Odbiornik GPS – Po co jest w smartwatchu i jak działa?

Tagi: Technologie i pojęcia | Smart

23.5.2024 | 6 MIN

Jak działa pozycjonowanie odbiornika GPS w smartwatchach? Jak uzyskać najdokładniejsze pozycjonowanie? Na te i inne pytania postaram się odpowiedzieć w tym artykule.

Czym jest GPS?

W dzisiejszych czasach GPS jest mylony z odbiornikami GPS, ale w rzeczywistości jest to system nawigacji satelitarnej (Global Positioning System) rządu USA, który pierwotnie był wykorzystywany do celów wojskowych, ale od lat 80. jest również dostępny do użytku cywilnego.

Ten system nawigacji składa się z 31 satelitów, które na wysokości 19 300 km nad powierzchnią Ziemi okrążają kulę ziemską w około 12 godzin z prędkością 11 300 km/h.

Oficjalna nazwa GPS to NAVSTAR, a pierwszy satelita został wystrzelony w 1978 roku. Jeden satelita waży około 900 kg i ma rozpiętość skrzydeł (z panelami słonecznymi) około 5 metrów. Żywotność satelity wynosi około 10 lat, więc są one stale zastępowane przez nowsze generacje.

GPS nie jest jednak jedynym systemem nawigacji. Istnieją również Galileo (UE), GLONASS (Rosja), BeiDou (Chiny), QZSS (Japonia) i NavIC (Indie), zwane łącznie Globalnymi Systemami Nawigacji (GNSS).

Jak działa pozycjonowanie za pomocą odbiornika GPS?

Pozycja odbiornika GPS jest obliczana na zasadzie trilateracji. Odbiorniki GPS obliczają odległość na podstawie czasu potrzebnego do przesłania sygnału z określonego satelity. Potrzebują one jednak kilku takich satelitów.

Aby uzyskać szerokość i wysokość geograficzną (2D), odbiornik wymaga sygnału z trzech satelitów. Z tych trzech satelitów odbiornik uzyskuje informacje o odległości (wokół trzech satelitów tworzony jest okrąg o promieniu odległości). Nasza pozycja znajduje się na przecięciu tych trzech okręgów.

Po lewej trilateracja w przestrzeni 3D, po prawej w przestrzeni 2D. (Źródło: gisgeography.com)

Trilateracja 3D działa podobnie, ale wokół satelitów tworzona jest sfera o promieniu równym odległości odbiornika od satelity. Punktem przecięcia jest okrąg z dwoma punktami. Ponieważ jednak czwartą sferą jest sama kula ziemska, możemy wyeliminować drugi punkt (który znajduje się w przestrzeni kosmicznej), a tym samym określić naszą długość i szerokość geograficzną, w tym wysokość. Aby udoskonalić obliczenia i lepiej określić wysokość, odbiorniki GPS wymagają czterech lub więcej satelitów do tych obliczeń.

Źródło: ckamgmt.com

Odległość jest obliczana w bardzo interesujący sposób. Satelity wysyłają sygnał (kod pseudolosowy) w ściśle określonym czasie, a odbiornik próbuje przeanalizować ten wzór sygnału w tym samym momencie.

Kiedy sygnał satelitarny "dociera" do odbiornika, będzie on nieco opóźniony w stosunku do sygnału, który odbiornik wysyłał w tym samym momencie. Odchylenie to wynika z faktu, że dotarcie sygnału z satelity do odbiornika zajmuje trochę czasu. Odchylenie to jest następnie mnożone przez prędkość światła, aby odjąć czas potrzebny na dotarcie sygnału do odbiornika i określić odległość odbiornika od satelity.

Rozumiem, że powyższy akapit jest nieco skomplikowany, więc postaram się go uprościć. Satelity poruszają się po z góry znanych orbitach (informacje te są wysyłane do samych satelitów). Odbiorniki GPS znają zatem z góry pozycje każdego satelity. Tak więc w pewnym momencie odbiornik zaczyna wysyłać informacje o tym, gdzie powinien znajdować się satelita, a satelita w tym samym czasie wysyła sygnał.

Sygnał ten zawiera między innymi informacje o dokładnym czasie, więc odbiornik synchronizuje czas zgodnie z zegarem atomowym w satelicie i porównuje zmiany czasu (spowodowane transmisją sygnału), aby określić odległość.

Smartwatch wykorzystuje ciekawą funkcję o nazwie A-GPS. Funkcja ta gwałtownie przyspiesza określanie lokalizacji po rozpoczęciu aktywności. A-GPS pomaga urządzeniu określić przybliżoną lokalizację użytkownika, a tym samym zdecydować, z którymi satelitami warto się komunikować, a które są poza zasięgiem.

Jak uzyskać najdokładniejsze pozycjonowanie?

Tak więc, jeśli odbiornik GPS odbiera dane z czterech satelitów, jest w stanie określić naszą pozycję z dokładnością do kilku metrów. Ale cztery satelity to nie maksimum. Zasadniczo im więcej satelitów komunikuje się z odbiornikiem, tym dokładniejsze jest pozycjonowanie. Jednocześnie dokładność wzrasta wraz z liczbą systemów i pasm, na których komunikuje się odbiornik.

Dlatego też różni producenci oferują różne ustawienia pozycjonowania. Najbardziej podstawowym jest odbiór sygnału GPS. Następnie łączone są dwa systemy nawigacji, z których jednym jest zawsze GPS. Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest odbiór wszystkich systemów satelitarnych jednocześnie. Lub przynajmniej wszystkich systemów nawigacji, z którymi zegarek może się komunikować.

Najlepszą możliwą konfiguracją jest wtedy połączenie odbioru wielu systemów z komunikacją wielopasmową (multi-band). Dzieje się tak, ponieważ jeśli smartwatch komunikuje się z satelitą na wielu częstotliwościach, istnieje większa szansa na przesłanie informacji.

Amerykański GPS komunikuje się w pasmach L1 i L5, indyjski NavIC w paśmie L5, rosyjski GLONASS w paśmie G1, a europejski Galileo w pasmach E1 i E5a.

Odbiór wielopasmowy jest stosunkowo nową technologią, a częstotliwość ta została dodana do satelitów dopiero w ostatnich latach. Częstotliwość ta może wykryć, że komunikacja nie odbywa się na linii bezpośredniej, ale że coś ją blokuje. Dlatego lepiej sprawdza się na obszarach miejskich, pod koronami drzew itp.

Należy jednak zauważyć, że żywotność baterii smartwatchów znacznie się skraca wraz z większą liczbą systemów i opasek, na których komunikują się urządzenia.

2.7.2024
Smartwatche – Żywotność baterii i czynniki, które na nią wpływają

Jeśli kupujesz smartwatch, przez większość czasu w specyfikacji produktu znajdziesz informacje o tym, ile systemów obsługuje i czy może komunikować się z wieloma częstotliwościami.

Oczywiście wpływy środowiskowe, takie jak wysokie budynki, lasy, a nawet pogoda, będą miały wpływ na jakość odbioru.

Czy GPS znajdziemy we wszystkich smartwatchach i bransoletkach?

Staje się to już takim standardem, że odpowiedni smartwatch posiada odbiornik GPS. Najczęściej nie znajdziemy go tylko w tańszych smartwatchach, smart bransoletkach (bo to dość drogi czujnik), czy w zegarkach hybrydowych, gdzie pozycjonowanie całkowicie "wysysałoby" baterię. Istnieją jednak sposoby, by w pewnym stopniu zastąpić GPS.

Pierwszym z nich jest akcelerometr, który może określić, kiedy idziemy i przekonwertować to na odległość przejścia w oparciu o długość naszego kroku. Drugim jest połączenie z telefonem komórkowym, w którym smartwatch pobiera dane o lokalizacji za pomocą odbiornika GPS wbudowanego w telefon. Jeśli nie ma połączenia z telefonem, wykorzystywany jest akcelerometr.

27.6.2024
Akcelerometr – Dlaczego znajduje się w smartwatchu?

Zaletą zegarka bez GPS jest często niższa cena zakupu. Wadą jest zależność od telefonu w zakresie pozycjonowania, które może nie być tak długie, jak w przypadku smartwatcha. Wadą akcelerometru jest to, że można jedynie oszacować odległość poprzez jej pomiar. Technologia GPS jest zatem najlepszym dostępnym pomiarem odległości, prędkości lub tempa.

Jakość GPS jest obecnie dość podobna wśród smartwatchy (ponieważ często korzystają one z chipsetów tych samych marek). Producenci wdrażają zarówno odbiór wielosystemowy, jak i wieloczęstotliwościowy w każdym nowo wydanym modelu, a przynajmniej marki z pewnością zrobią to w przyszłości. W końcu zegarek sportowy wymaga jak najlepszych osiągów, ponieważ odejmuje się od tego szereg innych wskaźników.

Tak więc w większości przypadków nie opiera się to tak bardzo na jakości zapisu trasy, jak na wytrzymałości z aktywnym GPS.

2.7.2024
Smartwatche – Żywotność baterii i czynniki, które na nią wpływają

Źródła:

• https://xm.cz/blog/jak-funguje-gps-v-chytrych-naramcich-a-hodinkach/

• https://www.alza.cz/chytre-hodinky-s-navigaci-jak-funguji

• https://www.rogelli.cz/hodinky-s-gps/

• https://www.garmin.com/cs-CZ/aboutgps/

• https://www.svethardware.cz/jak-funguje-gps/21826-5