行業(yè)小白，GPS的這些基礎(chǔ)知識，你一定要懂！

這是一個普通的GPS接收器或GPS天線模塊。

您可能使用過或從GPS接收器中受益。 它們在大多數(shù)用在智能手機(jī)，以及許多新車中都能找到，它們被用來跟蹤遍布全球的商業(yè)。 這些微型設(shè)備可以在地球上幾乎任何地方瞬間提供準(zhǔn)確的位置和時間！ 所有你需要的是一個GPS接收器，并且隨著科技的發(fā)展接收器變得更便宜和更小。

不要把這些小巧，便宜的模塊視為理所當(dāng)然。 有幾十年的工程經(jīng)驗可以隨時隨地為您提供準(zhǔn)確的位置。 數(shù)十顆GPS衛(wèi)星都包含極其精確的原子鐘，自70年代后期以來一直在推出，并且一直持續(xù)到今天。 衛(wèi)星通過專用RF頻率連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)到地面。 我們的口袋大小的GPS接收器具有微型處理器和天線，可直接接收衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)并即時計算您的位置和時間，太神奇了。

GPS是如何工作？

GPS接收機(jī)使用衛(wèi)星和地面站來計算地球上幾乎任何地方的位置和時間。

注意地球上的移動點和可見衛(wèi)星的數(shù)量。

任何時候，至少有24顆在地球上超過12,000英里的活動衛(wèi)星。 衛(wèi)星位置的構(gòu)建方式是：您的位置上方的天空總是最多包含12顆衛(wèi)星。 這12顆可見衛(wèi)星的主要目的是通過無線電頻率（1.1至1.5 GHz）將信息傳回地球。 有了這些信息和一些數(shù)學(xué)，地面接收機(jī)或GPS模塊就可以計算出它的位置和時間。

GPS接收機(jī)如何計算位置和時間？

從每顆衛(wèi)星發(fā)送到地球的數(shù)據(jù)包含幾條不同的信息，可讓您的GPS接收器準(zhǔn)確計算其位置和時間。每顆GPS衛(wèi)星上的重要設(shè)備都是極其精確的原子鐘。原子鐘上的時間隨著衛(wèi)星的軌道位置和到達(dá)時間在天空中的不同點被發(fā)送到地球。換句話說，GPS模塊接收來自每個可見衛(wèi)星的時間戳，以及每個人所在的天空中的位置（以及其他數(shù)據(jù)段）的數(shù)據(jù)。從這些信息中，GPS接收器現(xiàn)在知道到每個衛(wèi)星的距離。如果GPS接收機(jī)的天線可以看到至少4顆衛(wèi)星，它可以準(zhǔn)確計算出它的位置和時間。這也被稱為鎖定或修復(fù)。

還有一個我們沒有談到的全球定位系統(tǒng)。 除衛(wèi)星和GPS接收機(jī)外，還有可與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和一些GPS接收機(jī)通信的地面站。 這個系統(tǒng)正式被稱為控制部分，并增加了您的GPS接收機(jī)的準(zhǔn)確性。 使用控制部分來提高準(zhǔn)確性的通用系統(tǒng)是WAAS和DGPS。 WAAS在大多數(shù)GPS接收機(jī)中很常見，并將精度提高到5米左右。 DGPS需要一種特定類型的GPS接收器并獲得厘米精度。 DGPS裝置也很昂貴，并且往往更大，因為它們需要額外的天線。

GPS精度

GPS精度取決于許多變量，最顯著的是信噪比（噪音接收），衛(wèi)星位置，天氣和障礙物，如建筑物和山脈。這些因素可能會導(dǎo)致您感知的位置出現(xiàn)錯誤。信號噪聲通常會產(chǎn)生一到十米左右的誤差?？赡茏璧K接收器與衛(wèi)星之間的路徑的山脈，建筑物和其他物體可能造成三倍于信號噪聲的誤差。 GPS接收器必須能夠鎖定4顆衛(wèi)星才能解決問題。它獲得的第一個鎖可以讓接收機(jī)獲取年歷信息，從而獲得應(yīng)該監(jiān)聽的其他衛(wèi)星。雖然有可能從少于4顆衛(wèi)星獲得一個位置，但這個位置的誤差幅度可能相當(dāng)大。當(dāng)您清楚地看到遠(yuǎn)離任何障礙物和四顆以下衛(wèi)星的晴朗天空時，就能夠最準(zhǔn)確地讀取您的位置。

輔助GPS

其中一種輔助功能是輔助GPS或AGPS。當(dāng)GPS信號較弱或無法接收時，此方法使用無線（地面）網(wǎng)絡(luò)來幫助衛(wèi)星和接收器之間進(jìn)行中繼。 AGPS有兩種方法可以提供幫助。首先是為接收機(jī)提供適當(dāng)?shù)哪隁v數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的時間。第二種技術(shù)利用地面基站的較高計算能力和良好衛(wèi)星信號來解釋接收器正在接收的破碎或碎片信息，以向接收器提供更準(zhǔn)確的位置讀數(shù)。 AGPS主要由安裝在蜂窩塔上的GPS接收器完成。當(dāng)與這些接收器通信時，GPS可以更快速地獲取衛(wèi)星上的鎖定并接收更準(zhǔn)確的信息。這種方法是用于手機(jī)中的GPS，以及它們?yōu)槭裁从袝r比GPS接收器本身更精確。但是，AGPS存在于更多設(shè)備中，而不僅僅是手機(jī);它甚至可用于相機(jī)和一些車輛。在GPS信號可能難以通過建筑物的密集迷宮的城市中，這是最有利的。

差分GPS

另一種方法是差分GPS或DGPS。 DGPS也使用地面或固定GPS站點來確定位置，但不同之處在于它發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星和地面位置讀數(shù)之間的差異。這些地面站可能距離接收機(jī)高達(dá)200海里，重要的是要注意，距離地面站越遠(yuǎn)，準(zhǔn)確度越低。 DGPS由地面站廣播一個信號來完成，該信號指示實際偽距和測量偽距之間的誤差。該值通過將光速乘以信號從衛(wèi)星傳播到接收器所需的時間來計算。作為一個例子，DGPS的一種形式是廣域增強系統(tǒng)或WAAS。

WAAS最初由FAA開發(fā)以協(xié)助飛機(jī)GPS，它使用專門建造的地面站系統(tǒng)。 WAAS擁有地面站測量必須滿足的一套特定的精度標(biāo)準(zhǔn)。在橫向和縱向上，WAAS必須在95％的時間內(nèi)精確到7.6米以內(nèi)。這些地面站將其測量結(jié)果發(fā)送給主站，每5秒或更快發(fā)送更正信息給WAAS衛(wèi)星。從衛(wèi)星上，信號被廣播回地球上的接收機(jī)，在那里使用校正來改善GPS精度。在一些地方，WAAS能夠提供1米的橫向和1.5米的垂直精度。盡管WAAS僅存在于北美，但世界上許多其他地區(qū)也采用類似的系統(tǒng)。

消息格式

GPS數(shù)據(jù)通過串行接口以不同的消息格式顯示。 有標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)（專有）消息格式。 幾乎所有的GPS接收機(jī)都輸出NMEA數(shù)據(jù)。 NMEA標(biāo)準(zhǔn)被格式化為稱為句子的數(shù)據(jù)行。 每個句子包含以逗號分隔格式組織的各種數(shù)據(jù)位（即用逗號分隔的數(shù)據(jù)）。 以下是帶有衛(wèi)星鎖定的GPS接收器（4顆衛(wèi)星，精確位置）的NMEA句子示例：

$GPRMC,235316.000,A,4003.9040,N,10512.5792,W,0.09,144.75,141112,,*19

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

$GPGSA,A,3,22,18,21,06,03,09,24,15,,,,,2.5,1.6,1.9*3E

例如，GPGGA語句包含以下內(nèi)容：

($GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F)

時間：235317.000在格林威治平均時間是23:53和17.000秒

經(jīng)度：4003.9040，N代表緯度，以北緯度為單位

緯度：10512.5792，W是以度為單位的經(jīng)度，西部為分鐘

看到的衛(wèi)星數(shù)量：08

海拔：1577米

數(shù)據(jù)以逗號分隔，以便更容易被計算機(jī)和微控制器讀取和解析。 該數(shù)據(jù)以稱為更新速率的時間間隔在串行端口上發(fā)出。 大多數(shù)接收機(jī)每秒更新一次這種信息（1Hz），但更高級的接收機(jī)每秒可以進(jìn)行多次更新。 現(xiàn)代接收器可以使用5至20Hz。

讀取GPS數(shù)據(jù)

大多數(shù)GPS模塊都有一個串行端口，這使得它們完美地連接到微控制器或計算機(jī)。

連接到微控制器

帶EM406分線器的EM406 GPS

一旦GPS模塊通電，即使沒有鎖定，NMEA數(shù)據(jù)（或其他消息格式）也會以特定的波特率和更新速率從串行發(fā)送引腳（TX）發(fā)送出去。 要使微控制器讀取NMEA數(shù)據(jù)，只需將GPS的TX引腳連接到微控制器的RX（接收）引腳即可。 要配置GPS模塊，還需要將GPS的RX引腳連接到單片機(jī)的TX引腳。

微控制器通常解析NMEA數(shù)據(jù)。 解析就是從NMEA語句中刪除大量數(shù)據(jù)，這樣微控制器就可以對數(shù)據(jù)做一些有用的事情。

例如，微控制器可能只需要讀取GPS的高度。

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

微控制器不是處理所有這些文本，而是可以解析GPGGA語句并僅以高度（以米為單位）結(jié)束。

一旦微控制器可以獲取所需的數(shù)據(jù)，就可以對信息進(jìn)行處理，從而在微控制器上創(chuàng)建其他交互。

借助Tiny GPS庫，Arduino平臺可以輕松解析NMEA數(shù)據(jù)。 查看GPS Shield入門指南，了解如何將Arduino連接到GPS模塊并解析NMEA句子。

連接到計算機(jī)

EM406 GPS - EM406分線 - 5V FTDI分線

直接查看NMEA數(shù)據(jù)的簡單方法是將GPS模塊連接到計算機(jī)。 對于連接，所需要的只是使用FTDI基本電路（在本例中為5V和GND）為GPS供電，然后將GPS的TX引腳連接到FTDI Basic上的RX引腳。

接下來，以GPS模塊的相同波特率打開一個串行終端程序。 即使GPS沒有鎖定，你也應(yīng)該看到NMEA的句子正在流逝。

$GPRMC,235316.000,A,4003.9040,N,10512.5792,W,0.09,144.75,141112,,*19

$GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,-20.7,M,,0000*5F

$GPGSA,A,3,22,18,21,06,03,09,24,15,,,,,2.5,1.6,1.9*3E

配置GPS接收器

要配置GPS接收器，了解您的GPS天線使用的芯片組類型非常重要。 GPS芯片組包含一個強大的處理器，負(fù)責(zé)用戶界面，所有的計算以及天線的模擬電路。 該芯片組還允許將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPS接收器以配置參數(shù)，如更新速率，波特率，語句選擇等。

為了通過串行接口將命令發(fā)送到GPS接收器，您需要一個命令集或參考手冊。 在深入研究給定模塊的命令集之前，請務(wù)必與供應(yīng)商聯(lián)系。 許多芯片組供應(yīng)商提供的軟件允許您通過串行端口輕松通信和配置GPS模塊。

某些芯片組允許使用其他協(xié)議，如SiRF二進(jìn)制（SiRF芯片組），UBX（ublox芯片組）或?qū)Ｓ邢ⅰ?這些協(xié)議包含相同的信息，但使用二進(jìn)制（而不是ASCII）進(jìn)行通信以加快通信速度。

與GPS接收器通信時，大多數(shù)命令需要通過校驗和來終止。 在大多數(shù)情況下，您需要對每個句子進(jìn)行異或。 這是一個簡單的XOR在線計算器。

GPS關(guān)鍵詞

準(zhǔn)確性 - GPS有多準(zhǔn)確？ 好吧，它有點不同，但通常你可以在30秒內(nèi)，在世界任何地方，甚至在+/- 5米的范圍內(nèi)找到你的位置。 驚人！ 因為模塊之間的準(zhǔn)確性會有所不同，一天中的時間和接收的清晰度等因素，因此+/-可以降到+/- 3m，但是如果您需要亞米或厘米的準(zhǔn)確度， 真的很貴，需要一些稱為DGPS的東西。

總體而言，要從GPS獲得最佳精度，您必須清楚地看到天空和移動。

在建筑物周圍記錄并繪制GPS航點。 每個軌道表示不同類型的GPS天線模塊。

如果您注意到大樓周圍的示例軌道，則GPS位置會在“鎖定開始”和“鎖定結(jié)束”處反彈。這是GPS天線模塊沒有移動的時候。 GPS有一些錯誤（~5米），你可以在不移動時看到它。一旦模塊開始移動，軌道相對精確，GPS可以“猜測”你的軌道。但是，注意到兩座高樓之間的城市大峽谷的方法，準(zhǔn)確性可能會受到影響。請記住，GPS信號是從衛(wèi)星發(fā)射的，而這些衛(wèi)星不一定在你頭上;有些可以接近地平線。此外，射頻信號可以反射出建筑物/物體，并產(chǎn)生一種稱為多路徑干擾的特性。請始終記住，GPS在天空全景的情況下效果最佳。

小型GPS模塊正在接收來自大約12,000英里外衛(wèi)星的信號，不僅在頭頂上，而且在天空中的任何地方。為了獲得最佳性能，您需要在天線和大部分天空之間建立一條暢通的通道。天氣，云彩和暴風(fēng)雪不應(yīng)該影響信號，但樹木，建筑物，山脈，頭頂?shù)任矬w都會產(chǎn)生不必要的干擾，并且您的GPS準(zhǔn)確度將受到影響。

有許多GPS天線選擇，但這些是最常見的一些。

最小和最常見的天線形式是陶瓷貼片天線。這款天線外形小巧，價格低廉，結(jié)構(gòu)緊湊，但與其他類型的天線相比，它的接收效率較低。 這個天線需要朝上看清天空，以獲得良好的信號，即面朝上時天線的增益最大。

一些GPS模塊使用螺旋天線。這種天線比陶瓷貼片占用更多的空間，但天線的形狀允許在任何方向上獲得更好的信號，代價是在任何一個特定方向上的增益略低。

某些模塊可以與SMA天線連接一起使用。

SMA附件使您能夠?qū)⑻炀€安裝在與主電路不同的位置。如果你的主系統(tǒng)不能很好地看到天空，這可能是有益的。例如，建筑物內(nèi)部或汽車內(nèi)。

波特率 - GPS接收器以特定比特率從發(fā)送引腳（TX）發(fā)送串行數(shù)據(jù)。 1Hz接收機(jī)最常見的是9600bps，但57600bps正變得越來越普遍。檢查接收器的數(shù)據(jù)表以獲取更多信息。

通道 - GPS模塊運行的通道數(shù)量將影響您首次修復(fù)的時間（TTFF）。由于模塊不知道哪些衛(wèi)星在視野中，因此一次可以檢查的頻率/頻道越多，修復(fù)速度就會越快。模塊鎖定或修復(fù)后，某些模塊會關(guān)閉額外的通道模塊以節(jié)省功耗。如果你不介意再等一會鎖，12或14個頻道就可以正常工作。

芯片組 - GPS芯片組負(fù)責(zé)完成從計算到提供天線模擬電路，電源控制到用戶界面的所有工作。這是很多工作，但這正是這些微型GPS單元正在做的。芯片組與天線類型無關(guān)，因此您可以為具有特定芯片組的GPS模塊提供一系列不同的天線。通用芯片組包括ublox，SiRF和SkyTraq，它們都包含非常強大的處理器，可以實現(xiàn)快速采集時間和高可靠性。芯片組之間的差異通常落在功耗，采集時間和硬件可訪問性之間的平衡上。

DGPS - 差分GPS或DGPS是一種特定類型的GPS接收器。 DGPS接收機(jī)有附加的天線，不僅可以接收來自衛(wèi)星的信號，還可以直接接收來自地面站的信號。 DGPS設(shè)備通常需要兩根天線。這些比您的標(biāo)準(zhǔn)GPS設(shè)備大得多并且更昂貴，但是可以提供厘米級的精度。

增益 - 增益是天線在任何給定方向上的效率。這適用于發(fā)射天線和接收天線。

鎖定或修復(fù) - 當(dāng)GPS接收機(jī)鎖定或修復(fù)時，至少有4顆衛(wèi)星處于良好的視野中，您可以獲得準(zhǔn)確的位置和時間。

NMEA - 這是大多數(shù)GPS天線模塊使用的常見數(shù)據(jù)格式。 NMEA數(shù)據(jù)以句子顯示并從GPS模塊串行發(fā)送（TX）引腳發(fā)出。 NMEA句子包含所有有用的數(shù)據(jù)，（位置，時間等）。

電源 - GPS模塊不是電源管理器，但它們確實需要一些汁才能從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中剔除數(shù)據(jù)并獲得鎖定。平均而言，帶鎖的普通GPS模塊在3.3V時耗電約30mA。此外，保持低啟動時間，節(jié)省電力。

PPS - 每秒脈沖數(shù)。這是一些GPS模塊的輸出引腳。一般來說，當(dāng)此引腳每秒切換一次時，您可以將系統(tǒng)時鐘與GPS時鐘同步。

啟動時間（熱，暖，冷） - 某些GPS模塊具有超級電容或電池備份功能，可在掉電后將先前的衛(wèi)星數(shù)據(jù)保存在易失性存儲器中。這有助于減少后續(xù)加電時的TTFF。而且，更快的開始時間轉(zhuǎn)化為更少的整體功耗。

冷啟動 - 如果長時間關(guān)閉模塊電源并且備份電容消耗殆盡，數(shù)據(jù)將丟失。在下次開機(jī)時，GPS需要下載新的年歷和星歷數(shù)據(jù)。

暖啟動 - 根據(jù)您的備用電源持續(xù)的時間長短，您可以進(jìn)行熱啟動，這意味著一些年歷和星歷數(shù)據(jù)會被保留，但可能需要額外一些時間才能獲得鎖定。

熱啟動：熱啟動意味著所有的衛(wèi)星都是最新的，并且接近于它們在前一次通電狀態(tài)下的相同位置。隨著熱啟動，GPS可以立即鎖定。

Trilateration - 用于使用多個參考點計算位置的數(shù)學(xué)方法。為了讓GPS接收機(jī)計算準(zhǔn)確的位置和時間，需要至少有4顆衛(wèi)星在天空中。這被稱為GPS鎖定或修復(fù)。我們都知道如何使用三角測量法來計算使用兩個參考點（x，y）到物體的距離。但是，使用GPS時，我們需要確定4個值，即緯度，經(jīng)度，海拔和時間。

TTFF - 首次修復(fù)的時間。上電后，使用至少4顆衛(wèi)星準(zhǔn)確計算您的位置和時間需要的時間。如果您身處天空不景的地方，TTFF可能會很長。

更新率 - GPS模塊的更新率是它計算和報告其位置的頻率。大多數(shù)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)是1Hz（每秒一次）。無人機(jī)和其他快速車輛可能需要更新更新速率。 5甚至10Hz的更新速率在低成本模塊中變得可用。請記住，更高的更新率意味著有更多的NMEA語句飛出模塊。

WAAS - WAAS或廣域增強系統(tǒng)是一個地面站（在北美）的網(wǎng)絡(luò)，它將校正數(shù)據(jù)發(fā)送回衛(wèi)星。 WAAS的位置精度接近5米。 其他國家也有類似的系統(tǒng)，例如歐洲系統(tǒng)稱為EGNOS，日本系統(tǒng)是MSAS，印度有GAGAN。 大多數(shù)GPS接收器默認(rèn)啟用WAAS并支持EGNOS，MSAS和GAGAN。