UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SISTEMAS MICROPROCESADOS IIQuito, 7 Febrero 2 015

INFORME DE LABORATORIO: GPS

Dayana Analí Andrade Benavidesdandradeb@est.ups.edu.ecIvan Santiago Carrion Valles

icarrion@est.ups.edu.ecFrancisco Xavier Tello Borja

ftello@ est.ups.edu.ec

RESUMEN: En este documento se muestra la aplicación de GPS para generar los datos de longitud, latitud y altitud en la LCD, el GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20 200 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra.

PALABRA CLAVE: gps, arduino, lcd.

1 OBJETIVOS:

1.1. OBJETIVO GENERAL:

- Desarrollar proyectos con módulos GPS

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:- Identificar los pines de conexión del módulo

GPS.- Probar la conexión uC - GPS.

2 MARCO TEÓRICO

2.1 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

El sistema global de navegación por satélite (GNSS) permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión.

El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

El sistema GPS está constituido por 24 satélites y utiliza la triangulación para determinar en todo el globo la posición con una precisión de más o menos metros.

El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20 200 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos.

Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante triangulación (método de trilateracióninversa),

la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites.

Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenada reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites

Figura1. Satélite NAVSTAR GPS

2.2 HISTORIA GPS

En el año 1957, la Unión Soviética lanzó al espacio el satélite Sputnik I, el cual era monitoreado mediante la observación del efecto doppler de la señal que este transmitía. Debido a este hecho, se comenzó a pensar que, de igual modo, la posición de un observador podría ser establecida mediante el estudio de la frecuencia doppler de una señal transmitida por un satélite cuya órbita estuviera precisamente determinada.La Marina Estadounidense rápidamente aplicó esta tecnología para proveer a los sistemas de navegación de sus flotas de observaciones de posición actualizadas y precisas. Así surgió el sistema TRANSIT, que quedó operativo en 1964 y hacia 1967 quedó disponible, además, para el uso comercial.Las actualizaciones de posición, en ese entonces, se encontraban disponibles cada 40 minutos y el observador debía permanecer casi estático para poder obtener información adecuada.Posteriormente en esa misma década y gracias al desarrollo de los relojes atómicos, se diseñó una constelación de satélites, portando cada uno de ellos uno de estos relojes y estando todos sincronizados en base a una referencia de tiempo determinada.En 1973, se combinaron los programas de la Marina de EE.UU. y el de la USAF (este último consistente en una técnica de transmisión codificada que proveía data precisa usando una señal modulada con un código de sonidos pseudo-random (PRN = Pseudo-Random Noise)), en lo que se conoció como Navigation

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Technology Program, posteriormente devenido en el NAVSTAR GPS.Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipo experimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones de satélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con “capacidad operacional inicial” en Diciembre de 1993 y con “capacidad operacional total” en Abril de 1995.

2.3 PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA Y SU CONFORMACIÓN ACTUAL.

Podemos distinguir tres componentes o elementos que hacen al Sistema de Posicionamiento Global:

1)       La constelación de satélites, que actúan como emisores.2)       El sistema de control terrestre (conformado por diferentes estaciones de monitoreo, que se mencionan más abajo).3)       Los usuarios del sistema. La constelación GPS actualmente se compone por 24 satélites no geoestacionarios, el último de los cuales fue lanzado en el año 1994.Estos satélites se encuentran orbitando la Tierra en seis planos diferentes, a 11.000 millas náuticas (aproximadamente 20.000 Km.) de la misma, con un período de 12 horas y una inclinación aproximada de 55 grados sobre el Ecuador.La posición de estos satélites permite recibir señales de al menos seis de ellos casi el 100% del tiempo, desde cualquier punto.

2.4 SEÑAL GPS

Cada satélite GPS emite continuamente un mensaje de navegación a 50 bits por segundo en la frecuencia transportadora de microondas de aproximadamente 1.600 MHz. La radio FM, en comparación, se emite a entre 87,5 y 108,0 MHz y las redes Wi-Fi funcionan a alrededor de 5.000 MHz y 2.400 MHz. Más concretamente, todos los satélites emiten a 1575,42 MHz (esta es la señal L1) y 1227,6 MHz (la señal L2).

La señal GPS proporciona la “hora de la semana” precisa de acuerdo con el reloj atómico a bordo del satélite, el número de semana GPS y un informe de estado para el satélite de manera que pueda reducirse si es defectuoso. Cada transmisión dura 30 segundos y lleva 1.500 bits de datos codificados. Esta pequeña cantidad de datos está codificada con una secuencia pseudoaleatoria (PRN) de alta velocidad que es diferente para cada satélite. Los receptores GPS conocen los códigos PRN de cada satélite y por ello no sólo puede decodificar la señal sino que la pueden distinguir entre diferentes satélites.

Las transmisiones son cronometradas para empezar de forma precisa en el minuto y en el medio minuto tal como indique el reloj atómico del satélite. La primera parte de la señal GPS indica al receptor la relación entre el reloj del satélite y la hora GPS. La siguiente serie de datos proporciona al receptor información de órbita precisa del satélite.

2.5 SISTEMAS DE COORDENADAS Y MODELO WGS 84

El modelo orbital GPS y el modelo de posicionamiento de los receptores utilizan diferentes sistemas geocéntricos de coordenadas. En el primer caso, el sistema se conoce como Sistema Inercial y, en el segundo, recibe el nombre de Sistema Terrestre.Antes de calcular las coordenadas del receptor GPS sobre la superficie terrestre, el software de éste deberá transformar los datos de las efemérides transmitidas en el Sistema Inercial a coordenadas en el Sistema Terrestre (para esto se aplican matrices de rotación de los vectores posición y velocidad del satélite).Para realizar este proceso, se utiliza el modelo WGS 84 (World Geodesic System 1984), que ajusta el formato terrestre a un elipsoide geocéntrico, cuyo plano ecuatorial es coincidente con el plano (x, y) del sistema geocéntrico terrestre y su eje de rotación coincide con el eje z del sistema antes mencionado.Es sobre este elipsoide que se calculan las coordenadas geográficas.

2.6 EL FUTURO DEL GPSMientras que el GPS se ha integrado (y continúa haciéndolo) a los productos y servicios de nuestra vida diaria, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos está trabajando en el GPS Modernization Program, consistente en una tercera generación de satélites (Block III) con dos canales más para la transmisión, que ampliarán y mejorarán el espectro de influencia actual, en aplicaciones como seguridad aérea, terrestre y marítima global, planeamiento urbano, exploración, agricultura y minería, etc. 

2.7 FIABILIDAD DE LOS DATOSDebido al carácter militar del sistema GPS, el

Departamento de Defensa de los EE. UU. se reservaba la posibilidad de incluir un cierto grado de error aleatorio, que podía variar de los 15 a los 100 m. La llamada disponibilidad selectiva (S/A) fue eliminada el 2 de mayode 2000. Aunque actualmente no aplique tal error inducido, la precisión intrínseca del sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición determinados.

Si se capta la señal de entre siete y nueve satélites, y si éstos están en una geometría adecuada (están dispersos), pueden obtenerse precisiones inferiores a 2,5 metros en el 95 % del tiempo. Si se activa el sistema DGPS llamado SBAS (WAAS-EGNOS-MSAS), la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97 % de los casos. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este tipo de satélites geoestacionarios. La funcionabilidad de los satélites es por medio de triangulación de posiciones para proporcionar la posición exacta de los receptores (celulares, vehículos, etc.).

3 MATERIALES:

- Módulos para prácticas- Fuentes de voltaje DC- Osciloscopio- Multímetro- Módulo GPS- uC o MA- Elementos electrónicos- Herramientas para electrónica

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4 DESARROLLO Y PROCEDIMIENTO

- Identificar en el módulo GPS los pines de conexión.

- Desarrollar la programacion para la adquisicion de datos del modulo GPS a traves de la conexión con arduino los cuales se desplegara en un LCD.

Figura 2 CONEXIÓN ARDUINO CON MODUILO GPS Y LCD.

- Realizar la conexión entre el modulo GPS y ARDUINO.

Figura 3 MODULO GPS.

- Realizar las pruebas de campo en la adquisicion de datos y observar los datos cuando se modifica la posicion de la antena del modulo GPS.

5 ANALISIS Y RESULTADOS

Hicimos un programa que monitorizará nuestra posición y valores de sensores conectados al Arduino. Toda esta información la irá almacenandose en una MicroSD cada segundo, con un formato que después podremos utilizar para ver los datos en cualquier aplicación de mapas.

El sistema GPS (Global Positioning System) se basa en una constelación de 24 satélites que permiten conseguir la posición en cualquier punto de la tierra

Los datos que recibiremos en nuestro modulo GPS siguen el protocolo NMEA siglas de National Marine Electronics Asociation

Se utilizado un módulo GPS. Se trata de un módulo muy utilizado, pequeño, potente y con la antena integrada. Conseguirá datos cada segundo, se alimenta con 5v y

se comunica por serie. Es compatible con el sistema WAAS que permite incluso mayor precisión. Pues por ejemplo una shield para conectarlo al Arduino, pues posee un micro conector. Con la GPS shield solo debemos enchufarlo y montarla sobre el Arduino. Para esta prueba configuraremos los dos mini interruptores de la shield como ON y DLINE. Mantendrá el módulo encendido y enviará los datos por los pines digitales 2 y 3.Necesitamos incluir un par de librerías en nuestro IDE de Arduino. La TinyGPS y la NewSoftSerial. Abrimos el código realizado y lo subimos al Arduino. Desde el ordenador abrimos el puerto serie y en cuanto se fije la posición el led del GPS parpadeará (el módulo debe tener visión directa del cielo para conseguir posición) y nos dará los datos por pantalla.

Figura 4 DATOS POR PANTALLA.

6 CONCLUSIONES

Se observó que el primero de los códigos usa a fondo la librería TinyGPS, le pedimos los datos y ya hace todo el trabajo, mientras que el segundo utiliza solo la librería de la MicroSD y es mejor para entender cómo se extraen los datos

Se entendió que si queremos simplemente leer lo que nos manda el receptor GPS solo tenemos que ponerlo en UART y subir el codigo en Arduino.

Cuando consigamos posición el led rojo se mantendrá encendido y cada segundo empezara a guardar los datos en un archivo de datos separados por comas (CSV) encendiendo el led verde por cada escritura. Cada vez que el Arduino se encienda creará uno nuevo correlativo. También podemos ver los datos o errores conectando el Arduino al ordenador y abriendo el puerto serie a 4800 bps.

10 REFERENCIAS

- [1] N. Niche. (2013, Septiembre 29). “modulo bluetooth”. [En línea]. Disponible en: http://www.puntoflotante.net/BOLT-BLUETOOTH.htm

- [2]. (2013, Septiembre 29). ” Modulo bluetooth para microcontroladores RN-41 [En línea]. Disponible en: http://cosasdeingenieria.com/esp/index/item/15/modulo-bluetooth-para-microcontroladores-rn-41

- [3] (2013, Septiembre 29). ”circuito para conectar RN41” [En Línea]. Disponible en:

http://www.microelectronicos.net/?p=1075

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