¿Cuántos canales de GPS tienen sentido?


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Necesita 4 canales para determinar su posición (incluida la elevación), y puedo entender que algunos canales adicionales aumenten la precisión. Sin embargo, hay un máximo de 12 satélites a la vista en cualquier momento, entonces, ¿por qué tener receptores con más canales? He visto receptores con 50 o incluso 66 canales , eso es más que el número de satélites.
No veo ninguna ventaja en esta explosión de número de canales, aunque supongo que aumenta el consumo de energía del receptor.
Entonces, ¿por qué necesito 66 canales?


Ahora la glonass es más necesaria para usar el sistema de Rusia. Más sobre América para que ambos también den una mejor resolución para Occidente.

Si bien tiene sentido, GLONASS necesitaría más canales, algunos detalles / referencias adicionales serían buenos. Podría ser una muy buena respuesta si describiera las frecuencias GLONASS (que supongo que son diferentes) y cómo encajan entre sí.
PeterJ

Respuestas:


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La respuesta es compleja debido a la forma en que funciona el sistema GPS, por lo que voy a simplificar varias cosas para que entienda el principio, pero si está interesado en cómo se implementa realmente, tendrá que buscar un buen GPS referencia. En otras palabras, lo que está escrito a continuación tiene la intención de darle una idea de cómo funciona, pero técnicamente es incorrecto de alguna manera. Lo siguiente no es lo suficientemente correcto como para implementar su propio software de GPS.

Antecedentes

Todos los satélites transmiten esencialmente en la misma frecuencia. Técnicamente están caminando sobre las señales de los demás.

Entonces, ¿cómo trata el receptor GPS con esto?

Primero, cada satélite transmite un mensaje diferente cada mS. El mensaje tiene una longitud de 1024 bits y es generado por un generador de números pseudoaleatorios.

El receptor GPS recibe el espectro completo de todos los transmisores, luego realiza un proceso llamado correlación: genera la secuencia específica de uno de los satélites, lo multiplica por la entrada de señal y, si su señal coincide exactamente con la señal de un satélite, entonces el correlacionador ha encontrado un satélite La mezcla esencialmente saca la señal del satélite del ruido y verifica que 1) tenemos la secuencia correcta y 2) tenemos el tiempo correcto.

Sin embargo, si no ha encontrado una coincidencia, tiene que cambiar su señal un bit e intentarlo nuevamente, hasta que haya pasado por todos los períodos de 1023 bits y no haya encontrado un satélite. Luego pasa a tratar de detectar un satélite diferente en un período diferente.

Debido al cambio de tiempo (1023 bits, 1,000 transmisiones por segundo), en teoría puede buscar completamente un código en un segundo para encontrar (o determinar que no hay nada) en un código en particular.

Debido al cambio de código (actualmente hay 32 códigos PRN diferentes, uno para cada satélite), por lo tanto, puede tomar más de 30 segundos buscar cada satélite.

Además, el cambio Doppler debido a la velocidad del satélite en relación con su velocidad de avance, significa que la base de tiempo podría desplazarse hasta +/- 10 kHz, por lo que es necesario buscar un correlacionador en aproximadamente 40 cambios de frecuencia diferentes antes de que pueda darse por vencido un particular PRN y tiempo.

Lo que esto significa

Esto nos deja con el posible peor de los casos (un satélite en el aire, e intentamos todo menos la coincidencia exacta primero) de un tiempo para arreglar primero un arranque en frío (es decir, no hay información sobre la hora o la ubicación del receptor, o ubicación de los satélites) de 32 segundos, suponiendo que no hagamos ninguna suposición, o realicemos algún truco inteligente, la señal recibida es buena, etc.

Sin embargo, si tiene dos correlacionadores, acaba de reducir a la mitad ese tiempo porque puede buscar dos satélites a la vez. Obtenga 12 correlacionadores en el trabajo y le llevará menos de unos segundos. Obtenga un millón de correlacionadores y, en teoría, puede tomar algunos milisegundos.

Cada correlacionador se llama un "canal" en aras de la comercialización. No está del todo mal: en cierto sentido, el correlacionador está demodulando una frecuencia codificada en particular a la vez, que es esencialmente lo que hace un receptor de radio cuando cambias de canal.

Sin embargo, hay muchas suposiciones que puede hacer un receptor GPS que simplifican el espacio del problema de manera que un receptor genérico de 12 canales puede obtener una solución, en el peor de los casos, en aproximadamente 1-3 minutos.

Si bien puede obtener una solución 3D con un GPS de 4 canales, cuando pierde una señal GPS (va más allá del horizonte o pasa por debajo de un puente, etc.), pierde la solución 3D y se dirige a la solución 2D con tres satélites mientras uno de sus canales vuelven al modo de correlación.

Ahora su receptor comienza a descargar las efemérides y el almanaque, lo que le permite buscar señales de manera muy inteligente. Después de aproximadamente 12 minutos, sabe exactamente qué satélites deberían estar a la vista.

Por lo tanto, la búsqueda va bastante rápido porque conoce la posición y el código de cada satélite, pero todavía tiene una solución 2D hasta que encuentre un nuevo satélite.

Sin embargo, si tiene un receptor de 12 canales, puede usar 4 de los canales más fuertes para proporcionar su solución, algunos canales para bloquear satélites de respaldo para que pueda cambiar los cálculos si es necesario, y varios canales para seguir buscando satélites el receptor debería poder ver. De esta manera nunca pierdes la solución 3D completa.

Como solo puede ver hasta 12 satélites, ¿por qué necesitaría más de 12 canales?

Hay aproximadamente 24 satélites GPS funcionando en un momento dado, lo que significa que en un punto de la tierra solo se puede ver la mitad de ellos.

Pero recuerde: solo puede buscar un satélite por correlacionador, por lo que la razón principal para aumentar los correlacionadores después de las doce es mejorar el tiempo de la primera reparación, y la razón principal para mejorar eso es el consumo de energía.

Si su chipset GPS tiene que estar alimentado todo el tiempo, es un drenaje de energía de 100mW todo el tiempo. Sin embargo, si solo necesita encenderlo una vez por segundo durante solo 10 mS cada vez, simplemente reduce el consumo de energía a 1 mW. Esto significa que su teléfono celular, baliza de ubicación, etc. puede funcionar durante dos órdenes de magnitud más tiempo con el mismo conjunto de baterías mientras mantiene una solución completa en tiempo real en su ubicación.

Además, con millones de correlacionadores, uno puede hacer búsquedas más exactas que pueden ayudar a reducir los efectos de los reflejos de radio en los cañones urbanos (los edificios altos en las grandes ciudades solían ensuciar los receptores GPS con menos correlacionadores).

Por último, aunque solo se necesitan 4 satélites para obtener una solución 3D, los buenos receptores utilizan más satélites en su algoritmo de posición para obtener una solución más precisa. Por lo tanto, solo se requiere un receptor de 4 canales, pero un receptor de 12 canales puede obtener más precisión.

Conclusión

Entonces los millones de correlacionadores:

  • Acelera la adquisición de satélites
  • Reduce el consumo de energía.
  • Reduce la probabilidad de perder una solución 3D incluso en cañones urbanos
  • Proporcionan una mejor sensibilidad, permitiendo reparaciones en bosques densos e incluso en algunos túneles.
  • Proporciona una mejor precisión de posicionamiento

Gracias a borzakk por algunas correcciones .


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+1 solo porque no puedo votar más de una vez. ¡Ahora entiendo mucho mejor el GPS!
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¡Gracias! Esto realmente explicaba todas mis preguntas sobre GPS. ¡Respuesta increíble!
Piotr Kula

"Esto nos deja con el posible peor de los casos ([...]) de un tiempo para arreglar primero un arranque en frío ([...]) de 32 segundos" frente a "Hay muchas suposiciones que puede hacer un receptor GPS, aunque , que simplifican el espacio del problema de modo que un receptor genérico de 12 canales puede obtener una solución, en el peor de los casos, en aproximadamente 1-3 minutos ”. Eso no tiene mucho sentido. ¿Estoy equivocado o estás viendo diferentes "peores casos" aquí (condiciones de señal?) O se supone que la primera declaración significa algo así como 32 minutos?
Jonas Schäfer

@JonasWielicki para un satélite.
Adam Davis el

@ AdamDavis Gracias por la aclaración. Entonces, ¿la primera cita se refiere a "arreglar para un satélite" y la segunda para "arreglar la posición completa"?
Jonas Schäfer

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Necesita un canal, por frecuencia, por satélite.

La mayoría de los receptores baratos (como el de su teléfono o automóvil) rastrean solo la frecuencia L1 desde solo los satélites GPS. Si desea precisión, necesita rastrear dos frecuencias de cada satélite para determinar con mayor precisión los retrasos ionosféricos. Si desea una mejor cobertura en áreas con obstrucciones parciales, necesita rastrear más que solo los satélites GPS.

Actualmente hay 32 satélites GPS en órbita, 31 de los cuales estaban sanos a partir de la semana pasada. Un receptor verá menos de la mitad debido a la máscara de elevación, lo que significa que ignora cualquier satélite a menos de 5 grados sobre el horizonte. La máscara de elevación se puede establecer más alta: 8 o 10 grados es común. Cada uno de esos satélites transmite en las frecuencias L1 y L2, y un satélite GPS está transmitiendo actualmente en L5 (en modo de prueba). Todos los satélites GPS futuros también serán compatibles con L5, y eventualmente sus receptores baratos regulares usarán L5 en lugar de L1. Probablemente será el año 2020 antes de que veas que L5 reemplaza a L1 en dispositivos baratos.

Rusia también tiene una constelación de satélites de posicionamiento global conocidos como GLONASS. Actualmente hay 27 satélites GLONASS en órbita. A partir de la semana pasada, 23 están en buen estado, 3 están en modo de mantenimiento y 1 está en modo de puesta en servicio. Todos los satélites GLONASS emiten en dos frecuencias: L1 y L2.

Europa y China también están construyendo constelaciones.

Si desea utilizar los datos de corrección WAAS, necesita un canal para SBAS.

Si desea utilizar OmniStar o el CDGPS de Canadá, necesita un canal para eso.

El receptor con el que estoy más familiarizado rastrea los siguientes canales:

  • 14 canales GPS L1
  • 14 canales GPS L2
  • 6 canales GPS L5
  • 12 canales GLONASS L1
  • 12 canales GLONASS L2
  • 2 canales SBAS (WAAS o EGNOS)
  • 1 canal de banda L (OmniStar o CDGPS)

La última generación de receptores de gama alta también tiene canales adicionales para las constelaciones europeas y chinas.


Cuando un receptor ve que todas estas señales provienen de diferentes fuentes, ¿mejora la precisión posicional?
mmccoo

En realidad, normalmente necesita 2 o 3 correlacionadores por frecuencia, por satélite. Con solo uno puede decir que está bloqueado pero no puede decir fácilmente si está en la cima o no. Con 3, ejecuta uno exactamente donde cree que está el pico de la señal y uno ligeramente adelante y otro ligeramente atrás, al observar los otros valores puede hacer pequeños ajustes en la ubicación del pico.
Andrew

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¿Por qué más de 12 canales?

El número de canales dentro de un receptor de navegación es definitivamente más que una mordaza de marketing. Es la pregunta cuántos datos puede y desea manejar para usar un amplio espectro de diferentes sistemas de navegación de tipo similar. Tenga en cuenta que estos sistemas satelitales son útiles para una gran variedad de aplicaciones (navegación de barcos, automóviles, ferrocarriles y aviones, geodesia, temporización, monitoreo de la tierra, ionosfera de edificios, pronóstico del tiempo, etc.) ..) y, por lo tanto, también la variedad de receptores (que admiten diferentes canales) es amplia.

Los receptores GNSS geodésicos de gama alta actuales (para múltiples constelaciones) vienen con más de 216 y hasta 440 canales. Los receptores utilizados para aplicaciones móviles utilizan 66-200 canales. El número de canales también tiene que ver con el número de correlacionadores. Cada canal puede tener su propio número de correlacionadores. Es cierto que la cantidad de correlacionadores para reducir el espacio de búsqueda es importante para obtener un TTF bueno y estable (tiempo para la primera reparación).

Muy importante, y eso se describe en respuesta a Adam Davis: se necesita un canal por señal por satélite. Dado que el diseño de las señales de navegación varía (diferente fuerza singular, modulación, ancho de banda, etc.), debe preparar el receptor para que sea capaz de cualquier sistema de navegación que desee agregar para su solución de posición.

Hagamos una pequeña descripción de los diferentes tipos de sistemas de navegación:

Sistemas de Navegacion:

  • GPS (América)
  • GLONASS (Rusia)
  • Beidou / COMPASS (China)
  • Galileo (Europa)

... y sistemas de aumento de furhtermore y sistemas de navegación regionales, que usan frecuencias y mensajes de navegación iguales / similares, que pueden usarse con la misma técnica de adquisición de señal:

  • QZSS (Sistema regional: Japón, casi estacionario)
  • IRNSS (Sistema regional. India)
  • EGNOS (sistema de aumento de Europa)
  • WAAS (sistema de aumento de América)
  • OMNISTAR (sistema de aumento privado)

Así que vamos a contar y volver a la discusión por satélite / por señal (exzerpt):

  • GPS: L1, L2, L5 (L5 cuenta 2 veces, ya que hay subcanales dentro de la señal; por ejemplo, el componente I (en fase) y Q (trifásico))
  • GLONASS: L1 L2 L3 (también GLONASS utiliza subcanales para la adquisición de señales de acceso múltiple por división de código (CDMA))
  • Galileo (E1, E6 (señal segura), E5a E5b E5a + b (señal de banda ancha))
  • consulte el plan de señal actual para cada sistema y también la descripción general del receptor (lectura adicional)

Entonces, si desea rastrear un satélite GPS con L1 y L2 y L5a + b, necesita 4 canales. Para una primera solución, necesita 4 satélites, pero necesita 8 canales solo para una solución de veneno directo sin redundancia. Cuantos más satélites GPS, más redundancia (e integridad). Para acelerar: en esta configuración solo puede rastrear 5 satélites GPS con L1 / L2 y L5. Para mi entender una solución débil. Pero si solo considera las mediciones L1, en lugar de corse, puede rastrear 12 satélites. Por lo tanto, cuanto más canales, más tiene que trabajar el receptor (o el procesador de banda base). Esto pertenece a la capacidad de su chip ... y definitivamente al número de observaciones y datos útiles para su aplicación. En cualquier momento la quastion debe ser:

  1. ¿Qué quiero para mi aplicación?
  2. ¿Cuántos datos necesito para obtener una solución confiable?
  3. ¿Cuántas capacidades de procesamiento tengo para obtener una solución confiable?
  4. ¿Cuánto quiero / tengo que controlar mi solución?

para leer más:


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La primera respuesta ya es muy buena. Solo tengo una cosa que agregar. He estado trabajando en software de GPS durante 2 años, sé que para rastrear un satélite, se necesitan 6 correlacionadores. Esto se debe a que la señal del satélite GPS tiene dos componentes (ramas I y Q, clasificadas como para representar una señal compleja por seno y coseno). Para cada rama, uno tiene que producir una secuencia de números pseudoaleatoria avanzada, retrasada y puntual, y calcular sus correlaciones con la señal del satélite. Entonces, para rastrear 12 canales solo para la señal L1, uno necesita 12 x 6 correlacionadores. Si también quieres hacer L2C, L5 o Galileo, necesitas más correlacionadores.


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La respuesta es que no. La última familia de receptores GPS u-Blox se enorgullece de tener "GPS de alto rendimiento con más de 2 millones de correlacionadores". Lo que eso significa no estoy realmente seguro, ¡pero es un buen número para que el vendedor lo cite!


Enlace incorrecto ahora, en diciembre de 2018.
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