WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ · dokładna analiza tego wskaźnika nie jest...
Transcript of WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ · dokładna analiza tego wskaźnika nie jest...
ZESPÓŁ LABORATORIÓW TELEMATYKI TRANSPORTU ZAKŁAD TELEKOMUNIKACJI W TRANSPORCIE
WYDZIAŁ TRANSPORTU
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
LABORATORIUM
Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 2
Wizualizacja i analiza danych
lokalizacyjnych odbiorników GPS
© ZTT WT PW, DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO
Warszawa 2016
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
1
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest prezentacja możliwości wizualizacji danych lokalizacyjnych,
otrzymywanych z odbiornika GPS oraz ich ocena pod kątem dokładności pomiarów.
Zakres ćwiczenia obejmuje następujące zagadnienia:
wizualizacja danych lokalizacyjnych,
protokół transmisji odbiornika GPS,
siła sygnału GPS,
czułość odbiornika GPS,
liczba analizowanych satelitów GPS,
dokładność pomiaru i błędy odbiornika GPS.
2. Wykaz wykorzystanych przyrządów
komputer PC z systemem Windows XP,
moduł adaptera Bluetooth na USB (rys. 2.1),
moduły (min. 3) odbiorników GPS Bluetooth (rys. 2.2),
oprogramowanie obsługi Bluetooth BlueSoleil wer. 2.7 PL (rys. 2.3),
program diagnostyczny i obsługi portów RS232C ComTest (rys. 2.4),
program VisualGPS (rys. 2.5).
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
2
Rys. 2.1 Moduł adaptera Bluetooth na USB
Rys. 2.2 Moduł odbiornika GPS Bluetooth
Rys. 2.3 Oprogramowanie obsługi Bluetooth BlueSoleil wer. 2.7 PL
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
3
Rys. 2.4 Program diagnostyczny i obsługi portów RS232C ComTest
Rys. 2.5 Program VisualGPS
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
4
4. Wprowadzenie teoretyczne
4.1 Protokół transmisji odbiornika GPS
Opis tego standardu znajduje się w instrukcji do ćwiczenia NMEA 0183 protokół
transmisji danych odbiornika GPS.
4.2 Błędy odbiornika GPS
Wielkością bezpośrednio mierzoną przez odbiornik nawigacji satelitarnej jest czas
propagacji sygnału między satelitą a odbiornikiem. Fala elektromagnetyczna biegnąca od
satelity porusza się z prędkością światła, co jest słuszne dla jej propagacji w próżni. W
rzeczywistości jednak ośrodkiem rozchodzenia się fal jest nie tylko próżnia, ale także
atmosfera ziemska, która ze swej natury nie jest ośrodkiem jednorodnym. Stąd w systemach
nawigacji satelitarnej, należy uwzględniać błędy wyznaczania pozycji związane z propagacją
sygnału. Ale występują także inne czynniki wpływające na wartość wyznaczanej
pseudoodległości. Stąd w ogólnym przypadku, błędy pomiaru w systemach nawigacji
satelitarnej można podzielić na 4 grupy:
błędy propagacji sygnału,
błędy związane z efektami relatywistycznymi,
błędy działania systemu,
błędy odbiorników.
Z punktu widzenia użytkownika systemu najistotniejsze są błędy związane z
propagacją sygnału, ponieważ to one najbardziej wpływają na całkowity błąd wyznaczonej
pozycji. Wśród nich największy wpływ ma jonosfera, która będąc ośrodkiem dyspersyjnym,
wydłuża drogę sygnału od satelity do odbiornika. Wartość tego wydłużenia jest uzależniona
od wskaźnika refrakcji jonosferycznej ngr określanego zależnością:
2
3,401
f
Nn e
gr
(4.2.1)
gdzie f oznacza częstotliwość sygnału, a Ne to gęstość elektronowa na drodze
przebiegu sygnału, czyli liczba elektronów swobodnych w jonosferze, której wartość zmienia
się w zależności od pory doby, pory roku, aktywności Słońca oraz położenia geograficznego
odbiornika.
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
5
W praktyce do wyznaczenia poprawki uwzględniającej przebieg sygnału przez
jonosferę przyjmuje się składową pionową gęstości elektronowej TEC [el/m2]. Opóźnienie
jonosferyczne jest też związane z wysokością topocentryczną1 satelitów nad horyzontem,
zmniejszając się w miarę wzrostu tej wysokości aż do osiągnięcia minimum z zenicie (ht =
90°). W literaturze można znaleźć wyniki obliczeń wydłużenia drogi sygnału radiowego
związane z jego przejściem przez jonosferę w funkcji wysokości topocentrycznej satelity.
Przykładowo dla częstotliwości L1 systemu GPS (1575,42 MHz) droga sygnału wydłuża się
od ok. 16 m dla satelity w zenicie do ok. 60 m dla satelity znajdującego się na małej
wysokości topocentrycznej (ht = 5°).
Wartości odpowiednich poprawek umożliwiających kompensację błędu
jonosferycznego zawiera depesza nawigacyjna, choć trzeba tu zaznaczyć, że w przypadku
odbiorników jednoczęstotliwościowych ta kompensacja nie będzie pełna. Przyjmuje się, że
dla nieautoryzowanych użytkowników systemu GPS, błąd wyznaczonej pseudoodległości
związany z przejściem sygnału przez jonosferę wynosi ok. 4-72 m. Błędy propagacji
wprowadzane przez jonosferę można wyeliminować w odbiornikach
dwuczęstotliwościowych.
Znacznie mniejszy w porównaniu do jonosfery błąd pomiaru wprowadza najniższa
warstwa atmosfery – troposfera. Propagacja sygnału w troposferze jest uzależniona od jej
współczynnika refrakcji nt. Współczynnik ten jest większy od jedności3, co powoduje
załamanie fali elektromagnetycznej stanowiącej medium transmisyjne dla sygnału
nadawanego z satelity i tym samym wydłużenie jego drogi. W praktyce, do oszacowania
wpływu troposfery na wydłużenie drogi sygnału, wykorzystywany jest wskaźnik refrakcji
troposferycznej Nt wyrażany wzorem:
610)1( tt nN (4.2.2)
Wskaźnik ten jest wielokrotnością współczynnika refrakcji i pozwala na uproszczenie
obliczeń numerycznych. W niektórych publikacjach wielkość tego wskaźnika uzależnia się od
suchego powietrza i pary wodnej zawartych w troposferze, wyodrębniając dwa oddzielne
czynniki wpływające na jego wartość. Z punktu widzenia tematu niniejszej instrukcji aż tak
1 Wysokość topocentryczna (zazwyczaj oznaczana jako ht) to wysokość na jakiej widziany jest satelita z
powierzchni Ziemi wyznaczana przez kąt między płaszczyzną styczną do powierzchni Ziemi zawierającą
punkt, z którego satelita jest obserwowany, a linią prostą łączącą ten punkt z satelitą 2 4 m – [9]; 7 m – [2]
3 O kilka dziesięciotysięcznych, ale jednak
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
6
dokładna analiza tego wskaźnika nie jest potrzebna. Przyjmuje się, że błąd wyznaczonej
pseudoodległości związany z przejściem sygnału przez troposferę wynosi ok. 1,5 m.
Z punktu widzenia transportu powierzchniowego, a w szczególności drogowego
transportu miejskiego, istotne są błędy związane z wielodrogowością sygnału (ang. multipath
error). Zwłaszcza w warunkach gęstej zabudowy miejskiej odbicia sygnału na drodze satelita-
odbiornik są nieuniknione. Błędy te związane są z lokalnymi warunkami zabudowy, a więc ze
swej natury są przypadkowe. Możliwości ich ograniczenia związane są z konstrukcją anten
odbiorników oraz zastosowaniem w nich odpowiednich filtrów numerycznych. Błędy te
można też wydzielić dzięki powtarzalności konfiguracji satelitów4 z punktu widzenia
obserwatora ziemskiego w określonym miejscu wykonując w nim pomiary przy takim samym
usytuowaniu satelitów. Jednak takie działanie wymaga powtarzania pomiarów co ok. 24
godziny i z punktu widzenia użytkowników w transporcie powierzchniowym, gdzie
wymagany jest pomiar w czasie rzeczywistym jest nieprzydatne. Błędy wynikające z
wielodrogowej propagacji sygnału mogą powodować błąd wyznaczenia poszczególnych
pseudoodległości do 30 m, a w skrajnie niekorzystnych warunkach nawet 100 m.
Osobną grupę stanowią błędy relatywistyczne wynikające z ogólnej i szczególnej
teorii względności. Lokalizacja satelitów systemu GPS w odległości ponad 20 tys. km od
Ziemi wymaga uwzględnienia szybszej pracy ich zegarów niż w przypadku nieruchomych
wzorców czasu ulokowanych na Ziemi. Redukcja wpływu efektów relatywistycznych jest
realizowana przez odpowiednie zmniejszenie częstotliwości wzorców czasu satelitów przed
ich umieszczeniem na orbicie oraz uwzględnienie odpowiedniej poprawki czasowej w
obliczeniach realizowanych przez odbiornik. Do wyznaczenia tej poprawki wykorzystywana
jest znajomość parametrów orbity (duża półoś, mimośród, anomalia mimośrodowa)
przesyłanych przez satelitę w depeszy nawigacyjnej.
Błędy działania systemu związane są z funkcjonowaniem segmentu kosmicznego i
naziemnego i zalicza się do nich błędy efemeryd5 satelitów oraz błędy wzorców czasu
satelitów.
Błędy efemeryd satelitów wynikają z niedokładności modelu ruchu satelitów po
orbicie oraz trudnych do przewidzenia zaburzeń tego ruchu. Dane dotyczące orbity i
położenia satelity na tej orbicie przekazywane w transmitowanym sygnale nieznacznie różnią
4 Powtarzalność takiej konfiguracji ma miejsce po ~23 h 56 min.
5 Efemeryda satelity to szczegółowe parametry orbitalne danego satelity pozwalające na obliczenie jego
współrzędnych w konkretnej chwili
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
7
się więc od wartości rzeczywistych. Odbiornik oblicza zatem pseudoodległość od satelity,
którego współrzędne zawiera depesza nawigacyjna, a nie od jego rzeczywistego położenia w
chwili nadania sygnału. Stąd przyjmuje się, że związany z danymi efemerydalnymi błąd
pomiaru pseudoodległości wynosi ok. 4 m.
Błędy wzorców czasu satelitów wynikają z faktu, że idealna synchronizacja zegarów
umieszczonych na satelitach z czasem systemu (GPST) nie jest możliwa. Mimo że
instalowane w satelitach zegary charakteryzują się dużą stabilnością długookresową, to
realizując pomiar czasu przebiegu sygnału należy uwzględnić pewną ich odchyłkę w stosunku
do czasu systemu GPS. Stąd w segmencie naziemnym obliczane są odpowiednie
współczynniki korekcyjne dla zegara satelity, które satelita transmituje w depeszy
nawigacyjnej. Przy braku znajomości odchyłki wzorca czasu satelity od czasu systemu błąd
pomiaru pseudoodległości może dochodzić do 3 m.
Ogólnie ujmując błędy GPS mogą być rozmaitej natury i można je podzielić na te
powstające z przyczyn technicznych i te z przyczyn naturalnych.
Ograniczony dostęp - SA. Na SA składają się dwa procesy: epsilon (amplituda do
100 m) i delta (amplituda do 50 m). Wpływ SA na pomiar pseudoodległości jest
identyczny dla każdego użytkownika, więc poprawki różnicowe (o których za
chwilę) eliminują SA całkowicie.
Opóźnienie jonosferyczne. Błąd odległości wywołany opóźnieniem w propagacji
fal radiowych wynosi od 20-30 metrów w dzień do 3-6 metrów w nocy. Zmora
tanich odbiorników jednoczęstotliwościowych ( L1, kod C/A ). Odbiorniki
dwuczęstotliwościowe potrafią zniwelować opóźnienie (w stopniu zależnym od
odległości).
Opóźnienie troposferyczne. Opóźnienie to powstaje w dolnych warstwach
atmosfery i jest zależne od temperatury, ciśnienia i wilgotności. Może wynosić
do 3 metrów. Lepsze odbiorniki kompensują je prawie całkowicie.
Błąd efemeryd. Polega na różnicy między położeniem satelity, wyliczonym z
danych orbitalnych a rzeczywistym. Powodowany jest przez grawitację Słońca i
Księżyca, a także wiatr słoneczny. Poprawki różnicowe eliminują ten błąd prawie
całkowicie.
Błąd zegara satelity. Różnica pomiędzy idealnym czasem GPS a wskazaniem
zegara satelity. Z błędów satelitarnych stosunkowo częsty jest tzw. pseudorange
step, który polega na gwałtownym skoku pseudoodległości, co powoduje
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
8
"zgubienie" satelity przez odbiornik na czas potrzebny do odtworzenia almanachu
i efemeryd.
Odbiór sygnałów odbitych. Praktycznie niemożliwy do skompensowania.
Ogranicza się go przez odpowiednią konstrukcję anten.
Błędy odbiornika, czyli błędy pomiaru jakie wystąpią na etapie obliczania
pozycji już w samym odbiorniku GPS, które mogą być spowodowane szumem,
dokładnością oprogramowania oraz zakłóceniami. Poziom sygnału odbieranego
przy powierzchni Ziemi jest niższy od poziomu wszechobecnego tła radiowego
(szumu). Stwierdzono, że niekiedy przyczyną błędów odbioru mogą być rzeczy z
pozoru nieszkodliwe: telefony komórkowe lub komputery przenośne ze źle
ekranowanymi układami elektronicznymi. Źródłem zakłóceń są także duże
instalacje przemysłowe.
Wpływ czynników na błąd pomiaru - L1 (C/A) SA.
Źródło błędu Wpływ [m]
Błąd efemeryd 2.1
Błąd zegara 2.1
Opóźnienie jonosferyczne 4.0
Opóźnienie troposferyczne 0.7
Odbicia 1.4
Błąd odbiornika 0.5
Niedokładność samego wyznaczania pozycji względem położenia satelitów nazywa się
rozmyciem dokładności (Dilution of Precision - DOP). Rozmycie może dotyczyć:
pomiarów poziomych (Horizontal DOP - HDOP) - długość i szerokość
geograficzna,
pomiarów pionowych (Vertical DOP - VDOP) - wysokość,
pozycji (Position DOP - PDOP) - stosunek pomiędzy błędem w obliczeniu
pozycji użytkownika a błędem w obliczeniu pozycji satelity. Informuje ona o
tym, kiedy rozmieszczenie satelitów pozwoli uzyskać najdokładniejszy wynik.
Pożądana jest wartość PDOP mniejsza od 3,
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
9
pomiarów geometrycznych (Geometrical DOP - GDOP) - dotyczy pomiarów
współrzędnych przestrzennych,
czasu (Time DOP - TDOP) - dotyczy błędu czasu systemowego.
Dla wyeliminowania błędów satelitarnych i wpływu zakłóceń, a także w celu ominięcia
ograniczeń dokładności w sygnałach GPS dostępnych dla lotnictwa cywilnego, stworzono
system korekcji, określany jako różnicowy GPS (DGPS - Differential GPS). System
różnicowy pozwala na zastosowanie pozycjonowania satelitarnego w dziedzinach
wymagających największej precyzji nawigacyjnej: geodezja, budownictwo (pomiary
przemieszczeń budowli, montaż platform wiertniczych na morzu), lotnictwo (podejście do
lądowania bez widoczności), żegluga.
5. Program narzędziowy ComTest
Jego zadaniem jest obsługa dostępnych w Windows portów COM (RS232C) komputera
laboratoryjnego. Po uruchomieniu programu widoczne jest jego standardowe okno (rys. 5.1),
którego organizacja nie ulega zmianie podczas pracy.
1 – pole wyboru portu i parametrów transmisji,
2 – klawisze poleceń operacji na porcie,
3 – pola wyboru opcji operacji na porcie,
4 – klawisze operacji na polach tekstowych programu,
5 – pola wyboru opcji dodatkowych informacji,
6 – pole danych odbieranych,
7 – pole danych do wysłania lub nazwa pliku,
8 – pole danych nadanych,
9 – pole współczynnika skali czasu,
10 – pole zdarzeń i komunikatów
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
10
3
2
1
4
5
109876
Rys. 5.1 Program diagnostyczny i obsługi portów RS232C ComTest
Dostęp do danego portu uzyskuje się po wybraniu jego numeru z pierwszej listy (COM
1, COM 2 ....) oraz jego konfiguracji do której należą kolejno: wybór szybkości pracy (300, ...
9600, ...), ilości bitów danych (5, 6, 7, 8), rodzaj kontroli parzystości (brak, parzysty,
nieparzysty), sposobu sterowania przepływem danych (brak, xon/xoff, ...) oraz ilości bitów
stopu (1 lub 2). Najczęstsze ustawienie wykorzystywane podczas ćwiczeń to: COM n (gdzie n
zależy od zestawionego połączenia Bluetooth), 4800, 8, bez kontroli parzystości, brak
sterowania przepływem, 1 bit stopu. Po dokonaniu konfiguracji należy nacisnąć klawisz
POŁĄCZ i program otwiera dostęp do wybranego portu. W przypadku błędu, np. z powodu
zajętości portu przez inną aplikację, program wyświetli odpowiedni komunikat. Zamknięcie
portu następuje po naciśnięciu klawisza ROZŁĄCZ. W polu nr 6 pokazywane są wszystkie
znaki odbierane z otwartego portu COM. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie znaki
ASCII będą widziane w czytelnej postaci. Pole nr 7 służy do bezpośredniego wysyłania
danych do portu COM lub określenia nazwy pliku do odczytu lub zapisu. W celu wysłania
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
11
danych należy wpisać w polu nr 7 odpowiednią sekwencję znaków i nacisnąć Enter lub
klawisz NADAJ. W przypadku zaznaczenia opcji POWTÓRZ program będzie „w kółko”
nadawał zapisaną sekwencję. Jeżeli umieścimy tam nazwę pliku i zaznaczymy opcję PLIK
(domyślnym katalogiem jest c:\gps\), to program wyśle do portu zawartość tego pliku. Przy
zaznaczonej opcji POWTÓRZ wysyłanie będzie realizowane „w kółko”. Jeżeli zaznaczono
opcję CZYŚĆ, to po wysłaniu sekwencji nastąpi skasowanie zawartości pola nr 8, gdzie
umieszczane są wszystkie znaki wysłane do portu COM. Pole nr 10 służy natomiast do
wyświetlania zachodzących w porcie COM zdarzeń i informowania o wykrytych błędach
transmisji Możliwe jest to po zaznaczeniu odpowiedniej opcji w polu UMIEŚĆ. Zaznaczenie
tam opcji ASCII spowoduje wyświetlenie w polu nr 6 nie znaków, lecz ich kodów ASCII, dla
lepszej czytelności pomiędzy znakami „<>”. Opcja ENTER powoduje dodanie do każdej
wysyłanej do portu sekwencji znaków kodów nowej linii CR/LF, czyli 13 i 10. Kasowanie
zawartości pól nr 6, 7 i 8 jest możliwe dzięki trzem klawiszom CZYŚĆ, odpowiednio ODB.,
NAD., ZD. Klawisz SUMA XOR służy do obliczenia sumy kontrolnej ramki danych protokołu
NMEA, umieszczonej w polu nr 7.
Program może zapisywać odbierane dane bezpośrednio do pliku tekstowego. Podczas
operacji na plikach ważna jest jednak kolejność wykonywanych działań:
- przy zapisie do pliku najpierw wpisujemy nazwę pliku w polu nr 7, zaznaczamy
opcję PLIK i dopiero (po konfiguracji) otwieramy port poleceniem POŁĄCZ,
- przy odczycie danych z pliku najpierw odznaczamy opcję PLIK i dopiero (po
konfiguracji) otwieramy port poleceniem POŁĄCZ, następnie wpisujemy nazwę
pliku w polu nr 7 i zaznaczamy opcję PLIK.
Przy wysyłaniu do portu COM danych z pliku (symulacja odbiornika GPS) możliwe
jest skalowanie czasu (przyśpieszenie zapisanej w pliku „rzeczywistości”). W tym celu w
polu nr 9 należy wpisać liczbę od 1 do 10 – więcej nie, ze względu na problemy AutoMapy i
Emapy z odświeżaniem obrazu.
UWAGA!!! Program można uruchamiać wielokrotnie i obsługiwać kilka
portów (urządzeń) jednocześnie.
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
12
6. Program VisualGPS
Program ten służy do wizualizacji i oceny danych lokalizacyjnych, odbieranych z
odbiornika GPS. Do komunikacji wykorzystywany jest protokół NMEA. W oknie Command
Monitor pojawiają się w postaci tekstowej wszystkie odebrane komunikaty, a po ich analizie
są wyświetlane w postaci graficznej w kilku oknach roboczych. Ciekawe obserwacje można
prowadzić w oknie Azimuth & Elevation. Po włączeniu odpowiednich opcji można śledzić
zmiany azymutu i elewacji satelitów, z którymi odbiornik utrzymywał łączność. Pomiar musi
być dokonywany w warunkach stacjonarnych, bez przemieszczania modułu. W oknie
Survey obserwujemy, trajektorię położenia modułu podczas tego eksperymentu, a w dolnej
części fluktuacje pomiaru wysokości GPS. Należy to oczywiście interpretować jako błąd
określania pozycji, kiedy odbiornik GPS przez cały czas pozostaje w spoczynku.
UWAGA!!! Program można uruchamiać wielokrotnie i obsługiwać kilka
portów (urządzeń) jednocześnie.
7. Wykaz użytych skrótów i oznaczeń
Dla zwiększenia przejrzystości instrukcji wprowadzono poniższe skróty, które zostały
wykorzystane w tekście oraz schematach blokowych. Dotyczą one wykorzystywanych
przyrządów oraz ustawień dokonywanych w sprzęcie pomiarowym i modułach
laboratoryjnych. Dla ich lepszego wyróżnienia skróty w tekście pisane są czcionką
pogrubioną.
- zapisz dane do pliku na dysku,
- pytanie, na które odpowiedź musi znaleźć się w sprawozdaniu.
8. Uwagi praktyczne
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia zalecane jest zapoznanie się z instrukcją
do ćwiczenia NMEA 0183 protokół transmisji danych odbiornika GPS.
Pod żadnym pozorem nie należy „upraszczać” ćwiczenia i próbować wykonywać
poleceń jednocześnie z kilku punktów instrukcji. Jest to najszybsza droga do pomyłki, co
skutkuje odrzuceniem sprawozdania.
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
13
9. Przebieg ćwiczenia
9.1 Zapoznaj się z budową stanowiska laboratoryjnego. Zidentyfikuj wszystkie przyrządy
i elementy stanowiska.
Nawiązanie połączenia Bluetooth z odbiornikami GPS
9.2 Włącz adapter Bluetooth na USB i poczekaj na wykrycie go przez Windows (jest
bardzo prawdopodobne, że adapter będzie już zainstalowany).
9.3 Pobierz od prowadzącego testowane odbiorniki GPS, włącz je i umieść na stanowisku
laboratoryjnym.
9.4 Uruchom program BlueSoleil. Jeśli uruchomi się on w postaci zminimalizowanej, to
znajdź jego ikonę na pasku zadań, kliknij prawym klawiszem myszy i wybierz opcję
Wyświetl.
9.5 Następnie uruchom wykrywanie urządzeń Bluetooth – wybierz z menu kolejno Moje
Bluetooth oraz Wykrycie urządzenia Bluetooth. Sprawdź czy wszystkie odbiorniki GPS
są widoczne. Wykonaj zrzut ekranu.
9.6 Określ listę dostępnych usług dla każdego z odbiorników GPS. W tym celu kolejno
kliknij prawym klawiszem myszy na ikonę każdego z urządzeń i wybierz Odśwież
usługi. Dostępne usługi prezentowane są jako aktywne ikony u góry okna programu
BlueSoleil. Jakie usługi są dostępne dla każdego z odbiorników GPS?
9.7 Połącz się kolejno z każdym odbiornikiem GPS. W tym celu kolejno kliknij prawym
klawiszem myszy na ikonę każdego z urządzeń i wybierz Połącz oraz Usługa Bluetooth
Port szeregowy. Po połączeniu wszystkich odbiorników GPS wykonaj zrzut ekranu.
9.8 Określ numer portu COM, do którego został przypisany każdy z odbiorników GPS. W
tym celu kolejno kliknij prawym klawiszem myszy na ikonę każdego z urządzeń i
wybierz Stan. Wykonaj zrzut ekranu. Jaki jest numer portu każdego odbiornika
GPS? Jaki jest poziom sygnału każdego odbiornika GPS?
9.9 Ustaw wszystkie odbiorniki GPS tuż obok siebie, w miejscu które zapewnia łączność
Bluetooth i daje szansę na odbiór sygnału GPS – oczywiście najlepiej na zewnątrz lub
przynajmniej przy oknie laboratorium.
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
14
Wizualizacja danych lokalizacyjnych odbiornika GPS
9.10 Uruchom program VisualGPS tyle razy, ile masz odbiorników GPS. Korzystając z
pozycji menu Connect to GPS wybierz Connect using serial port. Wybierz port
odbiornika GPS i szybkość transmisji 4800 bodów. Naciśnij OK. W oknie Command
Monitor powinny się pojawić dane z odbiornika GPS. Powtórz to dla każdego
uruchomionego programu i każdego odbiornika GPS. Czy każdy z odbiorników GPS
wysyła dane z jednakową intensywnością? Który z odbiorników wysyła „najwięcej” a
który „najmniej” danych?
9.11 Odczekaj przynajmniej 10-15 minut na ustabilizowanie się odbiorników GPS.
Wykorzystaj ten czas na zapoznanie się z programem VisualGPS.
9.12 Korzystając z pozycji menu Connect to GPS wybierz Disconnect i rozłącz wszystkie
odbiorniki GPS.
9.13 Powiększając kolejno wszystkie okna każdego uruchomionego programu (każdego
odbiornika GPS) zapisz ich obraz (zrzut ekranu) pamiętając o zapisaniu, którego
odbiornika GPS dotyczą. Dokonaj analizy zarejestrowanych danych
lokalizacyjnych.
9.14 Ile satelitów i które (numery) widział (okno Signal Quality Window) każdy odbiornik
GPS? Jaka jest siła odbieranego sygnału?
9.15 Czy wszystkie komunikaty (okno Command Monitor) pojawiały się w sposób
jednakowy w sensie nie wartości danych, ale sekwencji, kolejności itp.?
9.16 Jaką pozycję (okno Navigation Window) wskazuje każdy z odbiorników? Czy one się
różnią? Jaka jest ta różnica? Jaki jest błąd określenia położenia?
9.17 Prześledź zmiany azymutu i elewacji satelitów, z którymi odbiornik utrzymywał
łączność (okno Azimuth & Elevation). Jaki jest zakres tych zmian? Czy są one
identyczne dla każdego odbiornika GPS?
9.18 W oknie Survey obejrzyj trajektorię położenia modułu podczas tego eksperymentu,
a w dolnej części fluktuacje pomiaru wysokości GPS. Zmiany te to oczywiście błąd,
ponieważ odbiornik cały czas znajdował się w stanie spoczynku. Jaki jest zakres tych
zmian? Czy są one identyczne dla każdego odbiornika GPS?
9.19 Z okna Survey zapisz wartości błędów odbiornika GPS (PDOP, VDOP, HDOP +
wartości dla przedziałów procentowych). Jakie są wartości tych błędów? Czy są one
identyczne dla każdego odbiornika GPS?
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
15
9.20 Na podstawie otrzymanych wyników określ i odpowiedz na pytanie, który z
odbiorników GPS charakteryzuje się największą czułością i dokładnością, a który
najmniejszą?
9.21 Zamknij wszystkie uruchomione kopie programu VisualGPS.
Zakończenie połączenia Bluetooth z odbiornikami GPS
9.22 W programie BlueSoleil kolejno kliknij prawym klawiszem myszy na ikonę każdego z
urządzeń (odbiorników GPS) i wybierz Rozłącz oraz Usługa Bluetooth Port szeregowy.
Potwierdź rozłączenie przez Tak.
9.23 Zamknij program BlueSoleil. Jeśli jest on w postaci zminimalizowanej, to znajdź jego
ikonę na pasku zadań, kliknij prawym klawiszem myszy i wybierz opcję Zakończ.
Analiza danych z tras przejazdu
9.24 Ponownie uruchom program VisualGPS, ale tylko w jednej wersji/kopii. Korzystając z
pozycji menu Connect to GPS wybierz Connect to file wybierz jedną z zapisanych na
dysku tras przejazdu – dane odbiornika GPS.
9.25 Poczekaj na koniec analizy danych, ale nie dłużej niż 10 minut.
9.26 Powiększając kolejno wszystkie okna każdego uruchomionego programu (każdego
odbiornika GPS) zapisz ich obraz (zrzut ekranu) pamiętając o zapisaniu, której trasy
dotyczą. Dokonaj analizy zarejestrowanych danych lokalizacyjnych.
9.27 Powtórz to dla dwóch innych tras.
9.28 Dokonaj ponownej analizy danych odbiornika. Powtórz punkty od 9.13 do 9.19, ale tym
razem w odniesieniu do różnych tras przejazdu a nie różnych odbiorników. Czy
parametry odbioru danych z odbiornika GPS ulegały zmianie podczas jazy? Jaki jest
zakres tych zmian?
10. Wykonanie sprawozdania
Nie należy umieszczać w sprawozdaniu podstaw teoretycznych, ani opisów
stanowiska laboratoryjnego. Sprawozdanie musi zawierać wszystkie wyniki pomiarów i
obserwacji prezentowane wg kolejności ich wykonania. Każdy z nich musi być opatrzony
numerem punktu instrukcji wg, którego został zarejestrowany. W sprawozdaniu muszą się
znaleźć odpowiedzi na wszystkie postawione w instrukcji pytania oraz odpowiedni komentarz
do uzyskanych wyników badań symulacyjnych.
Ćw. nr 2 – Wizualizacja i analiza danych lokalizacyjnych odbiorników GPS 2016-04-20
Laboratorium Telekomunikacji w transporcie drogowym/wewnętrznym
Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej
16
Zarówno opisy, jak i odpowiedzi, mają być zwięzłe, ale przedstawione pełnymi
zdaniami. Wnioski powinny zawierać podsumowanie przeprowadzonych badań. Szczególny
nacisk należy położyć na zaprezentowanie różnic oraz podobieństw pomiędzy
poszczególnymi wynikami i odbiornikami GPS. Szczególnie dużo uwagi należy poświęcić
zagadnieniom czułości i dokładności (błędów) poszczególnych odbiorników GPS.
11. Literatura
Mielczarek W., Szeregowe interfejsy cyfrowe, Helion 1993,
Narkiewicz J, GPS i inne systemy satelitarne, WKiŁ, Warszawa 2007,
Januszewski J., Systemy satelitarne GPS, Galileo i inne, PWN, Warszawa 2006,
Spech C., System GPS, Bernardinum, Peplin 2007,
http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=SM-08-LAB-WIKI ,
http://home.mira.net/~gnb/gps/nmea.html ,
http://www.nmea.org/ .