Podstawy GPS

Podstawy GPS
GPS (Global Positioning System) pozwala wyznaczyć pozycję obiektów na podstawie
pomiaru odległości z danego punktu do kilku wybranych satelitów systemu GPS. Dodatkową,
interesującą funkcją systemu GPS jest dostarczanie informacji o aktualnym czasie UTC.
Początkowo przewidywano tylko militarne zastosowania GPS, jednak z czasem
okazało się, że może on znależć zastosowanie w wielu aplikacjach cywilnych:
 Archeologia,
 Sejsmologia,
 Geofizyka,
 Glacjologia,
 Geologia,
 Poszukiwanie złóż,
 Fizyka,
 Ekspedycje naukowe,
 Kartografia,
 Geografia,
 Rolnictwo i leśnictwo,
 Ekologia,
 Geodezja,
 Lotnictwo,
 Transport,
 Turystyka
 Itp...,
System składa się z trzech elementów:
 Satelity,
 Stacje kontrolne,
 Centrala.
Obecnie działa 28 satelitów, krążących na wysokości 20 180 km po 6 orbitach nachylonych
pod kątem 55o do płaszczyzny równika. Każdy z nich wyposażony jest w precyzyjny
atomowy wzorzec czasu o dokładności 1 sekunda na 300 000 do 1 000 000 lat. Wszystkie one
nadają nieprzerwanie swój sygnał na częstotliwości 1575,42 MHz docierający do ziemi po
67,3 ms.
1
Tory satelitów:
Zasada wyznaczania pozycji:
Aby obliczyć odległość od satelity, trzeba znać aktualny czas i w sygnale zakodowana jest
informacja o czasie wysłania danego sygnału. Mając tę różnicę czasów t oraz znając
prędkość fali elektromagnetycznej c i posługując się znanym równaniem fizycznym na drogę
w ruchu jednostajnym prostoliniowym:
S=t*c
Odległość od pojedynczego satelity pozwala wyznaczyć sferę, na powierzchni której znajduje
się nasze położenie, punkt przecięcia czterech sfer pozwala jednoznacznie oznaczyć pozycję,
więc do prawidłowego działania systemu potrzebny jest jednoczesny odbiór minimum
czterech satelitów GPS.
2
Wytwarzanie sygnału nadawanego przez satelitę systemu GPS, schemat blokowy:
Na sygnał nadawany przez satelitę składa się fala nośna L1 przeznaczona do zastosowań
cywilnych 1575,42 MHz, tzw. kod PRN o częstotliwości 1023 Mhz identyfikujący danego
satelitę ciąg impulsów pseudolosowych oraz sygnał danych o częstotliwości 50 Hz.
3
Diagram czasowy produkowanych sygnałów oraz sygnału transmitowanego z satelity:
Ramka sygnału GPS:
4
Zasady obliczania pozycji
5
Błędy:
6
Protokoły komunikacyjne
Protokół NMEA 0183
Każdy zestaw danych składa się z kilku pól informacyjnych:
Znaczenie pól:
7
Przykładowy zapis z GPS:
8
Zestaw GGA:
Zestaw GGL:
9
Zestaw GSA:
10
Zestaw GSV:
11
Zestaw RMC:
Zestaw VTG:
12
Zestaw ZDA:
13
Obliczanie sumy kontrolnej odbywa się na kodach ASCII poszczególnych znaków w
zestawie, przy czym brane są pod uwagę znaki pomiędzy $ i *. Dla każdej kolumny w tabeli
oblicza się funkcję Ex-OR, czyli w praktyce, dla parzystej liczby jedynek wpisuje się wartość
0 a dla nieparzystej wartość 1.
Dla przykładu, dla kodu:
obliczanie sumy kontrolnej odbywa się w następujący sposób:
14