03-Subsistema GPS
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1. 1 EE RGUEIGPS E i pAg i A Da 7 d i Introducci n Descripci n del Sistema Fundamentos para el c lculo de la Posici n RGM 3000 Protocolo de Comunicaciones y Configuraci n Comandos NMEA E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona 2 1 1 Introducci n GPS es el acr nimo de Global Positioning System sistema global de posicionamiento y es un sistema formado por una constelaci n de 24 sat lites llamados NAVSTAR y 5 estaciones repartidas por la superficie terrestre Gracias a este sistema un usuario puede determinar con muy poco margen de error su posici n en la esfera terrestre y la altitud sobre el nivel del mar a las que se encuentra Antes de hablar de m s detalles y de c mo funciona este sistema demos paso a un poco de la historia del mismo Representaci n del sistema de sat lites A comienzos de los a os 60 la armada y la fuerza a rea norteamericanas decidieron crear un sistema de localizaci n para su armamento especialmente el nuclear Este sistema deb a ser muy preciso estar disponible de manera continua no verse afectado por las condiciones atmosf ricas funcionar en cualquier lugar del globo y de bajo coste Tras realizar inversiones multimillonarias e investigar diversos proyectos previos y dise ar los sat lites que integrar an el sistema en 1989 se lanzaron los primeros que formar an el GPS El lanzamiento de los sat lites originales prosigui hasta 1994 cuando se lanz2. GPRUC 170551999 4 3630 2670 N 00617 0500 4 250605 D6 A AS 098 3630 E O N 067 0500 1 0 00 50 0 58 1 M 0000 13 SEDENC Pyas 998 0 FEY dja H 20605 F5PGGA poo 996 3638_8670 N B6617 0380 4 0 00 58 8 58 L H 5 SGPRWC 170553 998 V 3630 8678 N 6061 230605 15 36PGGA 170554 998 3630 8670 N 00617 0500 4 0 00 50 0 58 1 M 0000 15 6PG5H A 0 560 50 085 CPRHC 170554 998 0 3630 9670 N 00617 0500 4 250605 D2 BABA 12 2 1 Subsistema GPS 8 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona Posteriormente explicaremos el formato de estos mensajes pero en primer lugar veamos algo m s acerca de la configuraci n del m dulo Con el programa SiRFDemo 3 40 que nos suministra el fabricante podemos monitorizar los mensajes que nos manda el GPS adem s de configurar ciertos par metros del mismo como son los mensajes NMEA que nos debe mandar la frecuencia de los mismos el baudrate de las comunicaciones el protocolo a usar En la imagen inferior vemos una captura de dicho programa donde se ven algunos de los datos que nos muestra el GPS 2 SiRFDemo 3 40 Target SW Unknown on COM6 4600 JE Satup View Action Narlgabon Poll Window ale e al Ki Signal View EE Map View JOE anw LOR SV M z EI C o b 0yc 4 3 2 1 U l O e pas a Lar Hdg C_I O T e onn k i 5 Used in Fi En Error View A A Com CE VEAR Comm CE FRAME a ii Debug View laal
3. HotStart Cold Start caulina No F Warn Stan i i ji El co LPPPECAAAAA 5 PAME 11 2701 825 4 0000 0 Pirection NE O Speed 0 km nr 6PG64 112702 825 0000 000 Altitude O tri PDop 50 0 GPGSAA ARRIAEBERERER 50 0 5 Fr P GPAMC T1 2702 825 V 0000 0 5 ki Purico de Track corpados Esar ro Uirae da EDO aparta lirade Dl de Sii 5 i ELG OE EEE Dirse iie B Ee ETNO G a A continuaci n comenzamos a desarrollar una aplicaci n en un lenguaje de programaci n de alto nivel para englobar todas posibilidades estudiadas anteriormente del receptor GPS 2 1 Subsistema GPS 13
4. el 24 Estos primeros sat lites fueron fabricados por la empresa norteamericana Rockwell Como sistema dise ado para la guerra no fue hasta la guerra del Golfo P rsico en 1991 cuando se someti a situaci n de combate El GPS cumpli su papel a la perfecci n De hecho en alguna ocasi n alg n general lleg a comentar que junto con la visi n nocturna el GPS fue el elemento de equipamiento relevante en esta guerra 2 1 Subsistema GPS 1 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona Afortunadamente el uso del GPS no es exclusivo del ej rcito norteamericano Tras un incidente internacional ocasionado en 1983 el entonces presidente de los EE UU Ronald Reagan anunci que el GPS tambi n estar a disponible para la comunidad civil internacional si bien el sistema tendr a una precisi n inferior a la que gozaba el ej rcito norteamericano En el 2000 Bill Clinton elimin esta restricci n y actualmente se logran precisiones de hasta 15 metros en usos civiles A pesar de ello y dado que el sistema est bajo el control entre otros del Departamento de Defensa norteamericano los receptores no pueden ser capaces de funcionar a m s de 18 000 metros de altitud ni a m s de 900 nudos 1 667 km hora de velocidad Adem s el servicio puede verse sometido a restricciones temporales 2 1 2 Descripci n del Sistema GPS Estos sat lites se encuentran en rbitas situadas a 10 900 millas n uticas 20 200 km aproxima
5. ggg w spons PAPES A A T aaea 90 050 0 60 0 06 PSPAME DOGHI T 384 40300 0000 N 90000 0000 E 4701 0 415 435PG64 00041 8 984 0000 0000 54 RS adi E A 00 5 0 0 0 000033 PAFGSAA coooco 30 0 50 0 50 0 GPAMC 00041 6 964 0000 0000 N 30000 0000 270102 dd 3 984 0000 de ee O000 E 0 00 50 EAIA DM 000032 ra 50 0 50 0 SPEME 0 ngii 3 304 i e 5000 N 30000 0000 270102 16 Hapana iiai 984 0 aon w 00 0000 E 0 07 50 0 0 0 4 0000 38 SEPSA AA ao 30 D500 FGPAML 000420 384 4 00001 DODAN 00000 0000 0 02 111 3P306 000421 984 0000 0090 4 00000 0000 9 00 59 0 0 04 000039 ESPGSAA T coo 90 0 50 0 50 005 5 PGsv 1 1 07 30 00 000 48 FA PAMC 000421 984 0000 0000 00000 0000 2701 02 100 P Ae 0000 0000 4 00000 0000 E 9 00 50 0 0 0 4 0000 34 Ens KN m h O Documentaci n 41 P3 doc Micros 5 imagenes Py srrcamo aani SL Pam e k EJ BE OOOO A EQAO gt 343 La configuraci n debemos realizarla desde la opci n Action gt Switch to SiRF Protocol Entonces el formato de env o cambiar de NMEA a SiRF y cuando volvamos a cambiar a NMEA nos aparece una pantalla donde elegimos los mensajes a enviar y la velocidad del puerto serie 2 1 Subsistema GPS 9 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona 2 1 6 Comandos NMEA La comunicaci n con el GPS se puede realizar mediante protocolo SiRF o bien con los comandos NMEA National Marine E
6. medimos la distancia de un segundo sat lite al mismo receptor se generar una superficie esf rica de radio R2 que al intersecarse con la primera esfera se formar un c rculo en cuyo perimetro pudiera estar ubicado el punto a medir Si agregamos una tercera medici n la intersecci n de la nueva esfera con las dos anteriores se reduce a dos puntos sobre el per metro del c rculo descrito Uno de estos dos puntos puede ser descartado por ser una respuesta incorrecta bien sea por estar fuera de espacio o por moverse a una velocidad muy elevada 2 1 Subsistema GPS 4 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona Matem ticamente es necesario determinar una cuarta medici n a un sat lite diferente a fin de poder calcular las cuatro inc gnitas x y z y tiempo La distancia de un sat lite a un receptor se calcula midiendo el tiempo de viaje de la se al de radio desde el sat lite al receptor Conociendo la velocidad de la se al de radio la distancia se determina por medio de la ecuaci n de movimiento con velocidad uniforme D v t D distancia en kil metros desde el sat lite al punto considerado v velocidad de la se al de radio aproximadamente la velocidad de la luz t tiempo de viaje de la se al en segundos Xi Ux 2 Yi Uy Z Uz PR Bo 2 1 1 4 XI Yi Zi posiciones de los sat lites transmitidas por ellos mismos PRI distancias a los 4
7. M Iv n Rodr guez Carmona Para su conexi n al exterior se ha utilizado un conector de tel fono En la siguiente imagen vemos como queda el conjunto completo 2 1 5 Protocolo de Comunicaciones y Configuraci n Como se ha comentado anteriormente el m dulo dispone de dos puertos serie para la comunicaci n con el equipo o sistema receptor El puerto que se usa para el env o de los datos es el puerto A y son las dos conexiones disponibles que tenemos en el conector de tel fono adem s de VCC y GND Alimentando y conectando las se ales RX y TX del m dulo a un MAX232 para posteriormente usar la conexi n RS232 al PC podemos ver que el GPS comienza a funcionar autom ticamente No tenemos m s que abrir una ventana en el hyperterminal para ver los datos que nos est enviando Him FGPESA A L 20 0 56 0 50 0 85 6PRAC 170546 999 V 3636 5670 N 00617 8500 41 20060 BE 6P66A 1785 9 999 36398 as O 4 0 00 58 0 58 1 5M 0000 18 EGPRNC 170549 999 0 3630 8670 N 00617 058 Za do FOPGOA 178550999 3 3630 3670 N 04617 0500 W i 50 0 58 Y H 0000 10 GPRHC 170550 300 0 3636_3670 N 00617 0580 4 250605 87 FGPGGA 1 78351 9993 3630 8670 N 0 617 0500 W 0 0 50 0 58_ 1 H 0808 11 EPESA A 0 50 0 50 0 85 0P0SV 3 1 09 26 74 038 29 67 062 09 9 275 18 28 3911 77 6PG5V 3 2 09 2 27 0 5 10 21 172 07 19 097 05 18 208 7E 0P65V 3 3 09 21 05 266 l
8. damente y realizan una circunvalaci n a la Tierra cada 12 horas De los 24 en funcionamiento 21 se encuentran en servicio mientras que los otros 3 est n de reserva Existen seis rbitas diferentes inclinadas aproximadamente 55 con respecto al Ecuador Alrededor de cada uno de estos planos giran cuatro sat lites que son monitoreados constantemente por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos En Tierra existen cinco estaciones de seguimiento y control tres estaciones para la alimentaci n de datos y una estaci n de control maestro La estaci n de control maestro calcula con los datos de las estaciones de seguimiento la posici n de los sat lites en las rbitas efem rides los coeficientes para las correcciones de los tiempos y transmiten esta informaci n a los sat lites SEGMENTO ESPACIA SEGMENTO DEL USUARIO SEGMENTO DE CONTROL 2 1 Subsistema GPS 2 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona Cada uno de los sat lites de la constelaci n NAVSTAR transmite dos se ales de radio L1 con una frecuencia de 1 575 43 MHz y L2 1 227 6 MHz La se al L1 se modula con dos c digos de ruido pseudoaleatorios Pseudo Random Noise PRN denominados Servicio de Posicionamiento Preciso PPS o c digo P o protegido el cual puede ser encriptado para uso militar y el c digo de adquisici n grueso C A Coarse Adquisition conocido como Servicio Est ndar de Posicionamiento SPS La se al L2 se modula solamente con
9. el c digo P La mayor a de los receptores de uso civil usan el c digo C A para obtener la informaci n del sistema GPS Adem s de los c digos los sat lites transmiten a los receptores paquetes de informaci n repetitiva de cinco diferentes bloques con duraci n de 30 segundos Bloque 1 Contiene los par metros de correcci n de tiempo y refracci n ionosf rica Bloques 2 y 3 Contienen informaci n orbital y precisa para el c lculo de efem rides Bloques 4 y 5 Informaci n orbital aproximada de todos los sat lites del sistema en operaci n tiempo universal coordinado informaci n onosf rica e informaci n especial La precisi n obtenida con equipos GPS puede variar en un rango entre milimetros y metros dependiendo de diversos factores Es importante mencionar que la precisi n obtenida en la determinaci n de las coordenadas horizontales Norte y Este es de dos a cinco veces mayor que la determinaci n en la coordenada vertical o cota En general la exactitud obtenida en mediciones con GPS dependen de los siguientes factores Equipo receptor Planificaci n y procedimiento de recolecci n de datos Tiempo de la medici n Programas utilizados en el procesamiento de datos Existen dos tipos de exactitudes la absoluta y la diferencial En cuanto a la exactitud absoluta utilizando el Servicio Est ndar de Posicionamiento SPS se pueden obtener exactitudes en el orden de 20 m Si se usa el Servicio Preciso de Posici
10. lectronics Association Esta asociaci n se encarga de definir un est ndar el NMEA 0183 que consiste en una interfase el ctrica y un protocolo de datos para la comunicaci n entre instrumentos marinos NMEA se establece como un grupo de trabajo para el desarrollo de nuevos est ndares de comunicaci n de datos para dispositivos marinos a bordo de las embarcaciones Este protocolo se lanza por primera vez en marzo de 1983 y su ltima versi n fue publicada en el 2001 El protocolo NMEA es usado para la comunicaci n entre dispositivos de uso marino para transmitir datos La salida NMEA es ElA 422A pero para la mayor a de los prop sitos puede considerarlo RS 232 compatible Todos los datos son trasmitidos a trav s de sentencias con caracteres ASCII cada sentencia comienza con y termina con lt CR gt lt LF gt Los primeros dos caracteres despu s de son los que identifican el equipo por ejemplo GP que se usa para identificar los datos GPS y los siguientes tres caracteres es el identificador del tipo de sentencia que se est enviando Los tres tipos de sentencias NMEA que existen son los de env o Talker Sentences Origen del equipo Proprietary Sentences y consulta Query Sentences Los datos est n delimitados por coma deben incluirse todas las comas ya que act an como marcas Una suma de verificaci n adicional es agregada opcionalmente aunque para algunos tipos de instrumento es obligatoria Los comandos sop
11. lites Usados 1 Precisi n de la Diluci n horizontal 2 90 metos MSLaltitude IO o mM W 5 0 M oo segundos _ Diferencia de correlaci n DGPS ___ 0000 Diferencia estaci n Referencia _ CA f CheckSum S ARRE gt GPGSA Active Satellites 18 Precisi ndelaDiluci nenposici n A Precisi ndelaDiluci n horizontal A Precisi ndelaDiluci n vertical AICA RRE gt 2 1 Subsistema GPS 12 o E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona GPGSV Satellites in View Unidad Descripci n Cabecera mensaje O o Z Numero de mensajes total 1 3 Numero de mensaje 1 3 _ Sat ltesalavista o 2 ldSat lite canal o 85 Azimuth dBHZz SNR C no IA E A dSat lite canala oo 60 _ grados Elevaci n S BACA RARE gt Con todo lo dicho hasta ahora tenemos el conocimiento suficiente como para poder recibir datos del m dulo GPS y poder interpretarlos A partir de ahora se comenzar n a hacer pruebas usando programas que hemos ido buscando en la red para ver las diferentes respuestas del m dulo GPSViewer as como la conexi n del GPS con OziExplorer A antaras Cadiz sava jp adm Sekon Ve Pos Opos Mapaja heee Pega da o cn Pa a lo HAB HH En mmn a o Gps Viewer m Cs A Fle Help rn Com Pork come Date E 2000127 Baudrate 14800 M EN Time Sian Close GPS A Eo A A Longitude Power Save LOS dE a OO WBAASIEGNOS E 000 0 Dop 50 0
12. lo son las siguientes 12 canales L1 1575 42 MHz AAA TA 170 mA m x RGM 3000M WGS 84 Posicion 10m Velocidad 0 1 m s 21mm x 28mm x 12 70mm 30g Para m s informaci n acudir al manual de usuario referenciado en la bibliograf a p VBAT Bater a Externa Alimentaci n 13 GPIO3 I O pin Uso general Masa o i p 9 TIMEMARK Pulso cada segundo RXA GPIO6 I O pin Uso general TXA GPIO5 I O pin Uso general RXB GPIO10 I O pin Uso general TXB GPI07 I O pin Uso general BOOTSEL GPIO15 I O pin Uso general Reserved GPI013 I O pin Uso general rp 5 pa om T 5 pe 3 eoor 10 Reres 2 1 Subsistema GPS 6 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona En las siguientes im genes vemos el dise o de la PCB ya que el m dulo utilizado tiene un conector de comunicaciones de paso 1 27mm y ha sido necesario realizar la conversi n a un conector paso 2 54mm para la portabilidad del modulo a otros sistemas Otra de las mejoras que se introduce en la PCB es la colocaci n del regulador de tensi n con los condensadores de filtro ya que el m dulo va alimentado a 3 3V En las im genes inferiores vemos el m dulo montado sobre la PCB PFE Lacalizador GPS I R C oMoo090000 Por ultimo se ha encapsulado el m dulo dentro de una caja de pl stico para evitar el deterioro del mismo y a la vez permitir que se reciban las se ales de los sat lites correctamente 2 1 Subsistema GPS 7 E Localizador GPS GS
13. onamiento PPS o c digo P se pueden obtener exactitudes entre 5 y 10 m En cuanto a la exactitud diferencial se pueden obtener exactitudes de hasta 0 1 1 ppm y en proyectos cient ficos con equipos adecuados y un riguroso control en todas las etapas del trabajo se pueden lograr exactitudes de 0 01 m 0 1 ppm 2 1 Subsistema GPS 3 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona 2 1 3 Fundamentos para el c lculo de la Posici n El sistema de posicionamiento global por sat lite o GPS se basa en la medici n de distancias a partir de se ales de radio transmitidas por un grupo de sat lites artificiales cuya rbita se conoce con precisi n y captadas y decodificadas por receptores ubicados en los puntos cuya posici n se desea determinar Si medimos las distancias de al menos tres diferentes sat lites a un punto sobre la tierra es posible determinar la posici n de dicho punto por trilateraci n Para llevar a cabo este proceso el receptor GPS calcula la distancia hasta el sat lite midiendo el tiempo que tarda la se al en llegar hasta l Para ello el GPS necesita un sistema muy preciso para medir el tiempo Supongamos que un receptor en la Tierra capta la se al de un primer sat lite determinando la J distancia entre ambos Esto solamente nos indica que el receptor puede estar ubicado en un punto cualquiera en la superficie de una esfera de radio R1 tal y como se muestra en la figura Si
14. ortados por este GPS son los siguientes Datos Fijos del Sistema Global de Posicionamiento GSA Modo de operaci n de receptor GPS Sat lites empleados para navegaci n y valores DOP Posici n Geogr fica Latitud longitud GSV N mero de Sat lites en vista n meros de PRN elevaci n azimut amp valores SNR M nimo de Datos Espec ficos Recomendados VTG Velocidad sobre la tierra y velocidad de la misma 2 1 Subsistema GPS 10 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona Las cadenas ASCII que ve amos en la pantalla del hyperterminal se corresponden con los NMEAs que nos env a el GPS y que separados por campos son los siguientes GPRMC Recommended Minimum Campo Unidad Descripci n GPRMC Cabecera mensaje 142231 235 A Estado A gt v lido V gt v lido 3641 2356 N Norte Sesur o 00641 5687 dddmm mmmm W WaOeste Eseste S 0 13 258 56 grados Rumbo 100505 ddmmaa Fecha 15 oo CheckSum S lt CR gt lt LF gt GPGLL Geographic Position GPGLL 3641 2356 ddmm mmmm 00641 5687 dddmm mmmm Campo 142231 235 hhmmss sss Posici n UTC A Estado A v lido V no v lido 1A CheckSum lt CR gt lt LF gt 2 1 Subsistema GPS 11 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona GPGGA Global Positioning System Campo Unidad f Descripci n GPGGA Cabecera mensaje o N O NanmoteS sur apo W Oeste E este 1 Indicador Posici n 0 8 0 Sat
15. sat lites pseudo rangos Ux Uy Uz B inc gnitas Este c lculo plantea algunos problemas ya que entre otros su duraci n es muy peque a en algunos casos puede llegar a ser de 0 067 segundos Para poder medir el tiempo de viaje de la se al es necesario conocer el instante en que la se al parte del sat lite Esto se logra generando c digos pseudoaleatorios tanto en el sat lite como en el receptor y sincronizando ambas se ales de manera que sean generadas al mismo tiempo luego comparando las dos se ales se mide el desfase en tiempo en el que la se al del sat lite y la del receptor generan el mismo c digo Hoy en d a son muchas las marcas que comercializan receptores GPS en el mercado Los hay con diferentes caracter sticas niveles de precisi n representaci n gr fica Expert GPS crock GPS Receiver 2 1 Subsistema GPS 5 E Localizador GPS GSM Iv n Rodr guez Carmona 2 1 4 RGM 3000 Para la aplicaci n que se iba a realizar necesit bamos un receptor GPS simplemente no un equipo con pantalla LCD y el software necesario para la representaci n de las coordenadas navegador Lo que si se requer a era un canal de comunicaci n como era un puerto serie El GPS elegido ha sido el modulo RGM 3000 de la marca Royaltek y que estaba disponible en el departamento de Tecnolog a Electr nica de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla Algunas de las caracter sticas m s importantes de dicho m du
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