Скільки GPS-каналів має сенс?

Вам потрібно 4 канали для визначення вашого положення (включаючи висоту), і я можу зрозуміти, що кілька додаткових каналів підвищують точність. Однак у будь-який час переглядаються максимум 12 супутників, тож чому у приймачів більше каналів? Я бачив приймачі з 50 або навіть 66 каналами , це більше, ніж кількість супутників.
Я не бачу жодних переваг у цьому вибуху кількості каналів, хоча я припускаю, що це збільшує споживання енергії приймача.
Отже, навіщо мені потрібно 66 каналів?

Відповідь складна завдяки тому, як працює система GPS, тому я збираюся спростити ряд речей, щоб ви зрозуміли принцип, але якщо вас цікавить, як це реально реалізовано, вам потрібно буде знайти хороший GPS довідник. Іншими словами, те, що написано нижче, покликане дати вам уявлення про те, як це працює, але технічно неправильно певним чином. Нижче наведено недостатньо правильно для впровадження власного програмного забезпечення GPS.

Фон

Усі супутники передають по суті однакову частоту. Вони технічно ходять по сигналах один одного.

То як GPS-приймач справляється з цим?

По-перше, кожен супутник передає різне повідомлення на кожен мс. Повідомлення має довжину 1024 біт і генерується генератором псевдовипадкових чисел.

GPS-приймач приймає весь спектр всіх передавачів, потім він виконує процес, який називається кореляцією - він генерує конкретну послідовність одного із супутників, помножує його на вхід сигналу, і якщо його сигнал точно відповідає сигналу супутника, то корелятор знайшов один супутник. Змішування по суті витягує сигнал супутника із шуму і підтверджує, що 1) у нас правильна послідовність і 2) у нас є правильна синхронізація.

Однак якщо він не знайшов відповідності, він повинен перенести свій сигнал на один біт і спробувати ще раз, поки він не пройде всі 1023 бітові періоди і не знайде супутник. Потім переходить до спроби виявити інший супутник в різний період.

Зважаючи на зміщення часу (1023 біт, 1000 передач в секунду), теоретично він може повністю шукати код за одну секунду, щоб знайти (або визначити, що немає нічого) за певним кодом.

Через зміщення коду (зараз існує 32 різних PRN-коди, по одному на кожен супутник), тому на пошук кожного супутника може знадобитися 30+ секунд.

Більше того, доплерівський зсув через швидкість супутника відносно вашої наземної швидкості означає, що часова база може бути зміщена на цілих +/- 10 кГц, тому вимагає пошуку близько 40 різних частотних зрушень для корелятора, перш ніж він може відмовитися від конкретний PRN та терміни.

Що це означає

Це залишає нам можливий найгірший випадок (один супутник у повітрі, і ми намагаємось все, окрім точної відповідності спочатку) часу, щоб спочатку зафіксувати холодний старт (тобто, ніякої інформації про час чи місцезнаходження приймача, або розташування супутників) 32 секунди, якщо припустити, що ми не робимо жодних припущень або не робимо жодних хитромудрих прийомів, отриманий сигнал хороший тощо.

Однак якщо у вас є два корелятори, ви просто вдвічі зменшили цей час, оскільки можете шукати два супутники одночасно. Отримайте 12 кореляторів на роботу, і це займе менше декількох секунд. Отримайте мільйон кореляторів і теоретично це може зайняти кілька мілісекунд.

Кожен корелятор заради маркетингу називається «каналом». Це не зовсім неправильно - у певному сенсі корелятор демодулює одну конкретну кодовану частоту за один раз, що є по суті тим, що робить радіоприймач при переключенні каналів.

Хоча GPS-приймач може зробити багато припущень, які спрощують проблемний простір таким чином, що загальний 12-канальний приймач може виправити, у гіршому випадку, приблизно за 1-3 хвилини.

Хоча ви можете отримати 3D-виправлення за допомогою 4-канального GPS, коли ви втрачаєте сигнал GPS (виходить за горизонт, або ви ходите під мостом тощо), ви втрачаєте 3D-виправлення і переходите до двовимірного виправлення з трьома супутниками, коли один із ваші канали переходять у режим кореляції.

Тепер ваш приймач починає завантажувати ефемери та альманах, що дозволяє одержувачу дуже інтелектуально шукати сигнали. Через 12 хвилин або більше вона точно знає, які супутники слід переглянути.

Тож пошук проходить досить швидко, оскільки ви знаєте позицію та код кожного супутника, але у вас залишається лише виправлення 2D, поки ви фактично не знайдете новий супутник.

Якщо у вас 12-канальний приймач, ви можете використовувати 4 найсильніших канали, щоб забезпечити виправлення, кілька каналів для фіксації на резервних супутниках, щоб він міг перемикати обчислення на них, якщо потрібно, та кілька каналів, щоб продовжувати пошук супутників. приймач повинен мати можливість бачити. Таким чином ви ніколи не втрачаєте повного виправлення 3D.

Оскільки ви можете бачити лише до 12 супутників, навіщо вам більше 12 каналів?

Є 24 або більше GPS-супутників, які працюють в будь-який момент часу, а це означає, що в одній точці Землі ви дійсно можете бачити лише половину з них.

Але пам’ятайте - ви можете шукати лише один супутник на один корелятор, тому головна причина збільшення кореляторів за останні дванадцять - це покращення часу на перше виправлення, а головна причина покращення - споживання енергії.

Якщо ваш GPS-чіпсет потрібно постійно живити, це витрата потужності 100 мВт весь час. Якщо, однак, вам потрібно щоразу включати його лише раз на секунду протягом 10 мс, тоді ви просто скоротите споживання електроенергії до 1 мВт. Це означає, що ваш мобільний телефон, маяк розташування тощо може працювати на два порядки довше часу на одному і тому ж акумуляторі, зберігаючи при цьому повне виправлення в реальному часі на їхньому місці розташування.

Крім того, за допомогою мільйонів кореляторів можна зробити більш точні пошуки, які можуть допомогти зменшити вплив радіовідбиття у міських каньйонах (високі будівлі у великих містах, які використовуються для виходу з ладу GPS-приймачів із меншою кількістю кореляторів).

Нарешті, хоча для отримання корекції 3D потрібно лише 4 супутники, хороші приймачі використовують більше супутників у своєму алгоритмі положення, щоб отримати більш точне виправлення. Тому потрібен лише 4-канальний приймач, але 12-канальний приймач може отримати більшу точність.

Висновок

Отже мільйони кореляторів:

• Прискорює придбання супутника
• Знижує енергоспоживання
• Знижує ймовірність втратити виправлення 3D навіть у міських каньйонах
• Забезпечують кращу чутливість, дозволяючи виправляти в густих лісах і навіть в деяких тунелях
• Забезпечує кращу точність позиціонування

_{^{Дякуємо борзаку за деякі виправлення .}}

Вам потрібен один канал, за частотою, на супутник.

Більшість дешевих приймачів (як, наприклад, у вашому телефоні чи автомобілі) відстежують лише частоту L1 лише від супутників GPS. Якщо ви хочете точності, вам потрібно відстежувати дві частоти від кожного супутника, щоб більш точно визначити затримку йоносфери. Якщо ви хочете краще охоплювати райони з частковими перешкодами, вам слід відстежувати більше, ніж лише супутники GPS.

В даний час на орбіті є 32 супутники GPS, 31 з яких були здоровими станом на минулий тиждень. Приймач побачить менше половини з них через маску висоти, а це означає, що він ігнорує будь-який супутник менше ніж на 5 градусів над горизонтом. Маску підняття можна встановити вище - 8 або 10 градусів є загальним. Кожен із цих супутників транслюється як на частотах L1, так і на L2, а один GPS супутник наразі транслює на L5 (у тестовому режимі). Усі майбутні супутники GPS також підтримуватимуть L5, і з часом ваші звичайні дешеві приймачі використовуватимуть L5 замість L1. Можливо, це буде 2020 рік, перш ніж ви побачите, як L5 замінить L1 на дешевих пристроях.

Росія також має сузір'я глобальних супутників позиціонування, відоме як ГЛОНАСС. В даний час на орбіті знаходиться 27 сидів ГЛОНАСС. Станом на минулий тиждень 23 здорові, 3 у режимі технічного обслуговування та 1 у режимі введення в експлуатацію. Усі супутники GLONASS транслюються на двох частотах - L1 і L2.

Європа та Китай також будують сузір'я.

Якщо ви хочете використовувати дані корекції WAAS, вам потрібен один канал для SBAS.

Якщо ви хочете використовувати OmniStar або Канаду CDGPS, вам потрібен канал для цього.

Приймач, який я найбільше знайомий, відстежує наступні канали:

• 14 каналів GPS L1
• 14 каналів GPS L2
• 6 каналів GPS L5
• 12 каналів GLONASS L1
• 12 каналів GLONASS L2
• 2 канали SBAS (WAAS або EGNOS)
• 1 L-смуговий канал (OmniStar або CDGPS)

Нове покоління високоякісних приймачів також має додаткові канали для європейського та китайського сузір'я.

Чому більше 12 каналів?

Кількість каналів всередині приймача навігації, безумовно, перевищує маркетинговий крок. Це питання, скільки даних ви можете і хочете обробити, щоб використовувати широкий спектр різних навігаційних систем подібного типу. Будь ласка, майте на увазі, що ці супутникові системи корисні для найрізноманітніших застосувань (навігація для кораблів, автомобілів, залізниць і літаків, геодезія, терміни, моніторинг землі, іоносфера будівель, прогноз погоди тощо). ..) і тому також різноманітність приймачів (що підтримують різні канали) широка.

Поточні геодезичні GNSS-приймачі високого класу (для мульти-сузір’я) мають більше 216 і до 440 каналів. Приймачі, які використовуються для мобільних додатків, використовують 66-200 каналів. Кількість каналів також має відношення до кількості кореляторів. У кожного каналу може бути своя кількість кореляторів. Це правда, що кількість кореляторів для зменшення місця висівання важливо для отримання хорошого та стабільного TTF (час до першого виправлення).

Дуже важливо - і це описано у відповідь Адама Девіса: вам потрібен один канал на сигнал на супутник. Оскільки конструкція навігаційних сигналів різна (різня сила симуляції, модуляція, пропускна здатність і т. Д.), Ви повинні підготувати приймач до можливості будь-якої системи навігації, яку ви хочете додати для свого позиційного рішення.

Давайте зробимо невеликий огляд різних типів навігаційних систем:

Навігаційні системи:

• GPS (Америка)
• ГЛОНАСС (Росія)
• Beidou / КОМПАС (Китай)
• Галілео (Європа)

... і furhtermore системи аугментації та регіональні системи навігації, які використовують однакові / подібні частоти та навігаційні повідомлення, які можуть використовуватися тим самим методом отримання сигналу:

• QZSS (регіональна система: Японія, квазістаціонарна)
• IRNSS (регіональна система. Індія)
• EGNOS (система аугментації Європи)
• WAAS (система аугментації Америки)
• OMNISTAR (приватна система збільшення)

Тож давайте підрахуємо та повернемось до обговорення супутника / сигналу (розбір):

• GPS: L1, L2, L5 (L5 вважається 2 рази, оскільки всередині сигналу є підканали - наприклад, I (у фазі) та Q (чотирифазна)
• ГЛОНАСС: L1 L2 L3 (також GLONASS використовує підканали для отримання сигналу з множинним доступом з кодовим поділом (CDMA))
• Galileo (E1, E6 (захищений сигнал), E5a E5b E5a + b (широкосмуговий сигнал))
• будь ласка, зверніться до поточного плану сигналів для кожної системи, а також до огляду приймачів (подальший показ)

Тож якщо вам подобається відстежувати один GPS-супутник з L1 та L2 та L5a + b, вам потрібні 4 канали. Для першого виправлення вам потрібно 4 супутники, які менають, вам потрібно 8 каналів лише для прямого отруєного рішення без зайвих надмірностей. Чим більше супутників GPS, тим більше резервування (і цілісність). Щоб пришвидшити: у цій конфігурації ви можете відстежувати лише 5 супутників GPS з L1 / L2 та L5. На моє розуміння слабке рішення. Але якщо врахувати лише вимірювання L1 - ніж корсез, ви зможете відстежити 12 супутників. Отже, чим більше каналів, тим більше повинен працювати ресівер (або базовий процесор). Це належить можливості вашого чіпа - ... і, безумовно, кількості корисних спостережень та даних для вашої програми. У будь-який момент відмова повинен бути:

1. Що я хочу отримати для своєї заявки?
2. Скільки даних мені потрібно для отримання надійного рішення?
3. Скільки можливостей обробки я маю, щоб отримати надійне рішення?
4. Скільки я хочу / мушу контролювати своє рішення?

для подальшого читання:

• дуже хороший опис приймача від ESA
• Огляд респондентів GNSS 2014 року
• Артикул багатозвукового приймача на одній єдиній дошці (GPS World)
• Авіала-Родрігес та ін. (2007): Модуляція MBOC, Indside GNSS, 2 (6): 43-58 ( онлайн )
• Гоо та ін. (2013): Створення широкосмугового багатосхилого приймача, GPS World, 24 (3): 36-42
• План сигналу Галілея
• План сигналу GPS
• План сигналів ГЛОНАСС
• План сигналу КОМПАСИ

Перша відповідь вже дуже хороша. У мене є лише одне додати. Я працюю над програмним забезпеченням GPS 2 роки, я знаю, що для відстеження одного супутника потрібно 6 кореляторів. Це тому, що супутниковий сигнал GPS має дві складові (I і Q гілки, начебто представляють складний сигнал за синусом і косинусом). Для кожної гілки потрібно створити затримку, вчасно та вдосконалені псевдовипадкові послідовності чисел та обчислити їх кореляцію із супутниковим сигналом. Отже, для відстеження 12 каналів лише для сигналу L1 потрібен 12 х 6 кореляторів. Якщо ви також хочете робити L2C, L5 або Galileo, вам потрібно більше кореляторів.

Відповідь полягає в тому, що ви цього не робите. Останній сімейство GPS-приймачів u-Blox з гордістю може похвалитися "Високопродуктивним GPS з понад 2 мільйонами кореляторів". Що це означає, що я не дуже впевнений, але продавцеві це дуже добре!