GPS dla Cubesats - czy prędkość 8 km / s jest zbyt duża dla chipów konsumenckich?

10

Satelity na niskiej orbicie ziemskiej poruszają się blisko 8 km / s. Większość chipów GPS klasy konsumenckiej nadal wykorzystuje limity CoCom wynoszące 1000 węzłów, około 514 m / s. Limity CoCom są dobrowolnymi limitami dla eksportu, o których można przeczytać więcej w tym pytaniu i odpowiedzi oraz w tym pytaniu i odpowiedzi i gdzie indziej.

W przypadku tego pytania załóżmy, że są to ograniczenia liczbowe w części wyjściowej oprogramowania układowego. Chip musi faktycznie obliczyć prędkość (i wysokość), zanim będzie mógł zdecydować, czy limit został przekroczony, a następnie albo przedstawić rozwiązanie wyjścia, albo je zablokować.

Przy 8000 m / s przesunięcie Dopplera przy 2GHz wynosi około 0,05 MHz, niewielki ułamek naturalnej szerokości sygnału ze względu na jego modulację.

Istnieje kilka firm, które sprzedają urządzenia GPS do kostek i są one drogie (od setek do tysięcy dolarów) i prawdopodobnie warte każdego grosza, ponieważ (przynajmniej niektóre z nich) są przeznaczone do zastosowań satelitarnych i testowane w przestrzeni kosmicznej.

Ignorując wdrożenie limitów CoCom i wszystkie inne kwestie związane z działaniem w przestrzeni kosmicznej oprócz prędkości , czy istnieją jakieś powody, dla których nowoczesny układ GPS z prędkością maksymalną 500 m / s nie byłby w stanie pracować z prędkością 8000 m / s? Jeśli tak, jakie one są?

Uwaga: 8000 m / s podzielone przez c (3E + 08 m / s) daje około 27 ppm ekspansji / kompresji odebranych sekwencji. Może to wpływać na niektóre implementacje korelacji (zarówno w sprzęcie, jak i oprogramowaniu).

gps O o
źródło
3
Pierwszym powodem, który przychodzi mi na myśl, jest to, że nie ma sensu nawet testować, nie mówiąc już o projektowaniu dla tych prędkości, dlatego praca tam jest tylko szczęściem lub przypadkiem.
PlasmaHH,
2
Jestem z PlasmaHH w tej sprawie. Jeśli mam wypuścić produkt, z którego 99,9% moich klientów będzie korzystać przy typowych prędkościach samochodowych lub mniejszych, nie warto testować go przy prędkości 8000 km / h, nawet jeśli spodziewam się, że zadziała. Nie trzeba dodawać, że głupotą jest umieszczanie specyfikacji, której nie testowałeś.
Dmitrij Grigoriew
3
@DmitryGrigoryev Testowanie GPS zwykle odbywa się za pomocą symulatora sygnału - prędkość jest tylko wprowadzoną liczbą. Sprawdzanie nie kosztuje , a dobrzy inżynierowie zawsze będą chcieli poznać limit wydajności projektu. Ale proszę, moje pytanie z pytaniem, która część funkcji GPS najprawdopodobniej jako pierwsza zawiedzie przy dużej prędkości, a nie „co byś zrobił, gdybyś był inżynierem produktu”.
uhoh,
2
@ uhoh Być może są one testowane przy prędkości 8000 km / h przy użyciu symulatora. Mimo to nie podałbym tej liczby w specyfikacji bez przetestowania prawdziwej rzeczy. Widziałem wiele rzeczy pracujących na symulatorze lub stanowisku testowym, a potem spektakularnie zawodziło w praktyce.
Dmitrij Grigoriew
1
@DmitryGrigoryev, czy możemy odejść od tego, co byś zrobił, gdybyś ...
uhoh

Odpowiedzi:

6

Nie radziłbym używać zintegrowanego rozwiązania GPS (zawierającego MCU i oprogramowanie układowe o zamkniętym źródle) dla aplikacji satelitarnej. Istnieje kilka powodów, dla których może to nie działać:

  1. Plan częstotliwości nakładki może być zoptymalizowany dla ograniczonego zakresu dopplera. Zazwyczaj nakładka RF zmiksuje sygnał do IF niższego niż 10 MHz (wyższy IF będzie wymagał wyższej częstotliwości próbkowania i zużywał więcej energii). To IF nie jest arbitralnie wybrane! Iloraz IF / samplerat powinien być nieharmoniczny dla całego zakresu dopplerowskiego, aby uniknąć fałszywych tonów z błędów skracania a / d w próbkowanym sygnale. Możesz zaobserwować efekty uderzeń, które uniemożliwiają użycie sygnału przy niektórych prędkościach dopplerowskich.
  2. Korelator domeny cyfrowej musi odtwarzać replikę nośnika i kod C / A z prawidłową szybkością, w tym efekty Dopplera. Wykorzystuje DCO (oscylatory sterowane cyfrowo), aby przyspieszyć generowanie nośnika i kodu, które są dostrajane za pomocą rejestrów konfiguracji z MCU. Szerokość bitów tych rejestrów może być ograniczona do oczekiwanego zakresu Dopplera dla odbiornika naziemnego, co uniemożliwi dostrojenie kanału do sygnału, jeśli podróżujesz zbyt szybko.
  3. Oprogramowanie sprzętowe będzie musiało wykonać akwizycję na zimno, jeśli nie jest dostępna prognoza pozycji / czasu. Przeszukuje przedziały częstotliwości dopplera i fazy kodu, aby znaleźć sygnał. Zakres wyszukiwania będzie ograniczony do zakresu oczekiwanego dla użytkownika naziemnego.
  4. Oprogramowanie układowe zwykle korzysta z filtrowania Kalmana dla rozwiązań pozycji. Dotyczy to modelu położenia / prędkości / przyspieszenia odbiornika. Podczas gdy przyspieszenie nie będzie dotyczyło satelity, model zawiedzie pod względem prędkości, jeśli oprogramowanie układowe nie jest przystosowane do użycia na orbicie.

Wszystkie te problemy można rozwiązać, jeśli używasz dowolnie programowalnego interfejsu użytkownika i korelatora z niestandardowym oprogramowaniem układowym. Możesz spojrzeć na Piksy .

Andreas
źródło
W przypadku punktu 1. (szerokość pasma z przodu) pierwotna szerokość pasma sygnału jest znacznie szersza niż przesunięcie dopplerowskie - rozważ najgorszy przypadek przy prędkościach względnych około 10 km / s względem prędkości światła 3E + 05 km / s wyniesie około 50 kHz. Ale 2, 3, 4 brzmią jak potencjalne przełomowe układy dla zoptymalizowanych pod kątem konsumentów układów i oprogramowania układowego.
uhoh
2
@ uhoh: Zgadzam się z twoim argumentem dotyczącym przepustowości, ale punkt 1 nie dotyczy przepustowości. Powinienem był wyjaśnić lepiej. Jeśli częstotliwość próbkowania wynosi 16 368 000 / s, a sygnał w IF jest wyśrodkowany na 4092 000 Hz, a masz sygnał A / D o rozdzielczości 4 bitów, oznacza to, że masz problem z biciem. Każdy błąd obcięcia próbek pójdzie w tym samym kierunku. Istnieje cała masa takich złych punktów (zero IF to kolejna naprawdę zła, ale każda harmoniczna jest zła). Będziesz chciał zachować odległość (zależną od okresu integracji) do tych miejsc dla każdego oczekiwanego dopplera.
Andreas
Świetnie, dziękuję bardzo za tę odpowiedź! Daje mi to duży wgląd w to, co się dzieje. Nadal nie rozumiem błędu bicia / skracania, ale mogę trochę przeczytać i być może później zadać pytanie. Mam inne pytanie ACD, które jest związane z trzema bitowymi przetwornikami ADC wysokiej częstotliwości (PiSky ma 3-bitowy przetwornik ADC).
uhoh,
1
Ma to związek z S / N poszczególnych próbek, co jest naprawdę złe. Inwestowanie w ADC w większą precyzję nie poprawi tak bardzo ogólnej wydajności systemu. To skomplikowany kompromis, postaram się udzielić użytecznej odpowiedzi na twoje pytanie ALMA.
Andreas
4

Niektórzy wdrażają COCOM jako lub , inni jako i . Tak czy inaczej, dla wykwalifikowanych klientów w ramach EAR lub ITAR, sprzedawcy chętnie sprzedadzą ci opcję oprogramowania układowego dla $$$, która wyłącza tę funkcjonalność. Sprzęt jest identyczny.

Poza tym twardym ograniczeniem staje się problemem komunikacji RF, wraz z projektowaniem sprzętu tak, aby tolerował efekty promieniowania. Twój Eb / N0 będzie prawdopodobnie nieco lepszy, ponieważ jesteś (dosłownie) bliżej SV i unikniesz utraty ścieżki w atmosferze, ale twój obwód odbiorczy będzie musiał tolerować znaczną ilość Dopplera.

Nawiasem mówiąc, nie jest to tylko pozycja, którą interesują CubeSats - czas GPS jest cennym towarem danych, który pomaga satelicie dowiedzieć się, gdzie on jest, biorąc pod uwagę TLE. Nawet jeśli odbiorca odmawia podania pozycji z powodu COCOM, jeśli daje czas, to może być tego warte.

Krunal Desai
źródło
Co oznaczają „Eb / N0” i „SV”? Czy wiesz na pewno, czy rzeczywisty czas jest zgłaszany, gdy współrzędne przestrzenne są blokowane, czy masz na myśli tylko sygnał 1pps? Proszę zauważyć, że określiłem: „Ignorując wdrożenie limitów CoCom i wszystkie inne kwestie związane z działaniem w kosmosie oprócz prędkości ..”
uhoh,
Dwa lata temu satelity zostały przeklasyfikowane jako „nie-amunicja”, więc ITAR nie ma już zastosowania - ale teraz EAR ma zastosowanie, jak wspomniałeś. Nadal istnieją MTCR i Porozumienie z Wassenaar, a być może jeszcze więcej!
uhoh,
3
@ uhoh Zakładam, że terminem tym jest Eb / N0 => stosunek sygnału do szumu i SVs => pojazdy kosmiczne (rzeczywiste satelity GPS)
2943160
@ user2943160 Dzięki, ma sens. Zawsze staram się uczyć nowych rzeczy - jeśli Eb jest konkretnym terminem, chciałbym się tego nauczyć.
uhoh,
Ostatnio robiłem dużo komunikacji, Eb / No to po prostu „znormalizowany” SNR lub SNR na bit. Naprawdę prawdopodobnie bardziej trafne byłoby użycie SNR lub RSSI w tej odpowiedzi. Anegdotycznie słyszałem, że niektóre chipsety (myślę, że SiRF) nadal zgłaszają czas, ale zamrażają cię z pozycji, ale nie potwierdziłem tego osobiście.
Krunal Desai,
2

Jeśli ten artykuł na przykład o architekturze GPS jest reprezentatywny, wówczas chipy składają się z interfejsu RF, korelatorów sprzętowych w domenie cyfrowej, a całe rzeczywiste dekodowanie sygnału odbywa się w oprogramowaniu.

W takim przypadku jedynym prawdopodobnym problemem jest doppler. Oprogramowanie może odrzucać „wyjątkowe” wartości, ale i tak musisz wymienić lub zmodyfikować oprogramowanie, jeśli chcesz ominąć limity CoCom.

Bardziej interesującym pytaniem jest, czy możesz pożyczyć symulator GPS , który można zaprogramować do symulacji szybkiej skrzynki. Myślałem, że to możliwe - w końcu, w jaki sposób producent przetestowałby, że ich urządzenie stosuje limity CoCom?

pjc50
źródło
3
Zwróć uwagę, że nawet przy prędkości 0 km / h masz do czynienia z Dopplerem, ponieważ satelity poruszają się już z prędkością 8000 m / s.
Dmitrij Grigoryev,
Lubię twoją logikę! To naprawdę (+/-) 60 kHz przesunięcie zastosowane inaczej do każdego sygnału satelitarnego, duża szansa, że ​​większość symulatorów może to zrobić. Dla przypomnienia, tak naprawdę tego nie robię - po prostu o to pytam !
uhoh,
2
Nie @DmitryGrigoryev, mylisz się co do 8000. Poruszają się znacznie wolniej, ponieważ znajdują się na znacznie wyższych orbitach. Ale masz rację, że oprócz ruchu jednostki GPS jest mnóstwo dopplera. To dobra uwaga!
uhoh,
@ uhoh Mój błąd. Zamiast tego mój komentarz powinien brzmieć 14 000 km / h.
Dmitrij Grigoryev,
5
Jest to jednak znacznie mniej istotne na ziemi - prędkość styczna do obserwatora nie powoduje dopplera. Powoduje to jednak niewielki efekt relatywistyczny: physics.stackexchange.com/questions/1061/…
pjc50
2

To naprawdę zależy od implementacji. Na przykład jeden odbiornik, nad którym pracowałem, ma rejestr częstotliwości NCO o stałym punkcie nośnym w każdym kanale korelatora, o szerokości 17 bitów. Maksymalna wartość, którą można zapisać w tym rejestrze, odpowiada około 6 km / s, a także musi uwzględniać przyczynę błędu częstotliwości zegara odbiornika. Nie byłby więc w stanie śledzić satelitów, których zasięg przekracza tę granicę, co stanowiłoby ich całkiem sporo, gdyby odbiornik poruszał się z prędkością orbitalną.

pericynthion
źródło
1

Cubesats może być używany z dostępnymi na rynku komercyjnymi urządzeniami GPS o wartości mniejszej niż 1000 $. Producent usuwa ograniczenia, więc można mieć nadzieję, że będą w stanie przetestować je z usuniętymi. Mają emulatory GPS lub dostęp do nich.

Producent musi usunąć limity kokosowe, a producent zrobi to tylko wtedy, gdy uzyskasz wyjątek od swojego rządu. Nie jestem pewien tego procesu, ale wiem, że jest to możliwe przynajmniej w Stanach Zjednoczonych. Poza USA może to być prawie niemożliwe.

Nie znam dokładności jednostki GPS, ale nadal istnieją efekty jonosferyczne, które należy uwzględnić, jeśli lecisz w LEO. Będziesz także potrzebował przyzwoitego systemu ADCS do oszacowania pozycji statków kosmicznych

Skok napięcia
źródło
Czy efekty jonosferyczne nadal nie powodowałyby błędów na skali metrów, a najgorszego przypadku dziesiątek metrów? Chyba że czyjś cubesat robi rzeczy, które wymagają milisekundowego pomiaru czasu lub latania formacją opartą na GPS, nie będzie to miało znaczenia dla większości cubesat. Warto jednak pamiętać, dzięki!
uhoh