Introducción al GPS.

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Introducción al GPS.
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés) es un sistema de navegación basado en satélites que es capaz de proveer información de la localización y la hora en cualquier condición climatológica, en cualquier lugar sobre o cerca de la Tierra donde haya una línea de vista sin obstáculos
de 4 o más satélites.
Contenido:
1. Introducción
2. Principio de funcionamiento.
3. Alcances y limitaciones.
4. Protocolo de comunicación.
5. Aplicaciones
6. Herramientas disponibles.
6.1 El GPS shield.
6.2 El GPS Logger shield.
6.3 Librería de Arduino para uso con nuestros Shields GPS.
2. Principio de funcionamiento
El GPS funciona basado en el principio de trilateración y multilateración, que son métodos
matemáticos para determinar las posiciones relativas de objetos usando trigonometría de forma
análoga a la triangulación. A diferencia de ésta que usa medidas de ángulos junto con alguna
distancia conocida para calcular la localización del objeto, la trilateración utiliza las
localizaciones conocidas de 2 o más puntos de referencia, y la distancia medida entre el sujeto
y cada uno de ellos.
Para determinar de forma única y precisa la localización de un punto en un plano, se necesitan
al menos 3 puntos de referencia, siendo necesarios al menos 4 puntos de referencia para
determinar la posición de un objeto en el espacio (Como es el caso del GPS).
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3. Alcances y limitaciones
La precisión aproximada de los dispositivos GPS actuales ronda entre 3 y 15m para
aplicaciones civiles, y los 3 pies (1m) para aplicaciones militares.
Hay que recordar que cualquier instrumento de medición tiene un cierto grado de imprecisión,
por lo que si bien teóricamente serían necesarios sólo 4 satélites para determinar nuestra
ubicación espacial, ésta necesariamente conllevará un cierto margen de error. Esto se conoce
como dilución de la precisión geométrica (GDOP).
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Podemos apreciar esto con un ejemplo sencillo. En el caso A alguien ha medido la distancia a
2 marcas fijas (puntos rojo y azul), y marcado su punto como la intersección de los 2 círculos
de los radios medidos. En B la medida tiene unos márgenes de error, y la localización real debe
encontrarse en algún punto dentro del área verde. En C el margen de error es el mismo, pero el
error de posición creció considerablemente debido al posicionamiento de las marcas fijas.
Otro tema importante a considerar al utilizar dispositivos con GPS es que deben encontrar los
satélites en línea de vista, es decir que no debe haber ningún objeto entre el satélite y el
receptor GPS por lo que su funcionamiento se ve mermado en interiores y zonas con edificios
altos o montañas muy cercanas.
4. Protocolo de comunicación
Existe un protocolo al cual se apegan todos los fabricantes de receptores GPS, el cuál indica
cuales son las posibles sentencias transmitidas de manera serial y escuchadas por el receptor,
cada una de las cuales contiene información diferente.
A continuación se muestran todas las posibles sentencias utilizadas para filtrar información de
un GPS:
AAM - Waypoint Arrival Alarm
ALM - Almanac data
APA - Auto Pilot A sentence
APB - Auto Pilot B sentence
BOD - Bearing Origin to Destination
BWC - Bearing using Great Circle route
DTM - Datum being used.
GGA - Fix information
GLL - Lat/Lon data
GRS - GPS Range Residuals
GSA - Overall Satellite data
GST - GPS Pseudorange Noise Statistics
GSV - Detailed Satellite data
MSK - send control for a beacon receiver
MSS - Beacon receiver status information.
RMA - recommended Loran data
RMB - recommended navigation data for gps
RMC - recommended minimum data for gps
RTE - route message
TRF - Transit Fix Data
STN - Multiple Data ID
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VBW - dual Ground / Water Spped
VTG - Vector track an Speed over the Ground
WCV - Waypoint closure velocity (Velocity Made Good)
WPL - Waypoint Location information
XTC - cross track error
XTE - measured cross track error
ZTG - Zulu (UTC) time and time to go (to destination)
ZDA - Date and Time
Todas estas sentencias van precedidas de las siglas GP (ejemplo: GPAAM) y las más
utilizadas son las siguientes:
GGA, GSA, GSV, RMC y VTG, siendo la mínima requerida la RMC para obtener los datos de
posición del dispositivo.
La sentencia RMC consta de la siguiente información:
Hora
Fecha
Posición
Dirección
Velocidad
Por lo cual es más que suficiente para tener datos significativos sobre nuestro dispositivo. A
continuación se muestra un ejemplo de sentencia GPRMC real y su significado:
$GPRMC,064951.000,A,2307.1256,N,12016.4438,E,0.03,165.48,260406,3.05,W,A*2C
NOMBRE
EJEMPLO
$GPRMC
ID del mensaje
064951.000
Tiempo UTC
A
Estado
2307.1256
Latitud
N
Indicador N/S
12016.4438
Longitud
E
Indicador E/O
Velocidad sobre el 0.03
suelo
Inclinación sobre el 165.48
suelo
260406
Fecha
Variación magnética 3.05, W
A
Modo
UNIDADES
Nudos(no
Km/h!)
Grados
Grados
DESCRIPCIÓN
Encabezado del protocolo RMC
Fecha en formato hhmmss.sss
A=info válida o V=info no válida
ddmm.mmmm
N=Norte o S=Sur
ddmm.mmmm
E=Este o W=Oeste
Velocidad horizontal desde la última
medición
Inclinación con respecto al suelo
ddmmyy
E=Este o W=Oeste
A=Autónomo
D=Diferencial
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Checksum
*2C
E=Estimado
Suma de verificación
Fin de mensaje
5.Aplicaciones
Existen una gran variedad de aplicaciones para los dispositivos GPS, entre las cuales se encuentran:
Localización de vehículos de flotillas
Verificación de rutas de vehículos
Navegación y orientación de vehículos autónomos no tripulados (UAV)
Telefonía Celular
Cartografía
Robótica
Sincronización de relojes
etc.
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6. Herramientas disponibles
En 5Hz tenemos disponibles una variedad de herramientas que pueden facilitar la utilización de
la tecnología GPS, entre las cuáles se encuentran:
6.1 El GPS Shield
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Éste es un Shield que te brindará acceso al módulo GPS MTK3339 de manera sencilla
utilizando un Arduino UNO.
Éste módulo tiene muchas ventajas, pues pueden leerse de manera serial las sentencias
NMEA con el puerto UART o un puerto UART emulado por software, por lo que requiere pocos
pines para su funcionamiento y tiene una gran área de prototipado para añadir sensores
adicionales.
6.2 El GPS Logger Shield
Incluye todas las ventajas del GPS Shield, añadiendo un slot para tarjetas uSD, por lo que
facilita el desarrollo de proyectos de Data logging (Pudiendo almacenar en un archivo de texto
la información de nuestros sensores junto con su información de tiempo y geoposición).
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6.3 Librería de Arduino para uso con nuestros Shields GPS
También contamos con una librería que facilitará el uso de estos módulos, que incluye
funciones para verificar si ya se detectaron los satélites suficientes, para obtener una lectura
del módulo, la información de latitud/longitud o incluso un link a Google maps con la ubicación
actual leída!.
Disponible aqui:
GPS Shield
GPS logger Shield
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