¿Por qué el GPS del teléfono inteligente encuentra su posición mucho más rápido que un módulo GPS?

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Cuando estoy usando el módulo GPS Arduino, por lo general toma un par de minutos comenzar a enviar datos. Y parece que suele ser el caso con todos los módulos GPS ya que necesitan "escuchar" los satélites durante algún tiempo. Sin embargo, cada vez que uso el GPS interno de mi teléfono, encuentra su posición en cuestión de segundos. ¿Porqué es eso?

gps 
— Dodecaedro Antropomorfo
fuente
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Respuesta de una palabra: "A-GPS"
— Agent_L
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Esa no es una palabra, ¡es un acrónimo de cuatro palabras!
— Transistor
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@Transistor Bueno, si quieres ser pedante, A-GPS no es un acrónimo, sino un inicialismo. ;)
— DavidCAdams
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@DavidCAdams: ¡Tienes razón! Los miré a ambos. Nunca me había dado cuenta de que un acrónimo se pronuncia (o al menos, supongo, se puede pronunciar) como una palabra. ¡Las cosas que he aprendido en EESE!
— Transistor
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@DavidCAdams Y todos estos años he estado siguiendo la ruta de la NASA de pronunciar A-GPS como "aggps", ¿y ahora dices que ya no puedo hacerlo? ¡Las cosas que aprendes en EESE!
— un CVn

Respuestas:

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Hay varias cosas que afectan el tiempo de la primera reparación (TTFX) .

  1. Obteniendo el almanaque y las efemérides. Estas dos cosas son técnicamente un poco diferentes entre sí, pero para nuestros propósitos las trataremos de la misma manera. Son las ubicaciones de los satélites, y necesita saber dónde están para determinar su propia posición. Cada satélite transmite todo el lote aproximadamente una vez cada 12 minutos. Entonces, desde un arranque completamente frío con un receptor de un canal y una señal decente, TTFX durará al menos 12 minutos. Puedes acelerar las cosas al:

    • En cambio, descargar desde Internet, generalmente una buena opción para teléfonos. La descarga del almanaque y ephemreris de esta manera se conoce como MSB Assisted GPS.
    • Recordando el almanaque de la última vez (es bueno por muchas semanas) y solo descargando las efemérides.
    • Tener más de un canal receptor en el dispositivo para que pueda escuchar más de un satélite a la vez. Las transmisiones se escalonan para que esto funcione, y con un poco de cuidado puede usar las efemérides sin un almanaque que ahorre mucho tiempo. La gran mayoría de los módulos en el mercado en estos días tienen múltiples canales, por lo que sería raro encontrar uno que todavía necesite 12 minutos.

  2. Identificación de satélites. Debe escuchar al menos tres satélites, preferiblemente más, para obtener una buena solución, pero cada receptor (conocido como correlacionadores) solo puede sintonizarse a uno a la vez. Si sabes aproximadamente dónde estás, qué hora es y ya tienes un almanaque, entonces puedes adivinar qué satélites puedes ver. Los teléfonos tienden a saber más o menos de dónde se encuentran al reconocer las señales wifi o bluetooth, sabiendo qué torre celular están utilizando y otras fuentes. Regularmente también reciben actualizaciones de tiempo muy precisas, por lo que generalmente pueden ir directamente al satélite correcto. Tanto los teléfonos como los módulos más grandes también pueden recordar cuándo y dónde se usaron por última vez, y usar eso para comenzar.

  3. Número de correlacionadores. Debido a la muy baja señal a ruido de las señales GPS, necesita un poco de hardware especial para recibirlas. Algunos receptores solo tienen uno y necesitan rotar alrededor de los satélites. Otros tienen más y pueden escuchar más a la vez. Entonces, incluso si ya tiene el almanaque / efemérides y sabe aproximadamente dónde se encuentra, entonces más correlacionadores lo ayudarán a solucionarlo más rápido. Puede pensar que más siempre es mejor, pero más aumenta el costo y el consumo de energía. Algunos teléfonos y módulos tienen más que otros.

  4. Señal y antenas. Los correlacionadores harán su trabajo más rápido si tiene una buena señal de ruido entrando en ellos. Las señales muy pobres pueden no funcionar en absoluto. Un buen diseño de antena, amplificador, vista del cielo y un buen diseño de PCB pueden marcar la diferencia. Algunos módulos pueden funcionar de manera inmediata y mucho mejor con una antena conectada.

  5. Número de satélites utilizables. En realidad, hay dos grandes constelaciones de satélites, GPS (administrado por EE. UU.) Y GLONASS (administrado por Rusia). También hay más en construcción: Galileo (UE) y BeiDou-2 (China) y algunos con cobertura local como NAVIC de la India o BeiDou-1. Un receptor que puede funcionar con satélites de más de una constelación tiene más satélites para elegir, y obtendrá una solución más rápida y precisa.

  6. Calidad de correlacionadores. Los nuevos diseños de hardware son mejores que los antiguos, y podrán seleccionar mejor los fragmentos del mensaje GPS en una señal ruidosa. Otro truco que pueden hacer los teléfonos es capturar fragmentos de señal y pasarlos por Internet a un servidor con un muy buen correlacionador de software, y completar el almanaque / efemérides para examinarlos. Esto se conoce como GPS asistido por MSA.

  7. Algunos teléfonos (e incluso algunos módulos) también pueden usar algunos trucos ligeramente furtivos para evitar u ocultar un TTFX largo. Como están encendidos todo el tiempo, pueden encender brevemente el GPS sin avisar al usuario para mantener la ubicación y las efemérides más o menos actualizadas. Otros pueden mostrar una posición reciente mientras esperan una solución real, que parece un buen TTFX la mayor parte del tiempo, pero se ve mal si resulta que la posición es muy incorrecta.

El punto 1 anterior es lo que hace la mayor diferencia, y generalmente es la clave que es diferente entre los módulos básicos, los módulos más avanzados y los teléfonos. Los otros generalmente hacen una diferencia menor, pero en realidad puede convertirse en algo muy complicado. Si desea leer más, entonces "tiempo de GPS para la primera reparación" es el término a buscar.

— Jack B
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En el punto 2: además de WiFi, el teléfono también puede obtener una ubicación aproximada en función de las estaciones base celulares con las que está en contacto.
— alphabetter
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Un dispositivo también puede "almacenar en caché" los últimos datos de posición conocidos, usarlos de inmediato y ajustarlos a medida que ingresan datos reales. Mi teléfono celular hace esto con su GPS.
— rdtsc
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Además de la red celular, varios proveedores (incluido Google) han creado bases de datos de las ubicaciones físicas de los puntos de acceso WiFi, lo que les permite identificar la ubicación de un dispositivo de manera sorprendentemente precisa. Mi tableta Android barata no tiene GPS ni acceso celular, sin embargo, Google Maps siempre parece saber exactamente dónde estoy, siempre que esté conectado a un WAP. Sospecho que obtienen las ubicaciones de los WAP a través de un proceso inverso, deduciéndolo de las ubicaciones de los teléfonos conectados y otros dispositivos que tienen GPS.
— Dave Tweed
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@ ゼ ー ロ Cada cuadro es de 35 segundos, pero el almanaque completo se divide en 25 cuadros, y la transmisión tardará entre 12 y 13 minutos. Es cierto que puede obtener una solución a partir de los datos de efemérides sin el almanaque, pero necesitará el almanaque para 1) hardware muy antiguo, 2) corrección precisa del tiempo del GPS a UTC y 3) corrección de retardo ionosférico en algún hardware.
— Jack B
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@ ゼ ー ロ Ummm. Tenía muy claro que 12 minutos eran para un receptor de un solo canal. También dije que los receptores multicanal son más rápidos. La mayoría de los receptores modernos son multicanal, pero ciertamente tengo algunos más antiguos de un solo canal, y toman los 12 minutos completos. Y si tiene un solo canal y desea la corrección del retraso ionosférico, entonces no hay forma de obtenerlo más rápido de lo que se puede obtener el almanaque completo. El hecho de que utilice módulos multicanal y requiera un TTFX de 3 minutos no significa que el otro tipo no exista. Pero actualizaré la respuesta para decir que el tipo antiguo es raro.
— Jack B
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El sistema operativo del teléfono celular descarga los datos del almanaque GPS (efemérides satelitales e información de estado) a través de Internet a través de la red celular y los carga en el módulo GPS mucho más rápido de lo que tomaría descargarlos desde los satélites GPS directamente a 50 bps ( Sí, eso es 50 bits por segundo, el GPS es una tecnología bastante antigua optimizada para funcionar a muy baja SNR), lo que agiliza significativamente el tiempo para la primera reparación. Esto se llama GPS asistido. También es probable que tenga una referencia de tiempo inicial muy precisa desde el módem celular (las torres celulares generalmente se sincronizan a través del GPS), así como posiblemente una estimación aproximada de la ubicación del módem celular. Todo esto combinado reduce drásticamente la cantidad de búsqueda que el receptor tiene que hacer: sabe qué satélites debería poder ver, por lo que solo busca esos, y no necesita esperar a que los satélites transmitan todo el mensaje

— alex.forencich
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Por lo tanto, básicamente elimina la "sincronización" del proceso. El módulo GPS busca el satélite utilizando los datos enviados por el mismo satélite ¿verdad?
— Dodecaedro antropomorfo el
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No lo saca del proceso, lo acelera al darle al receptor GPS una buena estimación para comenzar.
— alex.forencich
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Los 50 bps no son solo porque el GPS es viejo. Es una parte integral de cómo los receptores GPS pueden detectar la señal extremadamente débil y cómo todos los satélites GPS pueden transmitir en una sola frecuencia pero aún así recibirlos de forma independiente. Muchas cosas complicadas suceden en un receptor GPS.
— JRE
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@TomTom: No, el secreto del GPS nunca se logró mediante la oscuridad. Quizás esté pensando en Disponibilidad selectiva (SA), pero ese fue un error de posicionamiento intencional.
— MSalters
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@TomTom: el espectro extendido del GPS no tenía la intención de ocultar las señales. Tiene ese efecto para receptores de RF simples, pero ese no era el punto. La técnica de espectro ensanchado le ofrece dos cosas: funcionamiento con una relación señal / ruido extremadamente baja y un grado de inmunidad a las interferencias. Casi todos y su hermano saben (y sabían cuando) qué frecuencia usa el GPS. No tiene sentido ocultar lo que ya se sabe. Sin embargo, no estar (fácilmente) atascado fue una gran ventaja. Hay bloqueadores de GPS (ahora) pero en aquel entonces era mucho más difícil de hacer.
— JRE
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Parte de la respuesta aquí es que el GPS del teléfono celular no es solo GPS. Cell también usa otra información para la geolocalización, como la triangulación de torres de teléfonos celulares y la visibilidad de las redes wifi. Por ejemplo, la versión no celular del iPad Air no tiene GPS real, pero aún así sabe dónde se encuentra en áreas urbanizadas utilizando estas técnicas.

— David Richerby
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La pregunta era específicamente sobre cómo funciona el GPS. Los teléfonos celulares no pueden triangular desde torres de teléfonos celulares ya que no hay información de ubicación disponible de ellos.
— Transistor
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@Transistor La pregunta compara el GPS autónomo con el GPS del teléfono celular y el título de la pregunta pregunta específicamente cómo los teléfonos celulares hacen GPS más rápido que las unidades GPS autónomas. Y la Wikipedia dice que los teléfonos celulares no utilizan triangulación de torres para determinar la ubicación. No estoy seguro de por qué dice que no hay información de ubicación disponible: claro, la torre no anuncia su ubicación pero las carreteras tampoco anuncian su ubicación: su teléfono tiene un mapa almacenado en una base de datos.
— David Richerby
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@Transistor: el teléfono celular no realiza la triangulación. El proveedor de la red lo hace.
— Jörg W Mittag
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@ JörgWMittag: depende de la red AFAICT. Las redes modernas proporcionan servicios de localización como parte de Enhanced 911 / E112.
— MSalters
@DavidRicherby: Gracias por el enlace. Lo leí dos veces, pero todo lo que puedo ver es que la ubicación del teléfono es conocida por la red , no por el teléfono. ¿Qué me he perdido?
— Transistor
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Solo quería poner un poco más de detalle en lo que sucede cuando los receptores más antiguos están esperando datos. En otras palabras, ¿por qué es tan útil ese almanaque (y posición recordada)?

Las señales de GPS son muy débiles. Dada la distancia, la señal está muy por debajo del nivel de ruido cuando llega a la tierra. Nunca detectaría directamente el satélite si simplemente estuviera observando un escaneo de alcance con la frecuencia correcta.

La forma en que el receptor obtiene información es comparando la señal entrante con un patrón específico (a través de una correlación FFT). Si se usa el patrón correcto, entonces la correlación se alinea y se pueden ver los datos.

Para que un receptor simple y antiguo llegue a este punto requiere dos cosas del correlacionador del dispositivo: la frecuencia del mensaje del satélite y la fase del mensaje (alineando los patrones). Si alguno de estos es incorrecto, entonces la correlación no tiene éxito y no se detecta nada. Los movimientos de los satélites significan que la señal recibida está sujeta a cambios Doppler relativamente grandes.

Con un almanaque en su lugar y una buena idea de la ubicación y la hora actuales, el receptor puede estimar los movimientos relativos del satélite y el receptor para eliminar la mayor parte del desplazamiento Doppler y acercarse un poco a la frecuencia. Eso significa que el correlacionador generalmente puede llegar a un golpe simplemente probando diferentes fases para el patrón de señal. Esta búsqueda de espacio de fase se puede hacer en unos segundos.

Si falta el almanaque, o si no hay una estimación de la ubicación y la hora actuales, el sistema tiene que probar diferentes fases y diferentes frecuencias para obtener datos de cada satélite. Ahora, teniendo que buscar en dos dimensiones diferentes, puede tomar algunos minutos incluso para que un sistema multicanal "encuentre" 3 satélites por fuerza bruta.

Los conjuntos de chips modernos pueden hacer uso de señales adicionales y muchos comparadores paralelos para acelerar la búsqueda, incluso sin la presencia de A-GPS. Sospecho que el chipset que obtienes en un escudo Arduino es probablemente más antiguo / más barato y no usará estas características más nuevas.

— BowlOfRed
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En los EE. UU., La FCC exigió que los operadores de teléfonos celulares pudieran identificar la ubicación de la persona que llama al marcar los servicios de emergencia a menos de 300 metros dentro de los 6 minutos posteriores a la llamada telefónica antes del 11 de septiembre de 2012.

Esto se introdujo gradualmente durante los años anteriores, y el requisito se ha reforzado tanto en el informe de distancia como en el tiempo de ubicación en los años posteriores.

Las compañías de teléfonos celulares no podían garantizar esto en áreas remotas donde solo una o dos torres celulares estaban en contacto con el teléfono móvil, ni en entornos urbanos donde los reflejos y la densidad del edificio impedían la ubicación incluso cuando el teléfono tenía varias torres que podía recibir. Los chips GPS no podían proporcionar esto dentro del período de tiempo requerido a una potencia lo suficientemente baja como para que el teléfono celular aún fuera comercialmente viable (en el momento en que se introdujo el requisito. Los conjuntos de chips ahora son mucho más eficientes y rápidos, en parte debido al requisito que cada teléfono incluya parte o la totalidad de un chipset GPS). Además, los conjuntos de chips GPS eran muy caros en relación con los otros componentes del teléfono.

Así que crearon algunos sistemas competidores diferentes, todos bajo el nombre "AGPS" para GPS asistido.

La tecnología que se ejecuta detrás de estos diversos sistemas AGPS difiere, a veces en gran medida.

Los sistemas AGPS celulares más baratos registran varios milisegundos de la señal de RF de GPS, la envían al servidor de AGPS que luego, conociendo la ubicación aproximada del teléfono, puede usar ese fragmento de RF de GPS para determinar una posición mucho más precisa. Estos teléfonos no pueden obtener coordenadas GPS sin una buena conexión celular.

Algunos tienen conjuntos de chips GPS completos, pero permiten que el teléfono les proporcione el almanaque y las efemérides, dos piezas de información que permiten que el conjunto de chips obtenga una solución en cuestión de segundos, después de lo cual utiliza sus métodos normales para producir resultados de posición. Con el tiempo, estos teléfonos pueden obtener una posición independiente de su red.

La mayoría de los conjuntos de chips GPS le permiten cargar efemérides e información de almanaque en ellos, por lo que si su dispositivo arduino tiene una conexión a Internet y tiene acceso a un servidor AGPS, puede acelerar su reparación de GPS de manera similar. Sin embargo, para la mayoría de los proyectos, simplemente agregar una batería de celda de moneda de litio al pin derecho en el receptor GPS le permite mantener la última actualización de almanaque y efemérides, y dado que los cambios son pequeños en cortos períodos de tiempo, esto acelera enormemente la primera solución. siempre y cuando el dispositivo no se haya movido miles de millas y esté encendido cada pocos días.

— Adam Davis
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