GPS для Cubesats - 8 км / сек слишком быстро для потребительских чипов?


10

Спутники на низкой околоземной орбите движутся со скоростью около 8 км / с. Большинство потребительских GPS-чипов все еще используют ограничения CoCom 1000 узлов, около 514 м / с. Лимиты CoCom - это добровольные лимиты на экспорт, о которых вы можете прочитать больше в этом вопросе и ответе, а также в этом вопросе и ответе и в других местах.

Для этого вопроса, давайте предположим, что они являются числовыми пределами в разделе вывода прошивки. Чип должен фактически рассчитать скорость (и высоту), прежде чем он сможет решить, превышен ли предел, а затем либо представить решение для вывода, либо заблокировать его.

При скорости 8000 м / с доплеровский сдвиг на частоте 2 ГГц составляет около 0,05 МГц, что составляет небольшую долю естественной ширины сигнала из-за его модуляции.

Есть несколько компаний, которые продают устройства GPS для кубов, и они дороги (от сотен до тысяч долларов) и, вероятно, стоят каждого копейки, потому что (по крайней мере, некоторые из них) предназначены для спутниковых применений и космических испытаний.

Не обращая внимания на реализацию ограничений CoCom и все другие вопросы работы в космосе, кроме скорости , есть ли причины, по которым современный GPS-чип с максимальной скоростью 500 м / с не сможет работать на скорости 8000 м / с? Если так, то кто они?

примечание: 8000 м / с, деленное на c (3E + 08 м / с), дает расширение / сжатие принимаемых последовательностей примерно на 27 частей на миллион. Это может повлиять на некоторые реализации корреляции (как в аппаратном, так и в программном обеспечении).


3
Первая причина, которая приходит мне в голову, состоит в том, что нет смысла даже тестировать, не говоря уже о разработке для этих скоростей, поэтому работать здесь - просто удача или совпадение.
PlasmaHH

2
Я с PlasmaHH на этот раз. Если я собираюсь выпустить продукт, который 99,9% моих клиентов будут использовать на типичных автомобильных скоростях или меньше, не стоит потратить деньги на его тестирование со скоростью 8000 км / ч, даже если я ожидаю, что он будет работать. Излишне говорить, что глупо ставить в спецификации то, что вы не проверяли.
Дмитрий Григорьев

3
@DmitryGrigoryev GPS-тестирование обычно выполняется с помощью имитатора сигнала - скорость - это просто введенное число. Это не стоит проверять, и хорошие инженеры всегда хотят знать предел производительности проекта. Но, пожалуйста, мой вопрос, спрашивающий, какая часть функции GPS, скорее всего, выйдет из строя первой на высокой скорости, а не «что бы вы сделали, если бы были инженером по продукту».
ухо

2
@uhoh Возможно , они будут проверены на 8000 км в час с использованием тренажера. Тем не менее, я бы не стал указывать этот номер в спецификации, не проверив реальную вещь Я видел множество вещей, работающих на симуляторе или на испытательном стенде, а затем эффектно провалился на практике.
Дмитрий Григорьев

1
@DmitryGrigoryev мы можем отойти от того, что бы вы сделали, если бы вы ...
ухо

Ответы:


6

Я бы не советовал использовать интегрированное решение GPS (содержащее микроконтроллер и встроенное программное обеспечение с закрытым исходным кодом) для спутникового приложения. Есть несколько причин, по которым это может не сработать:

  1. Частотный план внешнего интерфейса может быть оптимизирован для ограниченного доплеровского диапазона. Как правило, интерфейс RF будет смешивать сигнал до ПЧ ниже 10 МГц (более высокая ПЧ потребует более высокой частоты дискретизации и потребляет больше энергии). Этот ЕСЛИ не выбран произвольно! Соотношение IF / частота дискретизации должно быть негармоничным для всего диапазона доплеровских частот, чтобы избежать ложных тонов от ошибок усечения / d в дискретизированном сигнале. Вы можете наблюдать эффекты биения, которые делают сигнал непригодным к использованию при некоторых допплеровских скоростях.
  2. Коррелятор цифрового домена должен воспроизводить точную копию несущей и кода C / A с правильной скоростью, включая доплеровские эффекты. Он использует DCO (генераторы с цифровым управлением) для ускорения генерации несущей и кода, которые настраиваются через регистры конфигурации от MCU. Ширина битов этих регистров может быть ограничена доплеровским диапазоном, ожидаемым для наземного приемника, что делает невозможным настройку канала на сигнал, если вы путешествуете слишком быстро.
  3. Прошивка должна будет выполнить холодное обнаружение, если нет доступной оценки положения / времени. Он будет искать доплеровские частотные интервалы и фазы кода, чтобы найти сигнал. Диапазон поиска будет ограничен диапазоном, ожидаемым для наземного пользователя.
  4. Микропрограмма обычно использует фильтрацию Калмана для определения местоположения. Это включает в себя модель положения приемника / скорости / ускорения. Хотя ускорение не будет проблемой для спутника, модель не справится со скоростью, если встроенное ПО не приспособлено для использования на орбите.

Все эти проблемы могут быть решены, если вы используете свободно программируемый интерфейс и коррелятор с пользовательской прошивкой. Вы можете, например, посмотреть на Пикси .


Для точки 1. (ширина полосы входного сигнала) исходная ширина полосы сигнала намного шире, чем доплеровский сдвиг - рассмотрим наихудший случай, когда относительные скорости около 10 км / с против скорости света 3E + 05 км / с будут около 50 кГц. Но 2, 3, 4 звучат как потенциальные препятствия для оптимизированных потребителями чипов и прошивок.
ухо

2
@uhoh: Я согласен с твоим аргументом о пропускной способности, но пункт 1 не о пропускной способности. Я должен был объяснить лучше. Если ваша частота дискретизации равна 16 368 000 / с, а сигнал в ПЧ центрируется на 4 092 000 Гц, и у вас есть А / Д с разрешением 4 бита, тогда у вас есть проблемы с биением. Каждая ошибка усечения образцов будет идти в одном направлении. Существует множество таких плохих мест (нулевой ЕСЛИ - еще один действительно плохой, но любая гармоника плохая). Вы хотите сохранить расстояние (зависит от периода интеграции) до этих точек для любого ожидаемого допплера.
Андреас

Отлично, большое спасибо за этот ответ! Это дает мне глубокое понимание того, что происходит. Я все еще не понимаю ошибку избиения / усечения, но я могу пойти почитать и, возможно, задать вопрос позже. У меня другой вопрос ACD, который связан с высокочастотными трехбитными АЦП (у PiSky есть 3-битный АЦП).
ухо

1
Это связано с отношением S / N отдельных сэмплов, что действительно плохо. Инвестиции в повышение точности в АЦП не улучшат общую производительность системы. Это сложный компромисс, я постараюсь дать полезный ответ на ваш вопрос ALMA.
Андреас

4

Некоторые люди реализуют COCOM как или , другие как и . В любом случае, для квалифицированных клиентов в EAR или ITAR поставщики с радостью продадут вам вариант прошивки за $$$, который отключает эту функцию. Аппаратное обеспечение идентично.

Помимо этого жесткого ограничения, оно становится проблемой радиочастотной связи, наряду с разработкой оборудования для переноса радиационных воздействий. Ваш Eb / N0, вероятно, будет несколько лучше, поскольку вы (буквально) ближе к SV и избегаете атмосферных потерь в тракте, но вашей приемной схеме также потребуется допустить значительное количество доплеровского сдвига.

Кстати, CubeSats интересует не только позиция - время GPS является ценным товаром данных, который помогает спутнику выяснить, где он находится, учитывая TLE. Даже если получатель отказывается предоставить вам должность из-за COCOM, если он дает время, это может стоить того.


Что означают «Eb / N0» и «SV»? Вы точно знаете, сообщается ли фактическое время, когда пространственные координаты заблокированы, или вы просто имеете в виду сигнал 1pps? Обратите внимание, я уточнил: «Игнорирование реализации ограничений CoCom и всех других вопросов работы в космосе, кроме скорости ..»
ухх

Два года назад спутники были реклассифицированы как «не боеприпасы», поэтому ITAR больше не применяется, но теперь EAR применяется, как вы упомянули. Есть еще РКРТ и Вассенаарские договоренности, а возможно, и больше!
ухо

3
@uhoh Я предполагаю, что термин Eb / N0 => отношение сигнал / шум и SVs => космические аппараты (фактические спутники GPS)
user2943160

@ user2943160 Спасибо, имеет смысл. Я всегда пытаюсь узнать что-то новое - если Eb - это конкретный термин, я бы хотел его изучить.
ухо

В последнее время я просто много общаюсь, Eb / No - это просто «нормализованное» SNR или SNR на бит. На самом деле, возможно, было бы правильнее использовать SNR или RSSI в этом ответе. К счастью, я слышал, что некоторые чипсеты (я думаю, SiRF) будут сообщать о времени, но замораживают вас, но я лично не подтвердил это.
Крунал Десаи

2

Если этот документ на примере архитектуры GPS является репрезентативным, то микросхемы состоят из РЧ-интерфейса, аппаратных корреляторов в цифровой области, и все фактическое декодирование сигнала выполняется программно.

В этом случае единственной вероятной проблемой является допплер. Программное обеспечение может отбрасывать «исключительные» значения, но вам все равно придется заменить или изменить прошивку, если вы хотите обойти ограничения CoCom.

Более интересный вопрос - можете ли вы позаимствовать симулятор GPS, который можно запрограммировать для имитации высокоскоростного случая. Я бы подумал, что это будет возможно - в конце концов, как производитель будет проверять, что их устройство применяет ограничения CoCom?


3
Обратите внимание, что даже при скорости 0 км / ч вам приходится иметь дело с доплеровским режимом, поскольку спутники уже движутся со скоростью 8000 м / с.
Дмитрий Григорьев

Мне нравится твоя логика! Это действительно сдвиг (до) +/- 60 кГц, применяемый по-разному к каждому спутниковому сигналу, хороший шанс, что большинство симуляторов могут это сделать. Просто для протокола, я на самом деле не делаю этого - я просто спрашиваю об этом!
ухо

2
Нет @DmitryGrigoryev вы не правы насчет 8000. Они движутся гораздо медленнее, потому что они находятся на гораздо более высоких орбитах. Но вы правы, что помимо движения GPS есть много доплеровских. Это хороший момент!
ухо

@uhoh Моя ошибка. Мой комментарий должен читать 14 000 км / ч вместо этого.
Дмитрий Григорьев

5
Это намного менее актуально на земле - скорость, тангенциальная к наблюдателю, не вызывает допплера. Это , однако вызывает небольшой релятивистский эффект: physics.stackexchange.com/questions/1061/...
pjc50

2

Это действительно зависит от реализации. Например, один приемник, над которым я работал, имеет частотный регистр NCO несущей с фиксированной точкой в ​​каждом канале коррелятора шириной 17 бит. Максимальное значение, которое может быть сохранено в этом регистре, соответствует примерно 6 км / с, а также должно включать вклад от ошибки тактовой частоты приемника. Таким образом, он не сможет отслеживать спутники, у которых скорость дальности превышает этот предел, которых было бы довольно много, если бы приемник двигался с орбитальной скоростью.


1

Cubesats можно использовать с готовыми коммерческими GPS-устройствами стоимостью менее 1000 $. Производитель снимает ограничения, поэтому можно надеяться, что они смогут протестировать их без них. У них есть эмуляторы GPS или доступ к ним.

Пределы кокоса должны быть сняты производителем, и производитель будет делать это только в том случае, если вы можете получить исключение от своего правительства. Я не уверен, что процесс, но я знаю, что это возможно, по крайней мере, в США. За пределами США это может быть почти невозможно.

Я не знаю точности блока GPS, но все еще существуют ионосферные эффекты, которые необходимо учитывать, если вы летите в LEO. Вам также понадобится приличная система ADCS для оценки вашего положения космических кораблей.


Разве ионосферные эффекты все еще не вызывают ошибки в масштабе метров или в худшем случае десятки метров? Если кубат не выполняет то, что требует миллисекундной синхронизации, или полет на основе GPS, это не будет иметь значения для большинства кубов. Это хорошо помнить, хотя, спасибо!
ухо
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.