Poznaj swoją pozycję - czyli jak korzystać z systemów satelitarnego pozycjonowania

Poznaj swoją pozycję - czyli jak korzystać z systemów satelitarnego pozycjonowania

Używając nawigacji satelitarnej, większość użytkowników wcale nie wie, ile operacji wykonuje się w tle, by dokładnie określić położenie urządzenia. Aplikacje korzystające z pozycjonowania na tyle się spopularyzowały, że oczekujemy od nich po prostu sprawnego działania, a dzięki zmianom na orbicie naszej planety oraz postępowi w technologiach elektronicznych błędy w określaniu pozycji za pomocą satelitów zdarzają się już bardzo rzadko. W artykule opisujemy stosowane techniki pozycjonowania oraz funkcjonujące obecnie systemy satelitarne tego typu.

Pomimo upływu lat i zmian na rynku, większość użytkowników wciąż myli pojęcia GPS i GNSS, stosując pierwsze z nich, gdy odwołują się do drugiego. GPS, a dokładniej GPS Navstar (Global Positioning System - NAVigation Signal Timing And Ranging), to nazwa własna systemu nawigacji opracowanego i nadzorowanego przez Stany Zjednoczone. O ile jeszcze dziesięć lat temu był to w praktyce jedyny użyteczny system tego typu, o tyle obecnie sytuacja jest zupełnie inna i nadal podlega zmianom. Dlatego określanie modułów do pozycjonowania skrótem GPS jest błędne - powinniśmy korzystać ze skrótu GNSS - Global Navigation Satellite System. Niemniej, podczas szukania produktów w sklepach, nierzadko więcej modułów znajdzie się pod hasłem GPS niż GNSS.

Dostępne systemy

Wystrzelenie w kosmos kompletu satelitów do świadczenia usług pozycjonowania oraz utrzymanie infrastruktury naziemnej, która kontroluje działanie systemu i wprowadza poprawki, to bardzo kosztowna inwestycja. Dlatego stać na nią tylko rządy najbogatszych państw. W efekcie mamy obecnie jedynie lub aż sześć systemów GNSS. Są to:

  • amerykański GPS,
  • europejski Galileo,
  • rosyjski Glonass,
  • chiński Beidou,
  • japoński QZSS,
  • indyjski Navic.

Największym z nich jest wciąż GPS, który działa obecnie na 31 satelitach, zamiast pierwotnych 24. W 2020 roku pokonać ma go chiński Beidou, w którym docelowo ma wtedy działać już 35 satelitów. Zbliżone rozmiary do amerykańskiego i chińskiego systemu mają Galileo (aktualnie 26 satelitów na orbicie, a niebawem kolejne 6) i Glonass (24 satelity). Pozostałe dwa są jedynie regionalne: 7 satelitów nad Indiami i docelowo 7 satelitów nad Japonią.

Z użytkowego punktu widzenia bardzo ważna jest precyzja działania. Ta będzie różnić się nie tylko pomiędzy systemami, ale też w zależności od dostępu do dodatkowych danych, pochodzących z nadajników naziemnych i zazwyczaj przekazywanych przez sieć komórkową. Warto też dodać, że precyzję obliczonej pozycji można zwiększyć, korzystając z kilku systemów jednocześnie i uśredniając podane pozycje.

GPS

Najstarszy z systemów to GPS. Od czasu powstania podlegał różnego rodzaju zmianom. Jego użyteczność w zastosowaniach cywilnych znacząco wzrosła w 2000 roku, kiedy to ostatecznie zniesiono kod zakłócający (Selective Availability), który ograniczał precyzję pozycjonowania za pomocą zwykłych odbiorników do około 100 m. Wtedy to, bez zewnętrznego wspomagania, można było za pomocą dobrych odbiorników GPS określić pozycję z dokładnością do dok. 5 m. Obecnie, dzięki obsłudze częstotliwości L5, można już uzyskać dokładność na poziomie ok. 30 cm. Kolejne usprawnienia wprowadzane są wraz z zastępowaniem starych satelitów nowymi. Czynność ta jest konieczna, gdyż orbitujące nadajniki mają ograniczony czas życia i muszą być wymieniane. Wprowadzane zmiany obejmują nowe kody, częstotliwości oraz dostosowanie mocy nadawczej do aktualnych warunków panujących na Ziemi.

Podstawowo, system GPS działa na częstotliwości L1 (1575,42 MHz), na której nadawane są dwa zakodowane sygnały: C/A (Coarse/Acquisition), konieczny do identyfikacji satelitów oraz zgrubnego oszacowania pozycji i szyfrowany P(Y), który umożliwia precyzyjne wskazanie pozycji, ale jedynie odbiornikom wojskowym dysponującym odpowiednim kluczem deszyfrującym. Ponieważ głównym problemem, który ogranicza precyzję wskazania pozycji jest wpływ jonosfery na przesyłany sygnał, satelity GPS nadają też kod P(Y) na drugiej częstotliwości: L2 (1227,60 MHz), co pozwala odbiornikowi porównać odebrane sygnały i uwzględnić wpływ jonosfery w obliczeniach.

Pomiędzy 2005 a 2009 roku wystrzelono 8 nowych satelitów zaliczanych do bloku IIR-M, które wysyłają nowy kod wojskowy na częstotliwościach L1 i L2. Pozwala on odbiornikom militarnym na pozycjonowanie bez potrzeby korzystania z sygnału C/A koniecznego dotąd do namierzenia satelitów. Ponadto kod „M” jest nadawany przez dwie anteny z każdego satelity: jedną obejmującą zasięgiem całą ziemię i jedną kierunkowa, obejmującą obszar kilkuset kilometrów. Znacznie zwiększa to moc dostępnego sygnału wojskowego tam, gdzie jest to aktualnie potrzebne.

Rysunek 1. Orbity poszczególnych systemów GNSS

Rysunek 2. Przykładowy układ satelitów nad Warszawą. Na szaro zaznaczone są satelity, które powinny być widoczne z danego miejsca, ale nie są ze względu na przesłonięcie ich ścianą budynku

Dla użytkowników cywilnych niemałe zmiany przyniósł kolejny blok satelitów: IIF. Wystrzeliwanie tych 12 satelitów rozpoczęto w 2010 roku i zakończono w 2016. Oprócz wcześniej wymienionych sygnałów nadają one również kod L2C na częstotliwości L2. Umożliwia on zwykłym odbiornikom dokonywanie korekcji wpływu jonosfery bez konieczności korzystania z systemów takich jak SBAS. Kod L2C jest nadawany z mocą o 2,3 dB mniejszą niż L1 C/A, ale zawiera więcej danych kontrolnych, co pozwala polepszyć sprawność korekcji błędów. Ze względu na większą podatność na wpływ jonosfery korzystanie jedynie z L2C do pozycjonowania spowodowałoby zwiększenie niepewności pomiaru o ok. 65%.

Satelity bloku IIF mają też dodatkowe zastosowanie w zadaniach związanych z ochroną życia. Nadają bowiem dodatkowy sygnał na częstotliwości L5 (1176,45 MHz) z dwukrotnie większą mocą niż L1. Wybrana częstotliwość znajduje się w paśmie, które na całym świecie jest zarezerwowane dla usług radionawigacji aeronautycznej, dzięki czemu jej odbiorniki (pierwsze pojawiły się na rynku w 2018 roku) są znacznie mniej narażone na zakłócenia.

Trzecia generacja satelitów (IIIA) miała być wprowadzana na orbitę od 2014 roku, ale jak dotąd, z planowanych 10 sztuk, zbudowano tylko 3 i wystrzelono 1 - pod koniec grudnia 2018 roku. Aktualnie szacuje się, że ostatni z satelitów tej grupy trafi na orbitę w 2023 roku.

W ramach serii IIIA dostępne będą: nowy cywilny sygnał L2C, nowy, bardziej odporny na zakłócenia sygnał wojskowy M, rozbudowa wsparcia dla sygnału L5 i nowy sygnał L1C, bardziej dostosowany do warunków radiowych, panujących obecnie na naszej planecie.

Warto dodać, że za 6 lat planowane jest wystrzelenie 22 satelitów kolejnej serii: IIIF.

Galileo

Europejski system GNSS budowano bardzo długo - przez wiele lat prace stały w miejscu. Dopiero od niedawna system faktycznie zaczął funkcjonować i być obsługiwany przez różne urządzenia elektroniczne.

Na kompletny system mają się składać 24 satelity, z czego obecnie nad Ziemią aktywnie działają 22. Satelity Galileo orbitują nieco wyżej niż GPS. Nadają 3 podwójne sygnały, zgodnie z tabelką 3.

Galileo realizuje 5 usług. Podstawowa to bezpłatne pozycjonowanie z dokładnością do 1 metra oraz prosta synchronizacja czasowa. Druga z funkcji to komercyjne, szyfrowane pozycjonowanie z dokładnością do 1 centymetra i z gwarantowaną dostępnością tej usługi. Za dostęp do niej pobierana będzie opłata. Trzecie to otwarta usługa związana z bezpieczeństwem społecznym, pozwalająca na precyzyjne pozycjonowanie. Czwarta ma być dostępna dla instytucji państwowych i być podtrzymywana nawet w sytuacjach kryzysowych. Piąta wiąże się z dwukierunkową komunikacją, w ramach której system wykrywa sygnały alarmowe i jest w stanie potwierdzić fakt wezwania pomocy.

Glonass

Rysunek 3. Dane sygnałów z satelitów nad Warszawą na urządzeniu obsługującym 4 główne systemy GNSS

Glonass (Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema) to dawny, główny konkurent GPS. System ten został utworzony z powodów militarnych, ale począwszy od 2007 roku, satelity Glonass zaczęły oferować swoje sygnały cywilom.

Satelity Glonass orbitują nieco poniżej nadajników GPS. Ich ułożenie sprawia, że pozycjonowanie z ich użyciem jest nieco mniej dokładne niż w przypadku GPS, z wyjątkiem obszaru przy kołach podbiegunowych, gdzie system GPS jest zdecydowanie mniej precyzyjny. Podstawowy sygnał Glonass jest nadawany w paśmie L1, tj. na 15 kanałach w pobliżu częstotliwości 1602 MHz. Są one ułożone tak, by nigdy w zasięgu odbiornika nie znajdywały się dwa satelity nadające na tym samym kanale. O ile w paśmie L1 nadawany jest sygnał standardowy (SP), o tyle w paśmie L2 (częstotliwość środkowa równa 1246 MHz) nadawany jest sygnał wysokiej precyzji (HP). W praktyce sygnał SP pozwala na pozycjonowanie z dokładnością nie lepszą niż 5…10 metrów w poziomie i 15 metrów w pionie. Obliczenia prędkości ograniczone są do dokładności około 10 cm/s, a synchronizacja czasu do 200 ns. Nowsze satelity serii Glonass-M i trzeciej generacji Glonass-K zwiększają tę precyzję. Glonass-K emitują sygnał L3 (około 1207,14 MHz), który jest odpowiednikiem sygnału na częstotliwości L5 w systemie GPS. Od tego roku mają być wprowadzane satelity Glonass-K2, które będą nadawać jeszcze inne sygnały, a na dalszą przyszłość planuje się wprowadzenie satelitów Glonass-V i GLOASS-KM, nad którymi aktualnie trwają prace projektowe i badawczo-rozwojowe (tabela 4.)

Beidou

Chiński system, dawniej znany jako Compass, to najszybciej rozwijająca się konstelacja GNSS. Początkowo Chiny dołączyły się do prac nad Galileo, ale nie były zadowolone z przebiegu prac i wycofały się z niego. Jeszcze kilka lat temu trudno było dobrze przewidzieć przyszłość i użyteczność Beidou - chiński rząd wybiórczo udzielał informacji na temat swojego projektu. Obecnie system stosowany jest już komercyjnie, więc i zakres dostępnych informacji jest bogatszy.

Beidou opiera się na satelitach trzech generacji, z czego pierwsza została już wyłączona z użytku, a obejmowała jedynie teren Chin i okolic. Druga generacja zastąpiła pierwszą i pozwala na pozycjonowanie na terenie Azji i Pacyfiku. Trzecia, której wprowadzanie na orbitę zaczęto w 2015 roku, obejmuje system globalny, który docelowo, za rok, ma obejmować 35 satelitów, a który pod koniec ubiegłego roku zaczął już działać na skalę globalną.

Beidou działa w oparciu na wielodostępie CDMA i świadczy usługi publiczne oraz dla wojska. Ogólnodostępne są bezpłatne i cechują się dokładnością pozycjonowania na poziomie do 10 m, możliwością synchronizacji zegara do 10 ns oraz funkcją mierzenia prędkości z dokładnością do 0,2 m/s. Tymczasem sygnał dostępny jedynie dla wojska pozwoli pozycjonować z dokładnością do 10 centymetrów.

Navic i QZSS

Rysunek 4. Nakładanie się częstotliwości sygnałów z poszczególnych systemów GNSS. Co ciekawe, problematyczne jest nakładanie się sygnałów Galileo i Beidou, a zgodnie z ustaleniami Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU - International Telecommunication Union) prawo do zajęcia danego pasma ma kraj, który jako pierwszy zaczął z niego korzystać - w tym przypadku są to Chiny

Dwa pozostałe systemy pozycjonowania satelitarnego działają tylko regionalnie, choć powstały z nieco innych powodów. Indyjski Navic powstał, by uniezależnić działania wojskowe od amerykańskiego GPS. Pierwszy satelita został wystrzelony w 2013 roku, a ostatni w połowie 2018. Razem na orbicie pracuje 7 satelitów, udostępniających sygnały standardowe i precyzyjne, oba na częstotliwościach L5 (1176,45 MHz) i w paśmie S (2492,028 MHz). Standardowy (SPS - Standard Positioning Service) korzysta z modulacji BPSK. Precyzyjny (PS - Precision Signal) korzysta z modulacji BOC. Dodatkowo do odbiorników możliwe jest przesyłanie powiadomień z centrali - np. ostrzeżeń o zbliżającym się sztormie. Dokładność pozycjonowania Navic to 10 m na Półwyspie Indyjskim i 20 m na Oceanie Indyjskim. Z czasem precyzja powinna być zwiększona do ok. 5 m.

QZSS powstał z uwagi na gęste zaludnienie i zabudowę Japonii. Pierwszego satelitę wystrzelono w 2010 roku, czwartego w 2017, a od jesieni 2018 roku, choć jeszcze niepełny (brakuje 3 satelitów), system uważa się już za działający. Co ciekawe, QZSS jest kompatybilny z GPS i tak naprawdę stanowi jego lokalne rozszerzenie. Zwiększa widoczność nadajników w miastach pełnych wieżowców. Nadawane sygnały są zgodne z sygnałami GPS L1C/A, L1C, L2C i L5. Dzięki temu nie trzeba wielu zmian, by odbiornik GPS mógł działać z systemem QZSS.

Wspomaganie GNSS

Rysunek 5. a) pokrycie systemu Beidou pierwszej generacji, b) pokrycie systemu Beidou drugiej generacji; trzecia generacja pokrywa już cały glob

Precyzję pozycjonowania można też zwiększyć za pomocą dodatkowych danych, pochodzących z systemów naziemnych. Pozwalają one nie tylko na uzyskanie dokładniejszych odczytów, ale też skracają czas potrzebny na określenie położenia. Wynika to z faktu, że satelity, takie jak np. w systemie GPS, stale nadają informacje o swoim realnym położeniu, a więc o tym, na ile odbiega ono od tego, czego można byłoby się spodziewać. Niestety, szybkość tej transmisji jest bardzo niska - pobranie tzw. almanachu GPS i efemeryd wymaga ok. 12,5 minuty ciągłego dostępu do sygnału, pomimo że ma on długość jedynie 15 000 bitów. Obecnie te same dane można błyskawicznie pobrać przez sieci komórkowe lub inne interfejsy. To właśnie w oparciu na tym założeniu działa A-GPS (Assisted GPS) - technika, którą obsługuje większość dostępnych na rynku modułów.

Oprócz podstawowego segmentu kosmicznego, do systemów GNSS należy też segment naziemny wraz z uzupełniającym kosmicznym. Większość nowoczesnych modułów obsługuje pozycjonowanie różnicowe, tj. DGPS (Differential GPS) i realizowane z użyciem satelitów (SBAS - Satellite-Based Augumentation System). Pozwala ona na zwiększenie precyzji pozycjonowania, która w przypadku klasycznego GPS i pojedynczej częstotliwości transmisji sygnału ograniczona jest przez wpływ jonosfery. Problem polega na tym, że czas przechodzenia sygnału przez jonosferę różni się w zależności od naturalnych zjawisk w niej zachodzących i trudno go dokładnie określić bez sygnału porównawczego. O ile w przypadku skorzystania z dodatkowych częstotliwości, innych niż L1, wpływ jonosfery można oszacować, porównując czasy docierania sygnału na dwóch nośnych, o tyle w tanich odbiornikach, bazujących tylko na GPS, nie jest to możliwe. System SBAS rozwiązuje ten problem, przesyłając do odbiorników aktualne informacje na temat jonosfery, co pozwala zwiększyć precyzję pozycjonowania. Co ciekawe, choć system SBAS dotyczy tylko i wyłącznie satelitów systemu GPS, jest obsługiwany przez różne, niezależne organizacje, działające lokalnie. Badają one stan nieba w swoim regionie i nadają informacje na ten temat do utrzymywanych przez siebie satelitów geostacjonarnych. Systemy te to europejski: EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), amerykański: WAAS (Wide Area Augmentation System), indyjski GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation) i japoński MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System). Z techniki tej korzysta też QZSS.

Jedno urządzenie - wiele systemów

Rysunek 6. Pokrycie systemu Navic

W celu określenia czasu i pozycji w trójwymiarowej przestrzeni, konieczny jest jednoczesny odbiór sygnałów z przynajmniej czterech satelitów. Odbiornik oblicza trzy pseudoodległości do satelitów oraz odchyłki czasu, a więc różnice pomiędzy mało dokładnym źródłem sygnału zegarowego z odbiornika a precyzyjnym zegarem atomowym w satelicie. Satelita transmituje w depeszy nawigacyjnej m.in. czas, almanach (stan konstelacji satelitów) oraz efemerydy (parametry lotu satelity). Dzięki tym danym odbiornik GNSS jest w stanie obliczyć dokładne współrzędne satelity, w momencie nadania sygnału, co z kolei, przy użyciu pseudoodległości, umożliwia obliczenie własnej pozycji. W przypadku możliwości odbioru tylko z trzech satelitów niektóre odbiorniki mogą pracować w trybie 2D z ustawioną przez użytkownika wysokością elipsoidalną. Problem w tym, że choć w samym systemie GPS pracuje nawet ponad 30 satelitów, w danej chwili, z odbiornika „widoczne” jest najczęściej jedynie 5…10 z nich. I mowa tu o sytuacji, gdy nic poza samą Ziemią nie przesłania odbiornika, co nie ma zastosowania w kotlinach, dolinach, kanionach, a co gorsza - w gęsto zabudowanych miastach. Ściany betonowego budynku potrafią bardzo skutecznie wytłumić sygnał, co oznacza że urządzenia działające jedynie na jednym z systemów GNSS często w miastach tracą informacje o aktualnym położeniu.

Jeszcze 10 lat temu stanowiło to duży problem, ale od tamtego czasu na rynku zaczęły pojawiać się odbiorniki zdolne do korzystania z więcej niż jednego systemu GNSS. Co prawda były to układy zrobione na wyrost - dostosowane do wstępnych specyfikacji młodych systemów, których liczba satelitów była tak mała, że rzadko faktycznie pomagały one w odczytach pozycji, ale z czasem sytuacja się poprawiała. Świetnie widać to na przykładzie ostatnich pięciu lat, kiedy liczba satelitów na niebie zwiększyła się kilkakrotnie i zaczęto z tego korzystać w nowych odbiornikach. Dzięki zgodności z wieloma systemami odbiorniki nie tylko są bardziej niezawodne, ale też cechują się większą precyzją - każdy dodatkowy satelita, z którego pobierany jest sygnał, może posłużyć do zwiększenia dokładności odczytu poprzez zastosowanie prostej interpolacji.

Implementacja obsługi wielu systemów GNSS też wcale nie jest trudna. W ogólności nadają one na bardzo zbliżonych częstotliwościach. Dzięki temu nie trzeba stosować różnych anten ani wielu torów sygnału i zazwyczaj wystarcza użycie jednego, wielosystemowego modułu.

Jak wdrożyć GNSS

Rysunek 7. Moduł u-blox ZED-F9P

Rysunek 8. Moduł na bazie układu MediaTek MT3339

Obecnie na rynku GNSS działa bardzo wielu producentów, w tym wiele firm dalekowschodnich. Większość wytwarzanych modułów jest do siebie bardzo podobna i różnią się jedynie szczegółami, które wcale nie przekładają się na istotne różnice użytkowe. Urządzenia te budowane są w oparciu na tylko kilku chipsetach - odbiornikach, które mają kluczowe znaczenie dla większości parametrów modułu. Największe różnice pomiędzy modułami dotyczą obsługi poszczególnych systemów nawigacji. Moduły z identycznymi chipsetami różnią się między sobą czułością, wymiarami, poborem mocy, wyjściami i np. wbudowaną anteną. Różnice dostrzeżemy także w dodatkowych funkcjach oraz w firmware, choć tu będą one dotyczyć głównie stabilności i niezawodności, które trudno opisać, bazując na kartach katalogowych. Dopiero praktyka inżynierska pokazuje, które z firm dołożyły odpowiednich starań, tworząc własne oprogramowanie wbudowane, a te, którym się to nie udało, są skutecznie, aczkolwiek stopniowo, wypierane z rynku. Objawia się to najczęściej brakiem nowości produktowych opartych na chipsetach kolejnych generacji i wycofywaniem się dystrybutorów z oferowania ich produktów.

Wśród cech wspólnych należy wymienić zakres temperatur pracy, który prawie w każdym przypadku wynosi od -40°C do +85°C. Większość modułów obsługuje ten sam podstawowy tekstowy format danych: NMEA, ale niekiedy różnią się jego wersją, z którą są zgodne. Niektóre z produktów obsługują też własne formaty, najczęściej binarne.

Podstawowym elementem każdego modułu GNSS jest odbiornik, określany też mianem chipsetu. Na rynku dominuje kilku producentów: Qualcomm (dawniej CSR, a jeszcze wcześniej znany jako SiRF), u-blox, MediaTek, Trimble, STMicroelectronics, SkyTraq, Texas Instruments. Chipsety zaliczane są do różnych generacji, których numeracja zgadza się z numeracją odbiorników Qualcomma. Najnowsze układy tej firmy, SiRFStar V dostępne są w wersji 5e oraz 5ea. Z punktu widzenia gotowych modułów, pewnego rodzaju standard, z którym poszczególni producenci nierzadko starają się zachować zgodność wyprowadzeń, stanowią produkty firmy u-blox. Produkuje ona bowiem nie tylko chipsety, ale i całe moduły w nie wyposażone. Najnowszymi chipsetami tej firmy są układy serii u-blox 9.

Rysunek 9. Zewnętrzna antena do odbiorników GNSS

Rysunek 10. Repeater sygnału GPS

Czym się wyróżniają nowoczesne chipsety GNSS? Omówimy to na przykładzie produktów Qualcomma, u-bloxa i MediaTeku.

W przypadku Qualcomma dobrym pokazem możliwości jest układ Sirfstar V 5e. Wspiera systemy GPS, Glonass, Beidou, Galileo, QZSS i SBAS. Ma 16 MB pamięci Flash i 16 MB pamięci RAM. Może przez długi czas przechowywać efemerydy w swojej pamięci: do 31 dni dla GPS i 14 dni dla Glonass. Obsługuje interfejsy I2C, SPI i UART. Ma dwa analogowe wejścia/wyjścia i 12 uniwersalnych wejść i wyjść cyfrowych. Dostępny jest w obudowach BGA i WLCSP, z rozstawem wyprowadzeń co 0,4 mm (WLCSP) lub 0,5 mm (BGA). Układ jest pomyślany tak, by mógł być zasilany bezpośrednio z akumulatora litowo-jonowego, bez potrzeby stosowania dodatkowych obwodów.

W przypadku u-bloxa warto zwrócić uwagę na gotowy moduł, zaliczany do serii układów precyzyjnych, do zastosowań profesjonalnych. Mowa o ZED-F9P, bazującym na platformie F9. Pracuje on z systemami GPS, QZSS, Beidou, Galileo i Glonass, jednocześnie odbierając dane ze wszystkich z nich. Ma dwa interfejsy UART, 1 USB, 1 SPI i 1 DDC, zgodny z I2C. Jego wymiary to 17×22×2,4 mm.

MediaTek, w ramach swojej marki AIROHA, oferuje układ MT3339, który bazuje na rdzeniu ARM7EJ-S i jest przeznaczony do rozwiązań konsumenckich. Obsługuje system GPS i QZSS oraz wspiera AGPS, DGPS i SBAS. Dostępny jest w obudowach BGA57 o wymiarach 4,3×4,3 mm.

Anteny, repetery i narzędzia

Rysunek 11. Zestaw deweloperski GNSS MTI-7-DK, zgodny z Arduino

Sam moduł to nie wszystko - konieczna jest jeszcze antena. Część modułów ma co prawda wbudowane anteny, ale nie zawsze możliwe jest takie umieszczenie tego elementu w urządzeniu, by odbiór sygnału nie był utrudniony. Dlatego nierzadko stosuje się anteny zewnętrzne.

Większość modułów GPS ma wbudowany niskoszumowy wzmacniacz, co pozwala na stosowanie anten pasywnych. Nic nie stoi jednak na przeszkodzie, by instalować anteny aktywne, które wymagają dodatkowego zasilania.

Anteny do nawigacji satelitarnej mają charakterystykę mało kierunkową. Istnieje kilka różnych rodzajów, przystosowanych do konkretnych rodzajów odbiorników. W przypadku małych anten często w praktyce różnią się one od siebie głównie rodzajem zastosowanego złącza. Te natomiast są bardzo różnorodne, choć część z nich używana jest tylko w niektórych rodzajach aplikacji. Bardzo często wtyczki są pozłacane. Anteny zewnętrzne nierzadko oferowane są w obudowach z magnetycznymi podstawami, które umożliwiają przyczepienie ich do powierzchni metalowych, np. w samochodzie. Podłączenie anteny łączonej przewodem do modułu wymaga zazwyczaj instalacji złącza na PCB. Wyprowadzenia RF modułu są bowiem przystosowane do bezpośredniego przylutowania ich do ścieżek płytki drukowanej. Warto dodać, że wiele modułów zawiera zabezpieczenie przed zwarciem na linii anteny.

Rysunek 12. Zestaw deweloperski GNSS X-NUCLEO-GNSS1A1 jako rozszerzenie dla płytek STMicroelectronics NUCLEO

Oprócz samych modułów, anten i przewodów, poszczególni producenci oferują także dodatkowe narzędzia. Ciekawym przykładem są repeatery GNSS, które retransmitują sygnał z satelitów do wnętrza budynku, tam gdzie w normalnej sytuacji sygnał satelitarny by nie sięgał. Pozwala to na korzystanie z systemu nawigacji np. w dużych centrach handlowych, a przykładowym zastosowaniem może być kierowanie klientów do wybranych sklepów.

Oczywiście w ofercie dostawców podzespołów do systemów GNSS znajdują się także narzędzia ułatwiające prototypowanie tworzonej aplikacji. Przykładem są zestawy deweloperskie zawierające moduł GPS, moduł GSM oraz mikrokontroler, dodatkową pamięć, zestaw wejść i wyjść oraz diody LED i przełączniki. Pozwala to wykonać część oprogramowania obejmującą korzystanie z nawigacji satelitarnej, zanim jeszcze właściwa platforma sprzętowa urządzenia zostanie przygotowana.

Do zaawansowanego testowania modułów GNSS posłużyć może natomiast aparatura laboratoryjna. Odpowiednie wielokanałowe generatory sygnałów umożliwiają przeprowadzanie złożonych testów układu nawigacji we w pełni kontrolowanych warunkach. Symulacje definiowane są programowo, tak by odzwierciedlały idealne lub rzeczywiste warunki, z jakimi będzie musiało się zmierzyć gotowe urządzenie. Dostępne opcje, w zależności od producenta, obsługują różne systemy GNSS i m.in. takie scenariusze, jak przejazd z odbiornikiem w gęsto zabudowanym mieście, w którym sygnał satelitarny przysłaniany jest przez drapacze chmur.

WGS-84, GCJ-02 i BD-09 - niekompatybilne systemy koordynatów
Projektując urządzenie elektroniczne, które ma za pomocą satelitów określać położenie i działać na terytorium Chin lub korzystać z systemu Beidou, należy wziąć pod uwagę tamtejsze ograniczenia prawne. Ze względów bezpieczeństwa narodowego chiński rząd (od 2002 roku) wymaga posiadania specjalnego pozwolenia na korzystanie z systemów GNSS na terytorium kraju. Jest to jeden z powodów, dla których wiele z urządzeń elektronicznych wiodących dostawców wyłącza możliwość np. geotagowania zdjęć, jeśli system wykryje, że urządzenie pracuje w Chinach.Co więcej, przepisy z 2006 nakazują stosowanie dodatkowego przetwarzania danych za pomocą algorytmu GCJ-02, który zniekształca podaną pozycję, przesuwając ją (w wydawałoby się, że losowy sposób) o ok. 100-700 metrów. To dlatego, oglądając mapy Chin w serwisie maps.google.com, widzimy, że położenie ulic nie pokrywa się ze zdjęciami satelitarnymi. Zdjęcia satelitarne są bowiem prezentowane bez ich przetworzenia i bazują na koordynatach jak w GPS - w końcu zostały wykonane z orbity, a nie z terytorium kraju. Natomiast ulice były mapowane już z terenu Chin, więc zgodnie z obowiązującym prawem korzystają z koordynatów GCJ-02. Widać to na załączonym zdjęciu, gdzie w okolicach Zakazanego Miasta w Pekinie ulice zaznaczone są na terenie jezior. Jeśli jednak wejdzie się w serwis maps.google.cn, a więc w chińską wersję usługi, tam zdjęcia satelitarne też są, na potrzeby chińskich użytkowników, przekształcone do koordynatów GCJ-02, dlatego pokrywają się ze zmapowanym układem ulic.Konwerter pomiędzy koordynatami GPS (WGS-84), GCJ-02 oraz BD-09, używany przez Baidu Maps, dostępny jest w postaci API, oferowanego przez Baidu.

 

Podsumowanie

Rysunek 13. Płytka GNSS 5, CLICK, zgodna z formatem Mikroelektronika click

Zmiany, jakie obserwujemy na rynku nawigacji satelitarnej, spowodowały możliwość wprowadzenia nowych produktów i rozwiązań, które dawniej nie były dostępne lub były zbyt zawodne, by można było je sensownie stosować. Wiele z nich związanych jest z motoryzacją i śledzeniem zasobów i wydaje się, że wciąż to właśnie te dwie dziedziny będą napędzać rynek. O ile jeszcze niedawno na terenie Europy mogliśmy korzystać jedynie z systemu GPS, o tyle już teraz użyteczne są także Glonass, Galileo i Beidou, których obsługa jest implementowana w dużej części nowych urządzeń elektronicznych, wyposażonych w mechanizm nawigacji.

Korzystne jest także, że bardzo często funkcje odbiorników GNSS są zintegrowane w modułach komunikacji w sieciach komórkowych, które integruje się w coraz większej liczbie urządzeń. Dzięki temu wzbogacenie urządzenia o pozycjonowanie satelitarne kosztuje teraz bardzo mało, a bogata liczba bibliotek programowych do obsługi systemów tego typu skraca czas implementacji.

Marcin Karbowniczek, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2019
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów