מחלקת מודולי GPS

מבוא

במדריך זה נסביר על מודולי GPS השונים שאפשר למצוא באתר www.4project.co.il ועל התכונות שלהם. מקווים שהמדריך יעזור לכם לבחור את המודול הנכון לפרוייקט שלכם.

מערכת ניווט לווינים

אנחנו מכירים בעיקר מערכת GPS שעוזרת לנו לנווט עם Waze או למצוא את המסעדה שרציתם להגיע אליה בטיול שלכם בחו"ל. אולי אתם לא מכירים את השמות, אבל יש יותר ממערכת ניווט לוויני אחת הפעילה מעל הראש שלנו. אלה מערכות ניווט מבוססות על לווינים החגים סביב כדור הארץ ומשדרים אלינו אותות שבעזרתם המקלט יכול לחשב את המיקום שלו על פני כדור הארץ. השם הכללי למערכות ניווט לווייניות הוא GNSS - Global Navigation Satellite System. ה-GPS היא מערכת גלובלית אחת (אמריקאית), אבל יש עוד כמה מדינות שמפעילות מערכות דומות:

• GPS - מערכת אמריקאית (גלובלית)
• Galileo - מערכת אירופאית (גלובלית)
• GLONASS - מערכת רוסית (גלובלית)
• BeiDou - מערכת סינית (גלובלית)
• NavIC - מערכת הודית (אזורית)
• QZSS - מערכת יפנית (אזורית)

חוץ מהשידורים החינמיים המשמשים אותנו לצורכי ניווט, למערכות השונות יש גם שידורים מוצפנים המספקים דיוק הרבה יותר גבוה (ברמה של סנטימטרים) למטרות צבאיות, כך שלכל מדינה יש את האינטרסים שלה להפעיל מערכת ניווט עצמאית. רמת הדיוק של השידורים החינמיים היא 1-2 מטר, שמספיקים בהחלט כדי לנווט עם רכב או ברגל.

כל מערכת משדרת בתדרים קצת שונים, כך שהצד הקולט (מודול GPS) צריך לתמוך במערכת הספציפית שהוא מיועד אליה.

מספר ערוצים

בעבר יצרנים של המודולים היו מתהדרים במספר הערוצים שהם יכולים לעבד בו זמנית. כל ערוץ היה יכול לטפל בתקשורת מול לווין, לטפל בהחזרים מהבניינים, לנסות להינעל על לווין חדש ועוד פעולות דומות. לפי מספר זה היה אפשר לדעת שמודול GPS שיודע לטפל ב-35 ערוצים כנראה יהיה יותר טוב ממודול שיוכל לטפל "רק" ב-29 ערוצים.
כדי לקבל נעילה על מערכת ה-GPS צריך רק 4 לווינים (3 לחישוב המיקום והרביעי לעדכון סטיית השעון). בפועל המקלט בדרך כלל שומע כמות גדולה יותר של לוויינים ושומר על הקשר איתם כערוצי גיבוי למקרה שאחד מהם יעלם בגלל הפרעות בקליטה, או מיקום המקלט. לרוב לא כל הערוצים של המודול מנוצלים ובדרך כלל הרכיב מכבה אותם כדי להוריד את צריכת הזרם.

יצרנים של מודולים חדישים שמופיעים בשוק הפסיקו לפרסם את מספר הערוצים, כי הוא הפסיק לייצג את היכולות האמיתיות של המודול. ישנם מאפיינים נוספים שיכולים להשפיע על הפעולה של הרכיב. היום יש מודולים שמסוגלים להתחבר ליותר ממערכת לוויינית אחת, מה שמגדיל את מספר הלוויינים הזמינים לטובת נעילה וניווט - כלומר איכות נעילה טובה יותר. יש מודולים שיכולים לספק קצב עדכון הרבה יותר גבוה מהאחרים, שזה גם יכול להיות שיקול חשוב לבחירת הרכיב, גם אם הוא תומך בפחות ערוצים.

אנטנה פנימית או חיצונית

כדי לקלוט את שידורי הלווינים דרושה אנטנה. יש מודולים שמגיעים עם אנטנה מובנית ויש כאלה שיספקו מחבר לחיבור אנטנה חיצונית. הבחירה בין רכיב עם אנטנה פנימית או חיצונית תלויה בעיקר בצורכי הפרוייקט שלכם. האנטנה צריכה להיות ממוקמת מחוץ למארז ולפעמים יותר נוח למקם את כל האלקטרוניקה עמוק בתוך המארז, וממנו להוציא כבל לאנטנה חיצונית (מעל רכב אוטונומי כדוגמה), או שאולי אפשר למקם את המודול עם אנטנה פנימית כך שהוא יוכל לקלוט את שידורי הלווינים (טיסן או רחפן כדוגמה).

האנטנות שמגיעות על המודול בדרך כלל נראות כבלוק מלבני בולט לגובה, לרוב אלה אנטנות קרמיות איכותיות מאוד:


למודולים שמאפשרים לחבר אנטנה חיצונים לרוב תמצאו חיבור SMA או חיבור U.FL הקטן:


חברת SparkFun לדוגמה יצרה סדרה של  3 מעגלים דומים עם מודול GPS NEO-M9N, אחד עם אנטנת Chip המולחמת למעגל, שני עם חיבור SMA ושלישי עם חיבור U.FL כדי שיהיו להם את כל האפשרויות:


ואם החלטתם להשתמש במודול עם חיבור לאנטנה חיצונית, יש מגוון של אנטנות שתוכלו לבחור:

גודל פיזי של המודול

שיקול נוסף לבחירת הרכיב המתאים הוא הגודל הפיזי שלו. אם לדוגמא אתם בונים קולר לכלב שידווח את המיקום שלו כדי שלא ילך לאיבוד, תרצו למזער את הרכיבים כמה שיותר. נכון לרגע כתיבת המדריך, בתחום זה לצערנו אין יותר מדי חדשות טובות. מודולים שמגיעים עם אנטנה מובנית לרוב די גדולים (ומרובעים). יוצא דופן נכון לרגע זה הוא מודול GPS GP-735T שמגיע עם אנטנה מלבנית, מה שמאפשר למעגל שלו להיות ברוחב של 8 מ"מ בלבד:


ישנן אנטנות הרבה יותר קטנות (על חשבון איכות הקליטה שלהם כמובן), כמו זו שמורכבת על מעגל מודול ה-GPS הזה:



אבל הן מגיעות כרכיב SMD נפרד ולא כמוצר שאפשר לחבר ולהשתמש בו בצורה קלה, מה שאומר שתצטרכו לתכנן מעגל משלכם. מה גם, שגוף המודול עצמו, שעושה את כל הקסם של ה-GPS לא קטן במיוחד. תוכלו לראות את המבחר שיש לנו באתר במחלקת מודולי GPS.

תקשורת עם מודול GPS

מודול GPS לרוב מתקשר דרך ערוץ ה-UART. מודולים חדשים שמופיעים בשוק לאחרונה מתקשרים גם דרך I2C.
בדרך כלל מודול GPS לא דורש הגדרות מיוחדות. מספקים לו את המתח והוא מתחיל לנסות להינעל על הלוויינים שהוא קולט. אחרי הנעילה המודול ישדר נתונים בפורמט של פרוטוקול NMEA. מההודעות תוכלו לקבל את נתוני המיקום (נקודות ציון לפי קווי האורך והרוחב של כדור הארץ) וגם שעון מדויק.

תלוי במודול GPS, אבל לרוב תהיה גם אפשרות לשלוח פקודות עם הגדרות שונות למודול עצמו, כמו שינוי קצב ערוץ ה-UART, שינוי קצב עדכון המיקום או דברים נוספים. לרוב זה נעשה עם פקודות AT.

לחלק מהמודולים יכולים להיות גם קווים חומרתיים נוספים שמספקים חיווי על מצב הנעילה על הלווינים, פולס של שניה להפעלת שעון וכדומה.

קצב עדכון

מודולים הפשוטים ביותר יספקו עדכון של המיקום פעם בשניה. אם אתם לא בונים טיל או מטוס קרב, כנראה שלא תצטרכו יותר מזה. המודולים החדישים שמופיעים בשוק מספקים עדכונים 10, 20 או אפילו 30 פעמים בשניה, שזה מעל ומעבר למה שצריך כדי לנווט במהירות של הליכה או אפילו ריצה.

איכות קליטה / רגישות

מאפיין זה מתייחס לרכיב המקלט במודול GPS ומציין עד כמה הוא רגיש לשידורים של הלווינים. הלווינים נמצאים בחלל, רחוק מאוד מכדור הארץ (מעל 20 אלף קילומטר), כך שהשידורים שלהם נקלטים מאוד חלש על פני כדור הארץ. כדי לקלוט את השידורים בצורה המיטבית ביותר צריך אנטנה גדולה (לא פרקטי במקרה שלנו), או מקלט רגיש כמה שיותר כדי שיוכל לזהות את השידור בתוך כל הרעש שהוא שומע.

הרגישות נמדדת ביחידות של dBm. למודול GPS טיפוסי הרגישות תהיה באיזור המינוס 165dBm. כמה שהמספר הזה קטן יותר, כך איכות הקליטה של המודול טובה יותר.

זמן נעילה

במאפיינים של המודולים תוכלו למצוא נתונים של "התחלה חמה" (Warm Start) ו-"התחלה קרה" (Cold Start). הכוונה היא לזמן שייקח למודול להינעל על לווינים שסביבו ולספק נתוני מיקום מדויקים. תהליך הנעילה הוא לא פשוט מבחינת המודול. חוץ מלזהות את הלווינים ולהתחיל לקבל מהם מידע, הוא צריך לעשות הרבה חישובים והתאמות תזמון של כל ההודעות שהוא מקבל כדי שיוכל לחשב את המיקום שלו. תהליך זה יכול לקחת זמן, והזמן הזה נקרא "התחלה קרה" (Cold Start), כלומר מתחילים את התהליך מאפס. תהליך זה יכול לקחת 20-30 שניות.

תהליך ה-"התחלה החמה" (Warm Start) מתבסס על הנתונים הקודמים שהיו למודול לפני שכיבו אותו. כדי לשמור על נתוני כיול אלה אתם יכולים לראות לפעמים סוללה קטנה על המעגל, או לרוב זהו סופר קבל, כזה שיכול לספק את הזרם לרכיב במשך כמה שעות.

לרוב המודולים תהליך ה-Warm Start לוקח רק שניה אחת. שימו לב שנתוני הכיול של המודול נכונים למיקום שלו. כלומר, אם תכבו אותו בתל אביב ואחרי זה תפעילו אותו שוב באיזור רמת גן, כנראה שיוכל להינעל תוך שניה כי באיזור זה יהיו אותם לווינים. אבל אם תכבו את המודול באילת ותדליקו אותו שוב בחיפה, הוא כנראה יעבור למצב Cold Start כדי לבצע כיול חדש לנתונים. זו הסיבה שכשאתם מפעילים את ה-GPS בטלפון שלכם בפעם הראשונה בטיול בחו"ל, לפעמים לוקח לו זמן עד שתוכלו לראות איפה אתם נמצאים. לפעמים רשת הטלפוניה באיזור בו אתם נמצאים "עוזרת" ל-GPS עם מה שנקרא AGPS - Assisted GPS, ששולחת למכשירים נתונים התחלתיים שעוזרים להם להינעל באיזור הקליטה ולצמצם את זמן הנעילה ההתחלתי.

RTK - Real-Time Kinematics

משהו למתקדמים…

RTK מאפשר לעדכן את המקלט בנתונים נוספים שמגיעים מתחנת בסיס (מקלט נוסף) ובכך להגיע לדיוק של סנטימטר! המודול שלכם צריך לתמוך בתכונה זו והמערכת צריכה לקבל את הנתונים הנוספים מתחנת בסיס בצורה אלחוטית. פתרון טכנולוגי זה יעבוד לטווחים של כ-10 קילומטר מתחנת הבסיס. אפשר לשדר לו את הנתונים עם LoRa (שלא כל כך מאושר בארץ), דרך שרת ענן עם חיבור סלולרי (אם הצלחתם להשיג כרטיס שפועל ב-LTE), או דרך טלפון נייד ששולף את הנתונים מהשרת החיצוני ומעביר אותם למודול GPS דרך מודול BlueTooth.

בארה"ב ישנם תחנות בסיס כאלה בתשלום וגם כאלה הפועלים בחינם ע"י מתנדבים או חברות שנכנסות כחברות בארגון המשדרים של הנתונים. ויש גם מוצרים בשוק שמאפשרים לכם להקים תחנות בסיס כאלה לשימוש עצמי.