KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
7. GPS PŘIJÍMAČ Úkoly 1. Seznamte se s vlastnostmi a ovládáním OEM GPS modulu uBlox TIM-4P a software u-center. Popište výstupní zprávy NMEA přijímače. 2. Sledujte počty viditelných družic, družic použitých k výpočtu polohy, hodnoty DOP a status přijímače v závislosti na změně elevační masky přijímače. Dále sledujte počet použitelných družic a jejich odstup signál/šum v závislosti na poloze antény (outdoor, indoor). 3. Určete 95% pravděpodobnost relativní odchylky polohy pro zaznamenaný vzorek dat. 4. S využitím obslužného software porovnejte parametr TTFF pro různé typy startu přijímače (hot, warm, cold).
Úvod Družicové navigační systémy Družicové navigační systémy patří k tzv. globálním systémům, tj. k systémům, které s několika málo majáky (vysílači) umožňují určovat polohu kdekoli na Zemi. Hlavní předností globálních navigačních systémů je, že určují polohu v souřadném systému, který je společný pro celou zeměkouli.
Definice polohy Poloha předmětu na Zemi a v jejím okolí se určuje souřadnicemi ve zvoleném (geodetickém) souřadnicovém systému. Geodetických souřadnicových systémů je celá řada. Souřadnice stejného bodu se v různých systémech od sebe liší až o stovky metrů a proto je třeba při různých měřeních používat stále stejný systém. Ten musí být zvolen tak, aby vyhovoval metodě měření polohy. Důvod pro existenci různých geodetických systémů spočívá v tom, že Země je nepravidelné těleso. Nahrazujeme ji geoidem, rovněž nepravidelným tělesem, jehož povrch je však v každém bodě kolmý na směr tíže. Tvarem se blíží zploštělému rotačnímu elipsoidu. Pro určování polohy bodu nahradíme Zemi (geoid) referenčním elipsoidem. K němu pak vztahujeme polohu bodu. Je žádoucí, aby se referenční elipsoid co nejvíce přimykal ke geoidu, aby podle určitých kritérií co nejpřesněji Zemi aproximoval. V minulosti, v době měření polohy v rámci jednotlivých států či regionů, tak vznikla řada lokálních (národních) referenčních elipsoidů, které vždy, podle určitého kritéria, nejlépe vyhovovaly určité části Země. Se vznikem globálních systémů určování polohy, které umožňují určit přesnou polohu libovolného bodu kdekoli na Zemi a v jejím okolí, vznikl požadavek vytvořit referenční elipsoid aproximující celý geoid. Takový elipsoid je součástí standardního fyzikálního modelu Země WGS-84 (World Geodetic System 1984) vypracovaného ministerstvem obrany Spojených států na základě rozsáhlých gravimetrických a družicových měření. V minulosti byl používán na území ČR systém S-42 a některé mapové podklady jsou v současnosti stále k dispozici v tomto systému. Geodetické aplikace pracují i se systémem S-JTSK, který byl používán hlavně při zaměřování pozemků a katastrálních map. Kromě geodetického sférického souřadnicového systému WGS-84 se často při určování polohy systémem GPS užívá kartézského systému ECEF (Earth-centered, Earth-fixed). Tento systém má počátek v těžišti Země. Osa z je totožná s osou otáčení Země, osa x protíná Greenwichský poledník, osa y tvoří s oběma pravotočivý kartézský systém, který se otáčí spolu se Zemí. Pro lokální zobrazení se dále používá i tzv. lokální souřadnice ENU (East, North, Up), které jsou dány rovinou kolmou k normále z počátku ECEF souřadného systému k měřenému bodu polohy. Předchozími odstavci chceme upozornit na to, že uživatel navigačního systému musí dát pozor, v jakém geodetickém systému pracuje. Pokud např. využívá přijímač družicové navigace systému GPS a má mapy, které nejsou v systému WGS 84, nebude jeho skutečná poloha souhlasit s polohou na mapě.
Principy družicových navigačních systémů V přijímačích rádiových družicových navigačních systémů mohou být jako měřené parametry signálů sloužící pro určení polohy využity: • Dopplerův kmitočet, 1/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
• zpoždění signálu přepočítané na vzdálenost. V prvém případě hovoříme o dopplerovské metodě určení polohy, ve druhém o metodě dálkoměrné. Obě metody mohou být také kombinovány. Vysvětleme princip metody dálkoměrné, která je nejčastěji používána u přijímačů systémů, které popíšeme dále. Družice vysílají signály a uživatel zjišťuje čas jejich příjmu. Z doby τ i , která uplynula mezi vysláním a příjmem signálů určuje vzdálenosti d i k družicím. Z nich a z polohy družic určí uživatel svou polohu. Polohu družic vypočte z vysílaných parametrů drah. Uživatel se pak nachází na průsečíku kulových ploch jejichž poloměry odpovídají vzdálenostem d i Problém měření doby τ i , která uplyne mezi vysláním dálkoměrného signálu z družice a jeho přijetím uživatelem by byl jednoduchý, kdyby časové základny systému a uživatele (tzv. hodiny) byly synchronní. Časová základna uživatele je však posunuta o neznámý časový interval ∆t , který můžeme
b = c∆t . Uživatel tedy měří zpoždění τ mi = τ i − ∆t . K neznámým souřadnicím uživatele přibývá tedy neznámá b (nebo ∆t ) a pro výpočet polohy potřebujeme alespoň čtyři rovnice které přepočítat na vzdálenost
sestavíme pomocí známé Pythagorovy věty:
( xi − x ) 2 + ( yi − y ) 2 + ( zi − z ) 2
(
)
= di = τ mi + ∆t c = Di + b, i = 1,2,3, 4
(x1, y1, z1)
(x2, y2, z2) z (x, y, z)
d1 = cτ1
d2 = cτ2
(x3, y3, z3)
d3 = cτ3 (x4, y4, z4)
τi = di /c
y
x
d4 = cτ4
(x - x)2 + (y - y)2 + (z - z)2 = (c (τ - τ ) )2 i = 1, 2, 3, 4
i i i určení polohy miv družicovém 0 Obr. 1 Princip dálkoměrné metody navigačním systému
Měření provádí uživatel obvykle tak, že generuje kopii signálu vysílaného zvolenou družicí, tuto kopii
τ mi počátku této kopie vzhledem k počátku své časové můžeme přepočítat na vzdálenost Di , která bývá nazývána pseudovzdáleností
synchronizuje s přijímaným signálem a měří posun základny. Měřený čas
τ mi
(pseudorange) nebo zdánlivou vzdáleností. Provede-li uživatel měření ke čtyřem družicím, má k disposici všechny veličiny potřebné pro řešení soustavy rovnic, jejímiž neznámými jsou jeho souřadnice ( x , y , z ) a posun ∆t jeho časové základny vzhledem k časové základně družicového systému. Hodiny všech družic vzájemně synchronizované a navíc synchronizované s hodinami v řídicím středisku navigačního systému, tedy řízeny časovou základnou systému. Ta musí být náležitě stabilní. Každá nestabilita signálů družic by se projevila jako chyba měření polohy uživatele. Proto jsou hodiny na družicích i v pozemním řídicím středisku zpravidla atomové. K tomu, aby kopie signálu byla synchronní se signálem přijímaným, se používají obvod časový diskriminátor, jehož hlavním stavebním prvkem je korelátor. Korelátor vytváří součet (integrál) součinů hodnot přijímaného signálu s hodnotami kopie signálu vysílaného družicí. Tato kopie se generuje v přijímači. Součet (integrál) součinů se nazývá korelační funkce R (τ ) . Hodnota korelační funkce závisí na vzájemném posunu τ obou signálů a je největší, je-li jejich vzájemný posun nulový. Se vzrůstajícím posunem hodnota korelační funkce klesá. Aby časový diskriminátor byl citlivý a pracoval bez problémů, je zřejmě žádoucí, aby korelační funkce signálu měla jedno ostré maximum.
Chyby družicových navigačních systémů Příčinou chyby určení polohy u nejvýznamnějších systémů družicové navigace pracujících dálkoměrnou metodou jsou chyby v měření vzdálenosti mezi uživatelem a družicí. Všimněme si jejich hlavních příčin. Ionosférická refrakce 2/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Signál družice prochází na své cestě k uživateli ionosférou, ve které dochází k jeho ohybu, k ionosférické refrakci. Signál se tedy dostává k uživateli po cestě delší než je skutečná vzdálenost od družice. Refrakce se potlačuje např. tím, že se v přijímači vytvoří model ionosféry, s jehož použitím se chyba koriguje. Družice vysílají koeficienty tohoto modelu. Ionosférickou refrakci lze potlačit i dvoukmitočtovou metodou. Každá družice vysílá dva signály na dvou různých kmitočtech. Ty se šíří ionosférou různě, což lze popsat soustavou dvou rovnic o dvou neznámých. Do rovnic vstupují naměřená zpoždění. Řešením soustavy získáme správnou vzdálenost od družice (je jednou ze dvou neznámých), kterou potřebujeme pro výpočet polohy uživatele. Nekorigovaná ionosférická refrakce způsobuje největší přirozené chyby družicových navigačních systémů. Vliv ionosféry se mění v závislosti na sluneční aktivitě (velkým změnám dochází v průběhu jedenáctiletého slunečního cyklu). Další metodou potlačení ionosférické refrakce je diferenční měření. Mnohacestné šíření Signál od družice se k anténě uživatelova přijímače šíří jednak přímou cestou, jednak, pokud nastal jeho odraz od předmětů v okolí přijímače, po delší cestě. Vzdálenost od družice při přítomnosti odrazů potom nemusí být správně změřena. Říkáme, že vzniká chyba způsobená mnohacestným šířením signálu. Další chyby a celková chyba určení vzdálenosti Na chybě určení polohy se podílejí i další příčiny jako je šum, nepřesnost určení efemerid družic, nestabilita hodin systému, troposférická refrakce a další. Příklad velikosti jednotlivých příspěvků k celkové chybě měření zdánlivé vzdálenosti v systému GPS je na Obr. 2.
Segment Kosmický
Řídicí Uživatelský
Podíl na ekviv. chybě vzdálenosti σd [m] Stabilita kmitočtového normálu družice . . . . . . 3,0 Predikce perturbací družice . . . . . . . . . . . . . . . 1,0 Jiný . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5 Zdroj chyby
Chyba modelu predikce efemerid . . . . . . . 4,2 Jiný . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,9 Ionosférická refrakce . . . . . . . . . . . . . . . . 5,0 - 10,0 Troposférická refrakce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,0 Šum a rozlišovací schopnost přijímače . . . . . . . 7,5 Vícecestné šíření signálu . . . . . . . . . . . . . . . 1,2 Jiný . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5
Celková ekvivalentní chyba vzdálenosti σd [m]
. . . 10,8 - 13,9
Obr. 2 Chyby měření zdánlivé vzdálenosti systému GPS SA Provozovatel systému GPS – armáda Spojených států, vkládal a může kdykoli znovu vložit do signálů GPS záměrné rušení označované jako SA (Selective Availability). SA bylo většinou nastaveno tak, aby s pravděpodobností 0,95 způsobovalo horizontální chybu 100 m. Toto rušení může potlačit pouze přijímač autorizovaného uživatele. Musí být vybaven speciálními obvody a uživatel musí znát šifru. Neautorizovaný uživatel může vliv záměrného rušení SA potlačit jen pomocí diferenčního měření (viz dále). Záměrné rušení bylo 2. 5. 2000 rozhodnutím prezidenta USA vypnuto. Činitel zhoršení přesnosti PDOP Chyba v měření vzdálenosti se projevuje (pro jednoduchost si představme situaci v rovině) tak, že bod, ve kterém se nachází uživatel neleží na kružnici, ale v mezikruží určité šířky opsaném družici; poloměr mezikruží odpovídá vzdálenosti, šířka chybě měření (Obr. 3). Řešení rovnic, které jsme uvedli výše, můžeme interpretovat jako hledání průsečíku těchto mezikruží. Pokud se mezikruží protínají kolmo, je jejich společná plocha, ve které se s určitou pravděpodobností uživatel nachází, malá. Pokud se protínají pod tupým úhlem, je společná plocha velká. Obsah společné plochy je mírou chyby určení polohy. Je úměrný činiteli, který se označuje jako PDOP (Position Dilution of Precision). Střední kvadratická chyba σ P polohy je pak součinem činitele PDOP a střední kvadratické chyby
σ D měření vzdálenosti
P=PDOP⋅ D
PDOP závisí na rozložení družic na nebeské báni. Pokud se některé družice k sobě přibližují, PDOP roste a zvyšuje se chyba měření polohy uživatele. PDOP může i za běžných okolností (zakrytý obzor) nabýt řádově hodnoty stovek, při nedostatečném počtu družic roste nade všechny meze. PDOP je nejmenší, když jsou 3/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
družice rovnoměrně rozloženy na nebeské báni a s rostoucím počtem družic klesá a může nabýt hodnoty menší než jedna.
S2
S1 U1
U2 S3 Obr. 3 Činitel zhoršení přesnosti PDOP – uživatel U1 určí polohu přesněji z měření k družicím S1 a S2 než uživatel U2 z měření k družicím S1 a S3, při stejné chybě měření vzdáleností.
Systém GPS Počátkem sedmdesátých let zahájen vývoj systému GPS (Global Positioning System) označovaný také jako NAVSTAR (Navigation System using Time And Range). Ten měl sloužit všem složkám ozbrojených sil USA. Koncem sedmdesátých let jsou vypuštěny první družice, které umožňují testování systému. V dalším desetiletí pokračuje vývoj systému a vypouštění družic. V roce 1993, bylo dosaženo počátečního operačního stavu systému IOC (Initial Operational Capability). Znamenalo to, že v systému operuje předepsaných 24 družic a že provozovatel oznamuje event. změny provozního stavu uživatelům (civilním) 48 hodin předem. Operačního stavu FOC (Full Operational Capability) bylo dosaženo v roce 1995 po důkladných prověrkách systému. Systém GPS je tvořen třemi tzv. segmenty: • kosmickým, • řídicím, • uživatelským. Kosmický segment tvoří družice, které obíhají ve výšce přibližně 20 200 km na kruhových drahách s inklinací 55° (viz Obr. 4). Doba oběhu je přibližně 11 h 58 min. Navigační signály družice vysílají na kmitočtech 1 575,42 MHz a 1 227,6 MHz.
4/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
D2
F4 A3 F3
D1
F1
D3
E4
B4
A4 C1
A2 B1
F2
A1
C3 E2 C4
E3
160°
B3
B2
D4
šíř ky
C2
ar gu m en t
E1
120° 80°
40°
rovník
0°
320°
280° 240° 200°
družice operační záložní
17° 137° 257° 77° 197° 317°
rektascenze Obr. 4 Rozložení družic GPS na oběžných drahách. Na každé z šesti drah jsou 4 družice. Jejich poloha není pravidelná, ale je určená optimalizací vedoucí k co nejlepšímu pokrytí zemského povrchu signálem družic. Řídicí segment (Control Segment) tvoří hlavní řídicí stanice (Master Control Station MCS), monitorovací stanice a stanice pro komunikaci s družicemi. Monitorovací stanice pasivně sledují družice a přijímají jejich data, která předávají MCS, kde jsou vypočteny parametry drah družic (efemeridy) a parametry hodin družic. Tyto parametry jsou pomocí komunikačních stanic předány družicím, které je vysílají uživatelům. Třetím segmentem jsou všechny přijímače uživatelů. Autorizovanému uživateli je dostupná přesná navigační služba PPS (Precision Positioning Service), ostatním uživatelům je poskytována standardní navigační služba SPS (Standard Positioning Service).
Popis signálu Každá družice vysílá na dvou kmitočtech L1 = 1 575,42 MHz L2 = 1 227,6 MHz K oddělení signálů se využívá kódového multiplexu (CDMA) spočívajícího v tom, že všechny družice sice vysílají na nosné vlně se stejným kmitočtem, ale kód C ( t ) je pro každou družici jiný. Pokud signál generovaný v přijímači neodpovídá signálu družice, jejíž vzdálenost je třeba měřit, je výstupní napětí korelátoru (tj. vzájemná korelační funkce dvou různých kódů C ( t ) ) malé a přijímač se na signál družice nezasynchronizuje. Signál vysílaný družicí můžeme popsat vztahem
s (t ) = C (t ) D(t )sin(2πL1t ) + P (t ) D(t ) cos (2πL1t ) + P(t ) D(t ) cos (2πL2t )
tj. nosné vlny jsou modulované kódy C ( t ) a P ( t ) a daty D ( t ) . Kódy a data nabývají hodnot +1 a –1, jde tedy o modulaci s binárním fázovým klíčováním (BPSK). Kódy C ( t ) a P ( t ) umožňují vzájemné oddělení signálů jednotlivých družic (vzájemné korelační funkce dvou různých kódů mají malé hodnoty), měření vzdálenosti výše popsanou korelační metodou a zvyšují odolnost proti rušení (jde vlastně o přenos s rozprostřeným spektrem). Data D ( t ) slouží k přenosu efemerid družic, z nichž se v přijímači určují polohy družic.
L2 f2 = 1227,6 MHz ±12 MHz
L1 f1 = 1575,42 MHz ±12 MHz C/A
P(Y)
P(Y)
Obr. 5 Spektrum signálu družice GPS Kód C ( t ) je tzv. Goldův kód, perioda kódu trvá 1 ms a obsahuje 1 023 bitů, tedy bitová rychlost kódu je 1,023 Mb/s. Kód lze v přijímači generovat bez spolupráce se správcem systému. Kód umožňuje měřit vzdálenost a příp. přejít na přesnější měření s použitím kódu P ( t ) . Proto je označován jako kód pro
5/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
hrubé měření – C/A (Coarse Acquisition). Kód P ( t ) je označován jako přesný kód P (Precision nebo také Protected). Je to pseudonáhodná posloupnost maximální délky s periodou 23,0175555.106 s, tj. přibližně 266 dnů. Perioda obsahuje 235,46959.1012 bitů a využívá se z ní jen sedmidenní část. Bitová rychlost je desetinásobná proti kódu C/A a činí 10,23 Mb/s. Kód P umožňuje měřit vzdálenost uživatel – družice s vyšší přesností. Kromě toho lze měřit na obou kmitočtech L1 a L2 a tím podstatně omezit vliv ionosférické refrakce. P kód je v signálu ještě překódován na tzv. Y kód, jehož dekódování je možné jen na základě znalosti šifry dostupné autorizovaným uživatelům služby PPS. Z předchozího plyne, že pro určení polohy přijímače GPS je třeba znát souřadnice vysílající družice. Ty se počítají na základě parametrů její dráhy, které sama ve formě dat D ( t ) vysílá jako tzv. navigační zprávu. Navigační zpráva obsahuje následující údaje: • čas vysílání počátku zprávy, • keplerovské efemeridy družice, • údaje umožňující korigovat přesně čas vysílání družice, • almanach, • koeficienty ionosférického modelu, • stav družice (health). Navigační zpráva tedy umožňuje stanovit přesný čas a vypočítat polohu družice. Dále je možné na základě přijatých dat vypočítat korekce na ionosférickou refrakci, pokud se nepoužije příjmu na dvou kmitočtech. Stav družice informuje uživatele o závadách družice, zda je možné ji použít, příp. s jakými omezeními. Almanach nese informaci o poloze ostatních družic – méně přesné efemeridy – a informaci o jejich stavu. To umožňuje stanovit dostatečně přesnou polohu družic pro jejich další vyhledávání a sledování tak, aby nebylo třeba hledat i družice, které jsou za obzorem.
Přijímač Uživatelské zařízení, přijímač GPS, zpracovává signály družic a na jeho výstupu získáváme polohové souřadnice.
Obr. 6 Přijímač GPS (zjednodušené blokové schéma) Přijímač obvykle tvoří následující bloky anténa a bloky anténní elektroniky,
rádiová část přijímače,
navigační počítač (RPU – Receiver & Processor Unit),
řídicí a zobrazovací jednotka (CDU – Control & Display Unit), z nichž některé mohou chybět. U starších konstrukcí existovaly tyto bloky fyzicky – byly umístěny do oddělených skříní. U nových konstrukcí jsou zpravidla bloky RPU a CDU sloučeny do jedné jednotky, která se instaluje na palubní desku, příp. funkci řídicí a zobrazovací jednotky zastává palubní počítač a používá 6/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
se jeho klávesnice a zobrazovací jednotka. Hlavním požadavkem na anténu je hemisférická směrová charakteristika. Antény špičkových přijímačů GPS bývají připojeny přes blok anténní elektroniky, který někdy bývá integrován do jednoho celku s anténou. Levnější zařízení tento blok nemají, nebo je jednoduchý a pracuje jen jako zesilovač. Úkolem bloku anténní elektroniky je zesílit přijímaný signál na dostatečnou úroveň a kompensovat ztráty kabelu mezi AE a RPU, potlačovat filtrací rušení, provádět autonomní testování přijímače a případně převést signál na vhodný mezifrekvenční kmitočet. Blok přijímače a počítače provádí zpracování signálu. RPU zajišťuje výpočet zeměpisné polohy přijímače a případně další potřebné činnosti, které závisí na účelu zařízení. Kromě řídicí a zobrazovací jednotky CDU můžou být připojeny k jednotce RPU i jiné navigační systémy. Data těchto systémů vstupují do Kalmanova filtru určujícího polohu zařízení GPS. Takovýmto zpracováním dat od různých systémů se dosahuje vyšší spolehlivosti a větší přesnosti. V leteckých aplikacích se takto nejčastěji připojuje k zařízení GPS inerciální systém, který umožní dosáhnout vysoké přesnosti navigace a překlenout krátkodobé výpadky signálů od družic způsobené např. náklonem letadla ap. Dále se k systému GPS pro zvýšení spolehlivosti a přesnosti připojují např. systém LORAN, barometrický výškoměr, rychloměr a měřič kursu. Mluvíme pak o integraci systémů. Součástí uživatelského zařízení GPS může být blok CDU sloužící pro zobrazení údajů o poloze, pro výstup pilotážních a diagnostických údajů a pro vstup řídicích dat, např. letových plánů. U starších zařízení tvořil blok CDU samostatnou jednotku, která bývala umístěna v samostatné skříni opatřené klávesnicí a displejem. Na CDU vystupují nejen údaje o poloze, ale hlavně prvky traťové navigace, tj. především příčná odchylka od požadované trati. Často se tyto údaje zobrazují na zjednodušené mapě spolu s plánovanou tratí a skutečnou polohou. CDU umožňuje také provádět testy zařízení a zobrazovat jejich výsledky. Často je také blok RPU sloučen s blokem CDU do jedné skříně, která se montuje na palubní desku. Nyní, zvláště u nových leteckých konstrukcí, samostatná CDU často chybí a to proto, že přijímač GPS neurčuje polohu samostatně, ale je jedním z řady čidel složitého palubního systému (např. systému EFIS – Electronic Flight Instrument System) a nevyžaduje proto samostatný vstup a samostatné zobrazení. Propojení oddělených RPU a CDU se uskutečňuje nejčastěji pomocí sériového styku RS-422, v leteckých aplikacích pomocí sběrnice ARINC 429, přičemž parametry předávaných zpráv musí odpovídat normě ARINC 725 pro EFIS. U malých přenosných zařízení jsou všechny bloky sdruženy do jednoho integrovaného přijímače, jehož součástí je displej i klávesnice nebo je použito přenosu pomocí bezdrátových technologií (Bluetooth).
Pokyny: Úkol 1 Přijímač GPS je napájen ze zdroje stejnosměrného napětí 5V (již zapojeno ke zdroji a nastaveno, prosím neměňte, hrozí poškození přijímače!!) a k PC připojen pomocí sériové linky (COM). Pro obsluhu a zpracování dat poskytovaných GPS přijímačem slouží software u-center, který naleznete na pracovní ploše PC. Proveďte počáteční nastavení ovládacího SW a GPS přijímače. Pomocí menu Tools -> GPS Configuration načtěte konfigurační soubor TIM_reccfg.txt ktreý naleznete v adresáři Dokumenty. Vhodné rozložení oken SW načtete pomocí menu Window -> Restore Workspace from... a použitím souboru ubloxwsp.uws v adresáři Dokumenty. Své vlastní rozložení oken si naopak můžete uložit pomocí Window -> Save Workspace As... Ruční nastavení/ověření nastavení komunikace s GPS přijímačem: V menu Receiver zvolte Port COM1 a Baudrate 115200. Zaškrtněte položku Autobauding, která v případě ztráty synchronizace na lince COM1 postupně zkouší různé přenosové rychlosti. Pro zobrazení údajů poskytovaných přijímačem GPS slouží různá grafická a textová okna, která lze otevřít pomocí menu View nebo řadou tlačítek v horní liště hlavního okna aplikace: Packet Console – charakteristika a ověření přijetí jednotlivých NMEA zpráv. Text Console – NMEA zprávy tak jak jsou poskytovány přijímačem. Tento formát umí zpracovávat většina SW pro komunikaci s GPS přijímači a téměř všechny přijímače umí poskytovat údaje v tomto formátu. Binary Console – obsah zpráv zasílaných GPS přijímačem v binárním formátu. Messages View – dekódované obsahy jednotlivých zpráv NMEA a UBX. Trvale černé zprávy v přehledu v levé sekci okna jsou přijímačem vysílány periodicky, ostatní jsou vyslány jako odpověď na žádost, vyslanou při výběru příslušné zprávy stiskem tlačítka Poll (slouží zejména k aktualizaci zpráv UBX – NAV-STATUS použité pro zjištění parametru TTFF). V případě stisknutého tlačítka autopoll dojde při výběru dané zprávy
7/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
rovnou k automatickému vyslání žádosti.
Configuration View – Nastavení přijímače (budeme pracovat pouze se sekcemi NAV2 a RST, s ostatními sekcemi se seznamte, ale prosíme neměňte). Statistic View – přehled nejdůležitějších parametrů včetně statistických údajů pro jednotlivé parametry (průměr, max. min., ...) Table View – zde můžete sledovat vybrané parametry, které přidáte použitím menu ve spodní liště okna. Výhodné například pro současné sledování parametrů v Úkolu 2. Chart View – graf průběhu vybrané hodnoty při vybraném tlačítku v závislosti na pořadové hodnotě vzorku (Obr. 7) (odpovídá časové závislosti), např. vypočtené nadmořské výšky. Zapnutím i dojde k 2D zobrazení časového průběhu dvou vybraných parametrů (Obr. 8), např. hodnoty zeměpisné šířky (Lat ) a zeměpisné délky (Lon). Je zde možno dále zobrazit klouzavý průměr počítaný přes okno široké 2 až 1024 hodnot.
Obr. 7: Závislost nadmořské výšky na pořadí měřené hodnoty v čase
Obr. 8: Závislost zem. šířky a délky 8/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Histogram View – statistické zobrazení (histogram) hodnot zvoleného parametru. Deviation Map – grafické zobrazení odchylky polohy od zvolené/průměrné/aktuální polohy Sky View – zobrazení oblohy s přehledem a aktuální polohou viditelných družic. Lze zobrazit dráhy družic, odstup signál/šum během zaznamenaného průletu družice. Map View – zobrazení mapy vytvořené zkalibrováním rastrového grafického souboru a zobrazení polohy do této mapy.
Obr. 9: Mapa s vykreslovanou polohou
Některé NMEA zprávy jsou periodicky poskytovány přijímačem bez nutnosti vyslat žádost. S použitím okna Messages zjistěte o které zprávy se jedná a co obsahují (slovní charakteristika vypsaná v oknu Messages za identifikátorem zprávy). Tyto informace jsou data, která vám poskytne drtivá většina běžně vyráběných GPS přijímačů. Z příslušné zprávy (GPDTM) zjistěte souřadný systém, v němž přijímač poskytuje údaje o poloze. Dále zjistěte, jaký druh časového údaje poskytuje GPS přijímač (GPZDA) a jeho vztah k lokálnímu času (SEČ/SELČ) Souřadný systém Časový formát Vztah k SELČ Periodické NMEA zprávy Typ Příklad:
GPGGA
Charakteristika GPS Fix Data – údaje o měřené poloze a stavu přijímače
9/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Úkol 2 Počet viditelných družic na obloze je uveden v NMEA zprávě GPGSV. Zde je uveden počet družic viditelných v dané chvíli na obloze, jejich aktuální azimut, elevace ve stupních a odstup signál/šum C/N0 v dBHz. Tato zpráva je vysílána v několika částech podle počtu viditelných družic. Počet družic použitých při výpočtu polohy a hodnoty činitele zhoršení přesnosti DOP (PDOP – činitel zhoršení přesnosti v 3D, HDOP – činitel zhoršení přesnosti v horizontální rovině (2D), VDOP – činitel zhoršení přesnosti ve výšce) jsou uváděny v NMEA zprávě GPGSA. Počet použitých družic udává položka Svs Used, čísla použitých družic položka USED Svs. Obě zprávy naleznete v okně Messages v části NMEA zprávy. (Tyto parametry lze sledovat souhrnně i za použití tabulky Table View).
Obr. 10: Hodnoty DOP a aktivní družice ve zprávě GPGSA
Obr. 11: Viditelné družice a odstup signál/šum
10/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Závislost parametrů na elevační masce Elevační maska je úhel (elevace) počítaný od obzoru, ve kterém jsou přijímané družice ignorovány. Slouží například k potlačení signálů družic nad obzorem, které mají velké fluktuace úrovně a jsou tedy nevhodné k navigaci. Typická hodnota používané elevační masky je 5°. Se zvyšováním elevační masky se zmenšuje viděný prostor směrem k nadhlavníku (pro elev .masku 90° je kompletně „zataženo“), lze tak simulovat pohyb přijímače v prostorech s omezeným výhledem na oblohu („spouštíte se do studny“). Přijímač by se měl na počátku měření nacházet ve stavu navigace. Rozsah přijímaných družic rozšíříte nastavením intervalu Min/Max Svs v konfiguračním menu (View -> Configuration View) v sekci NAV2 na rozsah 1 a 16 (chybové hlášení ve stavovém řádku ignorujte, jedná se o varování z hlediska praktického provozu přijímače). Poté sledujte počet použitých družic, hodnoty PDOP, HDOP, VDOP a stav přijímače (položka Fix Mode ve stavovém okně Data) v závislosti na změně elevační masky družice (lze použít s výhodou okno Table View a poskládat si sledované parametry podle tabulky níže). Tuto elevační masku změníte parametrem Min SV Elevation v sekci NAV2. Hodnota se aktualizuje v přijímači příkazem (tlačítkem) Send. Elevační masku nastavujte podle tabulky v rozsahu 55°-5°.
Obr. 12: Nastavení rozsahu zpracovávaných družic a elevační masky přijímače
Elevační maska [°]
Svs Used (Svs used)
Visible Satellites (SVs Tracked)
PDOP (PDOP)
HDOP (HDOP)
VDOP Status (VDOP) (Nav. Mode)
55 45 35 25 15 5 Pozn.: údaje v závorce odpovídají položkám v tabulce Table View
Závislost parametrů na outdoor/indoor měření Pro měření by se měl přijímač nacházet opět ve stavu navigace nebo příjmu alespoň jedné družice, u níž lze sledovat aktuální hodnoty C/N0. Elevační masku nastavte na 5°. Pro odečtení parametrů indoor měření umístěte anténu přijímače na kraj stolu do místnosti se zavřeným oknem. Pro tento stav zaznamenejte počet použitých družic pro navigaci v parametru Svs Used (zpráva GPGSA) a odstup signál/šum C/N0 v
11/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
dBHz pro družice s dostupným signálem (zpráva GPGSV). (Pro odečtení hodnot C/N0 lze použít jejich zobrazení do grafu pomocí menu View -> Chart View a volby SV XX C/N0 v roletovém menu ve spodní liště okna grafu). Poté umístěte anténu v místnosti na parapet k zavřenému oknu a proveďte nový odečet hodnot (odpovídá provozu přijímače např za sklem automobilu). Poté proveďte další odečet pro anténu vně místnosti (umístění v otevřeném okně). Poloha antény
Svs Used Družice se signálem (všechny kromě (počet družic červených) použitých k číslo C/N0 [dBHz] navigaci zelené)
Uvnitř místnosti (na stole)
Uvnitř místnosti (u okna)
Vně místnosti
12/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Úkol 3 Příjímač by se měl nacházet ve stavu navigace (2D nebo 3D), elevační maska nastavená na 5°. Pomocí lišty záznamu (Obr. 13) nahrajte cca 5 min měření. Začátek ukládání záznamu spustíte tlačítkem (1) (Record), otevře se vám okno pro vytvoření souboru se záznamem, soubor si pojmenujte podle svého nebo nechte přednastavený název, můžete si dále zvolit cestu, kam soubor uložíte. Zaznamenávání zastavíte tlačítkem (2) (Stop). Uzavření souboru provedete tlačítkem (3) (Eject).
Obr. 13: Ovládání záznamu Uložený soubor dat zkonvertujete v programu Matlab pomocí programu gpsublox_v4.m. V tomto souboru vyplňte příslušné jméno souboru se záznamem (váš soubor se záznamem by se měl nacházet ve stejném adresáři, pokud tomu tak není zkopírujte ho tam) a soubor spusťte. Program používá funkci lla2xyz.m, která je k dispozici ve stejném adresáři jako soubor gpsublox_v4.m. Tuto funkci prosím neodstraňujte. V souboru xyzenu.txt pak získáte souřadnice polohy v lokálních souřadnicích ENU již vztažené k průměrné hodnotě polohy (tj. průměrná poloha je umístěna v počátku [0 0 0]). S použitím tohoto záznamu jako testovacího zdroje dat vytvořte a ověřte program (jehož úpravu jste si připravili v rámci domácí přípravy), který v Matlabu spočte a zobrazí 95% pravděpodobnost relativní odchylky polohy (odchylky vzhledem k průměru polohy). Během tvorby programu a ověřování jeho funkčnosti zaznamenejte dalších cca 30 minut dat do samostatného souboru. Tento soubor poté vyhodnoťte pomocí vámi vytvořeného programu. 95% Pst relativní odchylky polohy pro 5 min záznamu 95% Pst relativní odchylky polohy pro 30 min záznamu
Úkol 4 Parametr TTFF (Time To First Fix) je čas, za který přijímač po zapnutí či reinicializaci přejde ze stavu vyhledávání do stavu výpočtu polohy. Tento čas závisí na údajích o systému, které má po startu přijímač k dispozici. Přijímač by se měl nacházet ve stavu navigace (položka Fix Mode = 2D/3D ve stavovém okně Data nebo parametr Status = 1 v okně Messages v části NMEA zprávy - zpráva GPGGA). V konfiguračním menu (View -> Configuration View) v sekci RST (Reset) změnou zaškrtnutí položky Startup Option na volby „Hot/Warm/Cold Start“ porovnejte a zaznamenejte si údaje, které se při daném startu nulují a načítají znovu (bude podbarveno tmavým podkladem) (Obr. 14 - okno Configure - Reset). Jednotlivé restarty zrealizujete pomocí tlačítek (teploměrů) v nástrojové liště Action Toolbar v horní části okna aplikace u-center, po provedení restartu vyčkejte, až se přijímač dostane zpět do stavu navigace. Hodnotu TTFF pak naleznete v okně Messages v části UBX zprávy – sekce NAV (Navigation) - zpráva STATUS (pro aktualizaci je nutno o vyslání této právy požádat stiknutím tlačítka Poll v dolní liště okna Messages).
13/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Obr. 14: Nastavení jednotlivých startů a tlačítka spuštění Hot/Warm/Cold Start Typ
popis
Nuluje se (X) Hot Start
0-Ephemeris
Efemeridy – souřadnice drah družic
1-Almanac
Almanach – data o družicích (kódy, přibližné efemeridy,...)
2-Health
Údaj o funkceschopnosti družic
3-Klobuchar
Model ionosféry pro korekci ionosférické refrakce
4-Position
Počáteční poloha přijímače
5-Clock Drift
Opravné parametry hodin GPS systému
6-Oscillator
Nastavení oscilátoru přijímače
7-UTC Corrections
Oprava UTC vůči systémovému času GPS
8-RTC Time 10-RTC Drift
Nastavení a model hodin přijímače (Real Time Clock ) pro urychlení zachycení družice
TTFF
Time To First Fix
9-RTC Bias
14/16
War Cold m Start Start
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Domácí příprava - bez vypracované přípravy nebude povoleno zahájení měření 1. Činitel zhoršení přesnosti DOP závisí na geometrickém rozložení použitých družic na obloze (uvažujte měření v 3D s reálným uživatelem, je tedy nutno zahrnout například nemožnost vidět družice pod obzorem). Jak nejlépe by měly být z hlediska minimalizace DOP (s uvažováním elevační masky) rozloženy 4 měřené družice (vyberte nejvhodnější čtyři družice z nabízených na obrázku – pohled na rozložení družic v daném okamžiku na obloze, kruhy vyznačují elevaci: 0 – obzor, 5 – standardní elevační maska, 90 - nadhlavník)?
N 9 18 28
22 11
90
W
45
19
5 0 E
14 20
3 1 S
2. Za pomoci níže uvedeného postupu ve zdrojovém souboru si prostudujte a vyzkoušejte určení 95% odchylky výšky od průměrné hodnoty (poloha je v ENU souřadnicích, tj průměr odpovídá počátku souřadnic) s použitím histogramu (četnosti hodnot dané veličiny). Tento postup upravte na určení 95% odchylky 3D polohy (použijte tedy všechny souřadnice). Návod: parametr vyska nahraďte délkou vektoru udávaného třemi souřadnicemi. (Soubor pro Matlab s výpočtem pro 1 souřadnici (výšku) odch95_vyska.m a testovací zdroj ENU dat xyzenu.txt je přiložen v návodech na www stránce).
U r
3. souřadnice xyzenu.txt , je použita ve vzorovém výpočtu
N
2. souřadnice v xyzenu.txt E 1. souřadnice v xyzenu.txt
15/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
7. GPS
Zdrojový soubor odch95_vyska.m pro Matlab:
provádí se načtení 3. sloupce v matici poloha do vektoru s názvem vyska,při výpočtu ve 3D je výška nahrazena délkou vektoru počítanou ze všech tří souř adnic (viz obr. výše – hodnota r) % Nacteni dat, do matice poloha se nactou tri sloupce cisel ze souboru xyzenu.txt, odpovidajici odchylkam od stredni polohy ve smeru vychod, sever a vyska poloha=load('xyzenu.txt'); % vyber 3.- souradnice ENU - odpovida vysce vyska=abs(poloha(:,3)); %normovani minimalni a maximalni hodnoty pro zobrazeni a histogram krok=1; % 1 je prirustek v ramci normy, pokud budu chtit jemnejsi, muzu dat napr. 0.1 vyska_norm=[min(vyska):krok:max(vyska)]; %zobrazeni histogramu figure(1); poloha 2e poloha 2n hist(vyska,vyska_norm); Příklad náhrady pro 2D: title('Rozlozeni vysky'); r2D = sqrt( (poloha(:,1)).^2+(poloha(:,2)).^2) xlabel('[m]'); Dále je třeba v dalším výpočtu místo s proměnnou „výška“ %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% pracovat s proměnnou „r2D“ (obdobně např. s „r3D“ při 3D %vypocet 95 % odchylky zobrazení) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% h_r=[vyska_norm;hist(vyska,vyska_norm)]; lim95=0.95*sum(h_r(2,:)); % urceni 95% poctu hodnot % inicializace promennych i=0; cet_count=0; act_diff=0; % cyklus poscitavani cetnosti a uchovavani aktualne prictene hodnoty % pak pri prekroceni 95% je z aktualni pricitane hodnoty stanovena % prislusna odchylka while cet_count < lim95 i=i+1; act_diff=vyska_norm(1,i); cet_count=cet_count+h_r(2,i); end % vystup vysledku disp('95% pravdepodobnost nastava v danem mereni pro odchylku [m]:') disp(act_diff)
Závěrečné otázky a úkoly (vypracují se během nebo po skončení měření) 1. Kolik družic je nutných pro výpočet polohy ve 3D a kolik pro výpočet v 2D rovině? 2. Proč byly přijímány i družice, které se nacházely mimo přímou viditelnost a jak se tento příjem projeví v poloze uživatele?
16/16
LS 2010-11 (10.2.2011)
