Mengapa GPS ponsel pintar menemukan posisinya jauh lebih cepat daripada modul GPS?

Ketika saya menggunakan modul GPS Arduino, biasanya dibutuhkan beberapa menit untuk mulai mengirim data. Dan tampaknya biasanya demikian halnya dengan semua modul GPS karena mereka perlu "mendengarkan" satelit selama beberapa waktu. Namun setiap kali saya menggunakan GPS internal ponsel saya menemukan posisinya dalam hitungan detik. Mengapa demikian?

Ada beberapa hal yang mempengaruhi waktu untuk memperbaiki pertama kali (TTFX) .

1. Mendapatkan almanak dan ephemeris. Kedua hal ini secara teknis sedikit berbeda satu sama lain, tetapi untuk tujuan kami, kami akan memperlakukan mereka sebagai sama. Mereka adalah lokasi satelit, dan Anda perlu mengetahui di mana mereka berada untuk mengetahui posisi Anda sendiri. Setiap satelit mentransmisikan seluruh lot secara kasar setiap 12 menit. Jadi, dari awal yang benar-benar dingin dengan penerima satu saluran dan sinyal yang layak, TTFX akan memakan waktu setidaknya 12 menit. Anda dapat mempercepat dengan:

   • Mengunduh dari internet sebagai gantinya - umumnya merupakan pilihan yang baik untuk ponsel. Mengunduh almanak dan ephemreris dengan cara ini dikenal sebagai MSB Assisted GPS.
   • Mengingat almanak dari yang terakhir kali (itu bagus untuk beberapa minggu) dan hanya mengunduh ephemeris.
   • Memiliki lebih dari satu saluran penerima di perangkat sehingga Anda dapat mendengarkan lebih dari satu satelit sekaligus. Transmisinya dibuat sempoyongan untuk membuat ini bekerja, dan dengan hati-hati Anda dapat menggunakan ephemeris tanpa almanak yang menghemat banyak waktu. Sebagian besar modul yang ada di pasaran saat ini memiliki banyak saluran, sehingga akan jarang ditemukan satu yang masih membutuhkan 12 menit.

2. Mengidentifikasi satelit. Anda perlu mendengarkan setidaknya tiga satelit, lebih disukai lebih banyak, untuk mendapatkan hasil yang baik, tetapi masing-masing penerima (dikenal sebagai korelator) hanya dapat disesuaikan satu per satu. Jika Anda tahu secara kasar di mana Anda berada, jam berapa sekarang, dan sudah memiliki almanak, maka Anda bisa menebak satelit mana yang bisa Anda lihat. Ponsel cenderung mengetahui secara kasar dari mana mereka mengenali sinyal wifi atau bluetooth, mengetahui menara sel yang mereka gunakan, dan sumber lainnya. Mereka secara teratur mendapatkan pembaruan waktu yang sangat akurat juga, sehingga mereka biasanya dapat langsung menuju satelit yang benar. Baik ponsel dan modul yang lebih besar juga dapat mengingat kapan dan di mana mereka terakhir digunakan, dan menggunakannya untuk memulai.

3. Jumlah korelator. Karena sinyal-to-noise sinyal GPS sangat rendah, Anda memerlukan perangkat keras khusus untuk menerimanya. Beberapa penerima hanya memiliki satu, dan perlu memutar putaran satelit. Yang lain memiliki lebih banyak, dan dapat mendengarkan lebih banyak sekaligus. Jadi, bahkan jika Anda sudah memiliki almanak / ephemeris dan tahu kira-kira di mana Anda berada, maka lebih banyak korelator masih akan membantu Anda memperbaiki lebih cepat. Anda mungkin berpikir lebih banyak selalu lebih baik, tetapi lebih banyak meningkatkan biaya dan konsumsi daya. Beberapa ponsel dan modul memiliki lebih dari yang lain.

4. Sinyal dan antena. Korelator akan melakukan pekerjaan mereka lebih cepat jika Anda memiliki signal-to-noise yang bagus. Sinyal yang sangat buruk mungkin tidak berfungsi sama sekali. Desain antena, penguat, tampilan langit, dan tata letak PCB yang baik dapat membuat semua perbedaan. Beberapa modul mungkin berfungsi dengan baik di luar kotak, dan jauh lebih baik dengan antena yang terpasang.

5. Jumlah satelit yang dapat digunakan. Sebenarnya ada dua rasi bintang satelit di sana, GPS (dijalankan oleh AS) dan GLONASS (dijalankan oleh Rusia). Ada juga lebih banyak yang sedang dibangun: Galileo (UE) dan BeiDou-2 (Cina) dan beberapa dengan cakupan lokal seperti NAVIC India atau BeiDou-1. Penerima yang dapat bekerja dengan satelit dari lebih dari satu rasi bintang memiliki lebih banyak satelit untuk dipilih, dan akan mendapatkan perbaikan yang lebih cepat dan lebih akurat.

6. Kualitas korelator. Desain perangkat keras baru lebih baik daripada yang lama, dan akan dapat memilih fragmen pesan GPS dalam sinyal berisik yang lebih baik. Trik lain yang dapat dilakukan ponsel adalah menangkap fragmen sinyal dan mengirimkannya melalui internet ke server dengan korelator perangkat lunak yang sangat baik, dan menyelesaikan almanak / ephemeris untuk diperiksa. Ini dikenal sebagai MSA Assisted GPS.

7. Beberapa telepon (dan bahkan beberapa modul) mungkin juga menggunakan beberapa trik yang sedikit licik untuk menghindari atau menyembunyikan TTFX yang lama. Karena mereka selalu menyala, mereka mungkin sebentar mengaktifkan GPS tanpa memberi tahu pengguna untuk menjaga agar lokasi dan ephemeris tetap up to date. Orang lain mungkin menampilkan posisi baru-baru ini sambil masih menunggu perbaikan nyata - yang terlihat seperti TTFX yang baik hampir sepanjang waktu, tetapi terlihat buruk jika ternyata posisinya sangat salah.

Poin 1 di atas adalah hal yang paling membuat perbedaan, dan biasanya hal utama yang berbeda antara modul dasar, modul yang lebih maju, dan telepon. Yang lain biasanya membuat perbedaan yang lebih kecil, tetapi sebenarnya bisa menjadi hal yang sangat rumit. Jika Anda ingin membaca lebih lanjut, maka "waktu GPS untuk memperbaiki pertama" adalah istilah untuk mencari.

Sistem operasi ponsel mengunduh data GPS almanak (ephemeris satelit dan informasi status) melalui internet melalui jaringan seluler dan memuatnya ke dalam modul GPS lebih cepat daripada yang diperlukan untuk mengunduhnya dari satelit GPS langsung pada 50 bps ( ya, itu 50 bit per detik, GPS adalah teknologi yang agak tua dioptimalkan untuk operasi pada SNR yang sangat rendah), secara signifikan mempercepat waktu untuk memperbaiki pertama. Ini disebut Assisted GPS. Ini juga kemungkinan memiliki referensi waktu awal yang sangat akurat dari modem sel (menara sel biasanya disinkronkan waktu melalui GPS) serta kemungkinan perkiraan lokasi kasar dari modem sel. Semua ini dikombinasikan secara drastis mengurangi jumlah pencarian yang harus dilakukan penerima - ia tahu satelit apa yang harus dapat dilihatnya, sehingga hanya mencari mereka, dan tidak perlu menunggu sekitar untuk mengirimkan satelit seluruh pesan.

Jawaban lain sudah menjelaskan "bagaimana" dan "mengapa", jadi yang tersisa untuk saya adalah "apa": itu disebut A-GPS (GPS terpandu, kadang-kadang juga disebut GPS yang dipercepat atau ditambah) .

Dengan kata lain: alasan mengapa GPS ponsel bekerja lebih cepat daripada "GPS GPS" adalah karena ponsel tidak menggunakan "GPS", itu menggunakan aGPS.

Bagian dari jawabannya di sini adalah bahwa ponsel GPS bukan hanya GPS. Cell juga menggunakan informasi lain untuk geolokasi, seperti triangulasi menara ponsel dan visibilitas jaringan wifi. Misalnya, versi non-seluler dari iPad Air tidak memiliki GPS yang sebenarnya tetapi masih tahu di mana Anda berada di area yang dibangun menggunakan teknik ini.

Hanya ingin menaruh sedikit lebih detail dalam apa yang terjadi ketika penerima yang lebih tua sedang menunggu data. Dengan kata lain, mengapa almanak itu (dan posisi yang diingat) sangat berguna?

Sinyal GPS sangat lemah. Mengingat jaraknya, sinyalnya jauh di bawah lantai kebisingan ketika mencapai bumi. Anda tidak akan pernah secara langsung mendeteksi satelit jika Anda hanya menonton pemindaian lingkup dengan frekuensi yang benar.

Cara penerima mendapat informasi adalah dengan membandingkan sinyal yang masuk dengan pola tertentu (melalui korelasi FFT). Jika pola yang benar digunakan, maka korelasinya berbaris dan data dapat dilihat.

Untuk penerima yang sederhana dan bergaya lama yang sampai ke titik ini memerlukan dua hal dari korelator perangkat: frekuensi pesan dari satelit, dan fase pesan (mengatur pola-pola). Jika salah satu dari ini tidak benar, maka korelasinya tidak berhasil dan tidak ada yang terdeteksi. Gerakan satelit berarti bahwa sinyal yang diterima tunduk pada pergeseran Doppler yang relatif besar.

Dengan almanak di tempat dan gagasan yang baik tentang lokasi dan waktu saat ini, penerima dapat memperkirakan gerakan relatif satelit dan penerima untuk menghapus sebagian besar pergeseran Doppler dan mendekati frekuensi. Itu berarti korelator biasanya dapat menghasilkan hit hanya dengan mencoba fase yang berbeda untuk pola sinyal. Pencarian ruang-fase ini dapat dilakukan dalam beberapa detik.

Jika almanak hilang, atau jika tidak ada perkiraan lokasi dan waktu saat ini, sistem harus mencoba fase dan frekuensi berbeda untuk mendapatkan data dari setiap satelit. Sekarang karena harus mencari dalam dua dimensi yang berbeda, diperlukan beberapa menit bahkan untuk sistem multi-saluran untuk "menemukan" 3 satelit dengan kekerasan.

Chipset modern dapat menggunakan sinyal tambahan dan banyak pembanding paralel untuk mempercepat pencarian, bahkan tanpa A-GPS. Saya menduga chipset yang Anda peroleh pada pelindung Arduino mungkin lebih tua / lebih murah dan tidak akan menggunakan fitur-fitur baru ini.

Di AS, FCC mengharuskan operator telepon seluler untuk dapat mengidentifikasi lokasi penelepon saat memanggil layanan darurat dalam jarak 300 meter dalam 6 menit dari panggilan telepon awal pada 11 September 2012.

Ini bertahap secara bertahap selama tahun-tahun sebelumnya, dan persyaratan telah diperketat baik dalam jarak dan waktu ke lokasi laporan di tahun-tahun berikutnya.

Perusahaan-perusahaan telepon seluler tidak dapat menjamin hal ini di daerah-daerah terpencil di mana hanya satu atau dua menara seluler berada dalam kontak dengan telepon seluler, atau di lingkungan perkotaan di mana pantulan dan kepadatan bangunan menghalangi lokasi bahkan ketika telepon memiliki beberapa menara yang dapat menerimanya. Chip GPS tidak dapat menyediakan ini dalam kerangka waktu yang diperlukan pada daya yang cukup rendah sehingga ponsel masih dapat bertahan secara komersial (pada saat persyaratan diperkenalkan. Chipset sekarang jauh lebih hemat daya dan lebih cepat, sebagian karena persyaratan bahwa setiap telepon menyertakan sebagian atau semua chipset GPS). Lebih lanjut, chipset GPS relatif sangat mahal dibandingkan komponen ponsel lainnya.

Jadi mereka menciptakan beberapa sistem persaingan yang berbeda yang semuanya berada di bawah moniker "AGPS" untuk Assisted GPS.

Teknologi yang berjalan di belakang berbagai sistem AGPS ini berbeda, terkadang sangat berbeda.

Sistem AGPS seluler termurah merekam beberapa milidetik sinyal GPS RF, mengirimkannya ke server AGPS yang kemudian, mengetahui perkiraan lokasi telepon, dapat menggunakan cuplikan GPS RF untuk menentukan posisi yang jauh lebih akurat. Ponsel ini tidak dapat memperoleh koordinat GPS tanpa koneksi seluler yang baik.

Beberapa memiliki chipset GPS penuh, tetapi memungkinkan ponsel untuk menyediakan mereka dengan almanak dan ephemeris - dua potong informasi yang memungkinkan chipset untuk kemudian diperbaiki dalam hitungan detik - setelah itu menggunakan metode normal untuk menghasilkan hasil posisi. Waktu yang diberikan, ponsel ini dapat memperoleh posisi independen dari jaringan mereka.

Sebagian besar chipset GPS memungkinkan Anda memuat informasi ephemeris dan almanak ke dalamnya, jadi jika perangkat Arduino Anda memiliki koneksi internet dan Anda memiliki akses ke server AGPS Anda dapat mempercepat perbaikan GPS Anda dengan cara yang sama. Namun, untuk sebagian besar proyek cukup menambahkan baterai sel koin lithium ke pin kanan pada penerima GPS memungkinkannya menyimpan pembaruan almanak dan ephemeris terakhir, dan karena perubahannya kecil selama periode waktu yang singkat ini sangat mempercepat perbaikan pertama seperti selama perangkat belum bergerak ribuan mil, dan dihidupkan setiap beberapa hari.