本帖最后由 Zoologist 于 2016-12-4 20:55 编辑
人类对于世界的了解的越多，能够掌握的工具和方法就越多。 曾经读过方舟子写的《相对论有没有用？》【参考1】，让我大吃一惊的是日常用到的GPS就是相对论使用的典型： “GPS是靠美国空军发射的24颗GPS卫星来定位的（此外还有几颗备用卫星），每颗卫星上都携带着原子钟，它们计时极为准确，误差不超过十万亿分之一，即每天的误差不超过10纳秒（1纳秒等于10亿分之一秒），并不停地发射无线电信号报告时间和轨道位置。这些GPS卫星在空中的位置是精心安排好的，任何时候在地球上的任何地点至少都能见到其中的4颗。GPS导航仪通过比较从4颗GPS卫星发射来的时间信号的差异，计算出所在的位置。 GPS卫星以每小时14000千米的速度绕地球飞行。根据狭义相对论，当物体运动时，时间会变慢，运动速度越快，时间就越慢。因此在地球上看GPS卫星，它们携带的时钟要走得比较慢，用狭义相对论的公式可以计算出，每天慢大约7微秒。 GPS卫星位于距离地面大约2万千米的太空中。根据广义相对论，物质质量的存在会造成时空的弯曲，质量越大，距离越近，就弯曲得越厉害，时间则会越慢。受地球质量的影响，在地球表面的时空要比GPS卫星所在的时空更加弯曲，这样，从地球上看，GPS卫星上的时钟就要走得比较快，用广义相对论的公式可以计算出，每天快大约45微秒。 在同时考虑了狭义相对论和广义相对论后，GPS卫星时钟每天还要快上大约38微秒，这似乎微不足道，但是如果我们考虑到GPS系统必须达到的时间精度是纳秒级的，这个误差就非常可观了（38微秒等于38000纳秒）。如果不校正的话，GPS系统每天将会累积大约10千米的定位误差，是没有用的。为此，在GPS卫星发射前，要先把其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465，把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫。此外，GPS卫星的运行轨道并非完美的圆形，与地面的距离和运行速度会有所变化，如果轨道偏心率为0.02，时间就会有46纳秒的误差。由于地球的自转，GPS导航仪在地球表面上的位移也会产生误差，例如当GPS导航仪在赤道上，而GPS卫星在地平线上时，由于位移产生的误差将会达到133纳秒。GPS导航仪在定位时还必须根据相对论进行计算纠正这些误差。
我手中的 DFRobot的SIM808 Shield支持GPS功能，这次我们就实验一下这个功能，GPS取得当前的时间和经纬度之后，结果显示在1602液晶上。使用到的硬件包括： 1. Arduino Uno 1块 2. DFRobot 的SIM808 Shield 1块 3. 18650 电池组 2块 4. 1602 LCD 一块 5. 亚克力切割的外壳 一对
特别注意的是，必须使用外接电源，USB端口供电不足以驱动模块，特别注意：一定要接上 GPS 天线，否则无法收到信号。
硬件准备妥当之后，先实验直接发送 AT 命令，这个实验不需要SIM卡： 1. 板上开关放置于3号位置 2. 下载 blink 程序（需要不占用 的程序） 3. 外接电源（我用的是2节18650，目前有7.5v左右） 4. 板上开关放置于2号位置 5. 用IDE自带的串口工具，输入 AT 可以看到自动回复 OK，这说明模块本身是正常的 6. 输入AT+CGNSPWR=1命令（打开GPS电源）AT+CGNSTST=1命令（开始从串口接收GPS数据） 7. 下面就可以看到获得的GPS数据了
8. 结束的时候，使用AT+CGNSPWR=0命令关断GPS电源。
我们在地图上看一下这个位置，很准
代码如下： [mw_shl_code=c,true]#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <DFRobot_sim808.h>
DFRobot_SIM808 sim808(&Serial);
// Set the LCD address to 0x3F for a 16 chars and 2 line display
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2);
void setup() {
Serial.begin(9600);
// initialize the LCD
lcd.begin();
// Turn on the blacklight and print a message.
lcd.backlight();
//************* Turn on the GPS power************
if( sim808.attachGPS())
{
Serial.println("Open the GPS power success");
lcd.print("power success");
}
else
{
Serial.println("Open the GPS power failure");
lcd.print("power failure");
}
}
void loop() {
char s[20];
//************** Get GPS data *******************
if (sim808.getGPS()) {
Serial.print(sim808.GPSdata.hour);
Serial.print(":");
Serial.print(sim808.GPSdata.minute);
Serial.print(":");
Serial.println(sim808.GPSdata.second);
Serial.print("latitude :");
Serial.println(sim808.GPSdata.lat);
Serial.print("longitude :");
Serial.println(sim808.GPSdata.lon);
lcd.clear();
lcd.print("GPS bbdebbbbbbbhhh b ");
lcd.print(sim808.GPSdata.hour);
lcd.print(":");
lcd.print(sim808.GPSdata.minute);
lcd.print(":");
lcd.print(sim808.GPSdata.second);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("(");
dtostrf(sim808.GPSdata.lat,3,2,s);
lcd.print(s);
lcd.print(",");
dtostrf(sim808.GPSdata.lon,3,2,s);
lcd.print(s);
lcd.print(")");
//************* Turn off the GPS power ************
sim808.detachGPS();
}
}[/mw_shl_code] 最终运行结果：
最后说点关于GPS 好玩的事情： 第一件事情：我在昆山打工的时候，有一天瞎溜达，走到一座大桥下，看到上面铭牌上刻着经纬度。那是很久以前的事情，久远到google还没有被封，手机还没有GPS 功能。我很好奇的记下了经纬度。回去宿舍在googlemap上查找这个经纬度，非常疑惑的看着坐标飞到了太平洋中。朱多年来心中疑惑一直没有解开：这样的标注是为了“乱了敌人锻炼了群众”吗？ 第二件事情： 1983年9月1日清晨（UTC时间为8月31日傍晚），大韩航空007号班机进入苏联领空，遭苏联空军Su-15拦截机击落于库页岛西南方的公海。误入的原因是机长操作失误，没有切换到正确的导航模式【参考2】。这件事情之后美国宣布开放部份的GPS功能给民间使用。 参考： 借用臧克家的一句话来描述方舟子“有的人死了，他还活着；有的人或者，他已经敏感字了”。 如果非说苏联伟大的话，那么伟大的原因一定是它一次次将人类从自己的魔爪下解救出来。
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发表于 2016-12-4 20:54
发表于 2016-12-5 10:42
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