ماژول GPS

مقدمه‌ای بر GPS

گیرنده‌های GPS در گوشی‌های هوشمند، سیستم‌های مدیریت ناوگان، سیستم‌های نظامی و… برای ردیابی یا پیدا کردن موقعیت به کار می‌روند. سامانه موقعیت یاب جهانی[1] یک سامانه‌ی ماهواره‌ای است که با استفاده از ماهواره و ایستگاه‌های زمینی، موقعیت خود را بر روی زمین اندازه‌گیری و مشخص می‌کند.

گیرنده‌های جی‌پی‌اس(GPS)، برای تامین دقت کافی، حداقل به 4 ماهواره باید متصل باشند. گیرنده‌های GPS هیچ داده‌ای برای ماهواره ارسال نمی‌کنند.

GPS چگونه کار می‌کند؟

جی‌پی‌اس با استفاده از موقعیت فلکی ماهواره‌ها و ایستگاه‌های زمینی، موقعیت دقیق خود را مشخص می‌کند. ماهواره‌های GPS اطلاعات لازم را با امواج رادیویی 1/1 تا 5/1 گیگاهرتزی ارسال می‌کنند. گیرنده‌های جی‌پی‌اس با استفاده از این اطلاعات موقعیت و زمان را مشخص می‌کنند.

برای تعیین فاصله گیرنده GPS تا ماهواره، هر دو در یک زمان سیگنالی تولید می‌کنند. ماهواره سیگنال را برای گیرنده می‌فرستد. این دو سیگنال با یکدیگر مقایسه شده و اختلاف زمانی بین آن‌ها، نشان دهنده زمانی است که طول کشیده سیگنال از ماهواره به گیرنده برسد. سپس با استفاده از رابطه Distance=Speed*Time فاصله گیرنده تا ماهواره بدست می‌آید. این فاصله یک کره است. حال اگر از دو ماهواره استفاده شود، تلاقی دو کره یک دایره خواهد شد و اگر از سه ماهواره استفاده شود، تلاقی سه کره دو نقطه خواهد شد که یک نقطه آن غیر منطقی خواهد بود. با افزایش تعداد ماهواره‌های متصل به گیرنده، دقت موقعیت یابی افزایش می‌یابد.

برای مطالعه بیشتر پیرامون GPS، اینجا کلیک کنید.

ماژول GPS چیست؟

خروجی ماژول‌های GPS طبق استاندارد [2]NMEA است.  خروجی آن به صورت سریال و روی پین Tx با نرخ داده 9600 است.

رشته خروجی ماژول GPS مبتنی بر استاندارد NMEA، پارامترهای مختلفی، همچون طول و عرض جغرافیایی، ارتفاع، زمان و…، را شامل می‌شود که به‌ویسله ویرگول از یکدیگر جدا شده‌اند. شروع هر رشته با کاراکتر “$” بوده وانتهای آن carriage return/line است. به عنوان مثال، یک رشته کاراکتر دریافتی از ماژول GPS در زیر نشان داده شده است:

$GPGGA,184237.000,1829.9639,N,07347.6174,E,1,05,2.1,607.1,M,-64.7,M,,0000*7D

$GPGSA,A,3,15,25,18,26,12,,,,,,,,5.3,2.1,4.8*36

$GPGSV,3,1,11,15,47,133,46,25,44,226,45,18,37,238,45,26,34,087,40*72

برای تست ماژول GPS، کافی است آن‌را به پورت سریال متصل کرده و دیتای پورد مورد نظر را نمایش داد. دیتای دریافتی همچون رشته‌های مثال بالاست که در جدول زیر مشخص شده است هر قسمت این رشته، چه اطلاعاتی در بر می‌گیرد.

چه معیارهایی باید در انتخاب ماژول GPS در نظر گرفته شود؟!

معیارهای مختلفی برای انتخاب ماژول GPS وجود دارد که در ادامه به شرح آن خواهیم پرداخت.

اندازه:

گاهی اوقات، محصول شما در اندازه‌ای جیبی طراحی شده‌است. هرچند ماژول‌های GPS کوچک موجود هستند اما، کوچک شدن آنتن، بر روی زمان قفل( پیدا کردن ماهواره و اتصال به آن) و دقت تاثیر دارد.

نرخ به‌روز رسانی:

نرخ به‌روزرسانی یک ماژول GPS بیانگر این‌ است که چقدر طول می‌کشد تا موقعیت جدید محاسبه و فرستاده شود. استاندارد اغلب دستگاه‌ها 1 هرتز یا یک بار در ثانیه است. در کاربردهایی که نیاز به سرعت بالایی نیست، این نرخ قابل قبول است. اما در کاربردهایی مانند استفاده در هواپیما، به نرخ داده بالاتری نیاز است. نرخ‌های 5 و 10 هرتز نیز با قیمت پایین در دسترس هستند؛ اما این نکته را باید در نظر داشت که، نرخ داده بالا، یعنی ارسال دیتای زیاد برای پردازشگر. بنابراین پردازشگر باید قادر به پردازش و مدیریت این حجم از داده باشد.

توان مورد نیاز:

محاسباتی که در ماژول GPS صورت می‌گیرد، محاسبات سنگینی است و به همین خاطر توان زیادی مصرف می‌کند. علاوه بر این، برای محاسبه توان کل، باید توان مصرف شده توسط آنتن را نیز در نظر گرفت.

تعداد کانال:

ماژول جی‌پی‌اس در ابتدای راه‌اندازی نمی‌داند کدام ماهواره در دسترس قرار دارد. برای همین شروع به بررسی کانال‌های فرکانسی مختلف می‌‌کند تا ماهواره‌های موجود را شناسایی کند. هر چقدر تعداد کانال‌های یک ماژول جی‌پی‌اس بیشتر باشد، در زمان کمتری ماهواره‌های موجود را پیدا می‌کند. پس از جستوجوی تمامی کانال‌ها و پیدا شدن ماهواره‌ها، برای صرفه جویی در مصرف انرژی، بقیه کانال‌ها خاموش می‌شود.

آنتن‌ها:

بسیاری از ماژول‌های GPS از آنتن‌های سرامیکی استفاده می‌کنند. این آنتن‌ها طوری طراحی و ساخته شده‌اند که فقط فرکانس 57542/1 گیگاهرتز را دریافت کنند. تکنولوژی‌های دیگری برای آنتن وجود دارد اما به خاطر پیچیدگی مدارات تقویت‌کننده و فیلترها، هزینه تمام شده آن‌ها گران است.

دقت:

ماژول‌های GPS مختلف، دقت‌های مختلفی دارند و هرچه دقتشان بیشتر شود، قیمت آن ها نیز بیشتر می‌شود. دقتشان از حدود 10± متر تا چند سانتی متر متغیر است.

[1] Global Positioning System

[2] National Marine Electronics Association

بزودی پروژه های عملی و کاربردی با ماژول های متنوع  GPS به بخش پروژه های سایت افزوده میشود.

مراجع :

برای مشاهده مرجع شماره 1 اینجا کلیک کنید.

برای مشاهده مرجع شماره 2 اینجا کلیک کنید.