Qual è la frequenza di aggiornamento più alta raggiungibile per un ricevitore GPS civile?

Sono interessato a conoscere la massima frequenza di aggiornamento raggiungibile per un ricevitore GPS civile. In particolare

Ricevitori che dipendono esclusivamente dai satelliti GPS (ad esempio, esclusa la stima del movimento basata sull'IMU per l'interpolazione)
Il limite ipotetico (ovvero escludendo i problemi di fattibilità, ad esempio la potenza di elaborazione)
Frequenza di aggiornamento dopo il blocco (ad es. TTFF)

I chip ricevitori civili più veloci che ho trovato hanno una frequenza di aggiornamento di 50Hz, come il Venus838FLPx.

Secondo alex.forencich in questo thread di stackexchange , potrebbe essere "piuttosto alto":

È difficile fissare una frequenza di aggiornamento della posizione sui satelliti poiché è tutto nel ricevitore. I satelliti trasmettono semplicemente i dati delle effemeridi orbitali e l'ora del giorno a 50 bit al secondo e una frequenza di chip CDMA di 1,023 MHz, tutti precisamente bloccati in fase secondo uno standard di frequenza atomica. Il ricevitore GPS mantiene un blocco sul codice di diffusione CDMA e lo utilizza per determinare le differenze di orario di arrivo tra i satelliti. Ottenere un blocco in primo luogo richiede un po 'di tempo, ma in seguito la posizione può essere aggiornata con una frequenza piuttosto elevata. Non sono sicuro di quale sia il limite massimo.

E questo ovviamente non è correlato ai limiti di velocità e altitudine di CoCom per i ricevitori civili .

Questo è quello che ho trovato.

gps gnss

— Comunità
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@ MarkoBuršič è ovviamente molto sbagliato. ci sono molti limiti. per cominciare con la fase, che ovviamente ti dà un primo limite difficile (frequenza del corriere). Quindi, hai Cramer-Rao che non ti permetterà alcuna precisione significativa senza accumulare abbastanza osservazione. quindi, una frequenza di aggiornamento arbitrariamente alta è completamente incompatibile con la capacità del canale di Shannon. Quindi, a causa di Planck / Heisenberg, hai un'accuratezza potenziale LO molto limitata, che porta a un'accuratezza della posizione limitata e una velocità di aggiornamento limitata. L'elenco continua.

— Marcus Müller,

Da una sensazione viscerale, inizierei con la capacità del canale di Shannon, in quanto sembra un limite piuttosto rigido considerando la bassa larghezza di banda e il basso SNR che è fisicamente possibile, anche senza effetti atmosferici.

— Marcus Müller,

Nulla che indichi che il calcolo della posizione GPS soddisfa o supera l'uscita. L'output potrebbe sovracampionare la posizione.

— old_timer

Javad e Topcon producono entrambi ricevitori con velocità di aggiornamento della posizione di 100Hz. Quelli sono i più veloci che abbia visto generalmente disponibili. Come altri hanno notato che la maggior parte dei produttori sono limitati a 20 o 50Hz, i vantaggi del mondo reale sono pochi e più veloci, quindi per la maggior parte delle applicazioni è una perdita di tempo e potenza della CPU.

— Andrew,

@winny Shannon perseguita le mie notti insonni; Potrei anche dargli credito quando il credito è dovuto: P

— Marcus Müller,

Risposte:

Il fattore vincolante è il filtro passa-basso dopo lo smantellamento. Se assumiamo una densità di potenza del rumore di -204dBW / Hz (~ 17 ° C temp. Rumore), possiamo consentire solo circa 25kHz di larghezza di banda del rumore prima che raggiunga la potenza L1 di -160dBW. Il nostro tempo di integrazione deve essere di almeno 1 / 25.000s per rilevare il segnale dal rumore di fondo (presupponendo un'antenna omnidirezionale). Questo è il limite teorico per un segnale a piena potenza.

Il prodotto del tempo di integrazione e della larghezza di banda del loop di tracciamento deve essere significativamente inferiore all'unità affinché il loop sia stabile, quindi è possibile al massimo una larghezza di banda di 25 kHz (nei ricevitori del mondo reale, spesso si trova e ). I tempi relativi del segnale ricevuto e della replica locale possono cambiare (in modo significativo) solo con una frequenza di , rendendo inutili le correzioni di posizione più frequenti. $T$ $B_n$ $T=10^{-3}s$ $B_n<=18Hz$ $B_n/2$

Puoi imbrogliare usando un'antenna direzionale, ma per calcolare l'azimut e l'elevazione, la posizione delle antenne deve essere fissa e quel tipo di contraddizione con lo scopo di un sistema di navigazione.

Ora torniamo alla realtà: accorciare il periodo di integrazione rende le correzioni di posizione più rumorose. Dato il budget di collegamento di un'unità standardizzata, oltre 50 correzioni / s sono uno spreco, a meno che non si abbia un segnale davvero forte, tutto ciò che si ottiene è rumore (di fase). E c'è un onere computazionale elevato, consumerà la batteria come l'inferno.

— Andreas
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Nizza . Un paio di fattori complicanti, tuttavia: 1. Possiamo ottenere un aumento "virtuale" della larghezza di banda osservando più dei quattro satelliti minimi; normalmente aumenteresti la precisione, non la velocità. 2. Potremmo spingere verso il basso la soglia del rumore usando la diversità del ricevitore; è un modo piuttosto limitato, ma relativamente economico. A pensarci bene, 1. e 2. sfruttano entrambe le informazioni ridondanti nel sistema ricevente con rumore indipendente, quindi entrambe sono tecniche di diversità. Entrambi sono molto al limite "logico" di quello che è ancora un singolo ricevitore GPS e non effetti della fusione del sensore.

— Marcus Müller,

@MarcusMüller Sì, l'aumento della precisione aumenta anche la possibile frequenza di correzione e quindi la massima dinamica di tracciabilità. Aiuti a segnali coerenti multipli (L2), lo stesso vale per le antenne array a fasi. Qui non stiamo più parlando di "civile".

— Andreas,

Bene, la diversità aggiungendo più catene di ricevitori sarebbe relativamente semplice, se parliamo di una spinta significativa verso il basso. Sono abbastanza sicuro che un ricevitore GPS 18Hz rientri già in quello per cui dovresti compilare un modulo di controllo delle esportazioni.

— Marcus Müller,

Grande. Ora voglio rivisitare le implementazioni SDR dei ricevitori GNSS. E non ho tempo ...

— Marcus Müller,

@ MarcusMüller FWIW: non ho visto> 10Hz negli IC COTS SMD, ma i tassi di soluzione a 5 e 10Hz sono comuni per quanto ne so.

— Morten Jensen,

Un ricevitore GPS funziona mantenendo un "modello" software interno della posizione del ricevitore (e derivati della posizione). Un filtro Kalman viene in genere utilizzato per mantenere questo modello in sincronia con la realtà, in base ai dati grezzi provenienti dai satelliti.

Il segnale da ciascun satellite viene normalmente integrato per 20 ms alla volta, poiché questo è il periodo di bit dei dati PSK provenienti dal satellite. Ciò significa che il modello ottiene un aggiornamento grezzo sulla distanza da ciascun satellite 50 volte al secondo. Tuttavia, si noti che gli aggiornamenti da diversi satelliti sono essenzialmente asincroni (non si verificano tutti contemporaneamente), poiché anche la differenza di lunghezza del percorso tra i satelliti in testa ai satelliti all'orizzonte è dell'ordine di 20 ms. All'arrivo di ogni nuova misurazione satellitare, il modello interno viene aggiornato con le nuove informazioni.

Quando il ricevitore GPS emette un messaggio di aggiornamento, i dati nel messaggio provengono dal modello. Il ricevitore può aggiornare il modello tutte le volte che lo desidera e emettere messaggi di posizione ogni volta che lo desidera. Tuttavia, il risultato è una semplice interpolazione: nessuna nuova informazione è contenuta nei messaggi di output extra. La larghezza di banda delle informazioni è limitata dalla velocità con cui le misure del satellite grezzo vengono inviate al filtro.

Come osserva Andreas , avere una frequenza di messaggi in uscita elevata NON significa che è possibile tenere traccia delle dinamiche del ricevitore più elevate. Se è necessario tenere traccia delle dinamiche elevate del ricevitore, è necessario utilizzare altre fonti di informazioni come una IMU. In un sistema "strettamente accoppiato", i dati IMU aggiornano lo stesso modello interno utilizzato dal ricevitore GPS, il che consente all'IMU di "assistere" il tracciamento dei singoli segnali GPS.

C'è anche un lato economico della domanda. La maggior parte dei ricevitori GPS "civili" sono fortemente vincolati ai costi e, pertanto, viene utilizzata solo una potenza sufficiente della CPU (e della batteria) per soddisfare i requisiti della frequenza di aggiornamento per l'applicazione a portata di mano (ad esempio, la navigazione in auto o cellulare). Una frequenza di aggiornamento di una volta al secondo (o inferiore) è più che sufficiente per la maggior parte di tali applicazioni. Le applicazioni "militari" che richiedono tassi di aggiornamento più elevati hanno budget più elevati per materiali e potenza. I prezzi dei ricevitori GPS sono di conseguenza, anche se l'hardware effettivo del ricevitore è essenzialmente lo stesso, con la possibile eccezione dell'utilizzo di una CPU più potente.

— Dave Tweed
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Ah bene, come hai detto e penso che valga la pena sottolineare: velocità di aggiornamento più elevate di solito provengono dalla fusione dei dati dei sensori con altri sensori. Cose come bussole di precisione e accelerometri sono in genere i costi elevati nelle IMU che normalmente non si acquistano se non si vola ad alta velocità. Voglio dire, sul serio, un Kalman, anche se ampiamente modificato, probabilmente non è un problema per un microcontrollore con FPU che funziona a una coppia di 100 MHz. L'algoritmo e la sua parametrizzazione, le conoscenze di calibrazione e integrazione sono ciò per cui i produttori ti faranno pagare (a parte costosi sensori)

— Marcus Müller,