Znajdź mnie jeśli potrafisz - nawigacja GPS Pentagram
Autor: NimnuL | Data: 26/06/07
|
 Rozkładanie tradycyjnej, dużej mapy na desce rozdzielczej samochodu i błądzenie po niej palcem jest nie tylko niewygodne, ale i nie zawsze skuteczne. Szczególnie w sytuacji, gdy znajdujemy się na nieznanym terenie poza miastem. Gdy na domiar złego rolę naszego pilota przejmuje np. żona, krzycząca "nie w to lewo, w to drugie lewo!", wycieczka w Tatry może skończyć się nad Bałtykiem. Przesadzam? No, może trochę. W każdym bądź razie na pomoc przychodzi technologia - śmiało można powiedzieć - ery kosmicznej. System nawigacji satelitarnej doprowadzi nas dosłownie pod sam dom. W niniejszym artykule przyjrzymy się odbiornikowi GPS Pentagram PathFinder 6001. Zapraszam. | |
|
Historia
Początki nawigacji satelitarnej datuje się na rok 1957, kiedy to naukowcy z uniwersytetu z Baltimore wykorzystali do tego celu sygnał radiowy z radzieckiego satelity Sputnik I. Od tamtego czasu system satelitarnego pozycjonowania uległ udoskonaleniu i znaczącej rozbudowie będąc początkowo wykorzystywany przez wojsko USA. W roku 1967 nawigację satelitarną opartą o sześć satelitów Transit-SATNAV udostępniono do celów cywilnych.
Krążyły one po orbitach przebiegających na wysokości 1100km, a do swojego działania wykorzystywały efekt Dopplera. Dokładność ówczesnej nawigacji nie była jednak duża i nie pokrywała całej powierzchni Ziemi. Pomimo wielu braków dostrzeżono jednak ogromny potencjał tego systemu i postanowiono go rozbudować. W tym czasie Związek Radziecki wdrożył więc projekt o nazwie Cykada - odpowiednik amerykańskiego Transit-SATNAV. Zbierane w kolejnych latach doświadczenia zaowocowały wprowadzaniem kolejnych udoskonalanych systemów nawigacji satelitarnej. I tak ostatecznie w grudniu 1973 roku rozpoczęto wdrażanie projektu GPS-NAVSTAR. Początkowo system w wersji PPS dostępny był wyłącznie dla wojska. W późniejszych latach umożliwiono natomiast korzystanie z niego także cywilom. Nawigacja satelitarna dostępna "dla mas" pracowała jednak w wersji SPS, zapewniającej znacznie mniejszą dokładność określania pozycji. W dniu 27.04.1995r. ogłoszono system GPS w pełni operacyjnym, a na orbicie znalazły się 24 satelity pokrywające swoim zasięgiem cały obszar globu. Dalszy rozwój technologii (w szczególności mikroprocesorów) pociągnął za sobą wyraźny spadek cen odbiorników. Dzięki temu z każdym rokiem dobrodziejstwo nawigacji satelitarnej stawało się powszechniejsze. Odbiorniki GPS szybko zawitały na statkach, jachtach i w samolotach. Dzisiaj nawigacja satelitarna wbudowana jest już nawet w telefony komórkowe, a wyspecjalizowane urządzenia oferowane są nie tylko dla kierowców, ale również rowerzystów i wędrowców.
System pierwotnie stworzony jedynie do lokalizowania odbiornika w poziomie poszerzył swoje możliwości. Aktualnie można także określić choćby prędkość obiektu i jego wysokość co w połączeniu z dokładnymi mapami cyfrowymi daje niespotykany dotąd komfort podczas poruszania się na obcym terenie. Dodatkowo bardzo duża dokładność wyspecjalizowanych urządzeń umożliwiła ich zastosowanie np. w geodezji czy budownictwie. Obecnie powstają też firmy oferujące monitoring pojazdów co wydatnie zwiększa bezpieczeństwo. Tylko czekać na montowane w cywilnych samochodach "czarne skrzynki" oparte o system GPS. Podczas ewentualnej kolizji będzie jasne kto zawinił, a ucieczka z miejsca wypadku będzie bezowocna. Z drugiej strony przypuszczalnie wielu osobom przejdzie dreszcz po plecach na myśl o nowym narzędziu "Wielkiego Brata". Tak czy inaczej możliwości GPS przypuszczalnie przerosły oczekiwania nawet samych konstruktorów.
Wstępniak teoretyczny
Satelity GPS. Źródło: celestiamotherlode.net (kliknij, aby powiększyć)
Satelity GPS. Źródło: www.defenseindustrydaily.com (kliknij, aby powiększyć)
Satelita GPS. Żródło: www.space.com oraz www.af.mil (kliknij, aby powiększyć)
GPS (Global Positioning System) jest satelitarnym systemem przeznaczonym do dokładnego lokalizowania odbiornika w przestrzeni na naszej planecie. Cały system składa się łącznie z 24 satelitów NAVSTAR (NAVigation Signal Timing And Ranging) krążących po sześciu kołowych orbitach (po 4 satelity na każdej orbicie) na wysokości 20183km nad powierzchnią Ziemi. Orbity nachylone są pod kątem 55° lub 63° względem płaszczyzny równika.
W każdym punkcie na Ziemi widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity. Każdy z nich nieprzerwanie transmituje sygnał radiowy o częstotliwości nośnej 1575,42MHz (oraz drugiej, szyfrowanej, przeznaczonej dla wojska). Nadawane są dane czasowe oraz informacje nawigacyjne, a odbiornik przetwarza te sygnały i wyznacza czas jaki upłynął od momentu wysłania do odbioru. Na jego podstawie określana jest odległość pomiędzy satelitą (którego położenie jest znane), a odbiornikiem. Wystarczą teraz tylko trzy takie punkty odniesienia, aby z całkiem sporą dokładnością określić położenie punktu w przestrzeni. Choć aby zwiększyć dokładność pomiaru dokonuje się odczytu z większej liczby satelitów.
System GPS udostępnia dwa poziomy dokładności: PPS (Precise Positioning Service) oraz SPS (Standard Positioning Service). Pierwszy z nich dostępny jest dla wojska USA oraz NATO, a także dla wybranych organizacji. Pracuje na częstotliwości 1227,6MHz i zawiera utajnione szyfrowanie. Pierwotnie dokładność określania pozycji poziomej wynosiła przynajmniej 10m, aktualnie można dokonywać pomiary z centymetrową stopą błędu.
Standardowy Serwis Pozycyjny (SPS) dostępny jest dla każdego bez ograniczeń i bez opłat. Pierwotnie jego dokładność pomiaru w dwóch wymiarach wynosiła około 500 metrów. Aczkolwiek wraz z jego rozwojem dokładność szybko wzrosła do 100 metrów. W kolejnych latach udoskonalanie odbiorników zaowocowało dalszym zwiększaniem precyzji pozycjonowania. Aktualnie dokładność zawiera się zwykle w przedziale 10-30 metrów, choć najnowsze odbiorniki potrafią śledzić większą liczbę satelitów, a dodatkowo poprawki różnicowe pozwoliły uzyskać dokładność nawet poniżej 5 metrów.
Ze względów technicznych dokładność obliczania wysokości nad poziomem morza jest jednak około trzykrotnie mniejsza niż długości i szerokości geograficznej.
Przewidywana konstelacja Galileo. Żródło: www.esa.int (kliknij, aby powiększyć)
Alternatywnym dla amerykańskiego projektu GPS jest europejski Galileo będący aktualnie w budowie.
Materiał źródłowy oraz uzupełniający dla dociekliwych:
Pentagram PathFinder 6001
(kliknij, aby powiększyć)
Wewnątrz eleganckiego opakowania znajdziemy niemal wszystko co jest potrzebne. Ładowarka sieciowa oraz samochodowa, przewód USB, niewielki akumulator LiIon oraz instrukcja obsługi wraz z gwarancją opiewającą na okres 24. miesięcy.
Według mnie miłym dodatkiem byłoby także ochronne etui oraz samochodowy uchwyt. Instrukcja obsługi została napisana w języku angielskim oraz polskim, a zawarte tam informacje w dokładny i rzetelny sposób prowadzą przez instalację odbiornika na urządzeniu PocketPC.
(kliknij, aby powiększyć)
(kliknij, aby powiększyć)
Pentagram PathFinder 6001 to z wyglądu bardzo proste, ale prezentujące się wyjątkowo elegancko, czarne pudełeczko. Odbiornik jest niewiele większy od niektórych odtwarzaczy MP3. Z przodu umieszczono logo producenta oraz przycisk zasilania.
(kliknij, aby powiększyć)
Tuż nad nim zainstalowane są trzy kolorowe diody, które w czytelny sposób będą informować nas o aktualnym trybie pracy urządzenia. Pro forma wyjaśnię ich znaczenie. Czerwona dioda oznacza włączone zasilanie, a podczas ładowania zmienia kolor na pomarańczowy. Środkowy symbol Bluetooth podświetlony jest kolorem niebieskim. Jego cykliczne miganie co sekundę oznacza komunikację z komputerem/PDA, natomiast szybkie miganie informuje o utracie łączności. Podświetlony na zielono napis GPS będzie migał, jeśli pozycja odbiornika jest ustalona lub zostanie podświetlony stałym światłem, gdy łączność z satelitami zostanie zerwana.
(kliknij, aby powiększyć)
Na jednym z boków umieszczono gniazdo mini USB, a po przeciwległej stronie zainstalowano wejście MMCX przeznaczone dla zewnętrznej anteny.
(kliknij, aby powiększyć)
Na tylnej ściance za odsuwaną klapką mieści się płaski akumulator litowo-jonowy. Dodatkowo odbiornik podklejono dwiema gumowymi podkładkami, które utrudnią jego przesuwanie np. po desce rozdzielczej.
PathFinder 6001 został wykonany z dużą dbałością o szczegóły. Sam odbiornik jest cięższy niż może się wydawać, co w połączeniu z wysoką jakością użytych do budowy materiałów daje bardzo pozytywny efekt.
Specyfikacja
* Satelity GPS emitują dwa sygnały: kod C/A (Coarse Acquisition, częstotliwość L1 = 1575.42 MHz) dla użytkowników SPS oraz kod P dla PPS (Precise, L2 = 1227.6 MHz) dla zastosowań wojskowych. Przy normalnym odbiorze do złudzenia przypominają one szum - nazywa się je sygnałem pseudolosowym (PRN - Pseudo - Random Noise). Kod C/A jest sygnałem binarnym, nadawanym z prędkością transmisji 1.023 MHz. Jego podobieństwo do szumu bierze się z długiego okresu - powtarza się on co 1023 bity. Sekwencja ta jest inna dla każdego satelity i nazywa się kodem PRN. Dzięki temu odbiorniki są w stanie rozróżnić sygnały z poszczególnych źródeł.
** World Geodetic System - jest zbiorem parametrów (z roku 1984) określających wielkość i kształt Ziemi oraz właściwości jej potencjału grawitacyjnego. Układ ten definiuje elipsoidę przybliżającą kształt Ziemi, wykorzystywaną do tworzenia map. Wykorzystywany będzie do około 2010 roku. (źródło: pl.wikipedia.org)
*** Warunki dynamiczne określają dopuszczalne parametry, w których odbiornik może pracować bez zerwania śledzenia sygnału.
Pentagram PathFinder 6001 został skonstruowany w oparciu o najnowszy mikrokontroler GPS - SiRF Star III. Umożliwia on jednoczesne śledzenie lub szukanie aż 20 sygnałów z różnych satelitów. W rezultacie tego uzyskuje się bardzo dużą dokładność pomiaru. Co prawda aktualnie maksymalna liczba satelitów GPS możliwa do "zobaczenia" z jednego miejsca wynosi 12 oraz maksymalnie 4 satelity WAAS, daje to jednak pewną rezerwę na przyszłość.
Nowy produkt Pentagrama zapowiada się ciekawie. To nowoczesny oraz - według specyfikacji - dokładny odbiornik GPS. Jak będzie podczas pracy w terenie, sprawdzimy za chwilę.
Warto jednak zauważyć, że konkurencyjne modele odbiorników GPS opartych na interfejsie Bluetooth oraz SiRF Star III charakteryzują się niemal identycznymi parametrami na papierze. Nie ma w tym nic dziwnego. Pomimo różnego wyglądu wewnątrz kryje się to samo.
Instalacja
Instalacja PathFinder 6001 przebiega w bardzo łatwy sposób. Przedstawię ją na przykładzie notebooka oraz systemu operacyjnego Microsoft Windows XP.
Po uruchomieniu odbiornika można przystąpić do jego wykrycia na komputerze. Operacja ta wraz z zainstalowaniem odpowiednich sterowników trwa dosłownie chwilę i odbywa się w pełni automatycznie.
(kliknij, aby powiększyć)
Po ukończeniu powyższego procesu można przystąpić do łączenia komputera z odbiornikiem. W tym celu należy powiązać GPS z notebookiem, a w odpowiednim polu wpisać cztery zera (co zostało wyjaśnione w instrukcji). Zatwierdzenie PINu trwa dokładnie jedną minutę, więc stosunkowo długo. Będzie to jednak operacja jednorazowa...
(kliknij, aby powiększyć)
...jeśli odpowiednio ustawimy autoryzację (w tym przypadku Serial Port) na przyszłość.
(kliknij, aby powiększyć)
(kliknij, aby powiększyć)
Teraz wystarczy już tylko dokonać połączenia (operacja trwa około 8. sekund) i cieszyć się technologią krążącą wysoko nad naszą głową.
Warto jednak zaznaczyć, że aby odbiornik poprawnie współpracował z komputerem musi on obsługiwać tryb SPP (Serial Port Protocol) Bluetooth.
Dobrze, skoro PathFinder 6001 działa poprawnie, można przystąpić do jego sprawdzenia w praktyce.
Prowadź do celu
Podczas testów wykorzystałem program Automapa (wraz z dokładnym planem Bydgoszczy) w wersji dla Tabletów PC. Teren, po którym się poruszałem obejmował głównie miasta Bydgoszcz, Toruń, Inowrocław, a także trasę łączącą te miejscowości. Dodatkowo sprawdziłem jak nawigacja spisuje się w terenie poza miastem (lasy i pola).
PathFinder po uruchomieniu pod gołym niebem lub w samochodzie zgłaszał gotowość do pracy (ustalenie pozycji) już po około 6. sekundach. Czasami trwało to dłużej i należało czekać około 20 sekund, choć działo się tak głównie wtedy gdy stałem bezpośrednio przy wysokim zabudowaniu. Zwykle uruchomienie nie trwało dłużej jak 10 sekund. Zimny start trwa natomiast 37 sekund. To wynik zbliżony do tego jaki podaje producent (średnio 42. sekundy).
Warto jednak wspomnieć, że w pomieszczeniu nie można liczyć na wykrycie sygnału GPS.
Odnowienie pozycji według producenta trwa poniżej 3s i tak też jest w rzeczywistości. Po wyjechaniu np. z tunelu pozycja zostanie ustalona nawet po jednej sekundzie.
Ilość wykrywanych satelitów podczas testów wahała się od 7 do 14, przy czym najczęściej była to liczba od 8 do 10 co jest bardzo dobrym rezultatem zapewniającym dużą dokładność pomiarów. Właśnie, jak przedstawia się precyzja w praktyce?
(kliknij, aby powiększyć)
(kliknij, aby powiększyć)
(kliknij, aby powiększyć)
(kliknij, aby powiększyć)
(kliknij, aby powiększyć)
(kliknij, aby powiększyć)
Na początek postanowiłem sprawdzić jak dokładna jest mapa, której używam. Po kilku godzinach jeżdżenia i chodzenia okazało się, że jej dokładność jest zaskakująco dobra. Gdy na mapie punkt GPS przejeżdżał obok zaznaczonej stacji benzynowej, samochód również mijał stację. Stojąc dokładnie na skrzyżowaniu przy krawędzi ulicy czarna kropka na mapie również tam stała.
Nawet po wyłączeniu opcji przyciągania do siatki dróg punkt GPS nie wybiegał poza obrys ulic (poza nielicznymi wyjątkami na bocznych drogach za miastem). Na tej podstawie śmiało można powiedzieć, że dokładność pozycjonowania za pośrednictwem PathFinder 6001 sprowadza się maksymalnie do kilku metrów.
Oczywiście Automapa nie ustrzegła się błędów, jednak były one spowodowane zmianami w organizacji ruchu, a nie błędnemu naniesieniu terenu.
Dokładność pomiarów dokonywanych przez PathFinder 6001 jest nad wyraz dobra. Według producenta stopa błędu pomiaru prędkości wynosi 0,1m/s, co w przeliczeniu daje 0,36km/h. W praktyce wskazania prędkościomierza w samochodzie były zawyżone o około 2km/h w stosunku do odczytu z GPS. Warto jednak pamiętać, że prędkościomierz samochodowy nie jest dokładnym przyrządem, a jego stopa błędu jest znacznie większa niż omawianej tutaj nawigacji satelitarnej.
Pomiarów odległości dokonywałem na dwóch trasach. Pierwsza biegła przez miasto i mierzyła według Automapy 11,4km, druga biegła przez miasto (odcinek około 15km) oraz na trasie poza nim (odcinek około 36km) co dało łącznie 50,7km (według Automapy). Odległość mierzoną przez GPS porównałem ze wskazaniami licznika samochodowego. Rezultat? Błąd rzędu 100m na krótszej trasie i około 400 metrów na dłuższej. Warto jednak pamiętać, że błąd pomiarowy wskazań w samochodzie wynosi 100 metrów, a do tego dochodzą dodatkowe czynniki pogarszające dokładność (sposób pokonywania zakrętów, ciśnienie opon itd.). Nie zapomnijmy także o kwestii dokładności samej mapy.
Pomiar wysokości porównałem z danymi z mapy hipsometrycznej w 10 różnych punktach. Wskazania GPS-a różniły się nie więcej jak 6 metrów w jedną lub drugą stronę, przy czym częściej błąd był rzędu 4 metrów. Wynik jest więc świetny biorąc pod uwagę, że nie jest to wyspecjalizowane urządzenie np. do wspinaczki.
Podczas jazdy odbiornik nigdy nie zgubił sygnału, nawet wówczas, gdy przejeżdżałem przez stalowe mosty czy bardzo gęsto zalesioną drogę. Nie było także problemów z odczytaniem pozycji w środku gęstego lasu podczas pieszej wędrówki. Utrata łączności z satelitami miała miejsce dopiero na parkingach podziemnych, wewnątrz budynków i podczas przejeżdżania przez tunele. Zgubiony sygnał był jednak odnajdywany po upływie nie większym jak 3 sekundy, przy czym zwykle był to czas o połowę krótszy.
Producent deklaruje, iż akumulator powinien zapewnić zasilanie przez 12h nieprzerwanej pracy. W praktyce okazało się, że czas ten jest o blisko pół godziny dłuższy po uprzednim poprawnym uformowaniu akumulatora. Warto jednak wspomnieć, że dane techniczne dotyczą akumulatora o pojemności 1100mAh, a w zestawie znajdowało się ogniwo pojemniejsze bo 1300mAh. Ładowanie akumulatora trwa około 3h niezależnie od tego czy źródłem będzie zapalniczka samochodowa czy gniazdko elektryczne w ścianie.
Słowo na koniec
Pentagram PathFinder 6001 to bardzo udany produkt. Wykorzystuje najnowszy procesor GPS zapewniający wyjątkowo dużą dokładność określania pozycji. Bezprzewodowa komunikacja z komputerem lub PDA gwarantuje też duży komfort użytkowania. Co więcej. Dzięki odbiornikowi GPS, mając stary i wysłużony palmtop można tchnąć w niego nowe życie i wykorzystać podczas podróży. Także wysłużony notebook może się jeszcze przydać. PathFinder 6001 pozwoli zatem zaoszczędzić nieco pieniędzy. Zamiast kupować nową i drogą nawigację satelitarną śmiało można wykorzystać sprzęt leżący gdzieś na biurku, który jeszcze przed chwilą zdawał się być przestarzały.
 Sprzęt do testów dostarczyły firmy:
|
|  | PENTAGRAM Europe Sp. z o.o. |
|
