AUFBAU EINES GPS-SYSTEMS

AUFBAU EINES GPS-SYSTEMS

Dank der Bemühungen genialer Ingenieure und Wissenschaftler ist GPS (Global Positioning System) ein Eckpfeiler unserer heutigen Welt. Ob mit dem Navigationssystem unseres Fahrzeugs oder mit einem Handheld-Gerät bei einer Wanderung durch den Wald – wir können jetzt unseren genauen Breiten- und Längengrad von Satelliten in der Erdumlaufbahn bestimmen lassen. Ziemlich verrückt, oder? Kommen Sie mit uns und erfahren Sie, was es ist, wie es funktioniert und wie Sie Ihr eigenes GPS-System bauen können.

Wie funktioniert GPS?

Entfernung der Satelliten von der ErdeAuf der mittleren Erdumlaufbahn (12.550 Meilen) befinden sich zu jedem Zeitpunkt etwa 31 Satelliten in Betrieb. Dies ist ein relativ großes System, das mit sorgfältiger Planung und Kalibrierung betrieben wird. Der Grundgedanke ist die Mathematik. Warten Sie! Lassen Sie mich ausreden. Ihr Empfänger bestimmt den Standort, indem er die Entfernung zwischen Ihnen und dem Satelliten berechnet. Dies geschieht durch Multiplikation der Signalrate (Lichtgeschwindigkeit) mit der Atomuhrzeit des Satelliten. Sie können Ihren Standort auch über drei Satelliten ermitteln, aber das ist nicht so genau – für eine dreidimensionale Standortbestimmung werden vier Satelliten benötigt. Drei Satelliten werden für die x-, y- und z-Koordinaten benötigt, und ein Satellit zur Bestimmung der Zeit, die das Signal für den Weg von den Satelliten zum Empfänger benötigt hat.

Satellitentechnik

Ok, cool. Die Satelliten fliegen also umher und spucken Standortdaten aus, und wenn ich mich in der Sichtlinie befinde, wird mir mein Empfänger meinen Standort mitteilen. Ist das alles? Nein, nicht ganz. Wir haben gerade einen kleinen Schritt in die GPS-Technologie als Ganzes gemacht. Wir haben festgestellt, dass es zwei Hauptbestandteile gibt, nämlich Satelliten und Empfänger, die wir uns nun genauer ansehen wollen. Ein Empfänger ist in der Regel ein Chip, der elektromagnetische Wellen empfängt und sie in lesbare Daten umwandelt. Diese Systeme können von einem eigenständigen Chip über ein Breakout-Board bis hin zu einem ausgefallenen kompletten Benutzersystem wie in einem Auto reichen. Wenn du ein Projekt rund um diese Art von Technologien entwickelst, musst du die drei wichtigsten Funktionen kennen, die sie alle benötigen, um zu funktionieren. Für ein GPS-Modul benötigen Sie eine Antenne, ein integriertes System zur Durchführung von Mathematik und Datenkommunikation sowie ein Kommunikationsprotokoll, das an den Benutzer oder das Endsystem weitergeleitet wird.

Antenne

Zu jedem drahtlosen Kommunikationssystem gehört die allmächtige Antenne. Kurz gesagt, wir suchen nach einem leitfähigen Metall, durch das, wenn es von elektromagnetischen Wellen getroffen wird, ein elektrischer Strom im Inneren des Leiters fließt. Stellen Sie sich vor, Sie klatschen in ein Schwimmbecken und beobachten, wie die Wellen auf dem Wasser kräuseln. Dieser Strom fließt auf eine bestimmte Weise, die durch die elektromagnetische Welle gesteuert wird. Es gibt eine ganze Ingenieursdisziplin, die sich mit der Herstellung von Antennen befasst, deshalb wollen wir hier nicht zu sehr in die Tiefe gehen. Aber dies ist ein wichtiger Bestandteil für den nächsten Teil des Systems.

Integriertes System

Für diesen Teil gibt es keinen genauen Standard, aber wir brauchen Elektronik, um unerwünschte Wellenfrequenzen herauszufiltern und die zu lesen, die uns interessieren. Diese Systeme können komplex sein, wie bei GPS-RTK, oder einfach für normales GPS. Ein Grundrezept wäre ein Filter, ein Signaldecoder und ein Kommunikationsausgang. Wir verwenden eine Vielzahl von Chips, und jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Wie kommunizieren wir also mit diesen Chips?

Kommunikationsprotokolle

Nehmen wir an, Sie haben schon von den gängigen Kommunikationsmethoden zwischen elektronischen Geräten wie Serial, I2C, SPI usw. gehört oder sind damit vertraut. Dies sind Kommunikationsmethoden auf Hardware-Ebene von Computer zu Computer, aber GPS hat eine zusätzliche Ebene. Wie können wir die vielen Satelliten berücksichtigen, die umherfliegen und ihre eigene Sprache ausspucken? Wir führen GPS-Kommunikationsprotokolle ein, was nichts anderes bedeutet, als dass wir sie standardisieren. Das ist der NMEA-0183-Standard: Er unterteilt die Signale in Sätze.

Wenn das Signal nach diesem Standard dekodiert wird, wird die einst elektromagnetische Welle für Menschen lesbar. Wenn wir sie in die Kommunikationsleitungen einspeisen, kann unser Computer uns unseren Standort anzeigen.