BlinfoTec |
Vanuit de ruimte zenden GPS navigatie satellieten hun signalen naar de aarde, waar GPS ontvangers deze uit de ether filteren. De signalen worden op meerdere frequenties uitgezonden en bevatten verschillende soorten informatie. Het is de taak van de GPS ontvanger om de verschillende signalen te identificeren en de informatie daarin om te zetten in gegevens, die door een navigatie computer kunnen worden begrepen. Om dit te kunnen doen maakt de GPS ontvanger zelf ook gebruik van computer technologie. Een complete navigatie unit bestaat dus tenminste uit twee computers.
Eind jaren 90 kwamen goedkope navigatie units op de markt, die het uiterlijk vertoonden van een uit de kluiten gewassen mobieltje, inclusief beeldschermpje en toetsenbord met geïntegreerde navigatie software, ontvanger en antenne. Bekende namen waren en zijn nog steeds Garmin, Lowrance en Magellan. Met de opkomst van draadloze verbindingen zoals Bluetooth verschenen ook stand-alone ontvangers van onder andere Holux, Globalsat, Adapt en RoyalTec. Deze ontvangers bevatten alles wat nodig is om de GPS signalen te ontvangen en te decoderen, maar er zit geen navigatie software in. Deze bevindt zich op een aparte computer, bij voorkeur een PDA of mobiele telefoon, die de gedecodeerde gegevens draadloos ontvangt. De complete navigatie unit bevat in zo'n geval naast de twee computers nog twee zend-ontvangers voor communicatie tussen de twee units. Deze laatste configuratie wordt gebruikt in bijvoorbeeld de 'Trekker' en 'Loadstone-GPS' navigators voor blinden en slechtzienden.
Een 'Block II-RM' satelliet zendt drie typen signalen uit in de primaire band:
De C/A-code (Coarse Acquisition code) is het signaal dat voor burger navigatie doeleinden mag worden gebruikt en bestaat uit een 1023 bit lange 'pseudo-random' code die wordt uitgezonden met een snelheid van 1,023 MHz. Dit gebeurt dus iedere milliseconde. Het signaal bevat ook de identificatie code van de satelliet.
De P-code is gelijk aan de C/A-code, maar wordt slechts één keer per week uitgezonden in 'anti spoofing mode', wat wil zeggen, dat het signaal versleuteld is en slechts kan worden gedecodeerd door de sleutelbewaarder, het Amerikaanse leger. In gecodeerde vorm heet de P-code 'P(Y)-code' en wordt uitgezonden met een snelheid van 10,230 MHz, dat is 10 keer per milliseconde.
Al deze signalen worden uitgezonden via het primaire radio kanaal van de GPS constellatie, L1, op een frequentie van 1575,42 MHz. Het P(Y) signaal wordt ook nog apart uitgezonden op het L2 kanaal, op 1227,60 MHz.
Terwijl de tijd codes constant en met een hoge snelheid worden uitgezonden doen het Almanak en het ephemeris signaal er beduidend langer over om de aarde te bereiken. Deze codes worden samengevoegd in de 37500 bit lange 'Navigation Message' (NM), die er bij een snelheid van 50 Hz twaalf en een halve minuut over doet om in de ontvanger aan te komen. Gelukkig wordt in deze boodschap het ephemeris signaal om de 30 seconden herhaald.
Om zijn positie vast te kunnen stellen moet de ontvanger eerst de GPS tijd weten. Dit gebeurt door de interne klok te synchroniseren met de kloksignalen in L1 van de ontvangen satellieten. Een moderne ontvanger is in staat om de signalen van 12 satellieten tegelijk te ontvangen. Tijdens de synchronisatie worden ook de identificatie codes uit de C/A code gebruikt om de exacte positie van elke ontvangen satelliet te bepalen door deze op te zoeken in de ephemeris gegevens uit de NM.
Vervolgens moet de vertraging die het tijd signaal heeft opgelopen op zijn reis naar de aarde worden uitgerekend. Dit gebeurt door een tijd code te genereren op basis van de tijd van de gesynchroniseerde interne klok en deze te vergelijken met de tijd code van de ontvangen tijd signalen. Dit verschil ligt meestal tussen de 56 en 58 milliseconden. Door de tijd verschillen te vermenigvuldigen met de lichtsnelheid wordt de afstand tot de ontvangen satellieten bekend. Een op deze manier uitgerekende afstand wordt de 'pseudo range' genoemd.
Na verloop van tijd weet de ontvanger dus:
Deze gegevens moeten nu naar de navigatie software worden verstuurd om daar verwerkt te worden tot 'bruikbare' informatie voor de gebruiker. Dit gebeurt met behulp van de zogenaamde NMEA berichten.
De 'National Marine Electronics Association' (NMEA) heeft codes vastgesteld die wereldwijd zijn geaccepteerd als het protocol waarmee GPS informatie wordt verstuurd. Het protocol bevat onder andere de volgende definities:
GGA: tijd, positie en vaste data.
GLL: Latitude, longitude, UTC tijd van de positie fix en status.
GSA: GPS ontvanger bedrijfs modus, satellieten gebruikt in de 'position solution' en DOP waarden.
GSV: Het aantal GPS satellieten in zicht, satelliet ID nummers, elevatie, azimuth en SNR waarden.
MSS: Signaal-ruis verhouding, signaal sterkte, frequentie en bit rate van een (eventuele) radio baken ontvanger.
RMC: Tijd, datum, positie, koers en snelheid gegevens.
VTG: Koers en snelheid informatie ten opzichte van de grond.
ZDA : UTC tijd en datum.
De GGA boodschap ziet er bijvoorbeeld als volgt uit:
$GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416, W,1,07,1.0,9.0,M, , , ,0000*18
Een NMEA boodschap begint altijd met het $ teken, twee letters die de verzender identificeren, in dit geval GP voor een GPS ontvanger en de letter code van de boodschap, in dit geval GGA. De boodschap eindigt altijd met het * teken met daar achter de zogenaamde 'checksum', een code die de boodschap valideert. Sommige gegevens worden in meerdere boodschappen verzonden. Zo bevatten de GGA en de GLL boodschappen beide latitude en longitude gegevens.
Met een enkele uitzondering mag een NMEA boodschap niet meer dan 80 karakters bevatten. De meeste ontvangers versturen hun gegevens met een snelheid van 4800 Baud. Er worden dus ongeveer 6 boodschappen per seconde verstuurd. Een boodschap wordt verstuurd op het moment dat alle gegevens voor de boodschap voorhanden zijn, er zit dus geen vaste volgorde in.
Voor een SiRF3 GPS ontvanger het laboratorium verlaat kan de fabrikant een aantal 'gedragsregels' vaststellen die bepalen, hoe de ontvanger zich onder verschillende omstandigheden zal gedragen. Een bekende gedragsregel is de 'Statische Navigatie' (SN)instelling. Een fabrikant kan vastleggen, dat de ontvanger pas bij een bepaalde minimum snelheid gegevens gaat doorgeven. Dit wordt gedaan omdat bij stilstand een ongewenst effect optreedt dat we kennen als 'drift'. Omdat de ontvanger bij zeer lage snelheid geen koers meer kan vaststellen wordt de plaatsbepaling onbetrouwbaar. Door SN op bijvoorbeeld 4 kilometer per uur in te stellen treedt dit effect onder die snelheid wel op, maar worden de onbetrouwbare gegevens niet aan de navigatie software doorgegeven. De situatie is 'bevroren', tot de snelheid weer boven de vastgelegde grens komt. Voor automobilisten is dit prettig, voor wandelaars betekent het, dat je wel heel goed moet doorstappen. SN wordt dan ook steeds minder gebruikt nu wandelen met GPS populairder wordt.
Een instelling zoals SN wordt een 'masker' genoemd. De volgende maskers kunnen door fabrikanten van GPS ontvangers worden bepaald:
DOP (Dilution of Precision) waarden geven de 'betrouwbaarheid van het door een satelliet uitgezonden signaal aan. Een fabrikant kan dus vaststellen wanneer de gegevens van een satelliet aan de navigatie software wordt doorgegeven, door een DOP waarde vast te leggen waaronder dit niet meer gebeurt. Het 'elevatie' masker kan gebruikt worden om vast te leggen hoe hoog boven de horizon een satelliet moet staan om in aanmerking te komen voor navigatie gebruik. Met het 'power' masker kan de doorgifte worden vastgelegd afhankelijk van de sterkte van het ontvangen signaal.
Gelukkig zijn de meeste fabrikanten het wel met elkaar eens over de ideale instellingen en ontvangers verschillen dus niet veel van elkaar. Helaas is het niet makkelijk om achter deze gegevens te komen tijdens de speurtocht naar een ontvanger, want diezelfde fabrikanten geven meestal vrij nutteloze informatie in hun advertenties. Het blijft dus zaak, om eerst te informeren naar de ervaringen van andere gebruikers met bepaalde ontvangers.
De navigatie software ontvangt dus gegevens op basis van door de fabrikant ingestelde 'maskers', maar het is ook mogelijk een NMEA boodschap aan de ontvanger te geven. Zo is het mogelijk EGNOS correctie aan en uit te zetten. De huidige ontvangers worden geleverd met de correctie modus 'uit'. De navigatie software moet dus in staat zijn deze aan te zetten. Hetzelfde geldt voor de 'power' instelling. Die staat standaard op 'full power'. Wil je 'trickle modus' aanzetten moet de software dit ondersteunen. Het is helaas niet mogelijk om vast te stellen of zo'n boodschap is aangekomen in de ontvanger. Hopelijk wordt dit in toekomstige ontvangers veranderd.
Ook is het mogelijk een GPS ontvanger te 'herstarten'. Er zijn verschillende herstart mogelijkheden:
Een koude start vindt plaats als de ontvanger lange tijd niet in gebruik is geweest, of als de gebruiker de ontvanger aanzet op grote afstand van de laatst bekende positie. Een koude start kan 50 seconden in beslag nemen, een warme start duurt niet langer dan 30 seconden.
GPS ontvangers zijn niet alleen uiterst gevoelige ontvangers, ze herbergen ook veel computer kracht. De laatste ontwikkelingen hebben al veel tekortkomingen uit de weg geruimd. Toch zijn ze nog niet perfect. Plaatsbepaling wordt nog steeds beïnvloed door atmosferische omstandigheden, het soort bebouwing in de omgeving, het weer en de plaats op aarde waar de ontvanger wordt gebruikt. Fabrikanten bepalen de 'ideale' maskers, de gebruiker kan hier weinig invloed op uitoefenen. Maar de prijzen zijn zodanig, dat het niet langer nodig is om terughoudend te zijn bij de beslissing om gebruik te gaan maken van satelliet navigatie. Verwacht echter niet, dat een satelliet navigatie unit je 'laat zien'. Fietsen en vuilnisbakken worden nog steeds niet opgemerkt door Trekker en Loadstone, en stok en hond zijn nog altijd onmisbare hulpmiddelen voor mensen met een visuele handicap.
(Laatst bijgewerkt op: 20-12-2006)
Loadstone-GPS wordt ontwikkeld door Shawn Kirkpatrick in samenwerking met Monty Lilburn, Shane Wegner en Rob Melchers.
Het programma is gratis. De ontwikkeling heeft echter honderden uren aan programmeren en testen gekost. Om hiermee door te kunnen gaan en het programma zowel als de documentatie en ondersteuning verder te ontwikkelen en verbeteren is jouw steun van harte welkom.
Overweeg eens of je dit project zou willen ondersteunen. Iedere gift, klein of groot, wordt in dank aanvaard en helpt bij het voortzetten van de inspanningen van het Loadstone-GPS team in de toekomst.
Klik op doneren om een bijdrage aan dit project te leveren.
Maak je liever geen gebruik van PayPall, neem dan contact op met het Loadstone-GPS team via de contact pagina van deze website.