GPS для Cubesats - чи швидкість 8 км / сек для споживчих фішок?

Супутники на низькоземній орбіті рухаються близько до 8 км / сек. Більшість GPS-чіпів GPS-класів все ще використовують ліміти CoCom в 1000 вузлів, близько 514 м / с. Ліміти CoCom - це добровільні ліміти експорту, про які ви можете прочитати детальніше у цьому питанні та відповіді, а також у цьому питанні та відповіді та в інших місцях.

Для цього питання припустимо, що вони є числовими межами у вихідному розділі мікропрограмного забезпечення. Чип повинен насправді обчислити швидкість (та висоту), перш ніж він зможе вирішити, чи буде перевищено межу, а потім або представити рішення на вихід, або заблокувати його.

При 8000 м / с доплерівський зсув на 2 ГГц становить приблизно 0,05 МГц, що є невеликою часткою природної ширини сигналу внаслідок його модуляції.

Є кілька компаній, які продають GPS-пристрої за кубати, і коштують вони дорого (сотні до тисяч доларів) і, мабуть, коштують кожної копійки, оскільки (принаймні деякі з них) розроблені для супутникових додатків і перевірених космічних приміщень.

Ігноруючи виконання лімітів CoCom та всі інші питання роботи в космосі, окрім швидкості , чи є якісь причини, чому сучасний чіп GPS, що скорочується зі швидкістю 500 м / с, не зможе працювати на швидкості 8000 м / с? Якщо так, то що вони?

Примітка: 8000м / с розділене на c (3E + 08m / s) дає приблизно 27ppm розширення / стиснення отриманих послідовностей. Це може вплинути на деякі реалізації кореляції (як у апаратному, так і в програмному забезпеченні).

Я б не радив використовувати комплексне рішення GPS (що містить MCU та мікропрограмне забезпечення із закритим джерелом) для супутникового застосування. Є кілька причин, через які це може не працювати:

1. План частоти фронтальної частоти може бути оптимізований для обмеженого діапазону доплерів. Зазвичай, RF-інтерфейс буде змішувати сигнал до коефіцієнта IF нижче 10 МГц (більш високий коефіцієнт випробування зажадає більшої швидкості дискретизації та споживає більше енергії). Цей ІФ не обраний довільно! Коефіцієнт IF / samplerate має бути негармонічним для всього діапазону доплерів, щоб уникнути помилкових тонів від помилок a / d-усічення в вибірковому сигналі. Ви можете спостерігати ефекти биття, які роблять сигнал непридатним при деяких швидкостях доплера.
2. Цифровий коректор домену повинен відтворювати репліку носія та код C / A з правильною швидкістю, включаючи доплерівські ефекти. Він використовує DCO (цифрові керовані осцилятори) для темпування генерації носіїв та коду, які налаштовуються через регістри конфігурації з MCU. Бітова ширина цих регістрів може бути обмежена діапазоном доплерів, очікуваним для наземного приймача, що робить неможливим налаштування каналу на сигнал, якщо ви їдете занадто швидко.
3. Прошивка повинна буде зробити холодне придбання, якщо не доступна оцінка позиції / часу. Він буде шукати доплерівські частотні відрізки та кодові фази, щоб знайти сигнал. Діапазон пошуку буде обмежений діапазоном, очікуваним для наземного користувача.
4. Прошивка, як правило, використовує фільтрацію кальмана для рішення позицій. Це передбачає модель положення / швидкості / прискорення приймача. Хоча прискорення не буде турботою для супутника, модель не матиме швидкості, якщо прошивка не буде адаптована для використання на орбіті.

Усі ці проблеми можна вирішити, якщо ви користуєтесь вільно програмованим інтерфейсом та корелятором із власною програмою. Ви можете подивитися на Piksy .

Деякі люди реалізують COCOM як або , інші як і . Так чи інакше, для кваліфікованих клієнтів під EAR або ITAR постачальники із задоволенням продають вам опцію прошивки для $$$, яка вимикає цю функціональність. Обладнання ідентичне.

Поза жорстким обмеженням, це стає проблемою радіочастотного зв'язку, а також розробкою обладнання для переносу радіаційних впливів. Ваш Eb / N0, ймовірно, буде дещо кращим, оскільки ви (буквально) ближче до СВ і уникаєте втрати атмосферного шляху, але ваша схема прийому також потребує переносити значну кількість допплерів.

Це не просто позиція, хоча CubeSats цікавить, до речі - час GPS - це цінний товар, який допомагає супутникові з’ясувати, де він знаходиться, з огляду на TLE. Навіть якщо одержувач відмовляється дати вам посаду завдяки COCOM, якщо він надає час, це може бути вартим того.

Якщо цей документ на прикладі архітектури GPS є репрезентативним, то мікросхеми складаються з RF-фронту, апаратних кореляторів у цифровій області, а все фактичне декодування сигналу виконується в програмному забезпеченні.

У такому випадку єдина ймовірна проблема - доплер. Програмне забезпечення може відкинути "виняткові" значення, але вам потрібно буде все-таки замінити або змінити мікропрограмне забезпечення, якщо ви хочете обійти ліміти CoCom.

Більш цікавим питанням є те, чи можна взяти GPS- симулятор, який можна запрограмувати для імітації високошвидкісного випадку. Я б подумав, що це можливо - зрештою, як виробник перевірить, що їх пристрій застосовує ліміти CoCom?

Це реально залежить від реалізації. Наприклад, один приймач, над яким я працював, має регістр частоти NCO з фіксованою точкою у кожному каналі корелятора, шириною 17 біт. Максимальне значення, яке може зберігатися в цьому реєстрі, відповідає приблизно 6 км / с, а також має включати внесок від помилки тактової частоти приймача. Таким чином, він не зможе відстежувати супутників, швидкість дальності яких перевищує цю межу, що було б досить багато, якщо приймач рухається з орбітальною швидкістю.

Кубезати можна використовувати з комерційними GPS-колами, що не входять в комплект, ніж 1000 доларів. Виробник знімає обмеження, тож можна сподіватися, що вони зможуть протестувати з видаленими ними. Вони мають емулятори GPS або доступ до них.

Виробник повинен зняти ліміти кокосу, і виробник зробить це лише у випадку, якщо ви зможете отримати виняток через уряд. Я не впевнений, що процес є, але я знаю, що це можливо, принаймні, в США. За межами США це може бути майже неможливим.

Я не знаю точності GPS-пристрою, але все ж є іоносферні ефекти, які потрібно враховувати, якщо ви летите в LEO. Вам також знадобиться гідна система ADCS, щоб оцінити ваше положення космічних кораблів