Cos'è un modulo GPS?
Il modulo GPS è un ricevitore di segnale GPS. Può essere collegato a un computer o a un telefono cellulare tramite Bluetooth wireless o connessione cablata e trasmette i segnali GPS che riceve al software GPS nel computer o nel telefono cellulare per l'elaborazione. Il modulo di posizionamento GPS a cui ci riferiamo spesso è chiamato parte utente. Riceve e demodula il segnale del codice C/A trasmesso dal satellite, con una frequenza di 1575,42 MHz, proprio come una "radio". Il modulo GPS non trasmette segnali ed è un dispositivo di posizionamento passivo.
La chiave per l'applicazione del modulo GPS risiede nella formulazione del protocollo di comunicazione seriale, ovvero il formato del protocollo di input e output pertinente del modulo. Include principalmente tipi di dati e formati di informazioni, tra i quali i tipi di dati includono principalmente informazioni binarie e informazioni sui dati NMEA (National Marine Electronics Association). Questi due tipi di informazioni possono essere comunicati con il ricevitore GPS tramite la porta seriale.
Il modulo GPS calcola la pseudo-distanza con ogni satellite e utilizza il metodo di intersezione della distanza per ottenere i quattro parametri del ricevitore, ovvero longitudine, latitudine, altitudine e correzione temporale. Il vantaggio di questo metodo è la sua elevata velocità di posizionamento puntuale, ma l'errore è grande. Per il modulo di posizionamento iniziale, è necessario coinvolgere nel calcolo almeno 4 satelliti, che viene chiamato posizionamento 3D. Con 3 satelliti, è possibile ottenere il posizionamento 2D, ma la precisione non è buona. Il modulo GPS emette continuamente informazioni di posizionamento e informazioni ausiliarie in formato NMEA attraverso la porta di comunicazione seriale, che possono essere selezionate e applicate dal ricevitore.
Il principio del posizionamento del modulo GPS
I 24 satelliti GPS orbitano attorno alla Terra a un'altitudine di 12.000 chilometri, completando un'orbita ogni 12 ore. Ciò consente a qualsiasi punto sulla terra di osservare simultaneamente più di 4 satelliti in un dato momento.
Poiché la posizione del satellite è precisamente nota, nelle osservazioni GPS, la distanza dal satellite al ricevitore può essere calcolata utilizzando la formula della distanza nel sistema di coordinate tridimensionali. Con l'aiuto di tre satelliti, è possibile formare tre equazioni per risolvere la posizione del punto di osservazione (X, Y, Z). Considerando l'errore tra l'orologio del satellite e l'orologio del ricevitore, ci sono in realtà quattro incognite: X, Y, Z e la differenza di orologio. Pertanto, è necessario introdurre un quarto satellite per formare quattro equazioni per la soluzione, ottenendo così la longitudine, la latitudine e l'elevazione del punto di osservazione.
In realtà, il ricevitore può agganciarsi a più di quattro satelliti. A questo punto, il ricevitore può dividere i satelliti in diversi gruppi in base alla loro distribuzione della costellazione, con ogni gruppo composto da quattro satelliti. Quindi, attraverso algoritmi, può selezionare il gruppo con l'errore più piccolo per il posizionamento, migliorando così la precisione.
A causa degli errori nell'orbita e nell'orologio del satellite, nonché dell'influenza della troposfera e della ionosfera sul segnale, la precisione di posizionamento del GPS civile è di soli 10 metri. Per migliorare la precisione di posizionamento, viene comunemente adottata la tecnologia GPS differenziale (DGPS). Viene istituita una stazione di riferimento (stazione DGPS) per le osservazioni GPS. Utilizzando le coordinate precise della stazione di riferimento nota e confrontandole con i valori di osservazione, viene ottenuto un fattore di correzione e rilasciato al pubblico. Dopo che il ricevitore riceve questo fattore di correzione, lo confronta con i propri valori di osservazione, eliminando la maggior parte degli errori e ottenendo una posizione più accurata. Gli esperimenti dimostrano che utilizzando il DGPS, la precisione di posizionamento può essere migliorata a 5 metri.
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