При "горячем" старте в памяти приемника хранится вся актуальная информация, включая действующие эфемериды, поэтому приемник переходит к определению позиции спустя 1–3 с после включения. Если же к моменту включения приемника видимыми являются менее трех спутников со "свежими" эфемеридами, то приемнику потребуется дополнительное время, чтобы собрать эфемериды с остальных спутников по алгоритму "теплого" старта.
При перемещении выключенного приемника на расстояние более 300 км хранящийся в его памяти альманах теряет актуальность, поэтому при включении на новом месте будет отработан "холодный" старт.
Технология A-GPS
Для ускорения "холодного" старта применяется загрузка в приемник альманаха, ориентировочных координат и времени, полученных по альтернативным каналам. Эта технология называется A-GPS (Assisted GPS). Обычно сначала по ближайшим сотовым станциям и точкам доступа Wi-Fi определяются приблизительные координаты с точностью 200–500 м, затем из Интернета скачивается актуальный альманах для этой местности и загружается в память приемника. Этот метод требует наличия беспроводного доступа в Интернет и используется в современных телефонах, но малоприменим для оборудования квадрокоптеров.
Переход приемника в режим захвата спутников (GPS Fix) означает лишь, что приемник загрузил альманах и эфемериды и "видит" достаточное для работы созвездие спутников. Для достижения приемлемой точности позиционирования потребуется дополнительное время, пока приемник накапливает данные для снижения погрешностей статистическими методами.
Некоторые модули GPS с устаревшими прошивками при неудачном расположении спутников зависали и вообще не могли стартовать по процедуре "холодного" старта, пока в них с компьютера не выгружали альманах. В современных модулях такая проблема не встречается.
Для хранения информации в модуле приемника GPS используется энергозависимая память с резервным источником питания. Обычно это миниатюрный литиевый аккумулятор или ионистор. Иногда спрашивают, почему в приемниках не используется обычная память EEPROM, которая не теряет информацию при отключении питания? Дело в том, что при работе приемника информация о текущих координатах и эфемеридах непрерывно перезаписывается, а энергонезависимая память имеет довольно ограниченный ресурс циклов перезаписи.
Антенны GPS
Антенны портативных GPS-модулей имеют специфическую конструкцию. Обычно это керамический блок с нанесенными на него электрохимическим методом металлическими элементами (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Обычная керамическая антенна GPS и миниатюрная чип-антенна
После изготовления антенну обычно подстраивают на заводе, подрезая уголки вибратора наждаком или лазером. Иногда применяются активные антенны, когда непосредственно на антенном модуле смонтирован малошумящий усилитель. Такие антенны более эффективны в сложных условиях, но на открытом пространстве, когда сигналы от спутников и без того хороши, они не дают заметного выигрыша. Недостатками керамической антенны являются большой вес и хрупкость, из-за чего антенны часто трескаются при аварии. Иногда трещина антенны не видна невооруженным глазом, но существенно снижает чувствительность приемника.
В последнее время, с появлением миниатюрных приемников GPS и массовым распространением смартфонов, получили широкое распространение миниатюрные керамические чип-антенны размером в несколько миллиметров и весом в доли грамма. Такие антенны производятся по технологии, схожей с изготовлением микросхем и подстраиваются лазером в момент изготовления.
Несмотря на миниатюрные размеры, чип-антенна в сочетании с современными микросхемами приемника практически не уступает по параметрам обычным антеннам, но стоит несколько дороже и, как правило, применяется в составе готовых миниатюрных модулей GPS.
Поток данных GPS, протокол NMEA
Навигационный модуль передает поток данных в полетный контроллер по последовательному интерфейсу UART (СОМ) или IС. В любом случае структура и содержание этих данных соответствуют протоколу NMEA0183 (National Marine Electronics Assotiation). Это стандарт текстового обмена данными и командами посредством ASCII-символов, созданный для морского навигационного оборудования. В настоящее время внедряется стандарт NMEA 2000.
Модуль GPS передает строковые сообщения, содержащие различный набор данных: широта, долгота, скорость, курс, системное время, количество спутников и т. д. Сообщения делятся на несколько видов, формат которых содержит в своих полях строго определенную информацию.
Владельцу коптера, как правило, не приходится работать с "сырыми" данными GPS, но для общей эрудиции полезно знать их структуру. В общем случае строковое сообщение приемника имеет такой вид:
$GPRMC,hhmmss. sss, A,GGMM.MM, P, gggram.mm, J, v.v,b.b,ddmmyy,x.x,n,m*hh<CR><LF>
$ - с этого символа начинается каждое сообщение
GPRMC - первые две буквы - это идентификатор системы, остальные три - это идентификатор формата сообщения, от которого зависит содержимое остальной строки. В нашем случае GP - GPS (GL - ГЛОНАСС, GA - GALILEO и т. д.)
RMC - рекомендованный минимум навигационных данных. Содержит данные о широте, долготе, дате, времени и скорости. Эти данные приемный модуль передает по умолчанию после старта. По запросу контроллера также передаются данные типа GGA и GSA об активных и наблюдаемых спутниках, а при движении по заданному маршруту некоторые контроллеры могут запрашивать строки типа GPL, BOD и RMB, содержащие параметры заданных точек и рекомендуемый минимум навигационных данных для достижения заданной точки. Полный список форматов достаточно велик, и с ним можно ознакомиться в спецификации NMEA. Некоторые изготовители добавляют в перечень форматов собственные строки, несущие информацию о состоянии приемника, версии прошивки, напряжении питания и т. д. Далее следует набор навигационной информации, подробное описание которой также можно прочесть в спецификации.
Внимание!
Дробные значения широты и долготы в "сыром" потоке данных NMEA представлены десятичной дробью минут, а не секундами! Если эти значения ввести в строку поиска Google Maps, то местоположение на карте будет на несколько километров отличаться от истинного. Необходимо поделить дробные части широты и долготы на 60, чтобы получить значения секунд. Программы для работы с GPS не нуждаются в такой подготовке данных и отображают координаты правильно.
Протокол U-BLOX (UBX)
Протокол U-BLOX (binary UBX) - это проприетарный бинарный протокол, разработанный и применяемый швейцарской компанией u-blox AG, известным производителем модулей и программного обеспечения для навигационного и коммуникационного оборудования.
Поскольку навигационные приемники на основе модулей U-BLOX NEO 6 и U-BLOX NEO 7 получили широкое, почти монопольное распространение в авиамоделизме, прошивки полетных контроллеров поддерживают как протокол UBX, так и NMEA.
В целом, спецификация приемников U-BLOX предоставляет разработчику очень широкий диапазон возможностей для обмена данными между приемником и потребителем. Например, реализован протокол DDC (Display Data Channel), совместимый со стандартом IС. Это позволяет подключать приемник к контроллеру по шине IС в случае нехватки свободных СОМ-портов. Также протокол DDC допускает выборочное чтение регистров приемника и запись в них.
Но если говорить о любительском применении в квадрокойтерах, то дополнительные возможности протокола UBX не используются, поскольку полетный контроллер использует лишь минимальный набор стандартных данных GPS. Подключение по шине IС может создать проблемы даже достаточно опытному пользователю.
Поэтому, по мнению автора, в данном случае разнообразие протоколов скорее зло, чем благо. Кроме того, модули U-BLOX даже версии 7 не поддерживают одновременную работу с системами GPS и ГЛОНАСС, режимы необходимо переключать программно.
В части II книги мы подробно рассмотрим пример настройки и подключения приемника U-BLOX NEO 6.
Адаптер Bluetooth
Адаптер Bluetooth- это простой и недорогой способ подключить к полетному контроллеру смартфон, планшет или нетбук, чтобы воспользоваться утилитами для настройки и телеметрии. Разумеется, ноутбук или обычный компьютер также можно подключать по беспроводному соединению. Этот вариант даже более предпочтителен, чем соединение проводом по USB. Если забыть отключить от контроллера провод после окончания работы, то можно получить вырванный с дорожками платы контроллера разъем mini-USB и серьезные трудности с последующим подключением.
В любительской практике обычно применяются очень дешевые и широко распространенные адаптеры версий НС-05, НС-06 (рис. 3.7), НС-07. Они представляют собой плату, на которой смонтированы одна или две микросхемы и печатная антенна. В свою очередь, эта плата припаяна на плату расширения, содержащую источник 3,3 В, светодиоды и разъем. Иногда в продаже попадаются "голые" платы модулей, но в этом случае вам придется самостоятельно подключать питание, светодиоды и разъем.