GPS untuk Cubesats - 8km / detik terlalu cepat untuk chip konsumen?

10

Satelit di orbit bumi rendah bergerak mendekati 8km / detik. Sebagian besar chip GPS kelas konsumen masih menggunakan batas CoCom 1000 knot, sekitar 514 m / s. Batasan CoCom adalah batasan sukarela untuk ekspor yang dapat Anda baca lebih lanjut tentang pertanyaan dan jawaban ini serta pertanyaan dan jawaban ini dan di tempat lain.

Untuk pertanyaan ini, mari kita asumsikan bahwa itu adalah batas numerik di bagian keluaran firmware. Chip harus benar-benar menghitung kecepatan (dan ketinggian) sebelum dapat memutuskan apakah batas terlampaui, dan kemudian menyajikan solusi ke output, atau memblokirnya.

Pada 8000 m / s pergeseran doppler pada 2GHz adalah sekitar 0,05 MHz, sebagian kecil dari lebar alami sinyal karena modulasinya.

Ada beberapa perusahaan yang menjual unit GPS untuk cubesats, dan mereka mahal (ratusan hingga ribuan dolar) dan mungkin bernilai setiap sen karena (setidaknya beberapa dari mereka) dirancang untuk aplikasi satelit dan ruang diuji.

Mengabaikan penerapan batas CoCom, dan semua masalah operasi lainnya di luar ruang selain kecepatan , adakah alasan mengapa chip GPS modern yang diberi kecepatan 500 m / s kecepatan maksimum tidak akan dapat bekerja pada 8000 m / s? Jika demikian, apakah mereka?

Catatan: 8000m / s dibagi dengan c (3E + 08m / s) menghasilkan ekspansi / kompresi sekitar 27ppm dari urutan yang diterima. Ini mungkin mempengaruhi beberapa implementasi korelasi (baik dalam perangkat keras maupun perangkat lunak).

gps uh oh
sumber
3
Alasan pertama yang muncul di benak saya adalah bahwa tidak masuk akal untuk menguji, apalagi merancang untuk kecepatan ini, sehingga bekerja di sana hanya keberuntungan atau kebetulan.
PlasmaHH
2
Saya dengan PlasmaHH yang satu ini. Jika saya akan merilis produk yang 99,9% pelanggan saya akan gunakan pada kecepatan otomotif tipikal atau kurang, tidak sepadan dengan uang untuk mengujinya pada 8000 kpj bahkan jika saya berharap itu berfungsi. Tak perlu dikatakan, itu bodoh untuk memasukkan spec sesuatu yang tidak Anda uji.
Dmitry Grigoryev
3
Pengujian GPS @DmitryGrigoryev biasanya dilakukan dengan simulator sinyal - kecepatan hanya berupa angka yang dimasukkan. Tidak perlu biaya untuk memeriksa, dan insinyur yang baik akan selalu ingin tahu batas kinerja suatu desain. Tapi tolong, pertanyaan saya menanyakan bagian fungsi GPS mana yang akan menjadi yang pertama gagal dengan kecepatan tinggi, bukan "apa yang akan Anda lakukan jika Anda seorang insinyur produk".
uhoh
2
@uhoh Mungkin mereka sedang diuji pada 8000 kpj menggunakan simulator. Namun, saya tidak akan memasukkan nomor itu dalam spesifikasi tanpa menguji yang asli. Saya telah melihat banyak hal bekerja di simulator atau bangku tes, kemudian gagal dalam prakteknya.
Dmitry Grigoryev
1
@DmitryGrigoryev dapatkah kita menjauh dari apa yang akan Anda lakukan jika Anda ...
uhoh

Jawaban:

6

Saya tidak akan menyarankan untuk menggunakan solusi GPS terintegrasi (berisi MCU dan firmware sumber tertutup) untuk aplikasi satelit. Ada beberapa alasan mengapa ini bisa gagal berfungsi:

  1. Rencana frekuensi frontend mungkin dioptimalkan untuk rentang doppler terbatas. Biasanya, RF frontend akan mencampur sinyal ke IF yang lebih rendah dari 10MHz (IF yang lebih tinggi akan memerlukan laju pengambilan sampel yang lebih tinggi dan mengkonsumsi lebih banyak energi). JIKA ini tidak dipilih secara sewenang-wenang! Hasil bagi IF / samplerate harus nonharmonik untuk seluruh rentang doppler untuk menghindari nada palsu dari a / d-pemotongan truncation dalam sinyal sampel. Anda dapat mengamati efek pemukulan, yang membuat sinyal tidak dapat digunakan pada beberapa tingkat doppler.
  2. Korelator domain digital perlu mereproduksi replika pembawa dan kode C / A pada tingkat yang benar, termasuk efek doppler. Ia menggunakan DCO (osilator terkontrol digital) untuk mempercepat pembuatan generasi dan kode, yang disetel melalui register konfigurasi dari MCU. Lebar bit register ini mungkin dibatasi pada rentang doppler yang diharapkan untuk penerima berbasis darat, sehingga tidak mungkin untuk menyetel saluran ke sinyal jika Anda bepergian terlalu cepat.
  3. Firmware harus melakukan akuisisi dingin jika tidak ada perkiraan posisi / waktu yang tersedia. Ini akan mencari tempat frekuensi doppler dan fase kode untuk menemukan sinyal. Rentang pencarian akan dibatasi untuk rentang yang diharapkan untuk pengguna berbasis darat.
  4. Firmware biasanya akan menggunakan penyaringan kalman untuk solusi posisi. Ini melibatkan model posisi / kecepatan / percepatan penerima. Sementara akselerasi tidak akan menjadi masalah bagi satelit, model akan gagal untuk kecepatan, jika firmware tidak disesuaikan untuk penggunaan dalam orbit.

Semua masalah ini dapat diatasi, jika Anda menggunakan frontend dan korelasi yang dapat diprogram secara bebas dengan firmware khusus. Anda mungkin, lihat Piksy .

Andreas
sumber
Untuk titik 1. (bandwidth front-end) bandwidth asli dari sinyal jauh lebih luas daripada pergeseran doppler - pertimbangkan kasus terburuk sekitar 10 km / detik kecepatan relatif vs 3E + 05 km / detik kecepatan cahaya akan menjadi sekitar 50 kHz. Tapi 2, 3, 4 semuanya terdengar seperti pemecah kesepakatan potensial untuk chip dan firmware yang dioptimalkan oleh konsumen.
uhoh
2
@uhoh: Saya setuju dengan argumen bandwidth Anda, tetapi poin 1 bukan tentang bandwidth. Saya seharusnya menjelaskan lebih baik. Jika laju sampel Anda 16,368,000 / s dan sinyal dalam IF berpusat pada 4,092,000 Hz, dan Anda memiliki a / d dengan resolusi 4bits, maka Anda memiliki masalah dengan pemukulan. Setiap kesalahan pemotongan sampel akan menuju arah yang sama. Ada sejumlah bintik-bintik buruk seperti itu (nol IF adalah yang benar-benar buruk tetapi harmoniknya buruk). Anda harus menjaga jarak (tergantung pada periode integrasi) ke tempat-tempat ini untuk setiap doppler yang diharapkan.
Andreas
Hebat, terima kasih banyak atas jawaban ini! Ini memberi saya banyak wawasan tentang apa yang terjadi. Saya masih tidak mengerti kesalahan pemukulan / pemotongan tetapi saya bisa membaca dan mungkin mengajukan pertanyaan sesudahnya. Saya punya pertanyaan ACD berbeda yang berkaitan dengan frekuensi tinggi ADC tiga bit (PiSky memiliki 3 bit ADC).
uhoh
1
Ini ada hubungannya dengan S / N dari masing-masing sampel, yang benar-benar buruk. Berinvestasi lebih presisi di ADC tidak akan meningkatkan kinerja sistem secara keseluruhan sebanyak itu. Ini adalah tradeoff yang rumit, saya akan mencoba memberikan jawaban yang berguna untuk pertanyaan ALMA Anda.
Andreas
4

Beberapa orang menerapkan COCOM sebagai atau , yang lain sebagai dan . Either way, untuk pelanggan yang memenuhi syarat di bawah EAR atau ITAR, vendor dengan senang hati akan menjual Anda opsi firmware untuk $$$ yang menonaktifkan fungsi itu. Perangkat kerasnya identik.

Di luar keterbatasan itu, itu menjadi masalah komunikasi RF, bersama dengan merancang perangkat keras Anda untuk mentolerir efek radiasi. Eb / N0 Anda mungkin akan sedikit lebih baik karena Anda (secara harfiah) lebih dekat dengan SV dan menghindari kehilangan jalur atmosfer, tetapi sirkuit penerima Anda juga perlu mentoleransi sejumlah besar Doppler.

Ngomong-ngomong, bukan hanya posisi yang diminati oleh CubeSats - Waktu GPS adalah komoditas data berharga yang membantu satelit mencari tahu di mana tempatnya, mengingat TLE. Bahkan jika penerima menolak untuk memberi Anda posisi karena COCOM, jika itu memberi waktu, itu bisa sia-sia.

Krunal Desai
sumber
Apa arti "Eb / N0" dan "SVs"? Apakah Anda tahu pasti jika waktu aktual dilaporkan ketika koordinat spasi diblokir, atau apakah Anda hanya bermaksud sinyal 1pps? Harap dicatat, saya menyebutkan: "Mengabaikan penerapan batasan CoCom, dan semua masalah operasi lainnya di luar angkasa selain kecepatan .."
uhoh
Dua tahun lalu satelit direklasifikasi sebagai "non-amunisi" sehingga ITAR tidak lagi berlaku - tetapi sekarang EAR berlaku seperti yang Anda sebutkan. Masih ada MTCR dan Pengaturan Wassenaar juga dan mungkin lebih banyak juga!
uhoh
3
@uhoh Saya berasumsi bahwa istilahnya adalah Eb / N0 => rasio sinyal terhadap kebisingan dan SVs => kendaraan ruang angkasa (satelit GPS yang sebenarnya)
user2943160
@ user2943160 Terima kasih, masuk akal. Saya selalu berusaha mempelajari hal-hal baru - jika Eb adalah istilah yang spesifik, saya ingin mempelajarinya.
uhoh
Saya baru saja melakukan banyak hal komunikasi belakangan ini, Eb / No hanyalah SNR "normal", atau SNR per bit. Benar-benar mungkin akan lebih akurat untuk hanya menggunakan SNR atau RSSI dalam jawaban itu. Secara anekdot, saya telah mendengar bahwa beberapa chipset (SiRF saya pikir) masih akan melaporkan waktu tetapi membekukan Anda keluar dari posisi, tetapi saya belum secara pribadi mengkonfirmasi itu.
Krunal Desai
2

Jika makalah ini pada contoh arsitektur GPS representatif, maka chip terdiri dari RF front-end, perangkat keras korelasi dalam domain digital, dan semua decoding aktual dari sinyal dilakukan dalam perangkat lunak.

Dalam hal ini satu-satunya masalah yang mungkin terjadi adalah doppler. Perangkat lunak ini mungkin membuang nilai "luar biasa", tetapi Anda tetap harus mengganti atau memodifikasi firmware jika Anda ingin melewati batas CoCom.

Pertanyaan yang lebih menarik adalah apakah Anda dapat meminjam simulator GPS yang dapat diprogram untuk mensimulasikan kasing berkecepatan tinggi. Saya akan berpikir itu mungkin - setelah semua, bagaimana seorang pabrikan menguji bahwa perangkat mereka menerapkan batasan CoCom?

pjc50
sumber
3
Perhatikan bahwa bahkan pada 0 kpj Anda harus berurusan dengan Doppler, karena satelit sudah bergerak pada 8000 m / s.
Dmitry Grigoryev
Saya suka logika Anda! Ini benar-benar merupakan (hingga) +/- 60 kHz tipe shift yang diterapkan secara berbeda pada setiap sinyal satelit, kemungkinan besar sebagian besar simulator dapat melakukannya. Sebagai catatan, saya tidak benar - benar melakukan ini - saya hanya menanyakan ini!
uhoh
2
Tidak @DmitryGrigoryev Anda salah tentang 8000. Mereka bergerak jauh lebih lambat karena mereka berada di orbit yang jauh lebih tinggi. Tetapi Anda benar bahwa ada banyak Doppler selain gerakan unit GPS. Ini poin yang bagus!
uhoh
@uhoh Kesalahan saya. Komentar saya seharusnya membaca 14.000 km / jam sebagai gantinya.
Dmitry Grigoryev
5
Itu jauh kurang relevan di lapangan - kecepatan tangensial untuk pengamat tidak menyebabkan doppler. Namun hal itu menyebabkan efek relativistik kecil: physics.stackexchange.com/questions/1061/…
pjc50
2

Itu sangat tergantung pada implementasinya. Sebagai contoh, satu receiver yang saya kerjakan memiliki register frekuensi NCO pembawa titik tetap di setiap saluran korelator, dengan lebar 17 bit. Nilai maksimum yang dapat disimpan dalam register ini sekitar 6 km / s, dan juga harus memasukkan kontribusi dari kesalahan frekuensi clock receiver. Jadi itu tidak akan bisa melacak satelit yang tingkat jangkauannya melebihi batas itu, yang akan cukup banyak jika penerima bergerak dengan kecepatan orbit.

pericynthion
sumber
1

Cubesats dapat digunakan dengan unit GPS komersial rak kurang dari $ 1000. Pabrikan menghilangkan batas, jadi orang akan berharap bahwa mereka akan dapat menguji dengan mereka dihapus. Mereka memiliki emulator GPS atau akses ke sana.

Batasan kelapa harus dihapus oleh pabrikan, dan pabrikan hanya akan melakukan itu jika Anda bisa mendapatkan pengecualian melalui pemerintah Anda. Saya tidak yakin prosesnya, tapi saya tahu itu mungkin setidaknya di AS. Di luar AS ini mungkin hampir mustahil.

Saya tidak tahu keakuratan unit GPS, tetapi masih ada efek ionosfer yang harus diperhitungkan, jika Anda terbang di LEO. Anda juga akan memerlukan sistem ADCS yang layak untuk memperkirakan posisi pesawat ruang angkasa Anda

Lonjakan tegangan
sumber
Bukankah efek ionosfer masih menyebabkan kesalahan pada skala meter atau kasus terburuk puluhan meter? Kecuali jika cubesat seseorang melakukan hal-hal yang memerlukan waktu milidetik, atau terbang berbasis GPS, ini tidak akan berarti bagi kebanyakan kubus. Ini baik untuk diingat, terima kasih!
uhoh