行業小白，GPS的這些基礎知識，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。 它們在大多數用在智能手機，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。 這些微型設備可以在地球上幾乎任何地方瞬間提供準確的位置和時間！ 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然。 有幾十年的工程經驗可以隨時隨地為您提供準確的位置。 數十顆GPS衛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，并且一直持續到今天。 衛星通過專用RF頻率連續發送數據到地面。 我們的口袋大小的GPS接收器具有微型處理器和天線，可直接接收衛星發送的數據并即時計算您的位置和時間，太神奇了。

GPS是如何工作？

GPS接收機使用衛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星的數量。

任何時候，至少有24顆在地球上超過12,000英里的活動衛星。 衛星位置的構建方式是：您的位置上方的天空總是最多包含12顆衛星。 這12顆可見衛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學，地面接收機或GPS模塊就可以計算出它的位置和時間。

GPS接收機如何計算位置和時間？

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

還有一個我們沒有談到的全球定位系統。 除衛星和GPS接收機外，還有可與衛星網絡和一些GPS接收機通信的地面站。 這個系統正式被稱為控制部分，并增加了您的GPS接收機的準確性。 使用控制部分來提高準確性的通用系統是WAAS和DGPS。 WAAS在大多數GPS接收機中很常見，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），衛星位置，天氣和障礙物，如建筑物和山脈。這些因素可能會導致您感知的位置出現錯誤。信號噪聲通常會產生一到十米左右的誤差。可能阻礙接收器與衛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顆衛星才能解決問題。它獲得的第一個鎖可以讓接收機獲取年歷信息，從而獲得應該監聽的其他衛星。雖然有可能從少于4顆衛星獲得一個位置，但這個位置的誤差幅度可能相當大。當您清楚地看到遠離任何障礙物和四顆以下衛星的晴朗天空時，就能夠最準確地讀取您的位置。

輔助GPS

其中一種輔助功能是輔助GPS或AGPS。當GPS信號較弱或無法接收時，此方法使用無線（地面）網絡來幫助衛星和接收器之間進行中繼。 AGPS有兩種方法可以提供幫助。首先是為接收機提供適當的年歷數據和準確的時間。第二種技術利用地面基站的較高計算能力和良好衛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確的位置讀數。 AGPS主要由安裝在蜂窩塔上的GPS接收器完成。當與這些接收器通信時，GPS可以更快速地獲取衛星上的鎖定并接收更準確的信息。這種方法是用于手機中的GPS，以及它們為什么有時比GPS接收器本身更精確。但是，AGPS存在于更多設備中，而不僅僅是手機;它甚至可用于相機和一些車輛。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現衛星和地面位置讀數之間的差異。這些地面站可能距離接收機高達200海里，重要的是要注意，距離地面站越遠，準確度越低。 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或WAAS。

WAAS最初由FAA開發以協助飛機GPS，它使用專門建造的地面站系統。 WAAS擁有地面站測量必須滿足的一套特定的精度標準。在橫向和縱向上，WAAS必須在95％的時間內精確到7.6米以內。這些地面站將其測量結果發送給主站，每5秒或更快發送更正信息給WAAS衛星。從衛星上，信號被廣播回地球上的接收機，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也采用類似的系統。

消息格式

GPS數據通過串行接口以不同的消息格式顯示。 有標準和非標準（專有）消息格式。 幾乎所有的GPS接收機都輸出NMEA數據。 NMEA標準被格式化為稱為句子的數據行。 每個句子包含以逗號分隔格式組織的各種數據位（即用逗號分隔的數據）。 以下是帶有衛星鎖定的GPS接收器（4顆衛星，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是以度為單位的經度，西部為分鐘

看到的衛星數量：08

海拔：1577米

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

讀取GPS數據

大多數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。

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數據（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送引腳（TX）發送出去。 要使微控制器讀取NMEA數據，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引腳連接到單片機的TX引腳。

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

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）結束。

一旦微控制器可以獲取所需的數據，就可以對信息進行處理，從而在微控制器上創建其他交互。

借助Tiny GPS庫，Arduino平臺可以輕松解析NMEA數據。 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

EM406 GPS - EM406分線 - 5V FTDI分線

直接查看NMEA數據的簡單方法是將GPS模塊連接到計算機。 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，負責用戶界面，所有的計算以及天線的模擬電路。 該芯片組還允許將數據發送到GPS接收器以配置參數，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，請務必與供應商聯系。 許多芯片組供應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議，如SiRF二進制（SiRF芯片組），UBX（ublox芯片組）或專有消息。 這些協議包含相同的信息，但使用二進制（而不是ASCII）進行通信以加快通信速度。

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

GPS關鍵詞

準確性 - GPS有多準確？ 好吧，它有點不同，但通常你可以在30秒內，在世界任何地方，甚至在+/- 5米的范圍內找到你的位置。 驚人！ 因為模塊之間的準確性會有所不同，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，準確性可能會受到影響。請記住，GPS信號是從衛星發射的，而這些衛星不一定在你頭上;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，云彩和暴風雪不應該影響信號，但樹木，建筑物，山脈，頭頂等物體都會產生不必要的干擾，并且您的GPS準確度將受到影響。

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，結構緊湊，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附件使您能夠將天線安裝在與主電路不同的位置。如果你的主系統不能很好地看到天空，這可能是有益的。例如，建筑物內部或汽車內。

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

通道 - GPS模塊運行的通道數量將影響您首次修復的時間（TTFF）。由于模塊不知道哪些衛星在視野中，因此一次可以檢查的頻率/頻道越多，修復速度就會越快。模塊鎖定或修復后，某些模塊會關閉額外的通道模塊以節省功耗。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芯片組負責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，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接收機有附加的天線，不僅可以接收來自衛星的信號，還可以直接接收來自地面站的信號。 DGPS設備通常需要兩根天線。這些比您的標準GPS設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。這適用于發射天線和接收天線。

鎖定或修復 - 當GPS接收機鎖定或修復時，至少有4顆衛星處于良好的視野中，您可以獲得準確的位置和時間。

NMEA - 這是大多數GPS天線模塊使用的常見數據格式。 NMEA數據以句子顯示并從GPS模塊串行發送（TX）引腳發出。 NMEA句子包含所有有用的數據，（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星數據中剔除數據并獲得鎖定。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，節省電力。

PPS - 每秒脈沖數。這是一些GPS模塊的輸出引腳。一般來說，當此引腳每秒切換一次時，您可以將系統時鐘與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星數據保存在易失性存儲器中。這有助于減少后續加電時的TTFF。而且，更快的開始時間轉化為更少的整體功耗。

冷啟動 - 如果長時間關閉模塊電源并且備份電容消耗殆盡，數據將丟失。在下次開機時，GPS需要下載新的年歷和星歷數據。

暖啟動 - 根據您的備用電源持續的時間長短，您可以進行熱啟動，這意味著一些年歷和星歷數據會被保留，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星都是最新的，并且接近于它們在前一次通電狀態下的相同位置。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學方法。為了讓GPS接收機計算準確的位置和時間，需要至少有4顆衛星在天空中。這被稱為GPS鎖定或修復。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，經度，海拔和時間。

TTFF - 首次修復的時間。上電后，使用至少4顆衛星準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。大多數設備的標準是1Hz（每秒一次）。無人機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或廣域增強系統是一個地面站（在北美）的網絡，它將校正數據發送回衛星。 WAAS的位置精度接近5米。 其他國家也有類似的系統，例如歐洲系統稱為EGNOS，日本系統是MSAS，印度有GAGAN。 大多數GPS接收器默認啟用WAAS并支持EGNOS，MSAS和GAGAN。