il modulo GPS influisce sul tempo della prima correzione (TTFF). Poiché non è noto quali siano i satelliti in vista, maggiori sono le frequenze che puoi controllare immediatamente, più veloce sarà la correzione. Dopo aver stabilito una connessione o aver ricevuto una correzione, alcuni moduli disabilitano i canali aggiuntivi per risparmiare energia. Se l'utente non si preoccupa di aspettare un po 'di più, 12 o 14 canali sono sufficienti per un eccellente funzionamento del ricevitore.

trilateration

Questo è un metodo matematico utilizzato per calcolare una posizione con diversi punti di controllo. Affinché il ricevitore GPS calcoli la posizione e l'ora esatta, deve stabilire una comunicazione con almeno 4 satelliti. Per calcolare la distanza dell'oggetto dal metodo di triangolazione, sono necessari 2 punti. Ma nel caso del GPS, è necessario determinare 4 valori: latitudine, longitudine, altitudine e tempo.

Determinazione della posizione e del tempo

I dati trasmessi sulla Terra da ciascun satellite contengono diverse informazioni che consentono al ricevitore GPS di calcolare con precisione la sua posizione e il tempo. Un'attrezzatura importante su ognuna di esse è estremamente precisa. orologi atomici. I dati temporali vengono inviati alla Terra insieme alla posizione orbitale e all'ora di arrivo in diversi punti dell'orbita. In altre parole, il modulo GPS riceve un timestamp da tutti i satelliti visibili, nonché informazioni sulla loro posizione. Da questi dati è possibile calcolare la distanza da ciascuno di essi. Se l'antenna vede almeno 4 satelliti, allora puoi calcolare accuratamente la posizione del ricevitore.

C'è anche una parte del sistema di posizionamento globale. Oltre agli elementi di cui sopra, ci sono stazioni di terra che possono comunicare con la rete satellitare e alcuni ricevitori GPS. Un tale sistema è chiamato segmento di controllo e migliora la precisione della misurazione. I suoi esempi sono WAAS e DGPS. Il primo è utilizzato dalla maggior parte dei ricevitori e riduce l'errore a 5 m. Il secondo richiede un ricevitore di un certo tipo e fornisce un errore centimetrico. I dispositivi di questo tipo sono costosi e tendono ad essere più grandi perché richiedono un'antenna aggiuntiva.

Precisione Aggiungi al carrello

L'accuratezza della misurazione di un ricevitore GPS o GLONASS dipende da un numero di variabili, principalmente sul rapporto segnale / rumore, posizione satellitare, condizioni meteorologiche e presenza di ostacoli come edifici e montagne. Questi fattori possono creare errori nel calcolo della posizione dell'utente. Generalmente il rumore crea un errore compreso tra 1 e 10 m. Montagne, edifici e altri oggetti che possono interferire con il segnale proveniente dal satellite, possono causare un errore di 3 volte superiore. Per il normale funzionamento, il ricevitore GPS deve essere in grado di ricevere un segnale da 4 satelliti. La comunicazione con il primo di essi consente di ottenere dati sull'almanacco e, quindi, la disponibilità del resto. Sebbene sia possibile localizzare con meno di 4 satelliti, l'errore di misurazione può essere piuttosto ampio. La determinazione della posizione più accurata avviene quando c'è una vista aperta del cielo sereno, libera da ostacoli, con più di 4 satelliti in testa. Per combattere questi errori creati diversi strumenti.

Gps assistito

Uno di questi sistemi di supporto è Assisted GPS o AGPS. Questo metodo utilizza reti wireless (terrestri) per trasmettere un segnale satellitare quando è debole o impossibile da ricevere. AGPS aiuta in due cose. In primo luogo, fornisce al destinatario i dati dell'almanacco e l'ora esatta. In secondo luogo, utilizza una maggiore potenza di calcolo e un buon segnale satellitare basato sulla terra per interpretare le informazioni frammentate risultanti per fornire una determinazione della posizione più affidabile. L'AGPS viene principalmente effettuato da ricevitori GPS esterni installati su torri cellulari. La comunicazione con loro consente di sintonizzarsi rapidamente sul satellite e ottenere informazioni più accurate. Questo metodo è utilizzato nei ricevitori GPS per "Android" nei telefoni cellulari. Ecco perché gli smartphone sono spesso prodotti più specifici. AGPS è presente nelle fotocamere, rilevando i ricevitori GPS e alcune macchine. Il suo utilizzo è molto vantaggioso nelle città in cui il segnale nel labirinto di edifici è talvolta piuttosto difficile da ricevere.

GPS differenziale

Un altro metodo è il sistema di geolocalizzazione differenziale DGPS. Questo sistema di posizionamento utilizza anche stazioni terrestri. Tuttavia, differisce dal fatto che trova la differenza tra le letture del satellite e del ricevitore. Le stazioni possono essere posizionate a una distanza massima di 370 km dal ricevitore, ed è importante notare che con l'aumentare della distanza da esse, la precisione della misurazione si deteriora. Il DGPS viene eseguito da una stazione di terra che trasmette un segnale che determina l'errore tra la pseudorange effettiva e misurata. Questo valore viene calcolato moltiplicando la velocità della luce per il tempo che impiega il segnale dal satellite al ricevitore.

Un esempio di un tipo di DGPS è il sistema a largo raggio WAAS. È stato originariamente progettato per assistere i ricevitori GPS dell'aeromobile. WAAS utilizza un sistema di stazioni terrestri appositamente costruite. Esiste una serie di standard di precisione che le misurazioni devono soddisfare. Nelle direzioni orizzontale e verticale nel 95% dei casi, il loro errore non deve superare i 7,6 m Le stazioni di terra inviano le loro misurazioni alle stazioni di testa, che inviano correzioni ai satelliti WAAS ogni 5 secondi o più. Dal satellite, il segnale viene trasmesso ai ricevitori sulla Terra, dove i dati corretti vengono utilizzati per migliorare la precisione del GPS. In alcuni punti, WAAS può fornire un errore fino a 1 m in orizzontale e 1,5 m in verticale. Sebbene WAAS sia presente solo in Nord America, sistemi simili esistono in molte altre parti del mondo.

Formati dei messaggi

I dati GPS vengono visualizzati in vari formati tramite un'interfaccia seriale. Esistono formati di messaggio standard e non standard (proprietari). Quasi tutti i ricevitori GPS emettono dati NMEA. Questo è uno standard per la formattazione delle informazioni sotto forma di stringhe, chiamate frasi. Ognuno contiene dati diversi separati da virgole. In totale ci sono 19 tipi di tali proposte. Ecco un esempio della stringa NMEA ricevuta dal ricevitore che ha stabilito la comunicazione con il satellite:

$ GPGGA, 235317.000,4003.9039, N, 10512.5793, W, 1,08,1,6,1577,9, M, -20,7, M ,, 0000 * 5F.

L'offerta contiene le seguenti informazioni:

• GMT: 23:53:17;
• latitudine: nord, 40,039039 °;
• longitudine: western, 10.5125793 °;
• numero di satelliti: 08;
• altezza: 1577 m.

I dati sono separati da virgole per facilitare la lettura e l'analisi di computer e microcontrollori. Vengono inviati alla porta seriale ad intervalli chiamati tassi di aggiornamento. La maggior parte dei ricevitori aggiorna queste informazioni una volta al secondo (ad esempio a 1 Hz), ma i migliori ricevitori GPS sono in grado di eseguire più aggiornamenti al secondo. Per i modelli moderni, questo valore è 5-20 Hz.

Lettura dei dati

La maggior parte dei moduli GPS sono dotati di una porta seriale che consente di collegarli a un microcontrollore o computer.

Dopo l'accensione del dispositivo, i dati NMEA (o i messaggi in un altro formato) vengono inviati dal connettore di trasmissione seriale (TX) a una determinata velocità di trasmissione e frequenza di aggiornamento, anche se non vi è alcuna ricezione dal satellite. Affinché il microcontrollore possa leggere le informazioni, è necessario collegare il pin TX TX all'ingresso RX. Per configurare un modulo, è necessario collegare il suo ingresso RX all'uscita TX del dispositivo di controllo.

Il microcontrollore di solito analizza i dati NMEA. L'analisi della proposta viene fatta semplicemente estraendo da essa un'informazione.

Ad esempio, il microcontrollore deve solo leggere l'altitudine GPS. Invece di occuparsi di tutto il testo, analizza la frase GPGGA e seleziona solo l'altezza. Una volta che le informazioni necessarie sono state selezionate, possono essere manipolate per eseguire altre azioni.

La piattaforma Arduino può anche facilmente analizzare i dati NMEA usando la libreria Tiny GPS.

Connetti al computer

Un modo semplice per visualizzare direttamente i dati NMEA è utilizzare un ricevitore GPS per laptop o computer. Per creare una connessione, è necessario solo alimentare il dispositivo di geolocalizzazione e collegare il pin TX del modulo esterno all'ingresso RX del computer.

È anche possibile collegare un ricevitore GPS a una porta USB. Allo stesso tempo, può essere alimentato sia dalla propria fonte, sia attraverso una connessione a un PC. Nel primo caso, la linea rilasciata viene utilizzata per rilevare la connessione del ricevitore USB-GPS all'host. Se connesso a un computer, l'alimentazione viene fornita tramite un bus seriale universale, quindi non è necessaria alcuna fonte aggiuntiva.

Inoltre, il ricevitore GPS Bluetooth fornisce comunicazioni wireless sia con PC che con dispositivi compatibili dello stesso produttore. Ciò consente il rapido scambio di dati comuni, come rotte e waypoint.

Dopo il collegamento, è necessario aprire il programma del terminale seriale impostando la velocità di trasferimento uguale alla velocità del modulo GPS. Anche se il ricevitore non ha stabilito la comunicazione con il satellite, sullo schermo apparirà un flusso di frasi NMEA.

Impostazione del ricevitore

Per configurare il ricevitore GPS e GLONASS, è importante conoscere il tipo di chipset installato al suo interno. Il chipset contiene un potente processore che è responsabile dell'interfaccia utente, di tutti i calcoli e dei circuiti di antenna analogici. Inoltre, il chipset consente di ricevere dati per configurare parametri quali velocità di aggiornamento, velocità di trasferimento, selezione dell'offerta, ecc.

Per inviare comandi al ricevitore tramite la porta seriale, è necessario un set di comandi o un manuale di riferimento. Ma prima di approfondire lo studio dei comandi per un modulo specifico, è necessario verificare la disponibilità del software, il che facilita enormemente il lavoro con il dispositivo e la sua configurazione.

Alcuni chipset consentono l'uso di protocolli alternativi, come SiRF binario, UBX o propri messaggi. Questi protocolli contengono informazioni simili, ma scambiano dati sotto forma di codice binario (invece di ASCII) per comunicazioni più veloci.

Quando si comunica con un ricevitore GPS, i comandi devono terminare con un checksum. Nella maggior parte dei casi, per questo, per ogni frase è necessario eseguire il comando XOR.

antenna

Un piccolo modulo GPS riceve i segnali dai satelliti che si trovano a una distanza di 19 mila km, che si trovano non solo sopra la testa, ma anche in qualsiasi parte del cielo. Per prestazioni migliori tra l'antenna e i satelliti, hai bisogno di visibilità diretta. Meteo, nuvole, bufere di neve non dovrebbero influenzare il segnale, ma alberi, edifici, montagne, un tetto in testa creeranno interferenze indesiderate e la precisione del GPS ne risentirà.

Sviluppato molte opzioni per le antenne. Uno dei più comuni è un'antenna patch ceramico. Ha un basso profilo, basso costo e compattezza, ma, rispetto ad altri tipi, ci vuole peggio. Per ottenere un buon segnale, deve essere diretto verso l'alto a cielo aperto, cioè quando il guadagno è massimo.

Le antenne a vite sono usate in alcuni moduli GPS. Occupano più spazio, ma la loro forma consente di ottenere un segnale migliore in qualsiasi orientamento a causa di un guadagno inferiore.

Alcuni moduli usano antenne SMA. Ciò consente di montarli in luoghi diversi dalla posizione del ricevitore stesso, utile nei casi in cui il sistema principale non ha accesso al cielo aperto (ad esempio, in un edificio o in un'auto).