Меню

Из чего состоит gps оборудование



Что такое GPS-приемник: описание и принцип работы

Вероятно, каждый прямо или косвенно пользовался GPS-приемниками. Они встречаются в большинстве смартфонов, многих новых автомобилях, применяются в коммерческих целях по всему миру. Эти крошечные устройства могут мгновенно и совершенно бесплатно определить точное местоположение и время почти в любой точке планеты. Все, что для этого нужно, – наличие самого GPS-приемника, а они с каждым днем становятся дешевле и меньше.

Однако не следует принимать эти небольшие и недорогие модули как должное. На то, чтобы всегда и везде иметь возможность точно определить местоположение, ушли десятилетия инженерных разработок. С конца 70-х запускались десятки GPS-спутников, каждый из которых оборудован прецизионными атомными часами, и они продолжают регулярно выводиться на околоземную орбиту. Они непрерывно посылают данные на Землю по выделенным радиочастотным каналам. Карманные GPS-приемники оборудованы крошечными антеннами и процессорами, которые непосредственно принимают сигнал, отправленный спутниками, и на лету вычисляют положение и время.

Как работает GPS?

Для определения положения и времени почти в любом месте Земли используется орбитальная группировка и наземные станции. На высоте более 19 тыс. км над Землей постоянно развернуто по меньшей мере 24 активных спутника. Их позиции рассчитаны таким образом, чтобы в небе над любой точкой планеты всегда находилась ровно половина из них. Основной целью спутников является передача информации на Землю на частотах в диапазоне 1,1–1,5 ГГц. С помощью этих данных и математических расчетов наземный приемник или модуль GPS могут вычислять свое местоположение и текущее время.

В 2010 г. была восстановлена альтернативная система глобального позиционирования ГЛОНАСС. Она также насчитывает 24 спутника и вещает на частотах 1,2–1,6 ГГц.

Система геопозиционирования

Каналы

Число каналов, с которыми работает GPS-модуль, влияет на время первого исправления (TTFF). Поскольку неизвестно, какие спутники находятся в поле зрения, чем больше частот можно проверить сразу, тем быстрее будет произведена коррекция. После установления связи или получения исправления некоторые модули отключают дополнительные каналы для экономии энергии. Если пользователь не против того, чтобы немного дольше подождать, 12 или 14 каналов достаточно для отличной работы приемника.

Трилатерация

Это математический метод, используемый для вычисления позиции с несколькими контрольными точками. Чтобы GPS-приемник мог вычислить точное положение и время, он должен установить связь по крайней мере с 4 спутниками. Для вычисления расстояния до объекта методом триангуляции нужны 2 точки. Но в случае GPS нужно определить 4 значения – широту, долготу, высоту и время.

Определение местоположения и времени

Данные, передаваемые на Землю с каждого спутника, содержат несколько разных фрагментов информации, которые позволяют GPS-приемнику точно рассчитать свое местоположение и время. Важным элементом оборудования на каждом из них являются чрезвычайно точные атомные часы. Данные о времени посылаются на Землю вместе с орбитальным положением и временем прибытия в разные точки орбиты. Другими словами, GPS-модуль получает временную метку от всех видимых спутников, а также информацию об их местонахождении. Из этих данных можно вычислить расстояние до каждого из них. Если антенна видит не менее 4 спутников, то можно точно рассчитать положение приемника.

Есть еще сторона глобальной системы позиционирования. Наряду с вышеперечисленными элементами существуют наземные станции, которые могут взаимодействовать со спутниковой сетью и некоторыми приемниками GPS. Такая система называется сегментом управления и повышает точность измерений. Ее примерами являются WAAS и DGPS. Первая используется большинством приемников и снижает ошибку до 5 м. Вторая требует наличия ресивера определенного типа и обеспечивает сантиметровую погрешность. Устройства данного типа дорогие и имеют тенденцию быть более крупными, поскольку требуют дополнительной антенны.

Наручный GPS-приемник

Точность геопозиционирования

Погрешность измерений приемника GPS или GLONASS зависит от ряда переменных, в первую очередь от отношения сигнал/шум, положения спутника, погодных условий и наличия препятствий, таких как здания и горы. Эти факторы могут создавать ошибки расчета местоположения пользователя. Шум обычно создает ошибку от 1 до 10 м. Горы, здания и другие предметы, которые могут препятствовать прохождению сигнала от спутника, могут вызывать в 3 раза большую ошибку. Для нормальной работы GPS-приемник должен иметь возможность принимать сигнал от 4 спутников. Связь с первым из них позволяет получить данные об альманахе и, следовательно, доступности остальных. Хотя и можно определить местонахождение и с меньшим, чем 4, числом спутников, погрешность измерений может быть довольно большой. Самое точное определение местоположения происходит, когда есть открытый обзор ясного неба, свободный от любых препятствий, c более чем 4 спутниками над головой. Для борьбы с этими ошибками создано несколько вспомогательных средств.

Assisted GPS

Одной из таких вспомогательных систем является Assisted GPS или AGPS. Этот метод использует беспроводные (наземные) сети для ретрансляции сигнала спутника, когда он слаб или его невозможно принять. AGPS помогает в двух вещах. Во-первых, предоставляет получателю данные альманаха и точное время. И во-вторых, использует более высокую вычислительную мощность и хороший спутниковый сигнал наземной базы для интерпретации получаемой фрагментированной информации, чтобы обеспечить более достоверное определение местоположения. AGPS в основном осуществляется внешними GPS-приемниками, установленными на вышках сотовой связи. Связь с ними позволяет быстрее настроиться на спутник, а также получить более точную информацию. Этот метод используется в GPS-приемниках для «Андроида» в мобильных телефонах. Вот почему смартфоны часто бывают точнее специализированных продуктов. AGPS присутствует в камерах, геодезических GPS-приемниках и некоторых автомобилях. Его использование наиболее выгодно в городах, где сигнал в лабиринте зданий иногда довольно трудно принять.

Garmin GPSMap 62S

Дифференциальный GPS

Другим методом является дифференциальная система геопозиционирования DGPS. Данная система определения местоположения также использует наземные станции. Однако она отличается тем, что находит разницу между показаниями спутника и приемника. Станции могут находиться на расстоянии до 370 км от ресивера, и важно отметить, что по мере удаления от них точность измерений ухудшается. DGPS осуществляется наземной станцией, передающей сигнал, который диктует ошибку между фактической и измеренной псевдодальностью. Это значение рассчитывается путем умножения скорости света на время прохождения сигнала со спутника на приемник.

Примером одного из видов DGPS является система широкого радиуса действия WAAS. Первоначально она была разработана для помощи авиационным GPS-приемникам. В WAAS используется система специально построенных наземных станций. Предусмотрен набор стандартов точности, которым измерения должны отвечать. В горизонтальном и вертикальном направлениях в 95% случаев их погрешность не должна превышать 7,6 м. Наземные станции отправляют свои измерения на головные станции, которые посылают исправления на спутники WAAS каждые 5 секунд или чаще. Со спутника сигнал транслируется обратно на приемники на Земле, где скорректированные данные используются для повышения точности GPS. В некоторых местах WAAS может обеспечить погрешность до 1 м по горизонтали и 1,5 м по вертикали. Хотя WAAS присутствует только в Северной Америке, подобные системы существуют во многих других частях мира.

GPS-приемник GP-735

Форматы сообщений

Данные GPS отображаются в разных форматах через последовательный интерфейс. Существуют стандартные и нестандартные (проприетарные) форматы сообщений. Почти все GPS-приемники выводят данные NMEA. Это стандарт форматирования информации в виде строк, называемых предложениями. Каждое из них содержит различные данные, разделенные запятыми. Всего насчитывается 19 видов таких предложений. Вот пример NMEA-строки, полученной от приемника, установившего связь со спутником:

В предложении содержится следующая информация:

  • время по Гринвичу: 23:53:17;
  • широта: северная, 40,039039°;
  • долгота: западная, 10,5125793°;
  • количество спутников: 08;
  • высота: 1577 м.

Данные разделяются запятыми, чтобы упростить чтение и анализ компьютерами и микроконтроллерами. Они отправляются на последовательный порт с интервалом, называемым скоростью обновления. Большинство ресиверов обновляют эту информацию один раз в секунду (т. е. с частотой 1 Гц), но лучшие GPS-приемники способны выполнять несколько обновлений в секунду. Для современных моделей это значение равно 5–20 Гц.

Данные GPS-приемника

Чтение данных

Большинство модулей GPS оборудованы последовательным портом, который позволяет подключить их к микроконтроллеру или компьютеру.

После включения устройства данные NMEA (или сообщения в другом формате) отправляются из последовательного передающего разъема (TX) с определенной скоростью передачи и скоростью обновления, даже при отсутствии приема со спутника. Чтобы микроконтроллер считывал информацию, необходимо подключить вывод TX GPS ко входу RX. Чтобы настроить модуль, нужно подключить его вход RX к выходу TX устройства управления.

Микроконтроллер обычно анализирует данные NMEA. Разбор предложения производится путем простого выделения из него части информации.

Например, микроконтроллеру требуется прочитать только высоту GPS. Вместо того чтобы иметь дело со всем текстом, он анализирует предложение GPGGA и выбирает только высоту. Как только необходимая информация будет отобрана, ею можно манипулировать, чтобы выполнять другие действия.

Платформа Arduino также может легко анализировать данные NMEA с помощью библиотеки Tiny GPS.

Камера с GPS-приемником

Подключение к компьютеру

Простым способом непосредственного просмотра данных NMEA является использование GPS-приемника для ноутбука или компьютера. Для создания соединения необходимо лишь запитать устройство геопозиционирования и подключить вывод TX внешнего модуля ко входу RX компьютера.

Также возможно подключение GPS-приемника к USB-порту. При этом он может питаться как от собственного источника, так и через соединение с ПК. В первом случае освободившаяся линия используется для обнаружения наличия подключения USB-GPS-приемника к хосту. При соединении с компьютером питание поступает через универсальную последовательную шину, поэтому дополнительного источника не требуется.

Кроме того, Bluetooth-GPS-приемник обеспечивает беспроводную связь как с ПК, так и с совместимыми устройствами того же производителя. Это позволяет производить быстрый обмен общими данными, такими как маршруты и путевые точки.

После подключения необходимо открыть программу последовательного терминала, установив скорость передачи, равной скорости GPS-модуля. Даже если приемник не установил связь со спутником, на экране появится поток NMEA-предложений.

USB GPS-приемник

Настройка ресивера

Для настройки приемника GPS и ГЛОНАСС важно знать тип чипсета, который в нем установлен. Набор микросхем содержит мощный процессор, который отвечает за пользовательский интерфейс, все вычисления, а также аналоговые схемы антенны. Кроме того, чипсет позволяет принимать данные для настройки таких параметров, как скорость обновления, скорость передачи, выбор предложения и т. д.

Чтобы отправлять команды на приемник через последовательный порт, понадобится набор команд или справочное руководство. Но перед тем как погружаться в изучение команд для конкретного модуля, необходимо проверить наличие программного обеспечения, которое значительно облегчает работу с устройством и его настройку.

Некоторые чипсеты позволяют использовать альтернативные протоколы, такие как бинарный SiRF, UBX или собственные сообщения. Эти протоколы содержат аналогичную информацию, но обмениваются данными в виде двоичного (вместо ASCII) кода для более быстрой связи.

При коммуникации с GPS-приемником команды должны завершаться контрольной суммой. В большинстве случаев для этого для каждого предложения нужно выполнить команду XOR.

Читайте также:  Моя кофейня магазин оборудования

Антенна

Маленький GPS-модуль получает сигналы от спутников, удаленных на расстояние 19 тыс. км, которые расположены не только над головой, но и в любом месте на небе. Для лучшей производительности между антенной и спутниками нужна прямая видимость. Погода, облака, снежные бури не должны влиять на сигнал, но деревья, здания, горы, крыша над головой будут создавать нежелательные помехи, и точность GPS от этого пострадает.

Разработано много вариантов антенн. Одним из самых распространенных является керамическая патч-антенна. Она отличается низким профилем, дешевизной и компактностью, но, по сравнению с другими типами, принимает хуже. Чтобы получить хороший сигнал, она должна быть направлена ​​вверх на открытое небо, т. е. когда усиление максимальное.

В некоторых GPS-модулях используются винтовые антенны. Они занимают больше места, но их форма позволяет получить лучший сигнал в любой ориентации за счет более низкого усиления.

В некоторых модулях применяются SMA-антенны. Это дает возможность монтировать их в местах, отличных от места расположения самого приемника, что пригодится в случаях, когда основная система не имеет доступа к открытому небу (например, в здании или автомобиле).

Источник

Принцип работы gps

Принципы работы GPS-навигатора

Принцип работы навигатора строится на давно используемой простой схеме навигации: если точно знаете место, где находится маркерный объект, наиболее подходящий на роль ориентира, и расстояние от него до вас, нарисуйте окружность, на которой точкой обозначьте ваше месторасположение.

Спутники и играют роль этих маркерных объектов с расстоянием от вашего месторасположения около 18 тысяч км. Хотя вращение их по орбите и происходит с огромной скоростью, местоположение постоянно отслеживается.

В каждом навигаторе установлен GPS-приемник, который запрограммирован на нужную частоту и находится в прямом взаимодействии со спутником.

каждом радиосигнале содержится определенное количество закодированной информации, которая включает в себя ведомости о техническом состоянии спутника, местонахождении его на орбите Земли и часовом поясе (точное время).

GPS-карты

Карты GPS загружаются на ваше устройство отдельно, так как вы сами влияете на выбор местности, по которой хотите передвигаться. Система всего лишь устанавливает ваши координаты на планете, а уже функцией карт является воссоздание на экране графической версии, на которую наносятся координаты, что и позволяет вам ориентироваться на местности.

Дополнительное GPS-оборудование

Применяется система GPS не только для указания вам нужного пути. Она позволяет производить слежку за объектом, на котором может находиться так называемый маячок, или GPS-трекер. Состоит он из самого приемника сигналов и передатчика на основе gsm, 3gp или иных протоколов связи для передачи информации о расположении объекта в сервисные центры, осуществляющие контроль. Применяются они во многих отраслях: охранной, медицинской, страховой, транспортной и многих других. Также существуют автомобильные трекеры, которые подключаются исключительно к автомобилю.

Как работает GPS?

Для определения положения и времени почти в любом месте Земли используется орбитальная группировка и наземные станции.

На высоте более 19 тыс. км над Землей постоянно развернуто по меньшей мере 24 активных спутника.

Их позиции рассчитаны таким образом, чтобы в небе над любой точкой планеты всегда находилась ровно половина из них.

Основной целью спутников является передача информации на Землю на частотах в диапазоне 1,1–1,5 ГГц. С помощью этих данных и математических расчетов наземный приемник или модуль GPS могут вычислять свое местоположение и текущее время.

В 2010 г. была восстановлена альтернативная система глобального позиционирования ГЛОНАСС. Она также насчитывает 24 спутника и вещает на частотах 1,2–1,6 ГГц.

Каналы

Число каналов, с которыми работает GPS-модуль, влияет на время первого исправления (TTFF). Поскольку неизвестно, какие спутники находятся в поле зрения, чем больше частот можно проверить сразу, тем быстрее будет произведена коррекция. После установления связи или получения исправления некоторые модули отключают дополнительные каналы для экономии энергии. Если пользователь не против того, чтобы немного дольше подождать, 12 или 14 каналов достаточно для отличной работы приемника.

Трилатерация

Это математический метод, используемый для вычисления позиции с несколькими контрольными точками. Чтобы GPS-приемник мог вычислить точное положение и время, он должен установить связь по крайней мере с 4 спутниками. Для вычисления расстояния до объекта методом триангуляции нужны 2 точки. Но в случае GPS нужно определить 4 значения – широту, долготу, высоту и время.

Определение местоположения и времени

Данные, передаваемые на Землю с каждого спутника, содержат несколько разных фрагментов информации, которые позволяют GPS-приемнику точно рассчитать свое местоположение и время. Важным элементом оборудования на каждом из них являются чрезвычайно точные атомные часы. Данные о времени посылаются на Землю вместе с орбитальным положением и временем прибытия в разные точки орбиты. Другими словами, GPS-модуль получает временную метку от всех видимых спутников, а также информацию об их местонахождении. Из этих данных можно вычислить расстояние до каждого из них. Если антенна видит не менее 4 спутников, то можно точно рассчитать положение приемника.

Есть еще сторона глобальной системы позиционирования. Наряду с вышеперечисленными элементами существуют наземные станции, которые могут взаимодействовать со спутниковой сетью и некоторыми приемниками GPS. Такая система называется сегментом управления и повышает точность измерений. Ее примерами являются WAAS и DGPS. Первая используется большинством приемников и снижает ошибку до 5 м. Вторая требует наличия ресивера определенного типа и обеспечивает сантиметровую погрешность. Устройства данного типа дорогие и имеют тенденцию быть более крупными, поскольку требуют дополнительной антенны.

Точность геопозиционирования

Погрешность измерений приемника GPS или GLONASS зависит от ряда переменных, в первую очередь от отношения сигнал/шум, положения спутника, погодных условий и наличия препятствий, таких как здания и горы. Эти факторы могут создавать ошибки расчета местоположения пользователя. Шум обычно создает ошибку от 1 до 10 м. Горы, здания и другие предметы, которые могут препятствовать прохождению сигнала от спутника, могут вызывать в 3 раза большую ошибку. Для нормальной работы GPS-приемник должен иметь возможность принимать сигнал от 4 спутников. Связь с первым из них позволяет получить данные об альманахе и, следовательно, доступности остальных. Хотя и можно определить местонахождение и с меньшим, чем 4, числом спутников, погрешность измерений может быть довольно большой. Самое точное определение местоположения происходит, когда есть открытый обзор ясного неба, свободный от любых препятствий, c более чем 4 спутниками над головой. Для борьбы с этими ошибками создано несколько вспомогательных средств.

Дифференциальный GPS

Другим методом является дифференциальная система геопозиционирования DGPS. Данная система определения местоположения также использует наземные станции. Однако она отличается тем, что находит разницу между показаниями спутника и приемника. Станции могут находиться на расстоянии до 370 км от ресивера, и важно отметить, что по мере удаления от них точность измерений ухудшается. DGPS осуществляется наземной станцией, передающей сигнал, который диктует ошибку между фактической и измеренной псевдодальностью. Это значение рассчитывается путем умножения скорости света на время прохождения сигнала со спутника на приемник.

Форматы сообщений

Данные GPS отображаются в разных форматах через последовательный интерфейс. Существуют стандартные и нестандартные (проприетарные) форматы сообщений. Почти все GPS-приемники выводят данные NMEA. Это стандарт форматирования информации в виде строк, называемых предложениями. Каждое из них содержит различные данные, разделенные запятыми. Всего насчитывается 19 видов таких предложений.

Вот пример NMEA-строки, полученной от приемника, установившего связь со спутником:

В предложении содержится следующая информация:

  • время по Гринвичу: 23:53:17;
  • широта: северная, 40,039039°;
  • долгота: западная, 10,5125793°;
  • количество спутников: 08;
  • высота: 1577 м.

Данные разделяются запятыми, чтобы упростить чтение и анализ компьютерами и микроконтроллерами.

Чтение данных

Большинство модулей GPS оборудованы последовательным портом, который позволяет подключить их к микроконтроллеру или компьютеру.

После включения устройства данные NMEA (или сообщения в другом формате) отправляются из последовательного передающего разъема (TX) с определенной скоростью передачи и скоростью обновления, даже при отсутствии приема со спутника. Чтобы микроконтроллер считывал информацию, необходимо подключить вывод TX GPS ко входу RX. Чтобы настроить модуль, нужно подключить его вход RX к выходу TX устройства управления.

Микроконтроллер обычно анализирует данные NMEA. Разбор предложения производится путем простого выделения из него части информации.

Например, микроконтроллеру требуется прочитать только высоту GPS. Вместо того чтобы иметь дело со всем текстом, он анализирует предложение GPGGA и выбирает только высоту. Как только необходимая информация будет отобрана, ею можно манипулировать, чтобы выполнять другие действия.

Платформа Arduino также может легко анализировать данные NMEA с помощью библиотеки Tiny GPS.

Источник

Принципы работы GPS-навигаторов

Сегодня очень быстрыми темпами развиваются и совершенствуются технологии для навигации с помощью систем глобального позиционирования. Каждому человеку доступны любые из многочисленных GPS-навигаторов – от самого простого до самого сложного и точного. С помощью GPS-устройств решаются и упрощаются многие задачи в различных отраслях деятельности человека.

Этот материал написан в качестве разовой справки, и все последующие материалы по GPS-приёмникам на нашем сайте будут на него ссылаться. Впоследствии этот материал мы будем расширять и дополнять.

Глобальная система позиционирования GPS – это система, позволяющая с точностью не меньше нескольких десятков метров определить местоположение объекта, то есть его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.

GPS состоит из совокупности определённого количества искусственных спутников Земли и наземных станций слежения, объединённых в общую сеть. В качестве пользовательского оборудования служат индивидуальные GPS-приёмники, способные принимать сигналы со спутников и по полученной информации вычислять своё местоположение.

Созвездие спутников GPS

Созвездие спутников GPS

В состав спутниковой системы GPS входят как минимум 24 искусственных спутника Земли, находящихся на различных круговых орбитах, плоскости которых разнесены по долготам через 60° и наклонены к плоскости экватора на 55°. Период обращения одного спутника составляет порядка 12 часов.

Регулярно спутники передают на Землю:

  • свой статус (сообщение об исправности или неисправности)
  • текущую дату
  • текущее время
  • данные альманаха (орбитальные данные всех спутников)
  • точное время отправки всей совокупности сообщений
  • бортовые эфемериды (расчётные координаты своего положения в этот момент времени)

GPS-приёмник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника и вычисляет свои координаты по законам геометрии. При этом для определения двух координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх спутников, а для определения высоты над поверхностью Земли – с четырёх.

С учётом распространения радиосигналов расстояние до спутников определяется по задержке времени приёма сообщения GPS-приёмником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в GPS-приёмнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов приёмника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.

Читайте также:  Активное оборудование для сетей связи

Основным источником погрешности в системе GPS было наличие так называемого режима «ограниченного доступа». В этом режиме в сигналы спутников Министерством обороны США априорно вводилась погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью 30-100 м, хотя принципиально точность GPS-систем может достигать нескольких сантиметров. С 1 мая 2000 года режим «ограниченного доступа» был отключён. Теперь любой человек в любой точке Земли может пользоваться этой системой. Другими источниками погрешности являются неудачная геометрия взаимного расположения спутников, многолучевое распространение радиосигналов (влияние переотражённых радиоволн на приёмник), ионосферные и атмосферные задержки сигналов и др.

Система GPS позволяет определить местоположение в любой точке на суше, на море и в околоземном пространстве.

Как уже упоминалось, изначально система GPS была разработана для военных целей. Однако через некоторое время стало ясно, что эта система может очень сильно помогать людям для достижения других, «гражданских» целей.

На сегодняшний день система GPS очень широко используется в решении навигационных и картографических (геодезических) целей.

Спутниковые методы определения пространственных координат нашли массовое применение в современных геодезических измерениях, в первую очередь благодаря системе GPS, стабильно работающей на протяжении всего своего существования и ставшей доступной широкому кругу гражданских пользователей. Однако всё чаще возникают обсуждения того, что дальнейшее повышение точности и надёжности определения пространственных координат в любой точке Земли может быть обеспечено только за счёт совместного использования различных глобальных навигационных спутниковых систем, таких, например, как российская ГЛОНАСС и разворачиваемая в Европе Galileo.

Несмотря на то что уровень развёртывания ГЛОНАСС в настоящее время не находится в полном функциональном состоянии, приём и совместная обработка сигналов ГЛОНАСС и NAVSTAR позволяют увеличить производительность при выполнении спутниковых геодезических измерений в сложных условиях (например, городской застройки), когда число видимых спутников системы NAVSTAR сокращается. Поэтому в настоящее время многие разработчики аппаратуры пользователей создают спутниковые приёмники, способные работать одновременно с различными системами (например, компания Topcon Positioning System). Эти приёмники, в отличие от приёмников GPS, принимающих только сигналы NAVSTAR, называют GNSS-приёмниками (Global Navigation Satellite System, аналог русского обозначения ГНСС), а используемые методы обработки – GNSS-технологиями.

Система GPS выглядит предпочтительнее для навигационных целей, чем ГЛОНАСС. Это связано с тем, что навигационных решений под ГЛОНАСС для обычных пользователей практически не существует и рынок ГЛОНАСС пока слабо развит.

Современные геодезические измерения невозможно представить без использования спутниковых технологий определения пространственных координат. Первые GPS-приёмники появились ещё в начале 1980-х годов. За время существования они претерпели серьёзные изменения, но неизменным остался способ определения координат. Главной особенностью современного развития геодезического оборудования является стремление упростить процесс измерений и объединить всё необходимое в одном приборе.

Итак, в зависимости от характера решаемых задач GPS-системы можно разделить на два класса – навигационные приёмники и системы геодезической точности.

Навигационные приёмники обеспечивают устойчивое определение текущих координат с точностью десятков метров и являются относительно недорогими устройствами. Приборы этого класса просты в эксплуатации, портативны, а время, необходимое для получения координат в точке, составляет секунды или единицы минут.

Геодезические GPS-системы являются значительно более сложными устройствами, но они позволяют достигать точности привязки объекта до долей сантиметра, соответственно, стоимость таких систем существенно выше и может составлять десятки тысяч долларов.

Хотя повышение точности результатов желательно в любой раgботе, для задач привязки на местности различных объектов точность, обеспечиваемая навигационными приёмниками, является вполне удовлетворительной, а в особо критичных случаях может быть повышена за счёт проведения большого числа измерений и их последующей статистической обработки.

В целом весь спектр моделей GPS-приёмников по особенностям использования можно разделить на четыре большие группы.

  • Персональные GPS-приёмники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчёта маршрутов следования, до функции приёма и передачи электронной почты.
  • Автомобильные GPS-приёмники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приёмо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.
  • Морские GPS-приёмники, оснащённые ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.
  • Авиационные GPS-приёмники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Важно отметить, что использование GPS в навигационных целях тесно связано с применением современных информационных технологий – компьютерных баз данных и Геоинформационных систем (ГИС).

Как можно понять, далеко не все из вышеперечисленных устройств интересны нашим читателям, а, как следствие, и нам. Поэтому сложнейшие геодезические приборы мы учитывать не будем. А своё внимание сконцентрируем на персональных, автомобильных и, возможно, морских GPS-приёмниках, а также на аксессуарах для них.

Источник

Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

История GPS

История GPS - с сайта www.glonass-iac.ru

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

  • Мобильная связь;
  • Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
  • Определение сейсмической активности;
  • Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
  • Геодезия – определение точных границ земельных участков;
  • Картография;
  • Навигация;
  • Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

История ГЛОНАСС - glonass-iac.ru

Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

  • Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
  • Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
  • Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
  • Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

Arduino GPS

С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).

Система спутниковой навигации GPS - принцип, схема, применение

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

  • Погрешность в вычислении орбит;
  • Ошибки, связанные с приемником;
  • Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
  • Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
  • Геометрия расположения спутников.
Читайте также:  Тепловое оборудование для гаража

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS:

  • Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
  • Количество орбитальных плоскостей – 6;
  • Высота орбиты – 20000 км;
  • Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
  • Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
  • Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

  • Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
  • Тип антенны;
  • Наличие картографической поддержки;
  • Тип дисплея;
  • Дополнительные функции;
  • Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

  • Найти спутник и установить с ним связь;
  • Получить альманах и сохранить его в памяти;
  • Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
  • Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
  • Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Система спутниковой навигации GPS - принцип, схема, применение

Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Источник

Устройство GPS навигатора

Все GPS навигаторы всех производителей имеют общее устройство, напоминающее устройство любого другого «умного» мобильного устройства, например, сотового телефона. Навигаторы имеют похожую архитектуру и организацию программной части, ремонт навигаторов схож с другими подобными устройствами. Давайте разберемся, из чего состоит GPS устройство на примере автомобильного навигатора.

Устройство GPS навигатора

Аппаратная часть GPS навигатора

Если вскрыть корпус автомобильного навигатора, то мы увидим три составных элемента: дисплей печатную плату и аккумулятор.

У туристического навигатора «внутренности» выглядят несколько иначе: нет встроенного аккумулятора, зато может быть клавиатура, если навигатор с кнопочным управлением. Клавиатура имеет стандартное устройство – «пленочка» с контактами, которые замыкаются при нажатии клавиш.

Устройство GPS навигатора

Дисплей

В большинстве автомобильных навигаторов используется резистивный сенсорный дисплей. Дисплей подключается к плате шлейфом, по которому передаются данные – выводится изображение и принимаются координаты нажатой области экрана.

Отличительная особенность дисплеев GPS навигаторов – антибликовое покрытие. Поверхность дисплея имеет особую структуру, хорошо рассеивающую падающий свет. Поэтому изображение на экране видно даже под прямыми солнечными лучами. Антибликовое покрытие, которого, как правило, нет на экранах других мобильных устройств, – один из главных аргументов в пользу покупки отдельного устройства для навигации.

Устройство GPS навигатора

Плата

На плате находятся все элементы, необходимые для работы навигатора. Собственно, он представляет собой своего рода компьютер с процессором, оперативной памятью и другими микросхемами.

Устройство GPS навигатора

GPS-антенна

GPS- антенна – это обычная антенна, настроенная на прием спутниковых сигналов, то есть на определенные частоты. В упрощенном виде, антенна лишь принимает «нули и единички», не разбираясь, что это такое, и передает эту информацию процессору. Антенна может быть впаяна или подсоединяться к плате. На качество приема это не влияет.

Устройство GPS навигатора

Процессор (чипсет)

Главный элемент навигатора – процессор. Чаще его называют GPS-чипсетом и иногда путают с GPS-антенной. В отличие от антенны, сам чипсет не принимает сигнал, а только обрабатывает его.. Поколения чипсетов (например, SirfStar III или Atlas IV) отличаются скоростью и алгоритмом обработки спутникового сигнала, что непосредственно влияет на точность и качество позиционирования.

Так, например, все современные чипсеты начиная с SirfStar III умеют обрабатывать не только прямой сигнал от спутника, но и переотраженный от крупных зданий и рельефа местности.

Вторая функция чипсета – обеспечение работоспособности самого навигатора. То есть процессор навигатора выполняет те же функции, что и процессор мобильного телефона.

Память навигатора

У навигатора есть три элемента памяти: оперативная память, память BIOS и встроенная память для данных.

Оперативная память, как и в любом компьютере, обеспечивает быстродействие устройства. Чем больше объем оперативной памяти, тем быстрее загружаются программы, строятся маршруты и т.д. В отличие от многозадачных смартфонов, в навигаторах объем памяти подбирается под конкретные задачи, то есть таким образом, чтобы он был достаточен для работы навигационной программы без «тормозов» (однако с выходом новых версий навигационных программ, памяти и процессора может начать не хватать)

Память BIOS – постоянная память, в которой хранится программа загрузки навигатора. Здесь хранится системное программное обеспечение, связывающее операционную систему устройства с физическими элементами навигатора, то есть с процессором, другими видами памяти, дисплеем и т.д.

Встроенная память для данных, реализована, как правило, в виде Flash-памяти. Здесь хранится операционная система, программа навигации, дополнительные приложения и пользовательские данные (не во всех навигаторах есть встроенная память доступная пользователям для хранения данных), например, картография или координаты точек.

Дополнительные элементы платы

Кроме всего перечисленного, на микросхеме (печатной плате) могут быть расположены дополнительные модули.

GPRS-модуль для выхода в Интернет и приема информации о пробках.
Радиоприемник для приема информации о пробках.
Bluetooth модуль для связи навигатора с телефоном или компьютером

Разъемы на плате навигатора

На плате находятся разъемы для подключения внешнего питания, джек для наушников, слот для Flash-карт и SIM-карт.

Устройство GPS навигатора

Аккумулятор GPS навигатора

В автомобильных навигаторах используются обычные Li-ion аккумуляторы емкостью 650-2000 мАч, аналогичные аккумуляторам в мобильных телефонах. Существует ошибочное мнение, что аккумуляторы в навигаторах хуже, поэтому время автономной работы навигатора ниже, чем телефона. На самом деле это не так.

Малое время автономной работы вызвано тремя причинами, не имеющими отношения к качеству аккумуляторной батареи. Во-первых, в автомобильных навигаторах редко используют аккумуляторы большой емкости. Во-вторых, в навигаторах не применяются технологии снижения энергопотребления. В-третьих, элементы навигатора имеют большее энергопотребление, позволяющее повысить качество и стабильность приема сигнала (а также яркость экрана). Это нецелесообразно, т.к. автомобильный навигатор в штатном режиме работает от внешнего питания (прикуривателя).

Туристические навигаторы работают от сменных батареек. Обычно источником питания выбираются две батареи АА. В этих устройствах применяют технологии уменьшения энергопотребления, поэтому время автономной работы может достигать 20 часов. Частично это достигается режимом экономного приема сигнала, когда сигнал обрабатывается не каждую секунду, а каждые пять секунд, что является приемлемым при пешеходном использовании.

Устройство GPS навигатора

Программная часть

Программная часть навигатора состоит из BIOS, операционной системы, программной оболочки (в общем случае), навигационной системы и прикладных программ.

В некоторых случаях, все элементы программной части выглядят для пользователя, как единая программа. Так устроены автомобильные и туристические навигаторы Garmin и TomTom. Это достигается тем, что все элементы программной части являются собственными разработками. Так, например, у навигаторов Garmin за основу операционной системы взят Linux, но для пользователя загрузка навигатора выглядит как загрузка одной программы.

Как мы отметили выше, BIOS нужен, чтобы связать аппаратную часть навигатора с его операционной системой. Дело в том, что аппаратная часть (чипсет, оперативная память, GPSR-модуль) может отличаться, в то время как операционная система обычно используется в той или иной степени стандартная.

Операционная система

Большинство навигаторов, представленных на рынке, работают под управлением операционной системы Windows CE. Недавно начали появляться навигаторы с ОС Android, но пока они являются редкостью. Часто производители даже не запрещают выход в главное меню и на рабочий стол операционной системы.

Программная оболочка

Интерфейс навигатора, адаптированный под работу с сенсорным экраном и упрощающий запуск нужных приложений. Особенность программной оболочки, что, помимо интерфейса, она подгружает библиотеки, необходимые для работы установленных программ, в частности – навигационных. Без запуска программной оболочки, программа навигации или видеоплеер могут отказаться запускаться. ( либо работать с ошибками и «вылетать»)

Устройство GPS навигатора

Навигационная программа

Приложение, выполняющее навигационные функции – отображение местоположения на карте, прокладку маршрута, сохранение точек и т.д. Garmin и TomTom используют собственные навигационные программы. На большинство других навигаторов устанавливается одна или несколько навигационных программ стороннего производителя. Важно, что даже у сторонних программ конфигурации могут отличаться в зависимости от аппаратной части устройства. Это создает определенные трудности при попытке самостоятельной установки «нештатных» программ навигации и усложняет покупку лицензионных программ, установка которых не предусмотрена производителем самого устройства.

Источник