Система глобального позиционирования GPS — это спутниковая навигационная система, которая обеспечивает возможность измерения расстояния, времени и определяет месторасположение объекта в мировой системе координат.
Введение
Система GPS изначально проектировалась для использования в военных целях. Ее начали применять в конце восьмидесятых, начале девяностых годов прошлого века. Тем не менее до двухтысячного года набор искусственных ограничений на определение местоположения в значительной мере сдерживал возможности ее применения для гражданских нужд.
Когда ограничений на уровень точности определения координат были отменены, то ошибка уменьшилась со ста до двадцати метров, а в современных версиях GPS-приемников при хороших условиях ошибка может не превышать и двух метров. Эти возможности позволили применять данную систему для широкого спектра общих и специализированных задач, таких как:
- Возможность определения точного местоположения.
- Реализация навигационных возможностей, то есть, движения по маршруту с привязкой к карте на базе реального местоположения.
- Возможность синхронизации времени.
Система глобального позиционирования GPS
Отечественным аналогом GPS является система ГЛОНАСС, что расшифровывается как глобальная навигационная спутниковая система. Она была создана в 1995-ом году, но по причине недостаточности финансовых вложений и ограниченного срока функционирования спутников эта система не стала широко распространенной. Однако второе рождение система обрела в 2001-ом году, когда правительство приняло целевую программу ее развития. Реализация этой программы позволила системе ГЛОНАСС возобновить полноценное функционирование в 2010-ом году.
На сегодняшний день на орбите находятся двадцать четыре спутника ГЛОНАСС, которые позволяют охватить навигационными сигналами практически весь земной шар. Новые пользовательские устройства могут использовать как GPS, так и ГЛОНАСС в качестве взаимодополняющих систем. То есть, выполняется подключение к самым близким обнаруженным спутникам, что существенно увеличивает скорость и точность их работы.
В качестве примера можно привести автомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на основе операционной системы Android, которое было разработано командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. В нем осуществлена поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство способно в автоматическом режиме обновлять информацию о дорожной обстановке в реальном времени и предлагать водителю оптимальный маршрут с учетом загруженности дорог.
Сегодня в разработке находится еще пара спутниковых систем, а именно, европейская Galileo и китайская Compass. Galileo (Галилео) является совместным проектом Европейского союза и Европейского космического агентства, который был анонсирован еще в 2002-ом году. Первоначально планировалось, что уже в 2010-ом году в рамках этой системы на средних околоземных орбитах будут функционировать тридцать спутников. Но этот план был реализован только в 2020-ом году.
Поддержка технологи глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в электронном оборудовании может быть реализована на основе навигационных приемников, которые реализованы в следующих версиях:
- Smart Antenna является модулем, состоящим из керамической антенны и навигационного приемника. К его преимуществам следует отнести компактность, отсутствие необходимости согласования, удешевление разработки за счет сокращения сроков.
- MCM (Multi Chip Module) является чипом, включающим в свой состав все элементы навигационного приемника.
- OEM является экранированной платой, включающей в свой сосав высокочастотный интерфейсный процессор и процессор частот основной полосы (RF-frontend + baseband), SAW-фильтры и обвязку. Этот вариант является самым популярным решением на текущий момент.
Навигационный модуль должен подключаться к микроконтроллеру или системе на кристалле при помощи интерфейса UART/RS-232 или USB.
Перед тем как навигационный приемник станет способным выдать информацию о местоположении, он должен получить следующие наборы данных:
- Спутниковые сигналы.
- Альманах, то есть, информацию о примерных параметрах орбит всех спутников, а также информацию, необходимую для калибровки часов, и характеристики ионосферы.
- Эфемериды, то есть, точные характеристики орбит и часов каждого спутника.
Характеристика TTFF может показать сколько времени потребуется приемнику на поиск сигналов от спутников и определение местоположения. Когда приемник новый, или был подключен в течение длительного периода времени, или перевозился на большие расстояния с момента последнего включения, то время до получения набора необходимых данных и определения места может возрасти.
Проектировщики приемников применяют разные методики уменьшения TTFF, в том числе скачивание и сохранение альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных, что является более быстрым, чем получение этих данных из сигналов ГНСС. Холодный старт предполагает ситуацию, когда приемник должен получить всю информацию для определения места. Этот процесс может длиться до двенадцати минут. А теплый старт предполагает ситуацию, когда приемник обладает практически всей необходимой информацией в памяти, и может определить место в течении одной минуты.
Одним из главных параметров навигационных модулей в мобильных устройствах может считаться энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль может потреблять разный объем энергии. В фазе поиска спутников (TTFF) энергопотребление увеличивается, а в режиме слежения оно становиться меньше. Также производители стараются реализовать разные схемы, призванные снизить энергопотребление, к примеру, за счет периодического перевода модуля в спящий режим.
Обычно все модули обеспечивают выдачу данных по текстовому протоколу NMEA-0183, но помимо указанного текстового протокола каждый производитель обладает своим собственным двоичным протокол, который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное применение.
