Vjerojatno su svi izravno ili neizravno koristili GPS prijemnike. Oni se nalaze u većini pametnih telefona, mnogo novih automobila, koji se koriste u komercijalne svrhe širom svijeta. Ovi sitni uređaji mogu odmah i potpuno odrediti točnu lokaciju i vrijeme gotovo bilo gdje na planeti. Potrebna je samo prisutnost GPS prijemnika, a oni postaju jeftiniji i manji svaki dan. Međutim, te male i jeftine module ne biste trebali uzeti kao dospjele. Desetljećima inženjerskog razvoja uvijek je moguće locirati gdje god se nalazili. Od kasnih 70-ih godina pokrenuto je desetke GPS satelita, od kojih je svaki opremljen preciznim atomskim satovima, ai dalje se redovito usmjeravaju na orbitu blizu Zemlje. Kontinuirano šalju podatke na Zemlju na predviđenim radiofrekvencijskim kanalima. Džepni GPS prijemnici opremljeni su sićušnim antenama i procesorima koji izravno primaju signal koji šalju sateliti, a na fly izračunavaju položaj i vrijeme.
Kako funkcionira GPS?
Za određivanje položaja i vremena, gotovo bilo gdje na Zemlji, koriste se orbitalne i zemaljske postaje. Najmanje 24 satelita stalno se nalaze na nadmorskoj visini od preko 19.000 km iznad Zemlje. Njihovi su položaji konstruirani tako da je na nebu iznad bilo koje točke planeta uvijek bilo točno polovica. Glavna svrha satelita je prijenos informacija na Zemlju na frekvencijama od 11-15GHz. Pomoću tih podataka i matematičkih izračuna zemaljski prijemnik ili GPS modul može izračunati njegovu lokaciju i trenutno vrijeme. 2010. godine obnovljen je alternativni sustav globalnog pozicioniranja za GLONASS. Također ima 24 satelita i emitira na frekvencijama 12-16 GHz.
Kanali
Broj kanala na kojima radi GPS modul utječe na vrijeme prvog popravka (TTFF). Budući da nije poznato koji su sateliti u vidnom polju, što se više frekvencija može provjeriti odmah, to će se brže izvršiti korekcija. Nakon uspostavljanja veze ili primanja popravka, neki moduli isključuju dodatne kanale za uštedu energije. Ako korisnik ne smeta čekati malo duže, 12 ili 14 kanala je dovoljno za izvrstan rad prijemnika.
Trilateracija
Ovo je matematička metoda koja se koristi za izračunavanje položaja s nekoliko kontrolnih točaka. Da bi GPS prijemnik mogao izračunati točnu poziciju i vrijeme, mora uspostaviti vezu s najmanje 4 satelita. Potrebne su dvije točke za izračun udaljenosti do objekta metodom triangulacije. No, u slučaju GPS-a potrebno je odrediti vrijednost 4 - geografsku širinu, dužinu, visinu i vrijeme.
Definicija mjesta i vremena
Podaci koji se prenose na Zemlju iz svakog satelita sadrže nekoliko različitih informacija koje GPS prijemniku omogućuju da točno izračuna svoje mjesto i vrijeme. Važan element opreme na svakom od njih je izuzetno precizan atomski sat. Podaci o vremenu šalju se na Zemlju zajedno s orbitalnom pozicijom iponekad dolaze na različite točke orbite. Drugim riječima, GPS modul prima vremensku oznaku sa svih vidljivih satelita, kao i informacije o njihovoj lokaciji. Iz tih podataka možete izračunati udaljenost do svakog od njih. Ako antena ne vidi manje od 4 satelita, tada možete točno izračunati položaj prijemnika. Još uvijek postoji strana globalnog sustava pozicioniranja. Uz navedene elemente postoje i zemaljske postaje koje mogu komunicirati sa satelitskom mrežom i odvojenim GPS prijamnicima. Takav sustav naziva se kontrolni segment i povećava točnost mjerenja. Njezini primjeri su WAAS i DGPS. Prvi se koristi kod većine prijemnika i smanjuje grešku na 5 m. Drugi zahtijeva prisutnost određenog tipa prijemnika i osigurava centimetarsku pogrešku. Uređaji ove vrste su skupi i obično su veći jer zahtijevaju dodatnu antenu.
Geopolitička točnost
Pogreška mjerenja prijemnika GPS ili GLONASS ovisi o brojnim varijablama, prvenstveno o omjeru signal /šum, položaju satelita, vremenskim uvjetima i prisutnosti prepreka kao što su zgrade i planine. Ti čimbenici mogu stvoriti pogreške u izračunu lokacije korisnika. Buka obično generira pogrešku od 1 do 10 m. Planine, zgrade i drugi objekti koji mogu ometati prolaz signala sa satelita mogu uzrokovati 3 puta veću pogrešku. Za normalan rad GPS prijemnik mora biti u mogućnosti primati signal s 4 satelita. Povezivanje s prvim omogućuje dobivanje informacija o almanahu, a time i dostupnosti drugih. iakomožete odrediti lokaciju i sa manje od 4 satelita, pogreška mjerenja može biti prilično velika. Točno pozicioniranje je točno kada je otvoren pregled čistog neba, bez prepreka, c više od 4 satelita iznad glave. Kako bi se izbjegle te pogreške, stvoreno je nekoliko pomagala.
Potpomognuti GPS
Jedan od tih pomoćnih sustava je Assisted GPS i AGPS. Ova metoda koristi bežične (zemaljske) mreže za ponovno emitiranje satelitskog signala kada je slab ili se ne može primiti. AGPS pomaže u dvije stvari. Prvo, daje primatelju podatke o almanahu i točno vrijeme. Kao drugo, koristi višu računalnu snagu i dobar zemaljski satelitski signal za tumačenje dobivenih fragmentarnih informacija kako bi se osigurala pouzdanija određivanja lokacije. AGPS uglavnom rade vanjski GPS prijemnici instalirani na ćelijskom tornju. Povezivanje s njima omogućuje brže podešavanje satelita, kao i dobivanje točnijih informacija. Ovu metodu koriste GPS prijemnici za Android i mobilne telefone. Zato su pametni telefoni često specifičniji proizvodi. AGPS je prisutan u kamerama, geodetskim GPS prijamnicima i nekim automobilima. Njegova uporaba je najprofitabilnija u gradovima gdje je signal u labirintu zgrada ponekad vrlo teško prihvatljiv.
Diferencijalni GPS
Druga metoda je geostacionarni diferencijalni sustav DGPS. Ovaj sustav određivanja lokacije također je dostupankoristi zemaljske postaje. Međutim, razlikuje se po tome što pronalazi razliku između očitanja satelita i prijemnika. Postaje se mogu nalaziti na udaljenosti do 370 km od prijemnika, a važno je napomenuti da se, što se tiče udaljenosti od njih, točnost mjerenja pogoršava. DGPS se provodi pomoću zemaljske postaje koja emitira signal koji diktira pogrešku između stvarnih i izmjerenih pseudo-podataka. Ova se vrijednost izračunava množenjem brzine svjetlosti do trenutka prijema satelitskog signala do prijemnika. Primjer jednog od DGPS tipova je sustav širokog područja WAAS-a. Izvorno je bio dizajniran za pomoć GPS prijemnicima. WAAS koristi sustav posebno izgrađenih zemaljskih postaja. Predviđen je skup standarda za točnost koje mjerenja moraju zadovoljiti. U horizontalnom i vertikalnom smjeru, u 95% slučajeva, njihova pogreška ne smije prelaziti 76 m. Zemaljske postaje šalju svoja mjerenja na glavne stanice koje šalju ispravke WAAS satelita svakih 5 sekundi ili više. Sa satelita se signal prenosi natrag do prijemnika na Zemlji, gdje se korigirani podaci koriste za povećanje točnosti GPS-a. U nekim mjestima WAAS može pružiti pogrešku do 1 m vodoravno i 15 m okomito. Iako je WAAS prisutan samo u Sjevernoj Americi, slični sustavi postoje u mnogim drugim dijelovima svijeta.
Formati poruka
GPS podaci se prikazuju u različitim formatima putem serijskog sučelja. Postoje standardni i nestandardni (vlastiti) formati poruka. Gotovo svi GPS prijemniciizlazni NMEA podaci. To je standard za oblikovanje informacija u obliku nizova koji se nazivaju rečenice. Svaki od njih sadrži različite podatke odvojene zarezima. Ukupno ima 19 vrsta takvih ponuda. Evo primjera NMEA niza primljenog od prijemnika, koji komunicira sa satelitom: $ GPGGA, 23531700040039039N, 105125793W, 1081615779M, -20.7M, 0000 * 5F. U rečenici se nalaze sljedeće informacije:
vrijeme u Greenwichu: 23:53:17;
zemljopisna širina: sjeverno, 40039039 °;
dužine: zapadna, 105125793 °;
broj satelita: 08;
Visina: 1577 m.
Podaci su odvojeni zarezima kako bi se pojednostavilo čitanje i analiza računalima i mikrokontrolerima. Oni se šalju u serijski port u razmaku koji se naziva brzina ažuriranja. Većina prijemnika ažurira ove informacije jednom u sekundi (tj. 1 Hz), ali najbolji GPS prijemnici mogu izvoditi nekoliko ažuriranja u sekundi. Za moderne modele ova vrijednost je 5-20 Hz.
Čitanje podataka
Većina modula ima GPS serijski port koji im omogućuje povezivanje s mikrokontrolera ili računalom. Nakon što je uređaj uključen, NMEA podaci (ili poruke u drugom formatu) šalju se iz serijskog odašiljača (TX) s određenom brzinom prijenosa i brzinom ažuriranja, čak i ako nema satelitskog prijema. Kako bi mikrokontroler mogao pročitati informacije, morate spojiti TX GPS izlaz na RX ulaz. Da biste konfigurirali modul, morate spojiti njegov RX ulaz na izlaz TX upravljačkog uređaja. Mikrokontroler obično analizira NMEA podatke. Analiza ponude provodi se jednostavnomdodjeljivanje informacija iz njega. Na primjer, mikrokontroler mora čitati samo visinu GPS-a. Umjesto da se bavi cijelim tekstom, on analizira prijedlog GPGGA i odabire samo visinu. Nakon odabira potrebnih informacija, njime se može manipulirati za obavljanje drugih radnji. Arduino platforma također može lako analizirati NMEA podatke pomoću Tiny GPS biblioteke.
Povezivanje s računalom
Jednostavan način izravnog prikaza NMEA podataka je uporaba GPS prijemnika za prijenosno računalo ili računalo. Da biste stvorili vezu, potrebno je samo spojiti uređaj za geolokaciju i spojiti TX izlaz vanjskog modula na RX ulaz računala. Također je moguće spojiti GPS prijemnik na USB priključak. U ovom slučaju, može se napajati iz vlastitog izvora i putem veze s računalom. U prvom slučaju, puštena linija koristi se za otkrivanje prisutnosti veze USB-GPS prijemnika s domaćinom. Kada je spojen na računalo, napajanje se provodi putem univerzalne serijske sabirnice, tako da nije potreban dodatni izvor. Osim toga, Bluetooth-GPS prijemnik omogućuje bežično povezivanje s računalom i kompatibilnim uređajima istog proizvođača. To omogućuje brzu razmjenu općih podataka, kao što su rute i putne točke. Nakon spajanja, potrebno je otvoriti serijski terminalski program podešavanjem brzine prijenosa jednakom brzini GPS modula. Čak i ako prijemnik nije uspostavio vezu sa satelitom, na zaslonu će se pojaviti niz NMEA prijedloga.
Postavljanje prijemnika
Za konfiguriranje GPS prijemnika i GLONASS-a važno je znati tip čipseta koji je instaliran na njemu. Skup čipova sadrži snažan procesor koji je odgovoran za korisničko sučelje, sve izračune, kao i analogne antenske krugove. Osim toga, skup čipova omogućuje prihvaćanje podataka za podešavanje parametara kao što su brzina osvježavanja, brzina prijenosa, odabir ponude itd. Za slanje naredbe prijemniku preko serijskog porta trebat će vam skup naredbi ili referentni priručnik. No, prije uranjanja u proučavanje naredbi za određeni modul, potrebno je provjeriti dostupnost softvera koji uvelike olakšava rad s uređajem i njegovom konfiguracijom. Neki čipseti omogućuju korištenje alternativnih protokola kao što su binarne SiRF, UBX ili prilagođene poruke. Ovi protokoli sadrže slične informacije, ali razmjenjuju podatke u binarnom (umjesto ASCII) kodu za bržu komunikaciju. Prilikom komuniciranja s GPS prijemnikom, tim mora dovršiti kontrolni zbroj. U većini slučajeva, za svaki prijedlog morate izvršiti naredbu XOR.
Antena
Najmanji GPS modul prima signale sa satelita, razmaknutih na udaljenosti od 19 tisuća kilometara, koji se nalaze ne samo iznad glave, nego i bilo gdje na nebu. Za bolju izvedbu antene i satelita potrebna je izravna vidljivost. Vrijeme, oblaci, snježne oluje ne smiju utjecati na signal, ali stabla, zgrade, planine, krov nad glavom stvorit će neželjene prepreke, a GPS preciznost će patiti od toga.Razvijene su mnoge varijante antena. Jedna od najčešćih je keramička antena. Odlikuje se niskim profilom, niskom cijenom i kompaktnošću, ali u usporedbi s drugim tipovima, pogoršava se. Da bi dobili dobar signal, mora biti usmjeren prema gore u otvoreno nebo, to jest, kada je dobit maksimalan. Neki GPS moduli koriste vijčane antene. Oni zauzimaju više prostora, ali njihov oblik omogućuje vam da dobijete najbolji signal u bilo kojoj orijentaciji na račun manjeg dobitka. Neki moduli koriste SMA antene. To omogućuje postavljanje na mjesta koja nisu na samom prijemniku, što će biti korisno u slučajevima kada glavni sustav nema pristup otvorenom nebu (na primjer, u zatvorenom prostoru ili automobilu).
