Своими руками

Gps своими руками приемник: GPS антенна своими руками за 5 минут / Хабр

Содержание

Приёмник ГЛОНАСС с интерфейсом Bluetooth

Спутниковые системы навигации сегодня нужны всем. В связи с развитием отечественной системы ГЛОНАСС она активно используется наряду с такими зарубежными системами, как GPS. Но практически отсутствуют серийные образцы автономных приёмников сигналов ГЛОНАСС с интерфейсом Bluetooth. А они необходимы для планшетных компьютеров, в том числе с ОС Android. Это положение автор решил исправить, собрав такой приёмник из имеющихся в продаже готовых модулей.

Руководством для этой работы мне послужили различные материалы, опубликованные в Интернете. Например, в статье [1] я нашёл советы по выбору узлов и их компоновке. Функционально приёмник состоит из модуля приёмника сигналов спутников системы ГЛОНАСС, преобразователя его выходных сигналов для передачи по каналу Bluetooth и блока питания. Схема соединения модулей приёмника изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема соединения модулей приёмника

 

В качестве приёмника сигналов ГЛОНАСС (A2) использован готовый модуль на специализированной микросхеме MT3333 [2], имеющий следующие основные технические характеристики:

Число каналов приёма . . . . . . . . . . . . 99

Число каналов слежения . . . . . . . . . . 33

Чувствительность, дБм . . . . . . . . . . – 165

Напряжение питания, В . . . . . . . . . . 3…6

Потребляемый ток, мА, не более:

в режиме поиска . . . . . . . . . . . . . 35

в режиме слежения . . . . . . . . . . . 29

Длительность «холодного» старта, с, не более . . . . . . . . . . . . . 33

Длительность «горячего» старта, с, не более . . . . . . . . . . . . . . 1

Размеры, мм . . . . . . . . . . . . . . . 25×31×5

В режиме поиска на модуле мигает светодиод. Тот модуль, что показан на рис. 2, имеет встроенную антенну. Но существуют его варианты и без антенны, а лишь с разъёмом для её подключения. В этом случае нужно приобрести и подключить к этому разъёму внешнюю антенну. Оба варианта одинаковы по параметрам и назначению выводов и способны принимать сигналы как со спутников системы ГЛОНАСС, так и со спутников системы GPS. Наличиепоказанногона схеме штриховыми линиями резервного элемента питания G1 (это может быть литиевый элемент CR2032) не обязательно. Но его установка ускоряет повторный запуск модуля A2 после перерыва в подаче основного питания, позволяя сохранятьинформацию о спутниках, полученную в предыдущем сеансе работы.

Рис. 2. Модуль приёмника

 

Рис. 3. Bluetooth-адаптер HC05 

 

Принятая навигационная информация поступает по последовательному интерфейсу в изображённый на рис. 3 Bluetooth-адаптер HC05 [3]. Его основные технические характеристики:

Протокол Bluetooth . . . . . . . . . 2.0 + EDR

Рабочий диапазон, ГГц . . . . . . . . . . . 2,4

Модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GFSK

Мощность излучения, дБм, не более . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Чувствительность при BER не более 0,1 %, дБм . . . . . . . . . . . – 84

Напряжение питания, В . . . . . . . . . . . 3,3

Потребляемый ток, мА . . . . . . . . . . . . 50

Частота мигания светодиода, Гц:

идёт поиск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

связь установлена . . . . . . . . . . . 0,5

Рабочая температура, оС . . . . –20…+75

Размеры, мм . . . . . . . . . . . . 26,9×13×2,2

Пароль для связи с компьютером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234 

Источник питания состоит из литийионного аккумулятора G2 с устройством A1 (рис. 4) для его зарядки от USB-разъёма компьютера или зарядного устройства с таким разъёмом и изображённого на рис. 5 стабилизированного преобразователя напряжения аккумулятора в 3,3 В [4]. Именно такое напряжение используется для питания модуля приёмника ГЛОНАСС и адаптера Bluetooth.

Рис. 4. Источник питания

 

Рис. 5. Стабилизированный преобразователь напряжения аккумулятора

 

Модуль зарядки имеет следующие параметры:

Входной разъём . . . . . . . . . . . microUSB

Входное напряжение, В . . . . . . . . . . . . 5

Максимальный зарядный ток, А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Напряжение отсечки зарядки, В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,2

Порог срабатывания защиты от переразрядки, В . . . . . . . . . . . . 2,5

Порог срабатывания защиты по току нагрузки, А . . . . . . . . . . . . . . 3

Размеры, мм . . . . . . . . . . . . . . . 26×17×3

Красный светодиод сигнализирует об идущем процессе зарядки, зелёный — о полной заряженности аккумулятора.

Стабилизированный преобразователь напряжения на микросхеме LM2596 имеет следующие характеристики:

Входное напряжение, В . . . . . . . . 3…40

Выходное напряжение, В . . . . . . 1,5…35

Максимальный выходной ток, А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

КПД, %, не более . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Размах пульсаций выходного напряжения, мВ, не более . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Частота преобразования, кГц . . . . . . 150

Рабочая температура, оC . . . . –45…+85

Размеры, мм . . . . . . . . . . . . . . 43×21×10

Индикатор работы — синий светодиод.

Все модули устройства размещены в герметичном пластиковом корпусе размерами 115×55×65 мм, как показано на рис. 6, и соединены между собой согласно схеме отсутствующими на фотоснимке монтажными проводами. Оставшиеся в корпусе пустоты заполнены пенополиэтиленовыми вставками.

Рис. 6. Размещение модулей

 

Правильно собранное устройство обычно работоспособно сразу после включения питания. Необходимо лишь до подключения модулей A2 и A3 установить напряжение 3,3 В на выходе модуля A4 имеющимся в нём подстроечным резистором.

По сравнению с распространёнными GPS-Bluetooth приёмниками мы получаем высокочувствительный приёмник сигналов со спутников ГЛОНАСС и GPS, что положительно сказывается на точности определения координат.

Передача информации по каналу Bluetooth от приёмника к планшетному компьютеру с ОС Android была проверена с помощью бесплатных программ Bluetooth GPS Provider (URL: https:// apkplz.com/casual/bluetooth-gpsprovider-apk-download (27.03. 17)) и Bluetooth GPS for Android (URL: https:// downloads.sourceforge.net/project/ bluegps4droid/Apk/BlueGPS4Droid_ 1.2.x/BlueGps4Droid_1.2.6.apk (27.03.17)).

Запустив программу Bluetooth GPS Provider, необходимо в правом верхнем углу экрана отметить строку Preferen ces, затем выбрать источник сигналов. В нашем случае это HC05. Нажав на клавишу Start, получим свои координаты и информацию о наблюдаемых нави-гационных спутниках с указанием мощности принимаемых от них сигналов. При запуске программы Bluetooth GPS for Android необходимо выбрать источник навигационных сигналов HC05. Получив информацию со спутников, программа отобразит текущие координаты. Сменив экран Main на экран Status (для этого нужно сместиться вправо), получим схематичное изображение небесной сферы с положением на ней спутников, их номерами и мощностью сигнала. Сместившись ещё на один экран вправо (на экран NMEA), можно просмотреть служебные сообщения о принимаемых навигационных сигналах.

Литература

1. GPS Bluetooth своими руками. — URL: http://kibermaster.net/gps-bluetooth-svoimirukami/ (27.03.17).

2. MT3333. A high-performance, single-chip, multi-GNSS solution with the industry’s highest level of sensitivity, accuracy and Time to First Fix. — URL: http://www.mediatek.com/products/ locationIntelligence/mt3333 (27.03.17).

3. Использование блютуз-модулей HC- 05/06. — URL: http://sotvorimvmeste.ru/ viewtopic.php?p=768 (27.03.17).

4. Про модули DC-DC Buck Converter на LM2596. — URL: http://trengtor.blogspot.ru/ 2015/06/buck-step-down-lm2596.html (27.03.17).

Автор: М. Наумов, г. Москва

GPS приемники, закладки, GPS маяки

 

Каждый владелец авто желает получать подробную информацию о местонахождении своей машины и точно знать, где находится автомобиль. Сегодня эта мечта стала реальностью благодаря появлению таких устройств, как GPS маяки для авто и автомобильные трекеры. В настоящее время они очень популярны среди автолюбителей, а все потому, что данные приборы быстро и точно находят машину и передают ее координаты либо на мобильный, либо на сервер мониторинга в глобальной сети. Наша компания осуществляет продажу автомобильных GPS трекеров и маяков по выгодным расценкам. Мы торгуем только качественной продукцией брендов, которые хорошо зарекомендовали себя на рынке.

 

Достоинств у GPS трекеров масса. Самое главное, что они мало весят и обладают небольшим размером, потому их очень просто спрятать. Также GPS трекеры именуются контроллерами и позволяют отслеживать автомобиль либо иной объект. В трекере имеется приемник GPS, с помощью которого он определяет собственные координаты. Удобно, что посредством трекера можно следить за передвижением авто. Купить GPS трекер можно в нашей компании. Также мы осуществляем продажу GSM систем охраны для автомобилей, включая GSM системы Elita.

 

Кроме автотрекеров, мы предлагаем gsm модуль starline. Данные приборы, аналогично трекерам, предназначаются для дистанционного отслеживания автомобиля либо другого движущегося объекта. Однако имеются и отличия от трекера. Во-первых, в маяке нет проводов подключения. Во-вторых, маяк можно установить в любое место и сделать это самостоятельно, без помощи профессионалов. В-третьих, маяк функционирует автономно на протяжении длительного периода. Наконец, имеется спящий режим маяка, который препятствует нахождению прибора специальными устройствами.

 

GPS закладки, маяки и трекеры – это отличное решение для автолюбителя, так как все эти приборы стоят сравнительно недорого и наделены множеством плюсов. Купите у нас GPS маяк и не волнуйтесь за сохранность самого дорогого! 

 

 

GPS Tracker на ардуино своими руками

После нескольких экспериментов с ардуиной решил сделать простенький и не очень дорогой GPS-tracker с отправкой координат по GPRS на сервер.
Используется Arduino Mega 2560 (Arduino Uno), SIM900 — GSM/GPRS модуль (для отправки информации на сервер), GPS приёмник SKM53 GPS.

Всё закуплено на ebay.com, в сумме около 1500 р (примерно 500р ардуина, немного меньше — GSM модуль, немного больше — GPS).

GPS приемник

Для начала нужно разобраться с работой с GPS. Выбранный модуль — один из самых дешевых и простых. Тем не менее, производитель обещает наличие батарейки для сохранения данных о спутниках. По даташиту, холодный старт должен занимать 36 секунд, однако, в моих условиях (10 этаж с подоконника, вплотную зданий нет) это заняло аж 20 минут. Следующий старт, однако, уже 2 минуты.

Важный параметр устройств, подключаемых к ардуине — энергопотребление. Если перегрузить преобразователь ардуины, она может сгореть. Для используемого приемника максимальное энергопотребление — 45mA @ 3.3v. Зачем в спецификации указывать силу тока на напряжении, отличном от требуемого (5V), для меня загадка. Тем не менее, 45 mA преобразователь ардуины выдержит.

Подключение

GPS не управляемый, хотя и имеет RX пин. Для чего — неизвестно. Основное, что можно делать с этим приемником — читать данные по протоколу NMEA с TX пина. Уровни — 5V, как раз для ардуины, скорость — 9600 бод. Подключаю VIN в VCC ардуины, GND в GND, TX в RX соответствующего serial. Читаю данные сначала вручную, затем с использованием библиотеки TinyGPS. На удивление, всё читается. После перехода на Uno пришлось использовать SoftwareSerial, и тут начались проблемы — теряется часть символов сообщения. Это не очень критично, так как TinyGPS отсекает невалидные сообщения, но довольно неприятно: о частоте в 1Гц можно забыть.

Небольшое замечание относительно SoftwareSerial: на Uno нет хардверных портов, поэтому приходится использовать программный. Так вот, он может принимать данные только на пине, на котором плата поддерживает прерывания. В случае Uno это 2 и 3. Мало того, данные одновременно может получать только один такой порт.

Вот так выглядит «тестовый стенд».

GSM приемник/передатчик

Теперь начинается более интересная часть. GSM модуль — SIM900. Он поддерживает GSM и GPRS. Ни EDGE, ни уж тем более 3G, не поддерживаются. Для передачи данных о координатах это, вероятно, хорошо — не будет задержек и проблем при переключении между режимами, плюс GPRS сейчас есть почти везде.

Однако, для каких-то более сложных приложений этого уже может не хватить.

Подключение

Модуль управляется также по последовательному порту, с тем же уровнем — 5V. И здесь нам уже понадобятся и RX, и TX. Модуль — shield, то есть, он устанавливается на ардуину. Причем совместим как с mega, так и с uno. Скорость по умолчанию — 115200.

Собираем на Mega, и тут нас ждет первый неприятный сюрприз: TX пин модуля попадает на 7й пин меги. На 7м пину меги недоступны прерывания, а значит, придется соединить 7й пин, скажем, с 6м, на котором прерывания возможны. Таким образом, потратим один пин ардуины впустую. Ну, для меги это не очень страшно — всё-таки пинов хватает. А вот для Uno это уже сложнее (напоминаю, там всего 2 пина, поддерживающих прерывания — 2 и 3). В качестве решения этой проблемы можно предложить не устанавливать модуль на ардуину, а соединить его проводами. Тогда можно использовать Serial1.

После подключения пытаемся «поговорить» с модулем (не забываем его включить). Выбираем скорость порта — 115200, при этом хорошо, если все встроенные последовательные порты (4 на меге, 1 на uno) и все программные работают на одной скорости. Так можно добиться более устойчивой передачи данных. Почему — не знаю, хотя и догадываюсь.

Итак, пишем примитивный код для проброса данных между последовательными портами, отправляем atz, в ответ тишина. Что такое? А, case sensitive. ATZ, получаем OK. Ура, модуль нас слышит. А не позвонить ли нам ради интереса? ATD +7499… Звонит городской телефон, из ардуины идет дымок, ноутбук вырубается. Сгорел преобразователь Arduino. Было плохой идеей кормить его 19 вольтами, хотя и написано, что он может работать от 6 до 20V, рекомендуют 7-12V. В даташите на GSM модуль нигде не сказано о потребляемой мощности под нагрузкой. Ну что ж, Mega отправляется в склад запчастей. С замиранием сердца включаю ноутбук, получивший +19V по +5V линии от USB. Работает, и даже USB не выгорели. Спасибо Lenovo за защиту.

После выгорания преобразователя я поискал потребляемый ток. Так вот, пиковый — 2А, типичный — 0.5А. Такое явно не под силу преобразователю ардуины. Нужно отдельное питание.

Программирование

Модуль предоставляет широкие возможности передачи данных. Начиная от голосовых вызовов и SMS и заканчивая, собственно, GPRS. Причем для последнего есть возможность выполнить HTTP запрос при помощи AT команд. Придется отправить несколько, но это того стоит: формировать запрос вручную не очень-то хочется. Есть пара нюансов с открытием канала передачи данных по GPRS — помните классические AT+CGDCONT=1,«IP»,«apn»? Так вот, тут то же самое нужно, но слегка хитрее.

Для получения страницы по определенному URL нужно послать следующие команды:

AT+SAPBR=1,1 //Открыть несущую (Carrier)
AT+SAPBR=3,1,"CONTYPE","GPRS" //тип подключения - GPRS
AT+SAPBR=3,1,"APN","internet" //APN, для Мегафона - internet
AT+HTTPINIT //Инициализировать HTTP 
AT+HTTPPARA="CID",1 //Carrier ID для использования.
AT+HTTPPARA="URL","http://www.example.com/GpsTracking/record. php?Lat=%ld&Lng=%ld" //Собственно URL, после sprintf с координатами
AT+HTTPACTION=0 //Запросить данные методом GET
//дождаться ответа
AT+HTTPTERM //остановить HTTP

В результате, при наличии соединения, получим ответ от сервера. То есть, фактически, мы уже умеем отправлять данные о координатах, если сервер принимает их по GET.

Питание

Поскольку питать GSM модуль от преобразователя Arduino, как я выяснил, плохая идея, было решено купить преобразователь 12v->5v, 3A, на том же ebay. Однако, модулю не нравится питание в 5в. Идем на хак: подключаем 5в в пин, с которого приходит 5в от ардуины. Тогда встроенный преобразователь модуля (существенно мощнее преобразователя ардуины, MIC 29302WU) сделает из 5в то, что нужно модулю.

Сервер

Сервер написал примитивный — хранение координат и рисование на Яндекс.картах. В дальнейшем возможно добавление разных фич, включая поддержку многих пользователей, статус «на охране/не на охране», состояние систем автомобиля (зажигание, фары и пр. ), возможно даже управление системами автомобиля. Конечно, с соответствующей поддержкой трекера, плавно превращающегося в полновесную сигнализацию.

Полевые испытания

Вот так выглядит собранный девайс, без корпуса:

После установки преобразователя питания и укладывания в корпус от дохлого DSL модема система выглядит так:

Припаивал провода, вынул несколько контактов из колодок ардуины. Выглядят так:

Подключил 12В в машине, проехался по Москве, получил трек:

Трек получается рваным. Причина в том, что отправка данных по GPRS занимает относительно много времени, и в это время координаты не считываются. Это явная ошибка программирования. Лечится во-первых, отправкой сразу пачки координат со временем, во-вторых, асинхронной работой с GPRS модулем.

Время поиска спутников на пассажирском сидении автомобиля — пара минут.

Выводы

Создание GPS трекера на ардуино своими руками возможно, хотя и не является тривиальной задачей. Главный вопрос сейчас — как спрятать устройство в машине так, чтобы оно не подвергалось воздействиям вредных факторов (вода, температура), не было закрыто металлом (GPS и GPRS будут экранироваться) и не было особенно заметно. Пока просто лежит в салоне и подключается к гнезду прикуривателя.

Ну и ещё нужно поправить код для более плавного трека, хотя основную задачу трекер и так выполняет.

Использованные устройства
  • Arduino Mega 2560 [compatible]
  • Arduino Uno [compatible]
  • GPS SkyLab SKM53
  • SIM900 based GSM/GPRS Shield
  • DC-DC 12v->5v 3A converter
Литература
  1. Оф. сайт Arduino (содержит подробную информацию и о платах, и об их программировании)
  2. TinyGPS (ссылка на скачивание в середине страницы)
  3. GPS SKM53 Datasheet
  4. Описание GSM/GPRS Shield на SIM900
  5. SIM900 AT Commands
  6. Документация по Яндекс.Картам
Код

Публикующийся код может быть использован в любых разрешенных законом целях любыми лицами. Качество кода ужасно, поскольку это, всё же, тестовый вариант. Когда допишу до чего-то более красивого, обновлю.

Для компиляции кода для ардуино нужно импортировать библиотеку tinygps.

Архив с кодом

Автор: gurux13

Источник

Система ГЛОНАСС, GPS: на службе геодезии

Современные инженерные изыскания невозможно представить без высокоточного оборудования. В том числе и спутниковой связи, которую обеспечивают система ГЛОНАСС и её американский аналог — GPS. Обе они работают по схожему принципу. Для геодезии, кадастровых и топографических нужд они дают высокую степень точности, возможность сбора данных даже на сложных географических участках, сокращают время, затрачиваемое на геодезическую съёмку.

Идея использования спутников в навигации и картографии зародилась ещё в советское время. Но по-настоящему полноценные системы ведут свой отчёт с конца 1970-х годов. Первый из двадцати четырёх спутников, положивших начало сети GPS (Global Positioning System) был запущен военными американцами в 1978-м. Число «24» — оптимальное количество орбитальных объектов для того, чтобы перекрыть всю земную поверхность.

Приёмников, записывающих данные со спутников, на поверхности земли можно расположить любое количество. Некоторые из них простые, устанавливаются в навигаторы автомашин, иные очень сложные, высокоточные, предназначенные для работы с данными в геодезии и других ответственных областях.

Приёмник позволяет своему владельцу круглосуточно получать координаты, точную дату и время отправки сообщений, расстояние до передатчика. Имея данные трёх спутников, приёмник легко рассчитывает координаты точки, в которой находится: широту, долготу. Присоединив четвёртый спутник — выдаёт высоту над уровнем моря. Поскольку и спутники, и приёмники двигаются, окончательные данные складываются из вычислительной работы приёмника и наземного центра. Эта упрощённая схема даёт представление, как функционирует то, что неофициально уже стали называть — Эра ГЛОНАСС.

Между ГЛОНАСС и Джипиэс есть некоторые отличия технического характера. Так, американская система нуждается в корректировке данных о нашей территории. Зато считается, что её срок эксплуатации длиннее, чем у приборов российского аналога.

Геодезическая работа и спутники

Поскольку системы схожи по своему действию и выполняют одни и те же функции, будем говорить о них как о едином целом. Изначально предназначенные для нужд армии, эти устройства ныне используются в навигации, а в последние годы — в строительстве, инженерных изысканиях и даже сельском хозяйстве. Кадастровые инженеры всё чаще пользуются ею для межевания.

GPS и ГЛОНАСС в геодезии

Глобальные системы способны значительно облегчить и убыстрить работу кадастрового инженера или геодезиста. Вот лишь небольшой перечень задач, с которыми они способны справиться:

  • вычисления при реконструкции или установке опорных сетей;
  • топографическая съёмка на значительной территории;
  • моделирование проектов на натуре;
  • межевание, определение границ земельных наделов;
  • привязка измерений к государственной геосети.

Проводится статическая и кинематическая съёмки. Первая необходима при фиксации точных координат установки опорных сетей, вторая — топографических схем. В движении проводится межевание земель с определением поворотных точек, разбивочные работы для вынесения на ландшафт ключевых проектных отметок и осей готового проекта. При этом данные обрабатываются в реальном временном отрезке.

Положительные и отрицательные стороны ГЛОНАСС

Используя приёмники, работающие со спутниковой системой, при проведении геодезических работ, мы получаем ряд преимуществ:

  • быстроту измерительных операций;
  • простоту вычислений;
  • почти идеальную точность;
  • возможность вычислений для точек в непрямой видимости;
  • независимость от метеоусловий.

Самыми существенными недостатками можно назвать чувствительность к близким к антенне препятствиям, сбой при воздействии электромагнитного поля. Не всегда просто установить антенну, если нужная точка находится в угловой части дома, на уровне его цоколя или ниже, на фундаменте. Из-за этого использовать только джипиэс при проведении кадастровых работ непрактично. Они используются в комплексе с другим геодезическим оборудованием, в частности, с электронными тахеометрами.

Фотограмметрия и Джипиэс

Превосходно справляется приёмник GPS, когда надо провести сгущение геосети на территории, для которой готовится карта, привязать локальную систему координат к глобальному объекту, провести съёмки земельного участка или фотограмметрические работы (привязка форм, размеров и расположения объектов на местности по их фотографическим изображениям).

Возможности фотограмметрии значительно расширились за счёт совершенствования приёмников GPS для самолётов. Задача перед конструкторами стояла непростая: нужно было «научить» прибор определять точное угловое положение летящего объекта в пространстве. Ныне съёмка осуществляется так:

  • самолёт двигается по заданному маршруту;
  • прибор фиксирует момент вхождения в заданную координатную точку;
  • навигация передаёт сигнал на аэрофотокамеру;
  • срабатывает затвор;
  • прибор передаёт цифровые снимки в память бортового компьютера.

В дальнейшем все полученные данные обрабатываются также, как обычная кинематическая съёмка. Снимки привязываются к контрольным точкам, выставленным по границам исследуемой территории. Сейчас такой метод применяется для кадастровой съёмки во многих районах, где до сих пор не было кадастровых планов и карт.

При межевании земельных участков и проведении геодезических работ ГЛОНАСС и GPS становятся незаменимыми. Они дают значительные преимущества в скорости проведения изысканий, мобильности и возможности удалённой съёмки.

Заключение

Конечно, чем легче просматривается местность, тем проще использовать технологии спутниковой съёмки для установления координат и границ. На свободной местности можно установить приёмник на автомобиль или иной транспорт и включить кинематическую съёмку. Для особой точности возможно замерять координаты точек с частотой в одну секунду или фиксируя каждый сантиметр поверхности. При таких условиях, эффективность кадастровых работ будет максимально высокой.

Использование спутниковых систем, таких как ГЛОНАСС или GPS, позволяет развивать принципиально новое направление в геодезии. Вероятнее всего, вскоре появятся и другие подобные методы изучения земной поверхности. Но на современном этапе, возможности систем далеко не исчерпаны. Они лишь начинают развиваться, позволяя строителям, проектировщикам, инженерам и картографам работать быстро, качественно и результативно.

 

Создание системы GPS — SparkFun Electronics

Благодаря усилиям блестящих инженеров и ученых GPS (Global Positioning System) сегодня является краеугольным камнем технологии в нашем мире. Будь то навигационная система нашего автомобиля или портативное устройство во время прогулки по лесу, теперь мы можем точно определить нашу точную широту и долготу по спутникам, вращающимся вокруг Земли. Довольно сумасшедший, не так ли? Пойдемте с нами и узнайте, что это такое, как это работает и как вы можете создать свою собственную систему GPS.

Узнайте об истории GPS, о том, как он работает и как он стал неотъемлемой технологией в современном мире.

Как работает GPS?

На средней околоземной орбите (12 550 миль) в любой момент времени работает примерно 31 спутник. Это относительно большая система, работающая с тщательным планированием и калибровкой. Основная идея — математика. Ждать! Позвольте мне закончить. Ваш приемник точно определяет местоположение, вычисляя расстояние между вами и этим спутником.Это делается путем умножения скорости сигнала (скорости света) на время атомных часов на спутнике. Вы можете получить свое местоположение с трех спутников, но это будет не так точно — четыре спутника необходимы для определения вашего местоположения в трех измерениях. Три спутника необходимы для координат x, y и z, и один спутник для определения времени прохождения сигнала от спутников до приемника (см. изображения ниже).

Для определения точного местоположения необходимы четыре спутника: оси X, Y и Z и показания часов.

Спутниковые технологии

Хорошо, круто. Итак, спутники летают вокруг, выдавая данные о местоположении, и если я нахожусь в пределах прямой видимости, мой приемник сообщит мне мое местоположение. Это оно? Нет, не совсем. Мы только что сделали небольшой шаг в сторону технологии GPS в целом. Мы установили, что есть две ключевые части, спутники и приемники, так что теперь давайте посмотрим поближе. Приемник обычно представляет собой микросхему, которая может принимать электромагнитные волны и преобразовывать их в читаемые данные.Эти системы могут варьироваться от отдельного чипа до коммутационной платы и сложной пользовательской системы, например, в автомобиле. Если вы создаете проект, основанный на этих типах технологий, вам необходимо понимать три основные функции, необходимые для их работы. Для модуля GPS вам понадобится антенна, интегрированная система для выполнения математических операций и передачи данных, а также выход протокола связи, который передается пользователю или конечной системе.

Антенна

Любая система беспроводной связи будет оснащена всемогущей антенной.Короче говоря, мы ищем проводящий металл, при попадании на который электромагнитных волн внутри проводника будет протекать электрический ток. Подумайте о том, чтобы плескаться в бассейне и смотреть, как волны плещутся по воде. Этот ток течет особым образом, управляемый электромагнитной волной. Существует целая инженерная дисциплина, посвященная изготовлению антенн, так что не будем углубляться. Но это важный компонент для следующей части системы.

Интегрированная система

Для этой части нет точного стандарта, но нам нужна электроника, чтобы отфильтровывать нежелательные частоты волн и считывать те, которые нас интересуют. Эти системы могут быть сложными, как в случае с GPS-RTK, или простыми для обычного GPS. Базовым рецептом будет фильтр, декодер сигналов и некоторый коммуникационный выход. Мы используем различные чипы, и у каждого есть свои преимущества и недостатки. Так как же мы общаемся с этими чипами?

Протоколы связи

Предположим, вы слышали или имеете некоторый опыт использования распространенных методов связи между электронными устройствами, таких как последовательный порт, I2C, SPI и т. д.Это аппаратные методы связи между компьютерами, но у GPS есть дополнительный уровень. Как мы можем объяснить, что многие спутники летают вокруг, выплевывая свои собственные языки? Мы вводим протоколы связи GPS, что является просто причудливым способом стандартизации. Знакомьтесь со стандартом NMEA-0183: он разбивает сигналы на предложения.

Когда сигнал декодируется в этот стандарт, некогда электромагнитная волна становится понятной для человека. Бросьте его на линии связи, и наш компьютер может показать нам наше местоположение.

Если вы хотите узнать больше о GPS, посетите нашу страницу Основы GPS ниже.

Основы GPS

14 декабря 2012 г.

Глобальная система позиционирования (GPS) — это чудо инженерной мысли, к которому у всех нас есть доступ по относительно низкой цене и без абонентской платы. С правильным оборудованием и минимальными усилиями вы можете определить свое местоположение и время практически в любой точке земного шара.

Поиск вашего первого местоположения

Теперь, когда мы рассмотрели основы работы с GPS, пришло время приступить к делу. Мы собрали несколько простых учебных пособий, чтобы познакомить вас с аппаратным обеспечением и программированием, необходимыми для создания вашего первого проекта GPS.

Обязательно ознакомьтесь с нашими руководствами по подключению!

При обучении использованию оборудования GPS одним из лучших способов обучения является просмотр руководств по подключению.Для каждого продукта SparkFun у нас есть соответствующее руководство по подключению на страницах продукта, расположенных под описанием. Мы делаем все возможное, чтобы пройтись по всем необходимым соединениям, связанным библиотекам и одной или двум рабочим демонстрациям, чтобы запустить ваш проект.

Повышение точности и аккуратности

Благодаря технологическим достижениям в области GPS-приемников мы можем достичь точности определения местоположения до одного сантиметра и даже сохранять азимут при слабом сигнале или его отсутствии.

Кинематика в реальном времени (RTK)

GPS-приемники

, поддерживающие RTK, принимают обычные сигналы от глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) вместе с корректирующим потоком для достижения точности позиционирования в 1 см. Вдобавок к этим сигналам приемник RTK принимает поток поправок RTCM, а затем вычисляет ваше местоположение с точностью до 1 см в режиме реального времени. Скорость варьируется между приемниками, но большинство из них выдает решение не реже одного раза в секунду; некоторые приемники могут выводить это высокоточное решение до 20 раз в секунду.Узнайте больше о RTK в нашем учебном пособии Что такое GPS RTK.

Мертвая расплата

Навигация по густонаселенному городу, короткому туннелю или гаражу может привести к ухудшению качества сигнала или полной его потере. Эти проблемы можно решить с помощью расчетов; процесс определения текущего положения путем объединения ранее определенных данных о местоположении со скоростью и курсом. Трехмерные инерциальные измерительные устройства (IMU) и данные о расстоянии до транспортного средства (например, количество шагов колес и одометры) можно использовать для непрерывного расчета текущего положения транспортного средства, когда данные GNSS на мгновение перестают работать. Счисление мертвых может быть достигнуто с нашей коммутационной платой GPS Dead Reckoning NEO-M8U.

Лучшее из обоих миров

Объединение кинематики в реальном времени и счисления пути раньше было задачей, для которой требовалось специальное оборудование на тысячи долларов. К счастью, технологии продвинулись до такой степени, что достижение невероятной точности без привязки стало гораздо более доступным. SparkFun производит две платы (GPS-RTK Dead Reckoning Breakout и GPS-RTK Dead Reckoning pHAT для Raspberry Pi), чтобы делать именно это.Эти платы потребуют значительной работы конечного пользователя для настройки и калибровки, поскольку они предназначены для профессионального применения.

Товары

Как и любая другая технология, GPS-оборудование поставляется в различных формах и размерах, чтобы соответствовать конкретным потребностям вашего проекта. Ниже мы перечислили несколько наших любимых коммутационных плат, антенн и модулей.

Наш творческий технолог Роб знакомит нас с различными типами GPS-оборудования
и предоставляет информацию, которая поможет вам построить систему, подходящую именно вам.

См. наше Руководство по покупке GPS

Разделительные платы GPS:

Платы

GPS оснащены приемником и могут взаимодействовать с вашими любимыми платами для разработки, такими как SparkFun RedBoard Qwiic.

Посмотреть все разделительные доски GPS

Антенны:

Для некоторых проектов требуется антенна для лучшего приема сигналов со спутников. Ниже приведены некоторые из наших любимых.

Интерфейсный кабель SMA-U.FL

В наличии WRL-09145

Это 4-дюймовый соединительный кабель, который соединяет RF-разъемы U.FL с обычными разъемами SMA. Этот кабель обычно используется для кон…

3

Посмотреть все Антенны GPS

Модули:

GPS-модули

являются приемниками сигналов.Эти модули поставляются без разделительной платы, поэтому взаимодействие с этими модулями может усложнить проект.

Посмотреть все GPS-модули

Дополнительные проекты

Вот еще несколько проектов, использующих GPS. Мы всегда стараемся расширить нашу библиотеку проектов и руководств, поэтому заходите почаще или заполните форму выше, чтобы получать уведомления о новом контенте.

GPS-часы Qwiic

14 сентября 2020 г.

Который сейчас час? Вам пора… Qwiic-ly создает часы GPS и выводит их на дисплей! Этот проект предоставляет вам текущую дату и время, используя спутники GPS. Прочитайте дату и время как цифровые или аналоговые часы. Или даже настройте часы на военное время, свой часовой пояс или автоматически переведите время на летнее время!

Руководство для начинающих по RFID

15 июня 2020 г.

В этом уроке мы вернемся к некоторым основам RFID и попрактикуемся, создав регистратор удаленной работы, используя считыватель RFID и модуль GPS. Вы отсканируете карту и получите идентификатор, место и время. Все идеальные данные для ввода и вывода из ниоткуда!

Дифференциальный векторный указатель GPS

31 мая 2016 г.

Используйте GPS, чтобы два объекта, база и цель, были направлены друг на друга. Это можно использовать для наведения направленной антенны (или, в случае этого проекта, лазера) с одного объекта на другой объект на расстоянии, которое ограничено только вашей способностью предоставить базовой станции GPS-местоположение цели.

Как создать свой собственный приемник GPS

Этот сайт может получать партнерские комиссионные от ссылок на этой странице. Условия эксплуатации.

Для хакера лучший способ понять, как работает система, — это разбить ее на составные части, провести чертовски много исследований, а затем перестроить ее с нуля. Эндрю Холм, британский аппаратный хакер, построил свою собственную телефонную станцию, память на магнитных сердечниках, аппаратный захват Ethernet-пакетов, а теперь, надев медную корону, свой собственный GPS-приемник.

Глобальная система позиционирования очень проста в своей работе. В любой момент времени вокруг Земли постоянно вращается от 24 до 32 спутников GPS. Они вращаются в шести различных плоскостях, по крайней мере, с четырьмя спутниками в каждой плоскости (см. Ниже). Если вы помните школьное упрощение того, как электроны вращаются вокруг ядра атома, спутники GPS вращаются вокруг Земли очень похожим образом.Так или иначе, в результате шесть спутников находятся в пределах прямой видимости практически из каждой точки на земле, а для получения GPS-привязки вам нужен хороший сигнал всего от четырех. Чтобы вычислить ваше положение, каждый спутник GPS постоянно передает свои эфемеридные данные (свое местоположение) и время. Ваш GPS-приемник использует эти данные для триангуляции вашего местоположения.

Теперь… создать свой собственный GPS-приемник так же «просто», как получить и демультиплексировать четыре сигнала GPS, но не позволяйте приведенному выше изображению обмануть вас: существует плата Xilinx FPGA dev, которая выполняет обработку сигналов в реальном времени. t, а ПК с Windows выполняет контролирующую роль, выбирая исправные спутники, анализируя полученные данные и т. д.Холму пришлось самому паять печатную плату, программировать ПЛИС и разрабатывать программное обеспечение контроллера ПК. Конечным результатом, однако, является система, которая может определить местонахождение и измерить мощность сигнала каждого видимого спутника в небе и обеспечить привязку GPS за 2,5 секунды; лучше, чем ваш смартфон или TomTom, скорее всего.

Будучи настоящим хакером, Холм сделал доступными все принципиальные схемы и исходный код, необходимые для создания собственного GPS-приемника. Общая стоимость деталей не указана, но она составит не менее нескольких сотен долларов, если только у вас не завалялся кеш с битами. Тем не менее, это определенно та вещь, которую вы могли бы построить, обладая некоторыми элементарными знаниями в области электронной техники.

И, наконец, добавим суп незаконных шалостей: каждое коммерческое устройство GPS должно быть ограничено в работе на высоте более 60 000 футов и на скорости более 1000 узлов, чтобы вы не могли создавать свои собственные межконтинентальные баллистические ракеты, что на самом деле является основным цель GPS, созданной Министерством обороны США. Самодельный GPS-приемник Холма не имеет таких ограничений…

Узнайте больше на веб-сайте Эндрю Холма, посмотрите другие его аппаратные лайфхаки или о GPS в Википедии

GPS-приемник на базе ПК | Полная электроника DIY Project

Сегодня существует множество гаджетов с технологией GPS.GPS расшифровывается как «глобальная система позиционирования». Она предоставляет данные, соответствующие положению самого приемника GPS на основе международных стандартов широты и долготы, в дополнение к стандартному всемирному координированному времени (UTC), а также некоторую дополнительную информацию, полученную от ближайший спутник, назначенный для этой цели. (UTC является основным стандартом времени, по которому мир регулирует часы и время.)

Здесь представлен GPS-приемник на базе ПК, который позволяет вам определять местоположение места, а также показывает стандартное время на вашем ПК.Это может быть полезно в отдаленных районах, где нет других беспроводных сетей для мобильных устройств и Интернета. Приемник GPS также полезен для исследований и других сложных приложений.

Описание цепи

Система состоит из ПК, приемника GPS, который собирает данные со спутника, и интерфейсной схемы для отправки данных на ПК через последовательный порт.

Рис. 1: Блок-схема GPS-приемника на базе ПК. 2: Схема GPS-приемника на базе ПКРис. 3: GPS-модуль

Единственная задействованная схема — это последовательное соединение между ПК и GPS-модулем.Блок-схема GPS-приемника на базе ПК показана на рис. 1. Все, что вам нужно, это последовательный кабель, схема драйвера MAX232 и блок питания. Полная схема показана на рис. 2. Системе требуется 5 В, а также 3,3 В постоянного тока — 5 В для MAX232 и 3,3 В для модуля GPS.

GPS-модуль

Мы использовали GPS-модуль iWave (см. рис. 3) с внешней антенной. Для этого модуля требуется питание 3,3 В постоянного тока.

Основная работа системы основана на декодировании протокола NMEA.GPS-модуль iWave использует NMEA-0183, который является частью протокола NMEA. Этот протокол включает в себя набор сообщений, которые используют набор символов ASCII и имеют определенный формат. Эти сообщения непрерывно отправляются модулем GPS на сопряженное устройство. Каждое сообщение начинается с «$» (шестнадцатеричный 0x24) и заканчивается (шестнадцатеричный 0x0D 0x0A).

Эти сообщения включают GGA, GGL, GSA, GSV, RMC, VTG и ZDA. Здесь вам не нужно знать обо всех этих сообщениях. Вам нужна только строка сообщения GGA, которая представляет время, положение и фиксированные данные для этого приложения.Эта строка имеет формат вроде:

.

$GPGGA, 002153.000, 3342.6618, N, 11751.3858, W, 1.2, 27.0, M, -34.2, M,, 0000*5E

, где каждое поле, разделенное запятой (,), представляет определенную информацию. Мы использовали только пять из этих полей для отображения времени, широты, широты-направления, долготы и долготы-направления, которые являются вторым, третьим, пятым, четвертым и шестым полями соответственно.

Программное обеспечение

Программное обеспечение преобразования положения было разработано с использованием языка программирования высокого уровня.По сути, это настольное приложение .NET (Windows Form), настроенное таким образом, чтобы оно могло работать на любом ПК с .NET framework 3.5 или более поздней версии. Код написан на языке C# .NET и скомпилирован на платформе .NET в среде Microsoft Visual Studio 2010. Скриншот вывода программы показан на рис. 4.

Рис. 4: Программный вывод GPS-приемника на базе ПК

Приемник GPS получает данные о широте и долготе со спутника. Эти данные предоставляют вам точное положение приемника на поверхности Земли в режиме реального времени.С информацией о широте и долготе вы можете просмотреть местоположение на стандартной карте. Полученные данные о широте и долготе также можно ввести в любое бесплатное программное обеспечение, такое как itouchmap, доступное по адресу http://itouchmap.com/latlong.html, где можно просмотреть точную точку местоположения на Земле. Вы также можете получить карту на сайте www.mapsofworld.com/lat_long/india-lat-long.html

.

Строительство и испытания

На рис.5 и компоновка его компонентов на рис. 6.

Рис. 5: Односторонняя печатная плата для GPS-приемника на базе ПКРис. 6: Компоновка компонентов для печатной платы
Загрузите PDF-файлы с компоновкой печатных плат и компонентов: нажмите здесь
Загрузить исходный код: нажмите здесь

Эта часть относительно проще и удобна для пользователя, поскольку программное обеспечение предоставляет все шаги, необходимые для выполнения, в простом пользовательском интерфейсе. Когда вы подключаете адаптер 9В к цепи, LED1 светится, указывая на наличие источника питания в цепи. Подождите некоторое время, скажем, 5-10 минут, для инициализации модуля GPS. После инициализации вы можете запустить программное обеспечение, чтобы начать получать данные.

Шаги следующие:

  1. Откройте исполняемый файл (.exe), созданный сразу после компиляции кода C#. На экране появится окно «Отображение GPS» (см. рис. 4).
  2. Выберите последовательный COM-порт, щелкнув стрелку.
  3. В раскрывающемся меню выберите COM-порт, к которому вы подключили модуль GPS.

Если все в порядке, вы получите широту и долготу прямо на экране вашего ПК. В противном случае выключите и снова включите цепь, подождите некоторое время и повторите вышеуказанные шаги.

Когда у вас на экране появятся координаты, вы можете взять карту мира и найти это место самостоятельно. Если вы хотите увидеть точное стандартное время, обратитесь к времени, полученному в этом приложении, которое полностью зависит от спутниковой навигации.

Автор учится на третьем курсе комплексного двудипломного курса по электронике и технике связи в ИИТ, Рурки.

Статья впервые опубликована 26 октября 2015 г. и обновлена ​​28 апреля 2020 г.

Основная концепция GPS-приемника и его компонентов

Основные компоненты GPS-приемника показаны на рис. 10. Это:

— Антенна с предусилителем

— ВЧ-секция с идентификацией сигналов и обработкой сигналов

— Микропроцессор для управления приемником, выборки данных и обработки данных

— Прецизионный осциллятор

— Блок питания

— Пользовательский интерфейс, панель управления и дисплея

— Память, хранилище данных

Рисунок 10: Основные компоненты GPS-приемника

Антенна

Чувствительная антенна приемника GPS обнаруживает сигнал электромагнитной волны, передаваемый спутниками GPS, и преобразует энергию волны в электрический ток, усиливает мощность сигнала и отправляет его на электронику приемника.

Несколько типов используемых GPS-антенн в основном относятся к следующим типам (рис.

Монополюсная спираль Спиральная спираль Микрополосковое дроссельное кольцо

Рисунок 11: Типы антенн GPS

Монополюсная спираль Спиральная спираль Микрополосковое дроссельное кольцо

Рисунок 11: Типы антенн GPS

— Монополюс или диполь

— Четырехзаходная спираль (волюта)

— Спиральная спираль

— Микрополоска (патч)

— Дроссельное кольцо

Микрополосковые антенны

используются чаще всего из-за их дополнительных преимуществ для бортового применения, материализации приемника GPS и простоты конструкции.Однако для геодезических нужд антенны рассчитаны на прием обеих несущих частот L1 и L2. Кроме того, они защищены от многолучевости дополнительными заземляющими пластинами или дроссельными кольцами. Дроссельное кольцо состоит из полосок проводника, концентричных с вертикальной осью антенны и соединенных с заземляющей пластиной, что, в свою очередь, уменьшает эффект многолучевости.

ВЧ-секция с идентификацией и обработкой сигналов

Входящие сигналы GPS преобразуются с понижением частоты в более низкую частоту в секции RS и обрабатываются в одном или нескольких каналах. Канал приемника является основным электронным блоком приемника GPS. Приемник может иметь один или несколько каналов. В концепции параллельного канала каждый канал непрерывно франкирует один конкретный спутник. Для определения положения и времени требуется минимум четыре параллельных канала. Современные приемники содержат до 12 каналов для каждой частоты.

В концепции последовательного канала канал переключается со спутника на спутник через регулярные промежутки времени. Одноканальному приемнику требуется не менее четырех раз по 30 секунд для определения первого положения, хотя некоторые типы приемников имеют выделенный канал для считывания сигнала данных.В настоящее время в большинстве случаев используются каналы быстрой последовательности со скоростью переключения около одной секунды на спутник.

В канале мультиплексирования последовательность на очень высокой скорости между различными спутниками достигается с использованием одной или обеих частот. Скорость переключения синхронна с навигационным сообщением 50 бит/с или 20 миллисекунд на бит. Полная последовательность с четырьмя спутниками завершается через 20 миллисекунд или через 40 миллисекунд для двухчастотных приемников. Навигационное сообщение является непрерывным, поэтому первое исправление достигается примерно через 30 секунд.

Хотя параллельные каналы с непрерывным отслеживанием дешевы и обеспечивают хорошую общую производительность, приемники GPS, основанные на технологии мультиплексирования, вскоре будут доступны по более низкой цене из-за электронного бума.

Микропроцессор

Для управления работой приемника GPS необходим микропроцессор для приема сигналов, обработки сигнала и декодирования широковещательного сообщения. Также требуются дополнительные возможности вычисления положения и скорости в реальном времени, преобразования в заданные местные данные или определения информации о путевых точках.В будущем все больше и больше релевантного пользователю программного обеспечения будет размещаться на миниатюрных микросхемах памяти.

Прецизионный осциллятор

Опорная частота в приемнике генерируется прецизионным генератором. Обычно в приемниках используется менее дорогой кварцевый генератор с низкой производительностью, поскольку точная информация о часах получается со спутников GPS, а ошибка часов пользователя может быть устранена с помощью метода двойной разности, когда все участвующие приемники наблюдают точно в одну и ту же эпоху.Для навигации с двумя или тремя спутниками используется только внешний высокоточный генератор.

Источник питания

Приемники GPS первого поколения потребляли очень много энергии, но современные приемники спроектированы таким образом, чтобы потреблять как можно меньше энергии. Большинство приемников имеют внутреннюю перезаряжаемую никель-кадмиевую батарею в дополнение к внешнему источнику питания. Предупреждение о низком заряде батареи побуждает пользователя обеспечить надлежащее расположение источника питания.

Емкость памяти

Для обработки портов все данные должны храниться во внутренней или внешней памяти.Постобработка необходима для многостанционных методов, применимых к геодезическим и геодезическим задачам. GPS-наблюдения для псевдодальности, фазовые данные, время и данные навигационных сообщений должны быть записаны. Основываясь на частоте дискретизации, она составляет около 1,5 Мбайт данных в час для шести спутников и 1 секунду данных для двухчастотных приемников. Современные приемники имеют внутреннюю память объемом 5 Мбайт и более. Некоторые приемники сохраняют данные на магнитной ленте или на дискете или жестком диске, используя внешний микрокомпьютер, подключенный через порт RS-232.

Большинство современных приемников имеют клавиатуру и дисплей для связи между пользователем и приемниками. Клавиатура используется для ввода команд, внешних данных, таких как номер станции или высота антенны, или для выбора операции меню. На дисплее отображаются вычисленные координаты, видимые спутники, индексы качества данных и другая подходящая информация. Текущие пакеты программного обеспечения управляются с помощью меню и очень удобны для пользователя.

Классификация приемников GPS

Приемники GPS

можно разделить на различные группы по разным критериям. На ранних этапах в качестве критериев классификации использовались две основные технологии, а именно. Технология приемника кодовой корреляции и технология приемника последовательности, которые были эквивалентны зависимым от кода приемникам и приемникам без кода. Однако такое разделение больше не является оправданным, поскольку в существующих приемниках реализованы оба метода.

Другая классификация приемников GPS основана на сборе типов данных, т.е.

— Приемник кода C/A

— Код C/A + L1 Несущая фаза

— Код C/A + Фаза несущей L1 + Фаза несущей L2

— Несущая фаза L1 (не очень часто)

— L1, L2 Несущая фаза (используется редко)

В зависимости от технической реализации канала приемники GPS можно классифицировать как:

— Многоканальный приемник

— Последовательный приемник

— Мультиплексный приемник

Приемники

GPS даже классифицируются по назначению как:

— Военный приемник

— Гражданский приемник

— Навигационный приемник

— Приемник времени

— Геодезический приемник

Для геодезических приложений важно использовать данные фазы несущей как наблюдаемые. Использование частоты L1 и L2 также необходимо вместе с P-кодом.

Примеры GPS-приемника

Рынок GPS-приемников

развивается и расширяется с очень высокой скоростью. Приемники становятся мощными, дешевыми и компактными. Невозможно дать подробную информацию о каждой модели, но приведенное описание некоторых типовых приемников можно рассматривать как основу для оценки будущего поиска и изучения приемников GPS.

Классические приемники

Подробное описание зависимого от кода GPS-навигатора T1 4100 и свободного от кода макрометра V1000 приведено здесь:

GPS-навигатор

T1 4100 был произведен компанией Texas Instruments в 1984 году.Это был первый приемник GPS, обеспечивающий наблюдения в коде C/A и P, а также наблюдения фазы несущей L1 и L2. Это приемник с двухчастотным мультиплексированием, который подходит для геодезистов, геодезистов и навигаторов. Наблюдаемые через него:

— псевдодиапазоны P-кода на L1 и L2

— Псевдодиапазоны C/A-Code на L1

— Несущая фаза на L1 и L2

Данные записываются внешним магнитофоном на цифровые кассеты или загружаются непосредственно во внешний микропроцессор. Ручной дисплей управления (CDU) используется для связи между наблюдателем и приемником. Для навигационных целей встроенный микропроцессор обеспечивает положение и скорость в режиме реального времени каждые три секунды. Т1 4100 представляет собой крупногабаритный прибор весом около 33 кг и может быть упакован в два транспортировочных кейса. Потребляет 90 Вт энергии в режиме работы 22В — 32В. Рекомендуется использовать генератор. Шум наблюдения в P-коде составляет от 0,6 до 1 м, в коде C/A он находится в диапазоне от 6 до 10 м, а для фазы несущей — от 2 до 3 м.

T1 4100 широко использовался в многочисленных научных и прикладных проектах GPS и используется до сих пор. Основные недостатки T1 4100 по сравнению с более современным оборудованием GPS:

.

— Громоздкий размер оборудования

— Высокое энергопотребление

— Сложная операционная процедура

— Ограничение отслеживания четырех спутников одновременно

— Высокий уровень шума при измерении фазы

Чувствительность его антенны к многолучевости и изменению фазового центра при подключении двух приемников к одной антенне и одновременном слежении за семью спутниками. Для больших расстояний и в научных проектах T1 4100 по-прежнему считается полезным. Однако из-за наложения ограничения на P-код для гражданских лиц, T1 4100 во время активации Anti Spoofing (AS) может использоваться только как одночастотный приемник кода C/A.

MACROMETER V 1000, GPS-приемник без кода, был представлен в 1982 году и стал первым приемником для геодезических приложений. Точные результаты, полученные с его помощью, продемонстрировали потенциал очень точных фазовых наблюдений GPS. Это одночастотный приемник, который отслеживает 6 спутников по 6 параллельным каналам.Полная система состоит из трех блоков, а именно.

— Приемник и регистратор с блоком питания

— Антенна с большой пластиной заземления

— процессор P 1000

Процессор необходим для предоставления данных альманаха, поскольку Macrometer V 1000 не может декодировать спутниковые сообщения и обрабатывать данные. В заранее определенные периоды времени измеряются разности фаз между принятым сигналом несущей и опорным сигналом от генератора приемника. Типичная базовая точность, сообщаемая для расстояния до 100 км, составляет от 1 до 2 частей на миллион (частей на миллион).

Macrometer II, двухчастотная версия, была представлена ​​в 1985 году. Хотя он сравним с Macrometer V 1000, его энергопотребление и вес намного меньше. Обе системы требуют внешних эфемерид. Следовательно, его могут использовать специализированные операторы немногих компаний, и требуется синхронизировать часы всех приборов, которые предполагается использовать для конкретного сеанса наблюдения. Чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки, двухчастотный Macrometer II был дополнительно уменьшен и объединен с одночастотным приемником кода C / A с торговой маркой MINIMAC в 1986 году, таким образом, он стал приемником, зависящим от кода.

Примеры существующих геодезических GPS-приемников

Описаны некоторые из доступных в настоящее время приемников GPS, которые используются в геодезической съемке и точной навигации. Почти все модели начинались как одночастотные приемники C/A-Code с четырьмя каналами. Позже была добавлена ​​фаза несущей L2 и увеличена возможность отслеживания. В настоящее время все ведущие производители перешли на технологию L2 без кода и без последовательности. В 1986 году компании WILD/LEITZ (Хеербруг, Швейцария) и MAGNAVOX (Торранс, Калифорния) совместно разработали геодезический приемник WM 101.Это четырехканальный приемник кода L1 C/A. Три канала последовательно отслеживают до шести спутников, а четвертый канал, обслуживающий каналы, собирает спутниковые сообщения и периодически калибрует межканальные смещения. C/A-код и реконструированные данные фазы несущей L1 наблюдаются один раз в секунду.

Двухчастотный WM 102 был выпущен на рынок в 1988 году со следующими основными характеристиками:

— Прием L1 с семью каналами кода C/A, отслеживающими до шести спутников одновременно.

— Прием L2 до шести спутников с одним каналом последовательного P-кода

— Модифицированный метод последовательности для получения L2, когда сигналы P-кода зашифрованы.

Наблюдения могут быть записаны на встроенные кассеты данных или могут быть переданы в режиме онлайн на внешний регистратор данных через интерфейс RS 232 или RS 422. Связь между оператором и приемником устанавливается с помощью буквенно-числовой панели управления и дисплея. WM 101/102 имеет большое разнообразие встроенных в приемник опций, управляемых меню, и сопровождается комплексным программным обеспечением для постобработки.

В 1991 году была представлена ​​система WILD GPS 200. Аппаратное обеспечение состоит из двухчастотного GPS-датчика Magnavox SR 299, ручного GPS-контроллера CR 233 и батареи Nicd. Подключаемые карты памяти обеспечивают носитель записи. Он может отслеживать 9 спутников одновременно на L1 и L2. Восстановление фазы несущей на L1 осуществляется с помощью C/A-кода, а на L2 — с помощью P-кода. Приемник автоматически переключается на бескодовый L2, когда P-код зашифрован. Он потребляет 8,5 Вт через 12-вольтовый блок питания.

TRIMBLE NAVIGATION (Санни-Вейл, Калифорния) производит TRIMBLE серии 4000 с 1985 года. Приемник первого поколения представлял собой приемник кода L1 C/A с пятью параллельными каналами, обеспечивающий одновременное отслеживание 5 спутников. Дальнейшая модернизация включала увеличение количества каналов до двенадцати, возможность секвенирования L2 и возможность P-кода. TRIMBLE Geodatic Surveyor 4000 SSE — самая совершенная модель. Когда P-код доступен, он может выполнять следующие типы наблюдений, а именно.,

— Измерения фазы L1 и L2 полного цикла

— L1 и L2, измерения P-кода, когда AS включен и P-код зашифрован

— Полный цикл измерения фаз L1 и L2

— Взаимно коррелированные данные Y-кода

Шум наблюдения при измерении фазы несущей, когда доступен P-код, составляет около n 0–2 мм, а псевдодальность P-кода составляет всего n 2 см. Следовательно, он очень подходит для методов быстрого разрешения неоднозначности с помощью комбинаций код/несущая.

Компания ASHTECH (Саннивейл, Калифорния) разработала GPS-приемник с 12 параллельными каналами и стала пионером современной многоканальной технологии. GPS-приемник ASHTECH XII был представлен в 1988 году. Он способен измерять псевдодальности, фазу несущей и интегрированный доплеровский доплеровский сигнал до 12 спутников на L1. Измерение псевдодальностей сглажено с помощью встроенного допплера. Информация о скорости, времени и навигации отображается на клавиатуре с 40-символьным дисплеем. Опция L2 добавляет 12 физических каналов квадратурного типа L2.

GPS-приемник ASHTECH XII представляет собой наиболее совершенную систему, простую в обращении и не требующую процедур инициализации. Измерения всех спутников в поле зрения выполняются автоматически. Данные могут храниться во внутренней твердотельной памяти емкостью 5 Мбайт. Минимальный интервал выборки составляет 0,5 секунды. Как и многие другие приемники, он имеет следующие дополнительные опции, а именно.

— Выход сигнала синхронизации 1 ppm

— Вход фотограмметрической камеры

— Навигация по путевым точкам

— Дифференциальная навигация в реальном времени и предоставление программного обеспечения для обработки портов и планирования обзора

В 1991 году на рынок поступил GPS-приемник ASHTECH P-12. Он имеет 12 выделенных каналов L1, P-кода и несущей и 12 выделенных каналов L2, P-кода и несущей. Он также имеет 12 L1, C/A кодовых и несущих каналов и 12 каналов L2 без квадратурного кода. Таким образом, приемник содержит 48 каналов и обеспечивает все возможности наблюдения за всеми видимыми спутниками. Соотношение сигнал-шум для измерения фазы на L2 лишь немного меньше, чем на L1, и значительно лучше, чем при использовании бескодовых методов. В случае активированного P-кодового шифрования можно использовать опцию L2 без кода.

TURBO ROGUE SNR-8000 — это портативный приемник весом около 4 кг, потребляющий 15 Вт энергии и подходящий для использования в полевых условиях. Он имеет 8 параллельных каналов на L1 и L2. Он предоставляет кодовые и фазовые данные на обеих частотах и ​​имеет опцию без кода. Полное отслеживание P-кода обеспечивает высочайшую точность измерения фазы и псевдоагрессии, бескодовое отслеживание — это автоматический режим «полный назад». В бескодовом режиме используется тот факт, что каждая несущая имеет идентичную модуляцию P-кода/Y-кода, и, следовательно, сигнал L1 может быть взаимно коррелирован с сигналом L2. Результаты измерения дифференциальной фазы (L1-L2) и измерения групповой задержки (P1-P2)

Характеристики точности:

Псевдодиапазон P-кода 1 см (интеграция 5 минут)

Бескодовый псевдодиапазон 10 см (интеграция 5 минут)

Несущая фаза 0,2–0,3 мм

Фаза без кода 0,2–0,7 мм

Одной из важных особенностей является то, что на 100 спутниковых часов ожидается менее 1 сбоя цикла.

Навигационные приемники

Навигационные приемники

быстро завоевывают рынок.В большинстве случаев используется один канал кодовой последовательности или мультиплексирования C/A. Однако все большую популярность приобретают модули с четырьмя или пятью параллельными каналами. Положение и скорость выводятся из измерения псевдодальности кода C/A и отображаются или загружаются в персональный компьютер. Обычно ни необработанные данные, ни информация о фазе несущей недоступны. В некоторых продвинутых моделях возможна дифференциальная навигация.

MAGELLAN NAV 1000 — это портативный GPS-приемник, вес которого составляет всего 850 граммов. Он был представлен в 1989 году, а позже, в 1990 году, была запущена модель NAV 1000 PRO. Это одноканальный приемник, который отслеживает от 3 до 4 спутников с частотой обновления 2,5 секунды и имеет порт данных RS 232.

Следующей моделью 1991 года стала NAV 5000 PRO. Это 5-канальный приемник, отслеживающий все видимые спутники с частотой обновления 1 секунда. Возможна дифференциальная навигация. Данные фазы несущей можно использовать с дополнительным модулем фазы несущей. Четырехзаходная антенна встроена в приемник.Постобработка данных также возможна с использованием геодезического приемника, такого как ASHTECH XII, расположенного на опорной станции. Относительная точность составляет от 3 до 5 метров. Во многих случаях этого достаточно для тематических целей.

Многие портативные навигационные приемники доступны с дополнительными функциями. Актуальную информацию о ситуации на рынке можно получить из таких журналов, как GPS world и т. д.

Для большинства целей навигации достаточно одночастотного приемника кода C/A. Для требований к точности выше 50–100 метров необходима дифференциальная опция.Для требований ниже 5 метров необходимо включение данных фазы несущей. В высокоточной навигации рекомендуется использовать пару приемников с полными геодезическими возможностями.

Основные характеристики универсального геодезического приемника приведены в таблице 4.

Таблица 4. Обзор геодезического двухчастотного спутникового приемника GPS (1992 г.)

Ресивер

Канал

Код

Длина волны

Защита от спуфинга

Л1

L2

Л1

L2

Л1

L2

ТИ 4100

4

4

Р

Р

Одна частота

МАКРОМЕТР

6

6

—

—

/2

Не влияет

АШТЕК XII

12

12

К/А

—

/2

Не влияет

АШТЕК Р 12

12

12

К/А, П

Р

Квадрат

ТРИМБЛ SST

8-12

8-12

К/А

—

/2

Не влияет

ТРИМБЛ 4000

9-12

9-12

К/А, П

Р

Бескодовый SSE

ВМ 102

7 пар

1 последовательность

К/А

Р

Квадрат

ДИКИЙ GPS 200

9

9

К/А

р

Бескодовый

ТУРБО-РАЗбойник

8

8

К/А, П

Р

Без кода

Некоторые из важных характеристик при выборе геодезического приемника:

— Отслеживание всех спутников

— Обе частоты

— Полная длина волны на L2

— Низкий фазовый шум-низкий кодовый шум

— Высокая частота дискретизации для L1 и L2

— Большой объем памяти

— Низкое энергопотребление

— Полная работоспособность в условиях защиты от спуфинга

Кроме того, рекомендуется использовать двухчастотный приемник, чтобы свести к минимуму ионно-сферические влияния и воспользоваться преимуществом решения неоднозначности.

Точность

Как правило, приемник SPS может предоставлять информацию о местоположении с погрешностью менее 25 метров и информацию о скорости с погрешностью менее 5 метров в секунду. До 2 мая 2000 г. правительство США активировало выборочную доступность (SA) для поддержания оптимальной военной эффективности. Избирательная доступность вносит случайные ошибки в эфемеридную информацию, передаваемую спутниками, что снижает точность SPS примерно до 100 метров.

Для многих приложений 100-метровая точность более чем приемлема.Для приложений, требующих гораздо большей точности, влияние SA и ошибок, вызванных окружающей средой, можно преодолеть с помощью метода, называемого дифференциальным GPS (DGPS), который повышает общую точность.

Дифференциальная теория

Дифференциальное позиционирование — это метод, который позволяет преодолеть влияние ошибок окружающей среды и SA на сигналы GPS, чтобы обеспечить высокоточное определение местоположения. Это делается путем определения величины ошибки позиционирования и ее применения к исправлениям положения, которые были вычислены на основе собранных данных.

Как правило, горизонтальная точность определения местоположения с помощью приемника GPS составляет 15 метров RMS (среднеквадратичное значение) или выше. Если распределение отметок относительно истинного положения является нормальным по окружности с нулевым средним значением, точность 15 метров RMS означает, что около 63% отладок, полученных во время сеанса, находятся в пределах 15 метров от истинного положения.

Типы ошибок

Существует два типа ошибок позиционирования: исправимые и неисправимые. Исправимые ошибки — это ошибки, которые практически одинаковы для двух приемников GPS в одной и той же области.Неисправимые ошибки не могут быть сопоставлены между двумя приемниками GPS в одной и той же области.

Исправимые ошибки

Источники исправимых ошибок включают спутниковые часы, данные об эфемеридах и задержку в ионосфере и тропосфере. В случае реализации SA может также вызвать исправимую ошибку позиционирования. Ошибки часов и ошибки эфемерид возникают из-за спутника GPS. Ошибка часов — это медленно меняющаяся ошибка, которая появляется как погрешность в измерении псевдодальности, сделанном приемником. Эфемеридная ошибка — это остаточная ошибка в данных, используемых приемником для определения местоположения спутника в космосе.

Ошибки ионосферной задержки и ошибки тропосферной задержки вызваны атмосферными условиями. Ионосферная задержка вызвана плотностью электронов в ионосфере на пути прохождения сигнала. Задержка в тропосфере связана с влажностью, температурой и высотой на пути прохождения сигнала. Обычно тропосферная ошибка меньше ионосферной.

Еще одна исправимая ошибка вызвана SA, которая используется Министерством обороны США для внесения ошибок в сигналы GPS стандартной службы позиционирования (SPS) для снижения точности определения местоположения.

Величина ошибки и направление ошибки в любой момент времени не меняются быстро. Таким образом, два приемника GPS, которые находятся достаточно близко друг к другу, будут наблюдать одну и ту же ошибку фиксации, и можно определить размер ошибки фиксации.

Неисправимые ошибки

Неисправимые ошибки не могут быть сопоставлены между двумя приемниками GPS, расположенными в одной и той же области. Источники неисправимых ошибок включают в себя шум приемника, который неизбежно присущ любому приемнику, и ошибки многолучевости, возникающие из-за окружающей среды.Ошибки многолучевости вызваны тем, что приемник «видит» отражения сигналов, которые отразились от окружающих объектов. Антенна субметрового диапазона устойчива к многолучевому распространению; его использование требуется при регистрации данных фазы несущей. Ни одна из ошибок не может быть устранена с помощью дифференциала, но их можно существенно уменьшить с помощью усреднения определения местоположения. Источники ошибок и приблизительный диапазон среднеквадратичных ошибок приведены в таблице 5.

зл. Раджу

147

Таблица 5.Источники ошибок

Источник ошибки

Прибл. Эквивалентная ошибка диапазона (RMS) в метрах

Корректируемый с помощью дифференциала

Часы (Космический сегмент)

3,0

Эфемериды (сегмент управления)

2,7

Ионосферная задержка (атмосфера)

8.2

Тропосферная задержка (атмосфера)

1,8

Выборочная доступность (если реализовано)

27,4

Итого

28,9

Некорректируемый с дифференциалом

Шум приемника (единица измерения)

9.1

Многолучевое распространение (окружающая среда)

3,0

Итого

9,6

Всего пользователей Ошибка эквивалентного диапазона (все источники)

30,5

Навигационная точность (HDOP = 1,5)

45,8

Продолжить чтение здесь: Дифференциал

Была ли эта статья полезной?

Самодельный GPS-приемник #piday #raspberrypi @Raspberry_Pi « Adafruit Industries — производители, хакеры, художники, дизайнеры и инженеры!

Самодельный GPS-приемник Эндрю Холма:

На создание этого приемника у меня возникла мотивация после прочтения работы [1] Матьяжа Видмара, S53MV, который более 20 лет разрабатывал GPS-приемник с нуля, используя в основном дискретные компоненты. тому назад.Меня заинтересовало его использование DSP после жесткого ограничения ПЧ и 1-битного АЦП. Описанный здесь приемник работает по тому же принципу. Его 1-битный АЦП представляет собой 6-контактную ИС рядом с контактными разъемами, компаратор LVDS-выхода. Скрытые под шумом, но не стертые в возникающей двухуровневой квантованной каше, сигналы от каждого видимого спутника.

Все спутники GPS передают на одной и той же частоте 1575,42 МГц, используя спектр прямой последовательности (DSSS). Несущая L1 распространяется в полосе пропускания 2 МГц, и ее уровень на поверхности Земли составляет -130 дБм.Мощность теплового шума в той же полосе частот составляет -111 дБм, поэтому сигнал GPS на приемной антенне примерно на 20 дБ ниже уровня собственных шумов. То, что любой из присутствующих сигналов, наложенных один на другой и скрытых в шуме, может быть восстановлен после двухуровневого квантования, кажется нелогичным!

GPS использует корреляционные свойства псевдослучайных последовательностей, называемых кодами Голда, для отделения сигналов от шума и друг от друга. Каждый спутник передает уникальную последовательность. Все некоррелированные сигналы являются шумом, в том числе сигналами других спутников и жесткими ограничителями ошибок квантования.Смешивание с тем же кодом в правильной фазе сужает полезный сигнал и еще больше расширяет все остальное. Затем узкополосная фильтрация удаляет широкополосный шум, не влияя на полезный (опять же узкий) сигнал. Жесткое ограничение (1-разрядный АЦП) снижает отношение сигнал-шум менее чем на 3 дБ — цена, которую стоит заплатить, чтобы избежать аппаратной АРУ.

Схемы, диаграммы, коды и многое другое здесь!

Поскольку 2022 год начинается, давайте уделим немного времени, чтобы поделиться нашими целями для CircuitPython в 2022 году. Как и в прошлые годы (полное резюме 2019, 2020 и 2021), мы хотели бы, чтобы все в сообществе CircuitPython внесли свой вклад, опубликовав свои мысли в какое-то публичное место в Интернете.Вот несколько способов размещения: видео на YouTub, сообщение на форуме CircuitPython, сообщение в блоге на вашем сайте, серия твитов, суть на GitHub. Ждем вашего ответа. Когда вы публикуете, пожалуйста, добавьте #CircuitPython2022 и отправьте электронное письмо по адресу [email protected] , чтобы сообщить нам о вашем сообщении, чтобы мы могли разместить его здесь.

Хватит макетировать и паять – приступайте к изготовлению немедленно! Игровая площадка Adafruit’s Circuit Playground битком набита светодиодами, датчиками, кнопками, клипсами типа «крокодил» и многим другим.Создавайте проекты с помощью Circuit Playground за несколько минут с помощью сайта программирования MakeCode с функцией перетаскивания, изучайте информатику с помощью класса CS Discoveries на code.org, переходите в CircuitPython, чтобы вместе изучать Python и аппаратное обеспечение, TinyGO или даже используйте Arduino. ИДЕ. Circuit Playground Express — новейшая и лучшая плата Circuit Playground с поддержкой CircuitPython, MakeCode и Arduino. Он имеет мощный процессор, 10 NeoPixels, мини-динамик, инфракрасный прием и передачу, две кнопки, переключатель, 14 зажимов типа «крокодил» и множество датчиков: емкостное касание, ИК-близость, температура, свет, движение и звук.Целый огромный мир электроники и кодирования ждет вас, и он умещается на вашей ладони.

Присоединяйтесь к более чем 32 000 создателей на каналах Adafruit в Discord и станьте частью сообщества! http://adafru.it/discord

Хотите поделиться потрясающим проектом? Выставка Electronics Show and Tell проходит каждую среду в 19:00 по восточному времени! Чтобы присоединиться, зайдите на YouTube и проверьте чат шоу — мы опубликуем ссылку там.

Присоединяйтесь к нам каждую среду в 20:00 по восточноевропейскому времени, чтобы задать вопрос инженеру!

Подпишитесь на Adafruit в Instagram, чтобы узнать о совершенно секретных новых продуктах, закулисных событиях и многом другом https://www.instagram.com/adafruit/