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GPS基础知识科普,小白必知!

发布时间:2018-05-13 17:34:38 浏览次数:1706 编辑 : 欧源通天线厂家

行业小白,GPS的这些基础知识,你一定要懂!


GPS接收器

这是一个普通的GPS接收器或GPS天线模块


您可能使用过或从GPS接收器中受益。 它们在大多数用在智能手机,以及许多新车中都能找到,它们被用来跟踪遍布全球的商业。 这些微型设备可以在地球上几乎任何地方瞬间提供准确的位置和时间! 所有你需要的是一个GPS接收器,并且随着科技的发展接收器变得更便宜和更小。


不要把这些小巧,便宜的模块视为理所当然。 有几十年的工程经验可以随时随地为您提供准确的位置。 数十颗GPS卫星都包含极其精确的原子钟,自70年代后期以来一直在推出,并且一直持续到今天。 卫星通过专用RF频率连续发送数据到地面。 我们的口袋大小的GPS接收器具有微型处理器和天线,可直接接收卫星发送的数据并即时计算您的位置和时间,太神奇了。


GPS是如何工作?


GPS接收机使用卫星和地面站来计算地球上几乎任何地方的位置和时间。


GPS工作原理图解

注意地球上的移动点和可见卫星的数量。


任何时候,至少有24颗在地球上超过12,000英里的活动卫星。 卫星位置的构建方式是:您的位置上方的天空总是最多包含12颗卫星。 这12颗可见卫星的主要目的是通过无线电频率(1.1至1.5 GHz)将信息传回地球。 有了这些信息和一些数学,地面接收机或GPS模块就可以计算出它的位置和时间。



GPS接收机如何计算位置和时间?

从每颗卫星发送到地球的数据包含几条不同的信息,可让您的GPS接收器准确计算其位置和时间。每颗GPS卫星上的重要设备都是极其精确的原子钟。原子钟上的时间随着卫星的轨道位置和到达时间在天空中的不同点被发送到地球。换句话说,GPS模块接收来自每个可见卫星的时间戳,以及每个人所在的天空中的位置(以及其他数据段)的数据。从这些信息中,GPS接收器现在知道到每个卫星的距离。如果GPS接收机的天线可以看到至少4颗卫星,它可以准确计算出它的位置和时间。这也被称为锁定或修复。


GPS接收机如何计算位置和时间?

还有一个我们没有谈到的全球定位系统。 除卫星和GPS接收机外,还有可与卫星网络和一些GPS接收机通信的地面站。 这个系统正式被称为控制部分,并增加了您的GPS接收机的准确性。 使用控制部分来提高准确性的通用系统是WAAS和DGPS。 WAAS在大多数GPS接收机中很常见,并将精度提高到5米左右。 DGPS需要一种特定类型的GPS接收器并获得厘米精度。 DGPS装置也很昂贵,并且往往更大,因为它们需要额外的天线。


GPS精度


GPS精度取决于许多变量,最显着的是信噪比(噪音接收),卫星位置,天气和障碍物,如建筑物和山脉。这些因素可能会导致您感知的位置出现错误。信号噪声通常会产生一到十米左右的误差。可能阻碍接收器与卫星之间的路径的山脉,建筑物和其他物体可能造成三倍于信号噪声的误差。 GPS接收器必须能够锁定4颗卫星才能解决问题。它获得的第一个锁可以让接收机获取年历信息,从而获得应该监听的其他卫星。虽然有可能从少于4颗卫星获得一个位置,但这个位置的误差幅度可能相当大。当您清楚地看到远离任何障碍物和四颗以下卫星的晴朗天空时,就能够最准确地读取您的位置。


辅助GPS

其中一种辅助功能是辅助GPS或AGPS。当GPS信号较弱或无法接收时,此方法使用无线(地面)网络来帮助卫星和接收器之间进行中继。 AGPS有两种方法可以提供帮助。首先是为接收机提供适当的年历数据和准确的时间。第二种技术利用地面基站的较高计算能力和良好卫星信号来解释接收器正在接收的破碎或碎片信息,以向接收器提供更准确的位置读数。 AGPS主要由安装在蜂窝塔上的GPS接收器完成。当与这些接收器通信时,GPS可以更快速地获取卫星上的锁定并接收更准确的信息。这种方法是用于手机中的GPS,以及它们为什么有时比GPS接收器本身更精确。但是,AGPS存在于更多设备中,而不仅仅是手机;它甚至可用于相机和一些车辆。在GPS信号可能难以通过建筑物的密集迷宫的城市中,这是最有利的。


差分GPS


差分GPS

另一种方法是差分GPS或DGPS。 DGPS也使用地面或固定GPS站点来确定位置,但不同之处在于它发现卫星和地面位置读数之间的差异。这些地面站可能距离接收机高达200海里,重要的是要注意,距离地面站越远,准确度越低。 DGPS由地面站广播一个信号来完成,该信号指示实际伪距和测量伪距之间的误差。该值通过将光速乘以信号从卫星传播到接收器所需的时间来计算。作为一个例子,DGPS的一种形式是广域增强系统或WAAS。


WAAS最初由FAA开发以协助飞机GPS,它使用专门建造的地面站系统。 WAAS拥有地面站测量必须满足的一套特定的精度标准。在横向和纵向上,WAAS必须在95%的时间内精确到7.6米以内。这些地面站将其测量结果发送给主站,每5秒或更快发送更正信息给WAAS卫星。从卫星上,信号被广播回地球上的接收机,在那里使用校正来改善GPS精度。在一些地方,WAAS能够提供1米的横向和1.5米的垂直精度。尽管WAAS仅存在于北美,但世界上许多其他地区也采用类似的系统。


消息格式


GPS数据通过串行接口以不同的消息格式显示。 有标准和非标准(专有)消息格式。 几乎所有的GPS接收机都输出NMEA数据。 NMEA标准被格式化为称为句子的数据行。 每个句子包含以逗号分隔格式组织的各种数据位(即用逗号分隔的数据)。 以下是带有卫星锁定的GPS接收器(4颗卫星,精确位置)的NMEA句子示例:


$GPRMC,235316.000,A,4003.9040,N,10512.5792,W,0.09,144.75,141112,,*19

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

$GPGSA,A,3,22,18,21,06,03,09,24,15,,,,,2.5,1.6,1.9*3E


例如,GPGGA语句包含以下内容:

($GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F)

时间:235317.000在格林威治平均时间是23:53和17.000秒

经度:4003.9040,N代表纬度,以北纬度为单位

纬度:10512.5792,W是以度为单位的经度,西部为分钟

看到的卫星数量:08

海拔:1577米

数据以逗号分隔,以便更容易被计算机和微控制器读取和解析。 该数据以称为更新速率的时间间隔在串行端口上发出。 大多数接收机每秒更新一次这种信息(1Hz),但更高级的接收机每秒可以进行多次更新。 现代接收器可以使用5至20Hz。


读取GPS数据


大多数GPS模块都有一个串行端口,这使得它们完美地连接到微控制器或计算机。


连接到微控制器


微控制器

带EM406分线器的EM406 GPS


一旦GPS模块通电,即使没有锁定,NMEA数据(或其他消息格式)也会以特定的波特率和更新速率从串行发送引脚(TX)发送出去。 要使微控制器读取NMEA数据,只需将GPS的TX引脚连接到微控制器的RX(接收)引脚即可。 要配置GPS模块,还需要将GPS的RX引脚连接到单片机的TX引脚。


微控制器通常解析NMEA数据。 解析就是从NMEA语句中删除大量数据,这样微控制器就可以对数据做一些有用的事情。


例如,微控制器可能只需要读取GPS的高度。


$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F


微控制器不是处理所有这些文本,而是可以解析GPGGA语句并仅以高度(以米为单位)结束。


一旦微控制器可以获取所需的数据,就可以对信息进行处理,从而在微控制器上创建其他交互。


借助Tiny GPS库,Arduino平台可以轻松解析NMEA数据。 查看GPS Shield入门指南,了解如何将Arduino连接到GPS模块并解析NMEA句子。


连接到计算机


计算机连接方式

EM406 GPS - EM406分线 - 5V FTDI分线


直接查看NMEA数据的简单方法是将GPS模块连接到计算机。 对于连接,所需要的只是使用FTDI基本电路(在本例中为5V和GND)为GPS供电,然后将GPS的TX引脚连接到FTDI Basic上的RX引脚。


接下来,以GPS模块的相同波特率打开一个串行终端程序。 即使GPS没有锁定,你也应该看到NMEA的句子正在流逝。


$GPRMC,235316.000,A,4003.9040,N,10512.5792,W,0.09,144.75,141112,,*19

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

$GPGSA,A,3,22,18,21,06,03,09,24,15,,,,,2.5,1.6,1.9*3E


配置GPS接收器

要配置GPS接收器,了解您的GPS天线使用的芯片组类型非常重要。 GPS芯片组包含一个强大的处理器,负责用户界面,所有的计算以及天线的模拟电路。 该芯片组还允许将数据发送到GPS接收器以配置参数,如更新速率,波特率,语句选择等。


为了通过串行接口将命令发送到GPS接收器,您需要一个命令集或参考手册。 在深入研究给定模块的命令集之前,请务必与供应商联系。 许多芯片组供应商提供的软件允许您通过串行端口轻松通信和配置GPS模块。


某些芯片组允许使用其他协议,如SiRF二进制(SiRF芯片组),UBX(ublox芯片组)或专有消息。 这些协议包含相同的信息,但使用二进制(而不是ASCII)进行通信以加快通信速度。


与GPS接收器通信时,大多数命令需要通过校验和来终止。 在大多数情况下,您需要对每个句子进行异或。 这是一个简单的XOR在线计算器。


GPS关键词


准确性 - GPS有多准确? 好吧,它有点不同,但通常你可以在30秒内,在世界任何地方,甚至在+/- 5米的范围内找到你的位置。 惊人! 因为模块之间的准确性会有所不同,一天中的时间和接收的清晰度等因素,因此+/-可以降到+/- 3m,但是如果您需要亚米或厘米的准确度, 真的很贵,需要一些称为DGPS的东西。


总体而言,要从GPS获得最佳精度,您必须清楚地看到天空和移动。


GPS航点绘制图

在建筑物周围记录并绘制GPS航点。 每个轨道表示不同类型的GPS天线模块。


如果您注意到大楼周围的示例轨道,则GPS位置会在“锁定开始”和“锁定结束”处反弹。这是GPS天线模块没有移动的时候。 GPS有一些错误(~5米),你可以在不移动时看到它。一旦模块开始移动,轨道相对精确,GPS可以“猜测”你的轨道。但是,注意到两座高楼之间的城市大峡谷的方法,准确性可能会受到影响。请记住,GPS信号是从卫星发射的,而这些卫星不一定在你头上;有些可以接近地平线。此外,射频信号可以反射出建筑物/物体,并产生一种称为多路径干扰的特性。请始终记住,GPS在天空全景的情况下效果最佳。


小型GPS模块正在接收来自大约12,000英里外卫星的信号,不仅在头顶上,而且在天空中的任何地方。为了获得最佳性能,您需要在天线和大部分天空之间建立一条畅通的通道。天气,云彩和暴风雪不应该影响信号,但树木,建筑物,山脉,头顶等物体都会产生不必要的干扰,并且您的GPS准确度将受到影响。


有许多GPS天线选择,但这些是最常见的一些。


陶瓷贴片天线

最小和最常见的天线形式是陶瓷贴片天线。这款天线外形小巧,价格低廉,结构紧凑,但与其他类型的天线相比,它的接收效率较低。 这个天线需要朝上看清天空,以获得良好的信号,即面朝上时天线的增益最大。


螺旋天线

一些GPS模块使用螺旋天线。这种天线比陶瓷贴片占用更多的空间,但天线的形状允许在任何方向上获得更好的信号,代价是在任何一个特定方向上的增益略低。


GPS模块

某些模块可以与SMA天线连接一起使用。


SMA附件使您能够将天线安装在与主电路不同的位置。如果你的主系统不能很好地看到天空,这可能是有益的。例如,建筑物内部或汽车内。


波特率 - GPS接收器以特定比特率从发送引脚(TX)发送串行数据。 1Hz接收机最常见的是9600bps,但57600bps正变得越来越普遍。检查接收器的数据表以获取更多信息。


通道 - GPS模块运行的通道数量将影响您首次修复的时间(TTFF)。由于模块不知道哪些卫星在视野中,因此一次可以检查的频率/频道越多,修复速度就会越快。模块锁定或修复后,某些模块会关闭额外的通道模块以节省功耗。如果你不介意再等一会锁,12或14个频道就可以正常工作。


芯片组 - GPS芯片组负责完成从计算到提供天线模拟电路,电源控制到用户界面的所有工作。这是很多工作,但这正是这些微型GPS单元正在做的。芯片组与天线类型无关,因此您可以为具有特定芯片组的GPS模块提供一系列不同的天线。通用芯片组包括ublox,SiRF和SkyTraq,它们都包含非常强大的处理器,可以实现快速采集时间和高可靠性。芯片组之间的差异通常落在功耗,采集时间和硬件可访问性之间的平衡上。


DGPS - 差分GPS或DGPS是一种特定类型的GPS接收器。 DGPS接收机有附加的天线,不仅可以接收来自卫星的信号,还可以直接接收来自地面站的信号。 DGPS设备通常需要两根天线。这些比您的标准GPS设备大得多并且更昂贵,但是可以提供厘米级的精度。


增益 - 增益是天线在任何给定方向上的效率。这适用于发射天线和接收天线。


锁定或修复 - 当GPS接收机锁定或修复时,至少有4颗卫星处于良好的视野中,您可以获得准确的位置和时间。


NMEA - 这是大多数GPS天线模块使用的常见数据格式。 NMEA数据以句子显示并从GPS模块串行发送(TX)引脚发出。 NMEA句子包含所有有用的数据,(位置,时间等)。


电源 - GPS模块不是电源管理器,但它们确实需要一些汁才能从卫星数据中剔除数据并获得锁定。平均而言,带锁的普通GPS模块在3.3V时耗电约30mA。此外,保持低启动时间,节省电力。


PPS - 每秒脉冲数。这是一些GPS模块的输出引脚。一般来说,当此引脚每秒切换一次时,您可以将系统时钟与GPS时钟同步。


启动时间(热,暖,冷) - 某些GPS模块具有超级电容或电池备份功能,可在掉电后将先前的卫星数据保存在易失性存储器中。这有助于减少后续加电时的TTFF。而且,更快的开始时间转化为更少的整体功耗。


冷启动 - 如果长时间关闭模块电源并且备份电容消耗殆尽,数据将丢失。在下次开机时,GPS需要下载新的年历和星历数据。


暖启动 - 根据您的备用电源持续的时间长短,您可以进行热启动,这意味着一些年历和星历数据会被保留,但可能需要额外一些时间才能获得锁定。


热启动:热启动意味着所有的卫星都是最新的,并且接近于它们在前一次通电状态下的相同位置。随着热启动,GPS可以立即锁定。


Trilateration - 用于使用多个参考点计算位置的数学方法。为了让GPS接收机计算准确的位置和时间,需要至少有4颗卫星在天空中。这被称为GPS锁定或修复。我们都知道如何使用三角测量法来计算使用两个参考点(x,y)到物体的距离。但是,使用GPS时,我们需要确定4个值,即纬度,经度,海拔和时间。


TTFF - 首次修复的时间。上电后,使用至少4颗卫星准确计算您的位置和时间需要的时间。如果您身处天空不景的地方,TTFF可能会很长。


更新率 - GPS模块的更新率是它计算和报告其位置的频率。大多数设备的标准是1Hz(每秒一次)。无人机和其他快速车辆可能需要更新更新速率。 5甚至10Hz的更新速率在低成本模块中变得可用。请记住,更高的更新率意味着有更多的NMEA语句飞出模块。


WAAS - WAAS或广域增强系统是一个地面站(在北美)的网络,它将校正数据发送回卫星。 WAAS的位置精度接近5米。 其他国家也有类似的系统,例如欧洲系统称为EGNOS,日本系统是MSAS,印度有GAGAN。 大多数GPS接收器默认启用WAAS并支持EGNOS,MSAS和GAGAN。


   欧源通科技专注GPS天线、GPS天线模块,GSM天线,GPS陶瓷天线,北斗天线,GPS+BD模块、315M、433M、3G/4G、2.4G、GPS定位器等通讯天线及配件的生产定制,核心团队拥有在GPS天线领域二十多年研发经验的技术专家组成,实时关注行业最新动态,对产品的研发设计,可靠性,可生产性有深刻的理解和实际的解决能力,能够为各行各业客户提供个性化的产品解决方案,针对不同客户的需求,给予最准确的需求响应,产品广泛应用于航天航空、手持终端、车载通讯、智能穿戴设备、航运、GNSS覆盖与授时、测绘、医疗设备、照明设备,物联网等领域,支持客户各类GPS天线定制,欢迎来电咨询:13725562369  高经理



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