Měření na přijímači GPS

Měření na přijímači GPS Cíl měření: 1. Seznámit se s protokolem NMEA-183. 2. Interpretace vybraných údajů z výstupních dat přijímače. 3. Změření času od zapnutí přístroje potřebného pro určení polohy (TTFF). Přístrojové vybavení: Přípravek s přijímačem u-blox TIM-LL-0 Napájecí zdroj 5V pro napájení přijímače GPS. Počítač PC, programové vybavení u-center. Systém GPS Družicový navigační systém GPS-Navstar je primárně určen k radiovému určování polohy, vektoru rychlosti a přesného času. Vedle zprvu hlavního vojenského využití jej používá řada civilních aplikací, zejména v dopravě. Systém se skládá ze tří segmentů. Družicový segment tvoří 24-31 družic na kruhových drahách MEO s výškou 20 600 km a sklonem k rovině rovníku (inklinací) 55. Řídicí segment je tvořen hlavním a záložním řídicím centrem (Master station) a pěti monitorovacími a komunikačními stanicemi. Uživatelský segment tvoří přijímače jednotlivých uživatelů. Systém funguje na dálkoměrném principu. Signál vysílaný družicemi je přijímán uživatelským přijímačem, který změří zpoždění jednotlivých signálů vzhledem ke své časové základně a na základě změřených zpoždění a známých drah družic určí svoji polohu a opraví svoji časovou základnu, aby byla synchronní s časovou základnou systému. Pro výpočet třídimenzionální polohy je třeba přijímat signály alespoň čtyř družic, některé přijímače mohou určit polohu dvojdimenzionální, k čemuž vystačí se signálem tří družic, vyžadují však informaci o výšce (např. z vestavěného barometrického výškoměru). Polohové informace v systému GPS jsou udávány v geodetickém systému WGS84. Signál družic používá modulaci tzv. rozprostíracím kódem, který umožňuje přesné měření zpoždění signálu, současně však komplikuje zachycení signálu. Proto trvá zachycení signálu po zapnutí přijímače určitou dobu. Délka této doby závisí především na: 1. schopnostech přijímače provádět paralelní vyhledávání signálů pro různé druhy rozprostíracích kódů, jejich časové posuvy a kmitočtové posuvy způsobené Dopplerovým jevem. 2. počátečních znalostech parametrů přijímaného signálu pokud přijímač zná svoji přibližnou polohu, čas a postavení družic, zaměří se na družice s vhodným postavením na obloze a tím zkrátí dobu potřebnou k vyhledání jejich signálů. 3. intenzitě a kvalitě signálu družic. Vyhledání signálu zeslabeného průchodem vegetací nebo zbytkového signálu, který pronikne dovnitř budov, je obtížné a trvá déle (některé přijímače takové signály ani nemohou zpracovat). Po zachycení signálu je změřeno jeho zpoždění. Pro výpočet polohy uživatele je nutné kromě tohoto zpoždění znát i polohu družic v okamžiku vysílání signálu. Tu lze určit výpočtem z keplerovských parametrů oběžných drah, které jsou vysílány BPSK modulací signálu vysílaného družicemi ve formě cyklicky se opakující datové relace nazývané navigační zpráva. Navigační zpráva obsahuje zejména tyto informace: 1. Efemeridy krátkodobé přesné předpovědi drah družice. Každá družice vysílá své efemeridy. Doba platnosti efemerid je zpravidla čtyři hodiny a jsou obnovovány každé 1

dvě hodiny. To znamená, že přijímač musí načíst efemeridy každé družice alespoň jednou za dvě hodiny. Je-li přijímač vypnut na dobu kratší než dvě hodiny a přijímal-li před vypnutím signál dané družice, bude moci po zapnutí tento signál ihned používat. Pokud je přijímač vypnut na déle než čtyři hodiny, nemá v okamžiku zapnutí načteny žádné platné efemeridy a doba pro první určení polohy (Time to First Fix, TTFF) se o to prodlouží. Doba vysílání efemerid je 19.2 sekundy, perioda vysílání efemerid je 30 sekund. To znamená, že doba od zachycení signálu do získání efemerid bude v nejlepším případě 19,2 sekundy, ale může být i 49,2 sekundy nebo i delší, pokud je přijímaný signál rušen (např. průchodem signálu vegetací, krátkodobým zakrytím antény přijímače nebo interferencí signálu šířícího se přímou cestou a signálu odraženého). 2. Almanach souhrnná datová relace obsahující dlouhodobé, ale méně přesné předpovědi drah družic a tabulku použitelnosti družic. Tyto informace jsou vhodné zejména k urychlení nalezení signálů družic po zapnutí přijímače. Jsou skladovány v paměti přijímače a zůstávají aktuální řádově několik měsíců. Perioda opakování almanachu je 12.5 minuty. 3. Součásti almanachu jsou i koeficienty ionosférického modelu, s jejichž použitím lze zčásti kompenzovat nepřesnosti zpoždění, které vznikají při průchodu signálu ionosférou. Pokud přijímač tuto informaci nemá, měří s větší chybou (cca 2x-3x). Perioda opakování této informace je 12.5 minuty. 4. Součásti almanachu jsou i koeficienty pro přepočet mezi časovou základnou systému GPS a časovou škálou UTC. Diference mezi oběma časovými základnami je proměnná, v roce 2007 činí 14 sekund. Pokud přijímač tuto informaci nemá, udává nepřesné časové údaje. Perioda opakování této informace je 12.5 minuty. Z hlediska úplnosti výše uvedených informací v paměti přijímače v okamžiku jeho zapnutí rozlišujeme tři stavy: 1. Studený start (cold start): přijímač nemá k dispozici některý z těchto údajů: almanach, přibližný čas (s chybou do cca 10ti minut), přibližnou polohu (s chybou cca 500-1000 km). Nalezení signálu družic trvá v tomto případě dlouho (typicky několik minut). 2. Teplý start (warm start): přijímač má k dispozici údaje z předchozího bodu, může tedy rychle vyhledat signály družic, nemá však aktuálně platné efemeridy. Doba TTFF se proto prodlužuje o cca 20-50 sekund. Tato situace nastává, pokud je přijímač vypnut déle než čtyři hodiny a méně než cca jeden rok a pokud během této doby nedošlo ke ztrátě informací z paměti. 3. Horký start (hot start): Přijímač má k dispozici aktuální efemeridy dostatečného počtu družic (alespoň 3-4) a může určit polohu ihned po vyhledání signálu. Doba TTFF se v tomto případě pohybuje v řádu jednotek až desítek sekund. Popis přijímače Přijímač GPS u-blox TIM-LL patří mezi levné jednoduché moduly určené k monáži na desce plošného spoje. Je schopen paralelního zpracování signálu až šestnácti družic GPS. Je napájen ze stabilizátoru 3.3 V. Jeho datové rozhraní tvoří dvě sériové linky (UART). Komunikuje v protokolu UBX, je schopen předávat informace v protokolu NMEA-183, akceptuje diferenční korekce v protokolu RTCM-sc104. Protokol NMEA-0183 Protokol NMEA (National Marine Electronics Association) je primárně určen k propojení elektronických přístrojů na námořních plavidlech. Využívá sériové linky RS232 se standardní 2

komunikační rychlostí 4800 Bd (přijímač ale umožňuje nastavit i jiné rychlosti). Předávaná data mají textový formát a skládají se z vět na samostatných řádcích. Každá věta je uvozena znakem $ (kód 0x24) a může být zakončena znakem * (kód 0x2a), za kterým následuje dvojmístný hexadecimální kontrolní součet (parita, vypočten operací XOR ze všech znaků věty mezi $ a *) a znaky odřádkování (CR, LF, kód 0x0d, 0x0a). Vlastní věta je sestavena z položek oddělených čárkami (kód 0x2c). Položky smí obsahovat číselné a písmenné znaky, mohou mít i nulovou délku. Druh věty je rozlišen pomocí identifikátoru - první položky. Počet položek ve větě je zpravidla pevný a případné chybějící položky jsou uvedeny s nulovou délkou (oddělovací čárky pak leží vedle sebe). Pro GPS aplikace je podstatná část protokolu NMEA označovaná NMEA-0183. Pro GPS přijímače jsou vyhrazeny identifikátory začínající znaky GP. Dále se zde mohou používat všeobecné (firemní, nestandardní) identifikátory začínající znaky PN. Protokol NMEA-0183 je u GPS přijímačů značně rozšířen a jedná se zřejmě o jediný celosvětově zavedený standard pro výstupní informace z těchto přijímačů (kromě geodetických aplikací). Následuje stručný popis vybraných zpráv implementovaných v přijímači GPS Magellan StarTrak: GPGGA Obsahuje základní informace o poloze a čase měření. Příklad zprávy: $GPGGA,081625.39,4945.5468,N,01431.6557,E,2,03,5.8,00380,M,,,,*20 Formát zprávy: $GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*HH Význam jednotlivých položek: <1> čas UTC poslední známé polohy (nebo aktuální čas u některých přijímačů) ve formátu HHMMSS.SS, kde HH je hodina, MM minuta a SS.SS sekunda (desetinná část může chybět) času UTC. <2> Zeměpisná šířka ve stupních a minutách ve tvaru DDMM.MMMMM, kde DD jsou stupně a MM.MMMMM minuty úhlové souřadnice (počet desetinných míst minuty není pevně stanoven). <3> Polokoule N = severní, S = jižní. <4> Zeměpisná délka ve stupních a minutách ve tvaru DDDMM.MMMMM, kde DDD jsou stupně a MM.MMMMM minuty úhlové souřadnice (počet desetinných míst minuty není pevně stanoven). <5> Polokoule E = východní, W = západní. <6> Stav polohové informace: 0 = poloha není určena, 1 = poloha je určena, 2 = poloha je určena diferenčně (přesnější měření s lokální podporou). <7> Počet použitých družic. <8> HDOP koeficient vyjadřující míru znepřesnění polohové informace v důsledku nepříznivého geometrického rozmístění dostupných družic. Hodnoty vyšší než 4-6 jsou pokládány za nepříznivé. <9> Nadmořská výška. <10> výška nad referenčním elipsoidem WGS84. <11> Stáří diferenčních korekcí v sekundách. <12> Identifikátor zdroje diferenčních korekcí. GPRMB (Recomended Minimum Navigation) Věta obsahuje základní navigační informaci vzdálenost a směr nejbližšího nastaveného traťového bodu. 3

$GPRMB,A,1.94,R,SRCE,CRA,4935.5420,N,01431.4089,E,010.0,181,018.4,V*43 Formát: $GPRMB,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>*HH <1> Stav navigace: A = přijímač naviguje, V = varování. <2> Příčná traťová odchylka v námořních mílích. <3> Směr korekce (L = vlevo, R = vpravo) pro vyrovnání příčné odchylky. <4> Název výchozího traťového bodu. <5> Název cílového traťového bodu. <6> Zeměpisná šířka cílového traťového bodu (formát viz GPGGA). <7> Polokoule cílového traťového bodu (N nebo S, viz GPGGA). <8> Zeměpisná délka cílového traťového bodu (formát viz GPGGA). <9> Polokoule cílového traťového bodu (E nebo W, viz GPGGA). <10> Vzdálenost k cílovému bodu v námořních mílích. <11> Kursový úhel k cílovému bodu ve stupních. <12> Radiální složka rychlosti k cílovému bodu v námořních uzlech (mílích za hodinu). <13> Stav dosažení traťového bodu. GPRMC (Recomended Minimum GPS Data) Věta obsahuje v zahuštěné formě souhrnnou polohovou informaci. $GPRMC,081625.39,A,4945.5468,N,01431.6557,E,20.9,157.6,281106,02,E*41 Formát: $GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*HH <1> UTC čas určené polohy nebo čas aktuální. <2> Stav navigace: A = přijímač naviguje, V = varování. <3> Zeměpisná šířka (viz GPGGA). <4> Polokoule N nebo S (viz GPGGA). <5> Zeměpisná délka (viz GPGGA). <6> Polokoule E nebo W (viz GPGGA). <7> Horizontální složka rychlosti v námořních uzlech (mílích za hodinu). <8> Kursový úhel ve stupních. <9> Datum (UTC), formát DDMMYY den, měsíc, rok. <10> Rozdíl mezi magnetickým a zeměpisným severem ve stupních. <11> Orientace rozdílu mezi magnetickým a zeměpisným severem, E nebo W. GPGSA Věta obsahuje stav činnosti GPS přijímače, seznam identifikátorů družic použitých pro určení polohy a koeficienty DOP (koeficienty vyjadřující míru znepřesnění polohové informace v důsledku nepříznivého geometrického rozmístění dostupných družic). $GPGSA,A,2,17,09,05,,,,,,,,,,05.8,05.8,*17 <1> Režim přepínání mezi dvojdimenzionálním a třídimenzionálním výpočtem polohy, A = automaticky, M = ručně. <2> Režim výpočtu polohy: 1 = neměří, 2 = 2D (dvojdimenzionálně), 3 = 3D (třídimenzionálně). <3>...<14> Seznam identifikátorů družic použitých pro výpočet polohy. <15> PDOP koeficient zhoršení třírozměrné polohové informace. <16> HDOP koeficient zhoršení horizontální polohové informace. <17> VDOP koeficient zhoršení vertikální polohové informace. 4

GPGSV Věta obsahuje část seznamu družic nad obzorem, jejich azimutální a elevační úhly a informaci o síle signálu (odstup signálu od šumu). Celý seznam družic je rozdělen do několika vět po čtyřech družicích. $GPGSV,3,1,10,09,71,133,42,05,64,266,36,14,28,313,,30,26,258,*74 $GPGSV,3,2,10,17,25,047,48,04,17,093,44,02,08,131,45,26,08,175,*78 $GPGSV,3,3,10,22,06,276,,24,06,127,,124,32,172,41,138,32,172,*71 Formát: $GPGSV,<n>,<i>,<m>,<id>,<e>,<a>,<s>,<id>,<e>,<a>,<s>,<id>,<e>,<a>,<s>,<id>,<e>,<a>,<s>*HH <n> Počet vět, na které je seznam rozdělen. <i> Pořadové číslo věty v seznamu (1..n). <m> Celkový počet družic nad obzorem. <id> Identifikátor družice, 1..32, vyšší čísla vyhrazena pro družice WAAS/EGNOS <e> Elevační úhel ve stupních nad obzorem. <a> <s> Azimutální úhel (od severu vpravo) Síla signálu odstup signálu od šumu v dbhz, hodnoty vyšší než cca 30..33 jsou již uspokojivé. Měření TTFF Doba potřebná pro první určení polohy (nebo potřebná energie) po zapnutí je jedním ze základních hodnotících parametrů přijímače GPS. Tato doba závisí na mnoha okolnostech (viz úvodní odstavec), nelze ji tedy jednoznačně určit a bývá zkoumána statistickými metodami. Rozlišujeme tři případy inicializace procesu měření přijímačem GPS: 1. Studený start (Cold start) přijímač nemá dostatek informací k cílenému vyhledávání signálů družic, zahajuje náhodné vyhledávání a tento proces může trvat relativně dlouho (u starších nebo jednodušších přijímačů i více než deset minut, u specializovaných s možností masivního paralelního zpracování signálu jednu až dvě minuty). Ke studenému startu dochází, pokud přijímač ztratí potřebné informace v paměti RAM zálohované z baterie. Lze toho docílit vyjmutím baterie na dobu cca 5 minut. 2. Teplý start (Warm start) přijímač má dostatek informací k tomu, aby mohl cíleně vyhledávat signál družic, které se nachází v příznivé poloze pro příjem. Pro použití signálu k určení polohy je ale třeba ještě načíst efemeridy. Typické trvání teplého startu je 30-60 sekund. K teplému startu dochází, pokud doba od předchozí činnosti přijímače je delší než 2-4 hodiny. 3. Horký start (Hot start) přijímač provede cílené vyhledání družic a signál je schopen prakticky ihned použít. Přijímače pro serioznější aplikace přesto i v těchto případech provedou kontrolní příjem alespoň části navigační zprávy, aby prověřili stav družic (mohl se změnit od posledního vypnutí přijímače). Typická doba pro první měření je řádu jednotek až desítek sekund, existují speciální přijímače s touto dobou cca 150-200 ms, naopak u aplikací, na kterých závisí životy není neobvyklé, že přijímač prověřuje signál po dobu několika minut. 5

Postup měření Úkolem je změřit dobu pro první určení polohy: 1. po provedení studeného startu (Cold Start), 2. po provedení teplého startu (Warm Start), 3. po provedení horkého startu (Hot Start). Přijímač se připojí na externí napájecí zdroj 4-5V. Datový kabel přijímače se připojí k počítači, spustí se program u-center. Programem lze zadat povely k jednotlivým druhům inicializace, lze zobrazit (a uložit do souboru) zprávy ve formátu NMEA a UBX, lze graficky zobrazit použitelnost jednotlivých signálů družic, záznam změřené polohy v horizontální rovině i ve svislém směru a další informace. Doba potřebná pro první určení polohy se určí jako počet zpráv GPGSA (vypisovaných v sekundových intervalech) před příchodem první zprávy GPGGA nebo GPRMC s platnou polohou. K tomuto účelu lze použít také zobrazení seznamu použitelných signálů v programu u-center. Dobu potřebnou pro první určení polohy určíme jako počet sekundových intervalů před dosažením použitelných signálů u alespoň čtyř družic. Použitelné signály jsou programem zobrazovány v podobě sekundových polí zelené barvy, zatímco modrou barvou jsou značeny případy, kdy je sice signál přijímán, ale dosud nebyly bezchybně zaznamenány efemeridy dráhy družice potřebné pro výpočet její polohy. Měření času je třeba provádět opakovaně (alespoň 10x), výslednou hodnotu se doporučuje určit jako median (50% kvantil). Je vhodné se zaměřit zejména na teplý start (Worm Start). U rozsáhlejších měření si lse povšimnout, že čas potřebný pro příjem efemerid (který je součístí teplého startu) závisí na fázi vysílaného rámce efemerid (má periodicitu 30 sekund), ve které došlo k zahájení příjmu. Pro zpracování teplých (Warm) startů provádějte proto inicializaci v různých částech třicetisekundového cyklu vysílání navigační zprávy. Zpracování výsledků Jednotlivé druhy inicializace provádějte opakovaně (dle časových možností). Proveďte následující statistické zpracování TTFF: naměřené hodnoty TTFF v sekundách seřaďte podle velikosti a vyhodnoťte hodnotu ve středu seřazeného seznamu jako padesátiprocentní kvantil (median). Získanou hodnotu formulujte jako čas pro Cold/Warm/Hot start TTFF, který bude splněn s pravděpodobností 50%. 6