GPS per Cubesats: 8 km / sec è troppo veloce per i chip di consumo?

I satelliti in orbita terrestre bassa si stanno avvicinando a 8 km / sec. La maggior parte dei chip GPS di livello consumer invocano ancora i limiti CoCom di 1000 nodi, circa 514 m / s. I limiti di CoCom sono limiti volontari per le esportazioni di cui puoi leggere di più in questa domanda e risposta e in questa domanda e risposta e altrove.

Per questa domanda, supponiamo che siano limiti numerici nella sezione di output del firmware. Il chip deve effettivamente calcolare la velocità (e l'altitudine) prima di poter decidere se il limite viene superato, quindi presentare la soluzione all'uscita o bloccarla.

A 8000 m / s lo spostamento del doppler a 2 GHz è di circa 0,05 MHz, una piccola frazione della larghezza naturale del segnale a causa della sua modulazione.

Esistono diverse aziende che vendono unità GPS per cubesat e sono costose (da centinaia a migliaia di dollari) e probabilmente valgono ogni centesimo perché (almeno alcune di esse) sono progettate per applicazioni satellitari e testate nello spazio.

Ignorando l'implementazione dei limiti di CoCom e tutti gli altri problemi di funzionamento nello spazio oltre alla velocità , ci sono dei motivi per cui un moderno chip GPS con una velocità massima di 500 m / s non sarebbe in grado di funzionare a 8000 m / s? Se sì, quali sono?

nota: 8000 m / s diviso per c (3E + 08 m / s) fornisce circa 27 ppm di espansione / compressione delle sequenze ricevute. Ciò potrebbe influire su alcune implementazioni di correlazione (sia hardware che software).

Non consiglierei di utilizzare una soluzione GPS integrata (contenente MCU e firmware a sorgente chiuso) per un'applicazione satellitare. Esistono diversi motivi per cui questo potrebbe non funzionare:

1. Il piano di frequenza frontend potrebbe essere ottimizzato per un intervallo doppler limitato. Tipicamente, il frontend RF mescolerà il segnale a un IF inferiore a 10 MHz (IF più alto richiederà una frequenza di campionamento più alta e consumerà più energia). Questo IF non è scelto arbitrariamente! Il quoziente IF / campionatore deve essere non armonico per l'intera gamma del doppler per evitare toni spuri dovuti a errori di troncamento a / d nel segnale campionato. È possibile osservare effetti di battito che rendono il segnale inutilizzabile ad alcune velocità doppler.
2. Il correlatore del dominio digitale deve riprodurre una replica del corriere e il codice C / A alla velocità corretta, inclusi gli effetti doppler. Utilizza DCO (oscillatori controllati digitali) per stimolare la generazione di portatori e codici, che sono sintonizzati tramite i registri di configurazione dall'MCU. L'ampiezza di bit di questi registri può essere limitata all'intervallo doppler previsto per un ricevitore a terra, rendendo impossibile sintonizzare il canale sul segnale se si viaggia troppo velocemente.
3. Il firmware dovrà effettuare un'acquisizione a freddo se non è disponibile alcuna stima di posizione / tempo. Cercherà bin di frequenza doppler e fasi di codice per trovare un segnale. L'intervallo di ricerca sarà limitato all'intervallo previsto per un utente a terra.
4. Il firmware in genere utilizzerà il filtro kalman per le soluzioni di posizione. Ciò comporta un modello di posizione / velocità / accelerazione del ricevitore. Sebbene l'accelerazione non costituisca una preoccupazione per un satellite, il modello fallirà per la velocità, se il firmware non è adattato per l'uso in orbita.

Tutti questi problemi possono essere risolti se si utilizza un frontend e un correlatore liberamente programmabili con un firmware personalizzato. Potresti guardare Piksy .

Alcune persone implementano COCOM come un o , altri come un e . Ad ogni modo, per i clienti qualificati nell'ambito EAR o ITAR, i venditori ti venderanno felicemente un'opzione firmware per $$$ che disabilita tale funzionalità. L'hardware è identico.

Al di fuori di questa dura limitazione, diventa un problema di comunicazione RF, insieme alla progettazione dell'hardware per tollerare gli effetti delle radiazioni. Il tuo Eb / N0 sarà probabilmente un po 'migliore dato che sei (letteralmente) più vicino agli SV ed evitando la perdita del percorso atmosferico, ma anche i tuoi circuiti di ricezione dovranno tollerare una notevole quantità di Doppler.

Tuttavia, non è solo la posizione a cui CubeSat è interessato: il tempo GPS è un bene di dati preziosi che aiuta un satellite a capire dove si trova, dato un TLE. Anche se il ricevitore rifiuta di darti una posizione a causa di COCOM, se dà il tempo, può valerne la pena.

Se questo documento sull'architettura GPS di esempio è rappresentativo, i chip sono costituiti da un front-end RF, correlatori hardware nel dominio digitale e tutta la decodifica effettiva del segnale viene eseguita nel software.

Nel qual caso l'unico problema probabile è il doppler. Il software potrebbe scartare valori "eccezionali", ma è necessario sostituire o modificare il firmware comunque se si desidera bypassare i limiti di CoCom.

Una domanda più interessante è se è possibile prendere in prestito un simulatore GPS che può essere programmato per simulare il caso ad alta velocità. Avrei pensato che sarebbe stato possibile - dopo tutto, come farebbe un produttore a verificare che il proprio dispositivo stia applicando i limiti CoCom?

Dipende molto dall'implementazione. Ad esempio, un ricevitore su cui ho lavorato ha un registro di frequenza NCO portante a punto fisso in ciascun canale del correlatore, con una larghezza di 17 bit. Il valore massimo che può essere memorizzato in questo registro corrisponde a circa 6 km / s e deve anche includere un contributo dall'errore di frequenza di clock del ricevitore. Quindi non sarebbe in grado di tracciare i satelliti la cui portata supera tale limite, che sarebbero parecchi se il ricevitore si muove a velocità orbitali.

Cubesats può essere utilizzato con unità GPS commerciali standard che sono inferiori a 1000 $. Il produttore rimuove i limiti, quindi si spera che siano in grado di testarli rimossi. Hanno emulatori GPS o accedono ad essi.

I limiti cocom devono essere rimossi dal produttore e il produttore lo farà solo se è possibile ottenere un'eccezione attraverso il proprio governo. Non sono sicuro del processo, ma so che è possibile almeno negli Stati Uniti. Al di fuori degli Stati Uniti questo potrebbe essere quasi impossibile.

Non conosco la precisione dell'unità GPS, ma ci sono ancora effetti ionosferici che devono essere presi in considerazione, se voli in LEO. Avrai anche bisogno di un discreto sistema ADCS per stimare la posizione della tua astronave