Moduły GPS FGPMMOP6 oraz NEO6-M

Przyglądając się powyższym parametrom pracy obu modułów, bardziej praktycznym może okazać się tańszy NEO6-M. Pierwszym aspektem jest zasilanie modułu. W przypadku FGPMMOP6 jest możliwe teoretycznie  zasilanie napięciem 5V, ale nawet producent zaleca zasilanie napięciem 3.3V. Jeśli chodzi zaś o NEO6-M takiego problemu nie ma.

NEO6-M może okazać się również dokładniejszy za sprawą zewnętrznej anteny, gdzie z kolei FGPMMOP6 posiada ją wbudowaną. Czasy jakie potrzebne są do pracy modułu również przemawiają na korzyść NEO-6M i są prawie 30% krótsze.

Jedyną przewagę jaką posiada FGPMMOP6 jest częstotliwość pomiaru, która może wynieść nawet 10Hz - w przypadku NEO6-M jest to tylko 1Hz otrzymujemy 5Hz  Pewną zaletą może okazać się również sama budowa modułu FGPMMOP6, pozwalająca wpiąć go jak tradycyjny układ scalony.

Zanim jednak porównamy w boju oba moduły, wypadałoby napisać odrobinę więcej o nawigacji GPS.

Jak działa system GPS w pigułce?

Ogólnie działanie systemu GPS opiera się o trzy podstawowe segmenty: kosmiczny, kontrolny oraz użytkownika.  Segment kosmiczny składa się obecnie z 34 satelitów, które krążą po ściśle określonych orbitach na wysokości około 20183 km nad Ziemią. Co ciekawe - czynne jest jedynie 30 z nich, natomiast pozostałe są testowane, bądź wyłączone z przyczyn technicznych. Trajektorie, jak i czasy ich przelotu są tak dobrane (pół doby gwiazdowej 11h 58 min), że w każdej chwili, w dowolnym miejscu na Ziemi, powinno być widoczne od 8 do 12 satelitów. Stąd też wiadomo, gdzie dany satelita powinien się znajdować - na jakiej jest wysokości oraz jaką posiada prędkość oraz kierunek. Wiadome jest również, w jakim czasie sygnał z konkretnego satelity powinien dotrzeć do Ziemi. Te podstawowe informacje, które są potem przetwarzane przez nasz odbiornik GPS nazywamy almanachem. Warto również pamiętać, że satelity wyposażone są w super dokładne zegary, które pozwalają na ustalenie czasu w jakim sygnał został przez nie wysłany. Ważność almanachu w urządzeniu GPS to kilka dni, jednak może przestać być aktualny, gdy nasz odbiornik znacznie zmieni swoją pozycję.

Niestety znajomość almanachu w praktyce nie wystarczy. Jest bowiem wiele czynników, które mogą wpłynąć na trajektorię satelitów oraz szybkość dotarcia sygnału do odbiorcy. Dlatego pojawia się kolejny ważny segment kontrolny, który składa ze stacji naziemnych w różnych zakątkach na Ziemi. Ich zadanie polega na analizie sygnałów emitowany przez każdego satelitę pod kątem zgodności położenia i w razie konieczności korygują trajektorię satelity, umożliwiając jej powrót na właściwy tor.  Zbiór tych danych nazywamy efemerydami, które są transmitowane z powrotem do satelity, a następnie satelita wysyła je do odbiorcy.  Efemeryda  posiada ważność około 5 godzin.

Segment użytkownika jest ostatnim elementem układanki, który polega na precyzyjnym zsynchronizowania zegara odbiornika GPS z zegarami satelitów, gdzie błąd ułamków sekundy przekłada się na błędne określenie naszej pozycji.

Zanim nasz odbiornik GPS przystąpi do określenia naszej dokładnej pozycji, musi więc dogadać się z satelitami odnośnie powyższych kwestii. Czas jaki na to będzie potrzebował może mieścić się w zakresie od 1 do 60 sekund (w zależności od warunków pogodowych, może nawet być to czas dłuższy). Gotowość odbiornika GPS poprzedza więc zimny, ciepły lub gorący start.

Zimny, ciepły, gorący start?

Rozróżniamy kilka rodzajów startu odbiornika GPS: zimny, ciepły i gorący, który definiujemy w zależności od tego, jak bardzo aktualne dane posiada nasz odbiornik. Dla naszych konretrnych modułów są to kolejno 35s, 34s i 1s (FGPMMOP6) oraz 27s, 27s i 1s (NEO6-M).

Zimny start może nastąpić wtedy, gdy almanach jest aktualny, zaś nieaktualne są efemerydy dla poszczególnych satelitów, które biorą udział w bieżącym obliczaniu pozycji. Jak wspomniałem wcześniej, efemeryda zmienia się dla każdego satelity co około 5 godzin, dlatego nawet jeśli nasz odbiornik nie był używany przez krótki czas, konieczna jest ponowna ich aktualizacja ze wszystkich używanych aktualnie satelitów. Oczywiście nasz odbiornik musi upewnić się, że satelita jest prawidłowo zidentyfikowany i jego sygnał jest dostatecznie silny, aby mógł brać udział w określaniu naszej pozycji. Do poprawnego określenia pozycji (2D fix) wymagane są minimum trzy satelity, natomiast dla dodatkowej wysokości (3D fix) są to cztery satelity. Zimny start rozpocznie się oczywiście również wtedy, kiedy almanach będzie nieaktualny.

Ciepły start występuje wtedy, gdy efemerydy dla co najmniej 3 satelitów biorących udział w pozycjonowaniu są aktualne, gdzie pozostaje jedynie precyzyjna synchronizacja czasu z tymi satelitami. Dla naszycg modułów są to czasy 34s i 27s, ale można spotkać również moduły, gdzie czas ten wynosi zaledwie 5 do 10 sekund. Ciepły start może wystąpić po czasie od około 20 minut do 4-5 godzin po ostatnim użytkowaniu odbiornika.

Gorący start  nastąpi wtedy, kiedy nasz odbiornik nie rozbiegnie się zegarami satelitów więcej niż 100ms. Taką rozbieżność czasu odbiornik GPS uzyskuje po czasie około 20 minut (stąd też przekroczenie tego czasu, z reguły wymusza już ciepły start). Jeśli różnica jest mniejsza niż 100ms, nasz odbiornik może natychmiast przetwarzać dane z satelitów. Sprawdzenie takiego stanu rzeczy zajmuje około 1 sekundy.

Wyprowadzenia i podłączenie modułu NEO6-M

Moduł NEO6-M nie wymaga do podłączenia z Arduino żadnych dodatkowych elementów. Doskonale radzi sobie z logiką 5V.  Podłączenie jest więc bardzo proste, polegające na doprowadzeniu jedynie zasilania, masy oraz linii sygnałowej UART (RX oraz TX).

Chcąc mieć dostęp do konsoli szeregowej w Arduino UNO, linie UART podłączamy do zwykłych pinów cyfrowych, posiłkując się dalej biblioteką SoftwareSerial. Jeśli korzystamy z Arduino Leonardo, zalecane jest podłączenie do sprzętowego UART-a (pin 0,1).

Oczywiście możemy zrobić to również w UNO, o ile nie zamierzamy korzystać z konsoli szeregowej - ten wariant będzie wymagany z innego powodu, ale o tym w dalszej części.

Wyprowadzenia i podłączenie modułu FGPMMOP6

• VCC - zasilanie modułu (3.3V ÷ 5V)
• EN - aktywacja odbiornika stanem wysokim
• GND - masa
• V_BACK - zasilanie zapasowe
• 3D-FIX - sygnalizacja "złapania" 3D-fixa
• 1PPS - wyjście sygnałowe 1Hz
• NC - nie podłączać
• TX, RX - linie transmisyjne UART

Jak wspomniałem wcześniej, pomimo tego, że producent modułu zezwala zasilanie napięciem 5V, to już nota katalogowa mówi, że maksymalne napięcie zasilania to 4.3V. Nie chcąc tego sprawdzać w praktyce, lepiej zasilmy moduł napięciem 3.3V. Problem może pojawić się również na linii Arduino(TX) - GPS(RX), gdzie dla bezpieczeństwa, posłużymy się prostym dzielnikiem napięcia 1.8kΩ / 3.3kΩ, co sprowadzi nam poziom napięcia z 5V do 3.3V. Dla drugiej linii nie jest konieczne stosowanie dzielnika napięcia.

Jeśli chcielibiśmy wykorzystać podtrzymanie bateryjne dla modułu, możemy również zasilić pin V_BACK napięciem 3.3V.

Dla przykładu podepniemy także dwie diody LED pod piny 3D-FIX oraz 1PPS przez rezystory 100Ω.

Pin EN możemy pozostawić wolny.

Standard NMEA

Zanim wgramy nasz pierwszy szkic, zobaczmy jakie informacje będzie zwracał nam moduł, który nieustannie wyrzuca na magistralę UART komunikaty w standrdzie NMEA. Każdy znich zaczyna się odpowiednim prefiksem i zawiera zróżnicowany zestaw danych:

$GPGGA - Global Positioning System Fix Data (czas i pozycja)

$GPGSA - GPS DOP and active satellites (tryb pracy odbiornika, aktywne satelity)

$GPGSV - GPS Satellites in view (ilość widocznych satelit, ich numery identyfikacyjne, azymut)

Jak widać, widoczne jest 12 sateltitów, każdy komunikat GPGSV zawiera informacje o czterech z nich, dlatego dostaliśmy 3 komunikaty GPGSV.

$GPRMC - Recommended minimum specific GPS/Transit data (czas, data, pozycja, kierunek, prędkość)

$GPVTG - Track Made Good and Ground Speed (kierunek i prędkość)

Pobieramy surówkę z UART

Na początek nieśmiertelny program do podglądu danych z programowej magistrali szeregowej, którą ustawiamy na 9600bps. Kiedy pojawią się dane z modułu, zostaną one przekopiowane na domyślny port, co pozwoli nam na podgląd w monitorze szeregowym.

Biblioteka TinyGPS++

Jeśli nie mamy ochoty na samodzielne przetwarzanie komunikatów NMEA, możemy skorzystać ze znanej biblioteki TinyGPS++. Po wgraniu jej do naszych bibliotek, mamy dostęp do kilku dostępnych przykładów, w tym FullExample.ino. Nie zapomnijmy tylko zmienić definicji numerów pinów dla sygnałów RX i TX oraz prędkości 4800bps na 9600bps.

static const int RXPin = 4, TXPin = 3;
static const uint32_t GPSBaud = 4800;

zmieniamy na:

static const int RXPin = 2, TXPin = 3;
static const uint32_t GPSBaud = 9600;

Po wgraniu szkicu do Arduino, możemy cieszyć się kompletem informacji z naszego modułu GPS:

Wyniki pracy modułu FGPMMOP6:

Zbyt wolny SoftwareSerial dla NEO6-M

Jak się okazuje, biblioteka SoftwareSerial jest za wolna dla komunikatów, które wyrzuca NEO6-M. Chociaż moduł działa prawidłowo, to pojawiają się tutaj błędy sum kontrolnych.

Wyniki pracy modułu NEO6-M

Błędy te wynikają z faktu, że moduł NEO6-M wysyła kolejną sekwencję NMEA, zanim Arduino odbierze poprzednią. Na szczęście nie wpływa to na jego ogólne działanie. Dodatkowo należy pamiętać, że problem ten występuję jedynie przy korzystaniu z programowego portu szeregowego (SoftwareSerial). W normalnych warunkach projektowania urządzenia, nie będziemy przecież korzystać z konsoli szeregowej, tylko sprzętowej, a wyniki wyświetlać na wyświetlaczu lub zapisywać na karcie SD.

Test sprzętowego UART-a z wykorzystaniem modułu FTDI

Podgląd programem minicom. Dane odbierane są prawidłowo

NEO6-M i u-center

Ogromnym plusem, który przemawia za modułem NEO6-M jest program u-center, pozwalający na monitorowanie praktycznie każdego parametru modułu. Bardziej zaawansowani użytkownicy mogą dodatkowo zmieniać jego ogromną ilość parametrów pracy, dostosowując go do własnych, indywidualnych potrzeb.

u-center 8.16

Przykład konfiguracji UART:

Podsumowanie

Moduł NEO6-M posiada zdecydowanie większe możliwości od FGPMMOP6, zarówno konfiguracyjne, jak i użytkowe. Biorąc pod uwagę dodatkowy fakt, że jest on tańszy niż FGPMMOP6, czyni go zdecydowanym zwycięzcą. Jedynymi punktami, które przemawiają za FGPMMOP6 są: możliwość wpięcia go jak tradycyjny układ scalony oraz brak kłopotów z biblioteką SoftwareSerial.

Warto również wspomnieć, że NEO6-M może komunikować się mikrokontrolerem nie tylko za pomocą komunikatów NEMA, ale również specjalnego, binarnego protokołu u-blox UBX.

Reklama