Чому GPS смартфона знаходить своє положення набагато швидше, ніж GPS-модуль?

Коли я використовую GPS-модуль arduino, то зазвичай потрібно кілька хвилин, щоб почати надсилати дані. Здається, що це зазвичай у всіх GPS-модулях, оскільки їм потрібно певний час «слухати» супутники. Однак кожного разу, коли я використовую внутрішній GPS свого телефону, він знаходить своє положення за лічені секунди. Чому так?

Є кілька речей, які впливають на час першого виправлення (TTFX) .

1. Отримання альманаху та ефемерів. Ці дві речі технічно трохи відрізняються одна від одної, але для наших цілей ми будемо ставитися до них як до однакових. Вони є місцями супутників, і вам потрібно знати, де вони знаходяться, щоб визначити свою власну позицію. Кожен супутник передає всю партію приблизно раз на 12 хвилин. Тож від повністю холодного старту з одноканальним приймачем та гідним сигналом TTFX буде не менше 12 хвилин. Ви можете пришвидшити речі:

   • Замість цього завантаження з Інтернету - як правило, хороший вибір для телефонів. Завантаження альманаху та ефемериди таким чином відоме як GPS з підтримкою MSB.
   • Пам’ятайте альманах минулого разу (він корисний протягом багатьох тижнів) і завантажуєте лише ефемериди.
   • Маючи в пристрої більше одного приймаючого каналу, щоб ви могли прослуховувати більше одного супутника одночасно. Трансмісії укладаються вгору, щоб зробити цю роботу, і з деякою обережністю ви можете використовувати ефемериди без альманаху, що економить багато часу. Переважна більшість модулів на ринку в наші дні мають кілька каналів, тому рідко можна знайти такий, який ще потребує 12 хвилин.

2. Ідентифікація супутників. Вам потрібно прослухати щонайменше три супутники, бажано більше, щоб добре виправити, але кожен приймач (відомий як корелятори) може налаштовуватися лише на один. Якщо ви приблизно знаєте, де ви перебуваєте, який час, і вже маєте альманах, то ви можете здогадатися, які супутники ви можете бачити. Телефони, як правило, знають, звідки вони розпізнають сигнали Wi-Fi або Bluetooth, знаючи, яку мобільну вежу вони використовують та інші джерела. Вони також регулярно отримують дуже точні оновлення часу, тому зазвичай можуть йти прямо за правильним супутником. І телефони, і більші модулі також можуть запам'ятати, коли і де вони востаннє використовувалися, і використовувати це для початку.

3. Кількість кореляторів. У зв'язку з дуже низьким рівнем сигналу-шуму GPS-сигналів, для їх отримання потрібен спеціальний апарат. Деякі приймачі мають лише один, і їх потрібно обертати навколо супутників. Інші мають більше і можуть слухати більше одразу. Тож навіть якщо ви вже маєте альманах / ефемериди і приблизно знаєте, де ви перебуваєте, то більше кореляторів все одно допоможе вам швидше виправити. Ви можете подумати, що більше завжди краще, але більше збільшує витрати та енергоспоживання. Деякі телефони та модулі мають більше, ніж інші.

4. Сигнал та антени. Корелятори виконають свою роботу швидше, якщо у вас буде хороший сигнал-шум, що надходить у них. Дуже погані сигнали можуть не працювати взагалі. Хороший дизайн антени, підсилювач, вид на небо та хороша компонування друкованої плати можуть змінити все. Деякі модулі можуть працювати нормально поза коробкою, а набагато краще, якщо антена підключена.

5. Кількість корисних супутників. Насправді є два великих сузір'я супутників, GPS (керований США) та GLONASS (управляється Росією). Будується також більше: Galileo (ЄС) та BeiDou-2 (Китай), а також деякі з місцевим покриттям, наприклад, індійський NAVIC або BeiDou-1. У приймачі, який може працювати із супутниками з декількох сузір'їв, можна вибрати більше супутників і отримає швидше та точніше виправлення.

6. Якість кореляторів. Нові конструкції обладнання краще, ніж старі, і зможуть краще відібрати фрагменти GPS-повідомлення в шумному сигналі. Ще одна хитрість телефонів - це захоплення фрагментів сигналу та передача їх через Інтернет на сервер із дуже хорошим програмним корелятором та повний альманах / ефемерид для вивчення. Це відомо як GPS Assisted GPS.

7. Деякі телефони (і навіть декілька модулів) можуть також використовувати деякі хитрі хитрощі, щоб уникнути або приховати довгий TTFX. Оскільки вони постійно працюють, вони можуть ненадовго ввімкнути GPS, не повідомляючи користувача про те, щоб розташування та ефемери були майже в актуальному стані. Інші можуть відображати недавню позицію, поки все ще чекаєте справжнього виправлення, яке більшу частину часу виглядає як хороший TTFX, але виглядає погано, якщо виявиться, що позиція дуже неправильна.

Точка 1 вище - це найбільше значення, і зазвичай це ключова річ, яка відрізняється між базовими модулями, більш досконалими модулями та телефонами. Інші зазвичай мають меншу різницю, але це насправді може стати дуже складною справою. Якщо ви хочете прочитати більше, то "час для спочатку виправлення GPS" - це термін для пошуку.

Операційна система стільникового телефону завантажує дані мережі альманаху GPS (супутникові ефемери та інформацію про стан) через Інтернет через мобільну мережу та завантажує їх у модуль GPS набагато швидше, ніж потрібно для завантаження даних із супутників GPS безпосередньо на 50 bps ( так, це 50 біт на секунду, GPS - це досить стара технологія, оптимізована для роботи при дуже низькому SNR), що значно пришвидшує час для першого виправлення. Це називається Assisted GPS. Це також, ймовірно, має дуже точну початкову відліку часу від модему стільника (вежі стільникового зв'язку, як правило, синхронізуються за допомогою GPS), а також, можливо, грубу оцінку місця розташування від модему комірки. Все це в сукупності різко зменшує кількість пошуків, які повинен приймати приймач - він знає, які супутники він повинен мати змогу бачити, тому він шукає лише тих, і йому не потрібно чекати, поки супутники зможуть передати ціле повідомлення.

Інші відповіді вже пояснювали "як" і "чому", тому все, що мені залишилося, - це "що": це називається A-GPS (допоміжний GPS, іноді також називається прискореним або розширеним GPS) .

Іншими словами: причина, чому GPS телефону працює швидше, ніж "GPS GPS", полягає в тому, що телефон не використовує "GPS", він використовує aGPS.

Частина відповіді тут полягає в тому, що GPS мобільного телефону - це не просто GPS. Cell також використовує іншу інформацію для геолокації, наприклад триангуляцію веж стільникового телефону та видимість мереж wifi. Наприклад, неклітинна версія iPad Air не має фактичного GPS, але все ще знає, де ви знаходитесь в забудованих районах, використовуючи ці методи.

Просто хотілося трохи детальніше розповісти про те, що відбувається, коли старші приймачі чекають даних. Іншими словами, чому цей альманах (і запам'ятоване положення) настільки корисний?

Сигнали GPS дуже слабкі. Враховуючи відстань, сигнал знаходиться значно нижче рівня шуму, коли він досягає землі. Ви ніколи не виявите безпосередньо супутник, якби просто дивились сканування діапазону за правильною частотою.

Спосіб отримання одержувача отримує інформацію шляхом порівняння вхідного сигналу з конкретною схемою (за допомогою кореляції FFT). Якщо використовується правильна схема, то кореляція вирівнюється і дані можна побачити.

Для простого, старого стилю приймача до цього моменту потрібні дві речі від корелятора пристрою: частота повідомлення від супутника та фаза повідомлення (вишикується шаблонами). Якщо будь-яке з них невірно, кореляція є невдалою і нічого не виявляється. Рухи супутників означають, що прийнятий сигнал зазнає відносно великих доплерівських зрушень.

Маючи альманах та добре уявляючи поточне місцеположення та час, приймач може оцінити відносні рухи супутника та приймача, щоб зняти більшу частину доплерівського зсуву та наблизитись до частоти. Це означає, що корелятор, як правило, може прийти до удару, просто приміряючи різні фази для схеми сигналу. Цей фазово-просторовий пошук можна здійснити за кілька секунд.

Якщо альманах відсутній, або якщо немає оцінки поточного місцезнаходження та часу, система повинна спробувати різні фази та різні частоти, щоб отримати дані з кожного супутника. Тепер, коли потрібно шукати в двох різних вимірах, може знадобитися кілька хвилин навіть для багатоканальної системи, щоб "знайти" 3 супутники грубою силою.

Сучасні набори мікросхем можуть використовувати додаткові сигнали та безліч паралельних компараторів для прискорення пошуку, навіть без наявності A-GPS. Я підозрюю, що чіпсет, який ви отримуєте на екрані Arduino, напевно, старший / дешевший, і ці нові функції не використовуватимуться.

У США FCC вимагає, щоб оператори стільникового зв'язку мали можливість ідентифікувати місцезнаходження абонента при наборі служб екстреної допомоги до 300 метрів протягом 6 хвилин від початкового телефонного дзвінка до 11 вересня 2012 року.

Це було поступово поетапно впродовж попередніх років, і вимога була посилена як у відстані, так і в часі до звіту про місцезростання в наступні роки.

Компанії стільникового зв'язку не могли гарантувати цього у віддалених районах, де лише одна або дві стільникові вежі знаходилися в контакті з мобільним телефоном, а також у міських умовах, де відображення та щільність будівлі перешкоджали розташуванню, навіть коли телефон мав декілька веж, які він міг отримати. GPS-мікросхеми не змогли забезпечити це протягом необхідного часу при досить низькій потужності, щоб стільниковий телефон все-таки був комерційно життєздатним (на той час, коли ця вимога була введена. Чипсети зараз набагато ефективніші та швидкіші, частково через вимогу що кожен телефон містить деякий або весь GPS чіпсет). Крім того, GPS-чіпсети були дуже дорогими щодо інших компонентів телефону.

Таким чином, вони створили кілька різних конкуруючих систем, які підпадають під функцію "AGPS" для Assisted GPS.

Технологія, яка працює за цими різними системами AGPS, відрізняється, іноді сильно.

Найдешевші стільникові системи AGPS записують кілька мілісекунд сигналу радіочастоти GPS, відправляють його на сервер AGPS, який потім, знаючи приблизне розташування телефону, може використовувати цей фрагмент GPS РФ для визначення набагато більш точного положення. Ці телефони не можуть отримати координати GPS без хорошого стільникового зв'язку.

Деякі мають повноцінні набори GPS, але дозволяють телефоні надавати їм альманах та ефемериди - два фрагменти інформації, які дозволяють чіпсету отримати виправлення протягом декількох секунд - після чого він використовує свої звичайні методи для отримання результатів позиції. Враховуючи час, ці телефони можуть отримати положення незалежно від їх мережі.

Більшість наборів мікросхем GPS дозволяють завантажувати в них інформацію про ефемери та альманахи, тож якщо ваш пристрій arduino має підключення до Інтернету і у вас є доступ до сервера AGPS, ви можете прискорити виправлення GPS аналогічним чином. Однак для більшості проектів просто додавання батареї літієвої батареї до правого штифта на GPS-приймачі дозволяє їй тримати останнє оновлення альманаху та ефемерій, а оскільки зміни невеликі за короткий проміжок часу, це значно прискорює перше виправлення, оскільки доки пристрій не проїхав тисячі миль, і він працює щодня.