Jakiś czas temu miałem konieczność zaopatrzenia się mały moduł GPS do jednego z moich projektów.
Moją uwagę przykuły dwa modele – jeden wykorzystujący układ FGPMMOP6 oraz drugi wykorzystujący bardzo popularny układ NEO6 w wersji M. Ceny są bardzo do siebie zbliżone, jednak w ogólnym rozrachunku musiałem postawić tylko na jeden z nich.
Moduły te, pracują standardzie NMEA i komunikują się mikrokontrolerem za pomocą magistrali UART. Bardzo zależało mi, aby odbiornik był on jak najmniejszy z możliwością wpięcia w gniazdo o standardowym rozstawie pinów 2.45mm.
Przyglądając się powyższym parametrom pracy obu modułów, bardziej praktycznym może okazać się tańszy NEO6-M. Pierwszym aspektem jest zasilanie modułu. W przypadku FGPMMOP6 jest możliwe teoretycznie zasilanie napięciem 5V, ale nawet producent zaleca zasilanie napięciem 3.3V. Jeśli chodzi zaś o NEO6-M takiego problemu nie ma.
NEO6-M może okazać się również dokładniejszy za sprawą zewnętrznej anteny, gdzie z kolei FGPMMOP6 posiada ją wbudowaną. Czasy jakie potrzebne są do pracy modułu również przemawiają na korzyść NEO-6M i są prawie 30% krótsze.
Jedyną przewagę jaką posiada FGPMMOP6 jest częstotliwość pomiaru, która może wynieść nawet 10Hz – w przypadku NEO6-M otrzymujemy 5Hz Pewną zaletą może okazać się również sama budowa modułu FGPMMOP6, pozwalająca wpiąć go jak tradycyjny układ scalony.
Zanim jednak porównamy w boju oba moduły, wypadałoby napisać odrobinę więcej o nawigacji GPS.
Jak działa system GPS w pigułce?
Ogólnie działanie systemu GPS opiera się o trzy podstawowe segmenty: kosmiczny, kontrolnyoraz użytkownika. Segment kosmiczny składa się obecnie z 34 satelitów, które krążą po ściśle określonych orbitach na wysokości około 20183 km nad Ziemią. Co ciekawe – czynne jest jedynie 30 z nich, natomiast pozostałe są testowane, bądź wyłączone z przyczyn technicznych. Trajektorie, jak i czasy ich przelotu są tak dobrane (pół doby gwiazdowej 11h 58 min), że w każdej chwili, w dowolnym miejscu na Ziemi, powinno być widoczne od 8 do 12 satelitów. Stąd też wiadomo, gdzie dany satelita powinien się znajdować – na jakiej jest wysokości oraz jaką posiada prędkość oraz kierunek. Wiadome jest również, w jakim czasie sygnał z konkretnego satelity powinien dotrzeć do Ziemi. Te podstawowe informacje, które są potem przetwarzane przez nasz odbiornik GPS nazywamy almanachem. Warto również pamiętać, że satelity wyposażone są w super dokładne zegary, które pozwalają na ustalenie czasu w jakim sygnał został przez nie wysłany. Ważność almanachu w urządzeniu GPS to kilka dni, jednak może przestać być aktualny, gdy nasz odbiornik znacznie zmieni swoją pozycję.
Niestety znajomość almanachu w praktyce nie wystarczy. Jest bowiem wiele czynników, które mogą wpłynąć na trajektorię satelitów oraz szybkość dotarcia sygnału do odbiorcy. Dlatego pojawia się kolejny ważny segment kontrolny, który składa ze stacji naziemnych w różnych zakątkach na Ziemi. Ich zadanie polega na analizie sygnałów emitowany przez każdego satelitę pod kątem zgodności położenia i w razie konieczności korygują trajektorię satelity, umożliwiając jej powrót na właściwy tor. Zbiór tych danych nazywamy efemerydami, które są transmitowane z powrotem do satelity, a następnie satelita wysyła je do odbiorcy. Efemeryda posiada ważność około 5 godzin.
Segment użytkownika jest ostatnim elementem układanki, który polega na precyzyjnym zsynchronizowania zegara odbiornika GPS z zegarami satelitów, gdzie błąd ułamków sekundy przekłada się na błędne określenie naszej pozycji.
Zanim nasz odbiornik GPS przystąpi do określenia naszej dokładnej pozycji, musi więc dogadać się z satelitami odnośnie powyższych kwestii. Czas jaki na to będzie potrzebował może mieścić się w zakresie od 1 do 60 sekund (w zależności od warunków pogodowych, może nawet być to czas dłuższy). Gotowość odbiornika GPS poprzedza więc zimny, ciepły lub gorący start.
Zimny, ciepły, gorący start?
Rozróżniamy kilka rodzajów startu odbiornika GPS: zimny, ciepły i gorący, który definiujemy w zależności od tego, jak bardzo aktualne dane posiada nasz odbiornik. Dla naszych konretrnych modułów są to kolejno 35s, 34s i 1s (FGPMMOP6) oraz 27s, 27s i 1s (NEO6-M).
Zimny start może nastąpić wtedy, gdy almanach jest aktualny, zaś nieaktualne są efemerydy dla poszczególnych satelitów, które biorą udział w bieżącym obliczaniu pozycji. Jak wspomniałem wcześniej, efemeryda zmienia się dla każdego satelity co około 5 godzin, dlatego nawet jeśli nasz odbiornik nie był używany przez krótki czas, konieczna jest ponowna ich aktualizacja ze wszystkich używanych aktualnie satelitów. Oczywiście nasz odbiornik musi upewnić się, że satelita jest prawidłowo zidentyfikowany i jego sygnał jest dostatecznie silny, aby mógł brać udział w określaniu naszej pozycji. Do poprawnego określenia pozycji (2D fix) wymagane są minimum trzy satelity, natomiast dla dodatkowej wysokości (3D fix) są to cztery satelity. Zimny start rozpocznie się oczywiście również wtedy, kiedy almanach będzie nieaktualny.
Ciepły start występuje wtedy, gdy efemerydy dla co najmniej 3 satelitów biorących udział w pozycjonowaniu są aktualne, gdzie pozostaje jedynie precyzyjna synchronizacja czasu z tymi satelitami. Dla naszycg modułów są to czasy 34s i 27s, ale można spotkać również moduły, gdzie czas ten wynosi zaledwie 5 do 10 sekund. Ciepły start może wystąpić po czasie od około 20 minut do 4-5 godzin po ostatnim użytkowaniu odbiornika.
Gorący start nastąpi wtedy, kiedy nasz odbiornik nie rozbiegnie się zegarami satelitów więcej niż 100ms. Taką rozbieżność czasu odbiornik GPS uzyskuje po czasie około 20 minut (stąd też przekroczenie tego czasu, z reguły wymusza już ciepły start). Jeśli różnica jest mniejsza niż 100ms, nasz odbiornik może natychmiast przetwarzać dane z satelitów. Sprawdzenie takiego stanu rzeczy zajmuje około 1 sekundy.