基礎知識之全球定位系統GPS模塊

GPS全稱(chēng)為Global Positioning System，是一種基于衛星系統的全球定位技術(shù)。它由一組衛星和地面接收設備組成，用于準確確定地球上的位置、速度和時(shí)間信息。GPS系統通過(guò)將地球上的衛星信號與接收設備之間的距離計算來(lái)確定位置。接收設備通過(guò)接收來(lái)自多顆衛星的信號，并使用三角定位原理計算自身的準確位置。GPS系統由美國政府的國防部負責維護和運營(yíng)，目前由全球共有約30顆工作衛星，其中至少有4顆衛星同時(shí)可見(jiàn)任何地方。GPS接收設備可以是專(zhuān)用的GPS導航器、手機、智能手表、車(chē)載導航系統等，這些設備接收衛星信號，并提供定位和導航功能。

GPS模塊是一種在手機或者機器的主板上結合的無(wú)線(xiàn)芯片模塊，可以和GPS聯(lián)絡(luò )，從而實(shí)現定位和導航。

GPS內有原子鐘用來(lái)計時(shí)，它以原子共振頻率標準來(lái)計算時(shí)間。原子鐘是目前世界上最準確的衡量時(shí)間和頻率的標準，廣泛用于控制廣播頻率和衛星信號。

GPS定位原理： 當我們需要定位時(shí)，我們可以從GPS衛星上接受一些信息，就是衛星的星歷，星歷里有衛星自己的空間坐標x1，y1，z1，衛星有原子鐘，所以可以獲得一個(gè)準取得時(shí)間t1，衛星會(huì )把這些信息發(fā)送給我們的設備上的GPS模塊。通過(guò)坐標和時(shí)間都可以算出GPS模塊和衛星之間的距離。 已知：衛星的空間坐標x1，y1，z1，時(shí)間t1 未知：設備的空間坐標x2，y2，z2，時(shí)間t2

四個(gè)未知數，所以需要4個(gè)這樣的方程，所以需要4個(gè)衛星，這樣就可以解出x2，y2，z2，t2 實(shí)際上，衛星定位的誤差還是較大，因為信號在大氣中傳輸速度會(huì )有損耗，一般會(huì )使用差分GPS技術(shù)來(lái)減小誤差。

差分GPS技術(shù)： 在地面上建立位置已知的GPS基站，當定位時(shí)，基站也可以接收到為我們提供位置信息的4顆衛星的信號，根據位置信號測出坐標值，與已知坐標比較，得出偏差量，將偏差量或者實(shí)時(shí)測得的載波相位，通過(guò)數傳鏈路或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給終端設備，然后終端設備根據這個(gè)信息進(jìn)行修正位置，得出比較精準的位置信息。

GPS可以在多個(gè)領(lǐng)域和應用中使用，下面是一些常見(jiàn)的應用GPS的示例：

• 1. 位置導航和車(chē)輛導航：GPS在導航系統中被廣泛應用。使用GPS接收設備，可以確定當前位置，并根據目的地提供導航指引，幫助人們準確到達目標地點(diǎn)。車(chē)輛導航系統將GPS技術(shù)與地圖和交通信息結合使用，提供實(shí)時(shí)的車(chē)輛導航和路線(xiàn)規劃。
• 2. 航空和航海導航：在航空和航海領(lǐng)域，GPS在飛行員和船員導航中起著(zhù)重要作用。它可以提供飛機、船只或無(wú)人機的準確位置和航向信息幫助導航員進(jìn)行飛行路徑劃、定位和導航。
• 3. 運輸和物流管理：GPS在運輸和物流管理中用于車(chē)隊管理、貨物追蹤和路線(xiàn)優(yōu)化。通過(guò)實(shí)時(shí)地跟蹤車(chē)輛位置，管理者可以監控車(chē)輛的行駛情況，優(yōu)化路線(xiàn)和交付時(shí)間，提高運輸效率和物流管理。
• 4. 戶(hù)外運動(dòng)和健身追蹤：GPS可用于追蹤戶(hù)外運動(dòng)活動(dòng)，如跑步、騎行、徒步等。通過(guò)攜帶GPS設備或智能手表，可以記錄運動(dòng)軌跡、距離和速度等數據，并提供實(shí)時(shí)和后期分析，幫助人們追蹤運動(dòng)活動(dòng)的進(jìn)展和提高個(gè)人健身效果。
• 5. 地震監測和地質(zhì)研究：GPS技術(shù)被用于地殼運動(dòng)監測、地震研究和地質(zhì)勘探中。通過(guò)在地球上的多個(gè)接收點(diǎn)上放置GPS設備，可以監測地殼的運動(dòng)和變形，并幫助科學(xué)家研究地質(zhì)活動(dòng)和地震風(fēng)險。

- Garmin

Garmin是一家總部位于美國的跨國科技公司，成立于1989年。該公司專(zhuān)注于設計、制造和銷(xiāo)售各種全球定位系統（GPS）產(chǎn)品，包括手持式導航設備、智能手表、運動(dòng)追蹤器、航空設備和汽車(chē)導航系統等。 Garmin的產(chǎn)品廣泛應用于航空、航海、汽車(chē)、戶(hù)外運動(dòng)和健身等領(lǐng)域。公司的產(chǎn)品以其高精度、可靠性和創(chuàng )新性而聞名，被廣泛使用于個(gè)人消費者、專(zhuān)業(yè)人士和軍事領(lǐng)域。

- UBlox

UBlox是一家瑞士的全球領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)通信和定位技術(shù)提供商。該公司成立于1997年，總部位于瑞士的蒙特勒。UBlox專(zhuān)注于提供高精度、高可靠性的定位和導航解決方案，包括全球衛星導航系統（GNSS）接收器、芯片組和軟件。 UBlox的產(chǎn)品廣泛應用于汽車(chē)導航、智能交通系統、物聯(lián)網(wǎng)、航空航天、農業(yè)、測繪、無(wú)人機等領(lǐng)域。公司的產(chǎn)品包括GNSS接收器、GNSS芯片組、GNSS模塊、GNSS天線(xiàn)、數據鏈路模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊等。

- NXP

NXP公司全稱(chēng)為恩智浦半導體公司，它成立于2006年，其前身是荷蘭飛利浦公司于1953年成立的半導體事業(yè)部。恩智浦總部位于荷蘭埃因霍溫，并在全球30個(gè)國家和地區設有辦事處，員工人數超過(guò)30000人。 恩智浦提供低成本、便攜式GPS設備完整解決方案，包括軟件和硬件方面。通過(guò)swGPS Personal軟件實(shí)現GPS計算，從而取代了一個(gè)GPS基帶處理器，降低了材料清單成本并支持現場(chǎng)升級。

- SiRF

SiRF公司是一家全球領(lǐng)先的定位芯片供應商，成立于1995年，總部位于美國加州的圣荷西市。SiRF專(zhuān)注于研發(fā)、制造和銷(xiāo)售GPS芯片和軟件產(chǎn)品，其GPS芯片和軟件產(chǎn)品廣泛應用于移動(dòng)設備、汽車(chē)、個(gè)人電腦、服務(wù)器和其他嵌入式設備中。SiRF公司在全球擁有眾多客戶(hù)和合作伙伴，包括GPS模塊廠(chǎng)商、移動(dòng)設備制造商、汽車(chē)制造商等。

• https://github.com/traccar/traccar

下面是一項使用RP2040作為主控芯片，驅動(dòng)中科微電子的ATGM336H型號的傳感器的參考案例，通過(guò)UART進(jìn)行傳感器與主控之間的數據通信，當有數據回傳回來(lái)時(shí)，將數據按照指定的流程分割好，找到其中的GPS坐標，并且通過(guò)ssd1306芯片驅動(dòng)的OLED屏幕打印出來(lái)，主控芯片與OLED屏幕通過(guò)SPI協(xié)議進(jìn)行數據通信。

效果如圖所示：

代碼如下

  from machine import UART,Pin,SPI
  import time
  import uasyncio
  from ssd1306 import SSD1306_SPI
  import framebuf
  from utime import sleep_ms
  spi1_mosi = 11
  spi1_sck = 10
  spi1_dc = 9
  spi1_rstn = 8
  spi1_cs = 16
  spi = SPI(1, 100000, mosi=Pin(spi1_mosi), sck=Pin(spi1_sck))
  oled = SSD1306_SPI(128, 64, spi, Pin(spi1_dc),Pin(spi1_rstn), Pin(spi1_cs))
  uart1 = UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(4), rx=Pin(5))
  flag = 0
  class GPS():
      buff = bytearray(270)
      def __init__(self):
          self.a = 0
          self.b = 0
          self.array2 = “”
      def read_and_process(self):
          buff = uart1.read(1)
          if buff == None:
              self.b = 0
          else:
              if buff == b'n':
                  self.a = 1
              if self.a == 1:
                  buff = uart1.read(270)
                  if buff != None:
                      self.array2 = buff[0:6]
                  if self.array2 == b'GNGGA,':
                      self.array2 = buff[7:44]
                      if self.array2[-1] == 44: ##ascii value ',' 
                          flag = 1
                          print(flag)
                          oled.fill(0)
                          oled.show()
                          oled.text(self.array2[10:22],0,0)
                          oled.text(self.array2[23:-1],0,32)
                          oled.show()
  gps = GPS()
  while 1:
      gps.read_and_process()