GPS สำหรับ Cubesats - 8km / วินาทีเร็วเกินไปสำหรับชิปผู้บริโภคหรือไม่

10

ดาวเทียมในวงโคจรโลกต่ำกำลังเคลื่อนที่ใกล้กับ 8km / วินาที ชิป GPS ระดับผู้บริโภคส่วนใหญ่ยังคงเรียกใช้ขีด จำกัด CoCom ที่ 1,000 น็อตประมาณ 514 m / s ข้อ จำกัด CoCom เป็นข้อ จำกัด โดยสมัครใจสำหรับการส่งออกที่คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำถามและคำตอบและคำถามและคำตอบนี้และที่อื่น ๆ

สำหรับคำถามนี้สมมติว่ามันเป็นข้อ จำกัด เชิงตัวเลขในส่วนผลลัพธ์ของเฟิร์มแวร์ ชิปจะต้องคำนวณความเร็ว (และระดับความสูง) ก่อนที่จะตัดสินใจได้ว่าเกินขีด จำกัด หรือไม่จากนั้นนำเสนอวิธีแก้ปัญหากับเอาต์พุตหรือปิดกั้น

ที่ 8000 m / s doppler shift ที่ 2GHz อยู่ที่ประมาณ 0.05 MHz ซึ่งเป็นความกว้างเล็กน้อยตามธรรมชาติของสัญญาณเนื่องจากการมอดูเลต

มีหลาย บริษัท ที่ขายหน่วย GPS สำหรับลูกบาศก์และพวกเขามีราคาแพง (หลายร้อยถึงหลายพันดอลลาร์) และอาจคุ้มค่าทุกเพนนีเพราะ (อย่างน้อยบางแห่ง) ได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานดาวเทียมและการทดสอบอวกาศ

การเพิกเฉยต่อการดำเนินการตามข้อ จำกัด ของ CoCom และปัญหาอื่น ๆ ของการดำเนินงานในพื้นที่นอกเหนือจากความเร็วนั้นมีเหตุผลใดบ้างที่ทำให้ชิป GPS ที่ทันสมัยตรวจจับได้ที่ความเร็วสูงสุด 500 m / s จะไม่สามารถทำงานได้ที่ 8000 m / s ถ้าเป็นเช่นนั้นพวกเขาคืออะไร?

หมายเหตุ: 8000m / s หารด้วย c (3E + 08m / s) ให้การขยาย / บีบอัดประมาณ 27ppm ของลำดับที่ได้รับ สิ่งนี้อาจส่งผลต่อการประยุกต์ใช้ความสัมพันธ์บางอย่าง (ทั้งในฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์)

gps

— เอ่อโอ้
แหล่งที่มา

3

เหตุผลแรกที่อยู่ในใจของฉันคือมันไม่มีเหตุผลที่จะทดสอบแม้แต่ให้ออกแบบเพียงอย่างเดียวสำหรับความเร็วเหล่านี้ดังนั้นการทำงานที่นั่นเป็นเพียงโชคหรือความบังเอิญ

— PlasmaHH

2

ฉันอยู่กับ PlasmaHH ในอันนี้ หากฉันจะวางจำหน่ายผลิตภัณฑ์ที่ลูกค้าของฉันจะใช้ 99.9% ที่ความเร็วรถยนต์ทั่วไปหรือน้อยกว่าก็ไม่คุ้มค่าที่จะทดสอบด้วยความเร็ว 8000 kph แม้ว่าฉันจะคาดหวังว่ามันจะทำงาน ไม่จำเป็นต้องพูดว่ามันเป็นเรื่องโง่ที่จะใส่ข้อมูลจำเพาะที่คุณไม่ได้ทดสอบ

— Dmitry Grigoryev

3

@DmitryGrigoryev การทดสอบ GPS มักจะทำด้วยเครื่องจำลองสัญญาณ - ความเร็วเป็นเพียงตัวเลขที่ป้อน ไม่เสียค่าใช้จ่ายในการตรวจสอบและวิศวกรที่ดีจะต้องการทราบถึงขีด จำกัด ประสิทธิภาพของการออกแบบเสมอ แต่โปรดคำถามของฉันที่ถามว่าส่วนใดของฟังก์ชั่น GPS น่าจะเป็นคนแรกที่ล้มเหลวด้วยความเร็วสูงไม่ใช่ "คุณจะทำอย่างไรถ้าคุณเป็นวิศวกรผลิตภัณฑ์"

— uhoh

2

@uhoh บางทีพวกมันถูกทดสอบที่ 8000 kph โดยใช้เครื่องจำลอง ยังฉันจะไม่ใส่หมายเลขนั้นในสเป็คโดยไม่ต้องทดสอบของจริง ฉันเห็นสิ่งต่าง ๆ มากมายที่ทำงานบนเครื่องจำลองหรือม้านั่งทดสอบแล้วล้มเหลวในทางปฏิบัติอย่างน่าทึ่ง

— Dmitry Grigoryev

1

@DmitryGrigoryev เราสามารถย้ายออกไปจากสิ่งที่คุณจะทำอย่างไรถ้าคุณ ...

— uhoh

6

ฉันจะไม่แนะนำให้ใช้โซลูชัน GPS ในตัว (มี MCU และเฟิร์มแวร์ปิดแหล่งที่มา) สำหรับแอปพลิเคชันดาวเทียม มีสาเหตุหลายประการที่ทำให้การทำงานล้มเหลว:

แผนความถี่ส่วนหน้าอาจปรับให้เหมาะสมสำหรับช่วง doppler ที่ จำกัด โดยทั่วไปส่วนหน้า RF จะผสมสัญญาณให้เป็น IF ต่ำกว่า 10MHz (IF สูงกว่าจะต้องใช้อัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงขึ้นและใช้พลังงานมากขึ้น) ถ้านี่ไม่ใช่การเลือกโดยพลการ! ความฉลาดทาง IF / ตัวอย่างควรจะไม่เป็นอันตรายสำหรับช่วง doppler ทั้งหมดเพื่อหลีกเลี่ยงเสียงปลอมจาก a / d-truncation error ในสัญญาณตัวอย่าง คุณอาจสังเกตผลกระทบการเต้นที่ทำให้สัญญาณใช้งานไม่ได้ในบางอัตรา doppler
correlator ของโดเมนดิจิทัลจำเป็นต้องสร้างแบบจำลองของผู้ให้บริการและรหัส C / A ในอัตราที่ถูกต้องรวมถึงเอฟเฟกต์ของ doppler มันใช้ DCOs (ดิจิตอลออสซิลเลเตอร์ควบคุม) เพื่อเพิ่มความเร็วในการเคลื่อนที่ของผู้ให้บริการและการสร้างรหัสซึ่งปรับผ่านการลงทะเบียนการกำหนดค่าจาก MCU ความกว้างบิตของรีจิสเตอร์เหล่านี้อาจถูก จำกัด ช่วง doppler ที่คาดไว้สำหรับตัวรับสัญญาณภาคพื้นดินทำให้ไม่สามารถปรับช่องสัญญาณเป็นสัญญาณได้หากคุณเดินทางเร็วเกินไป
เฟิร์มแวร์จะต้องทำการซื้อกิจการแบบเย็นหากไม่มีการประเมินตำแหน่ง / เวลา มันจะค้นหาถังขยะความถี่ doppler และขั้นตอนรหัสเพื่อค้นหาสัญญาณ ช่วงการค้นหาจะถูก จำกัด ช่วงที่คาดไว้สำหรับผู้ใช้ตามพื้นดิน
โดยทั่วไปแล้วเฟิร์มแวร์จะใช้การกรองคาลมานสำหรับการแก้ปัญหาตำแหน่ง สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับแบบจำลองของตำแหน่ง / ความเร็ว / ความเร่งของตัวรับสัญญาณ ในขณะที่การเร่งความเร็วจะไม่เกี่ยวข้องกับดาวเทียมรุ่นจะล้มเหลวสำหรับความเร็วหากเฟิร์มแวร์ไม่ได้ถูกดัดแปลงสำหรับการใช้งานในวงโคจร

ปัญหาทั้งหมดเหล่านี้สามารถแก้ไขได้หากคุณใช้ส่วนหน้าและ correlator ที่ตั้งโปรแกรมได้อย่างอิสระด้วยเฟิร์มแวร์ที่กำหนดเอง คุณอาจ fe ดูPiksy

— อันเดรีย
แหล่งที่มา

สำหรับจุดที่ 1 (แบนด์วิดท์ส่วนหน้า) แบนด์วิดท์ดั้งเดิมของสัญญาณนั้นกว้างกว่าการเปลี่ยน doppler มากพิจารณากรณีที่เลวร้ายที่สุดประมาณ 10 กม. / วินาทีความเร็วสัมพัทธ์เทียบกับ 3E + 05 km / วินาทีความเร็วของแสงจะอยู่ที่ประมาณ 50 kHz แต่ 2, 3, 4 เสียงทั้งหมดเหมือนกับดีลเลอร์เบรคเกอร์สำหรับชิปและเฟิร์มแวร์ที่เหมาะกับผู้บริโภค

— uhoh

2

@uhoh: ฉันเห็นด้วยกับแบนด์วิดท์อาร์กิวเมนต์ของคุณ แต่จุดที่ 1 ไม่เกี่ยวกับแบนด์วิดท์ ฉันควรจะอธิบายให้ดีกว่านี้ หากอัตราตัวอย่างของคุณคือ 16,368,000 / s และสัญญาณใน IF อยู่กึ่งกลางที่ 4,092,000 Hz และคุณมี a / d ที่มีความละเอียด 4 บิตคุณจะมีปัญหากับการเต้น ทุกข้อผิดพลาดการตัดตัวอย่างจะไปในทิศทางเดียวกัน มีจุดที่ไม่ดีทั้งหมด (ศูนย์ IF เป็นอีกจุดหนึ่งที่แย่มาก ๆ คุณจะต้องการรักษาระยะห่าง (ขึ้นอยู่กับระยะเวลาในการรวม) ไปยังจุดเหล่านี้สำหรับ doppler ที่คาดหวัง

— Andreas

เยี่ยมมากขอบคุณมากสำหรับคำตอบนี้! มันทำให้ฉันมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงสิ่งที่เกิดขึ้น ฉันยังไม่เข้าใจข้อผิดพลาดการเต้น / การตัดทอน แต่ฉันสามารถอ่านและอาจถามคำถามหลังจากนั้น ฉันมีคำถาม ACD ที่แตกต่างกันซึ่งเกี่ยวข้องกับ ADC สามบิตความถี่สูง (PiSky มี ADC 3 บิต)

— uhoh

1

มันเกี่ยวข้องกับ S / N ของแต่ละตัวอย่างซึ่งไม่ดีจริงๆ การลงทุนอย่างแม่นยำยิ่งขึ้นที่ ADC จะไม่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบโดยรวมให้มากขึ้น มันเป็นการแลกเปลี่ยนที่ซับซ้อนฉันจะพยายามให้คำตอบที่มีประโยชน์สำหรับคำถาม ALMA ของคุณ

— Andreas

4

บางคนใช้ Cocom เป็นหรือคนอื่น ๆ ในฐานะที่เป็นและ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดสำหรับลูกค้าที่มีคุณสมบัติเหมาะสมภายใต้ EAR หรือ ITAR ผู้ขายจะขายตัวเลือกเฟิร์มแวร์ให้กับคุณเป็นเงินจำนวน $ $$ สำหรับการปิดการใช้งาน ฮาร์ดแวร์เหมือนกัน

นอกเหนือจากข้อ จำกัด อย่างหนักมันกลายเป็นปัญหาการสื่อสาร RF พร้อมกับการออกแบบฮาร์ดแวร์ของคุณเพื่อทนต่อรังสี Eb / N0 ของคุณอาจจะค่อนข้างดีกว่าเพราะคุณอยู่ใกล้กับ SV และหลีกเลี่ยงการสูญเสียเส้นทางในชั้นบรรยากาศ แต่วงจรรับของคุณก็จะต้องทนต่อ Doppler จำนวนมาก

มันไม่เพียงแค่วางตำแหน่งว่า CubeSats สนใจแล้ว - เวลา GPS เป็นชุดข้อมูลที่มีค่าซึ่งช่วยให้ดาวเทียมสามารถระบุตำแหน่งที่ได้รับ TLE แม้ว่าผู้รับจะปฏิเสธที่จะให้คุณเข้ารับตำแหน่งเนื่องจาก COCOM ถ้ามันให้เวลามันก็คุ้มค่า

— Krunal Desai
แหล่งที่มา

"Eb / N0" และ "SVs" หมายถึงอะไร? คุณรู้หรือไม่ว่าเวลาจริงถูกรายงานเมื่อพิกัดเชิงพื้นที่ถูกบล็อกหรือคุณแค่หมายถึงสัญญาณ 1pps โปรดทราบฉันระบุว่า: "ไม่สนใจการใช้งานข้อ จำกัด CoCom และปัญหาอื่น ๆ ของการทำงานในอวกาศนอกเหนือจากความเร็ว .. "

— uhoh

เมื่อสองปีก่อนดาวเทียมถูกจัดประเภทใหม่เป็น "ไม่ใช่อาวุธ"ดังนั้น ITAR จึงไม่ได้ใช้อีกต่อไป - แต่ตอนนี้EAR มีผลบังคับใช้ตามที่คุณพูดถึง ยังมีMTCRและWassenaar Arrangement อยู่ด้วยและอาจจะมากกว่าด้วย!

— uhoh

3

@uhoh ฉันคิดว่าคำว่า Eb / N0 => อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนและ SVs => ยานอวกาศ (ดาวเทียม GPS จริง)

— user2943160

@ user2943160 ขอบคุณที่เหมาะสม ฉันมักจะพยายามเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ - หาก Eb เป็นคำเฉพาะฉันต้องการเรียนรู้

— uhoh

เมื่อไม่นานมานี้ฉันเพิ่งได้ทำสิ่งต่าง ๆ จำนวนมาก Eb / No เป็นเพียง SNR ปกติหรือ SNR ต่อบิต จริงๆแล้วมันอาจจะแม่นยำมากกว่านี้ถ้าใช้ SNR หรือ RSSI ในคำตอบนั้น โดยทั่วไปฉันได้ยินมาว่ามีชิปเซ็ตบางตัว (SiRF ที่ฉันคิดว่า) จะยังคงรายงานเวลา แต่ทำให้คุณออกจากตำแหน่ง แต่ฉันยังไม่ได้ยืนยันส่วนตัว

— Krunal Desai

2

หากบทความนี้เป็นตัวอย่างของสถาปัตยกรรม GPSเป็นตัวแทนชิปนั้นประกอบด้วย RF front-end, correlators ของฮาร์ดแวร์ในโดเมนดิจิทัลและการถอดรหัสสัญญาณจริงทั้งหมดจะดำเนินการในซอฟต์แวร์

ในกรณีนี้ปัญหาที่เป็นไปได้เพียงอย่างเดียวคือ doppler ซอฟต์แวร์อาจยกเลิกค่า "พิเศษ" แต่คุณจะต้องเปลี่ยนหรือแก้ไขเฟิร์มแวร์ต่อไปหากคุณต้องการหลีกเลี่ยงข้อ จำกัด CoCom

คำถามที่น่าสนใจคือถ้าคุณสามารถยืมเครื่องจำลอง GPS ซึ่งสามารถตั้งโปรแกรมให้จำลองเคสความเร็วสูงได้ ฉันคิดว่าคงเป็นไปได้ - หลังจากทั้งหมดผู้ผลิตจะทดสอบว่าอุปกรณ์ของตนใช้การ จำกัด ของ CoCom อย่างไร

— pjc50
แหล่งที่มา

3

โปรดทราบว่าแม้ที่ 0 kph คุณต้องรับมือกับ Doppler เนื่องจากดาวเทียมกำลังเคลื่อนที่ที่ 8000 m / s

— Dmitry Grigoryev

ฉันชอบตรรกะของคุณ! มันเป็นการเปลี่ยนแบบ (สูงสุด) +/- 60 kHz ที่ใช้กับสัญญาณดาวเทียมแต่ละแบบแตกต่างกันไปโอกาสที่ดีที่เครื่องจำลองส่วนใหญ่สามารถทำได้ สำหรับบันทึกฉันไม่ได้ทำสิ่งนี้จริง ๆ- ฉันแค่ขอสิ่งนี้!

— uhoh

2

ไม่ @DmitryGrigoryev คุณผิดเกี่ยวกับ 8000 พวกเขาเคลื่อนไหวช้ากว่ามากเพราะอยู่ในวงโคจรที่สูงกว่ามาก แต่คุณพูดถูกว่า Doppler มีจำนวนมากนอกเหนือจากการเคลื่อนไหวของหน่วย GPS มันเป็นจุดที่ดี!

— เอ่อ

@uhoh ความผิดพลาดของฉัน ความคิดเห็นของฉันควรอ่าน 14,000 กม. / ชม. แทน

— Dmitry Grigoryev

5

แม้ว่ามันจะมีความเกี่ยวข้องกับพื้นดินน้อยกว่า - การสัมผัสกับความเร็วของผู้สังเกตการณ์ไม่ได้ทำให้เกิด doppler อย่างไรก็ตามมันทำให้เกิดความสัมพันธ์ที่มีขนาดเล็ก: physics.stackexchange.com/questions/1061/…

— pjc50

2

มันขึ้นอยู่กับการใช้งานจริง ๆ ตัวอย่างเช่นตัวรับสัญญาณหนึ่งตัวที่ฉันทำงานอยู่มีการลงทะเบียนความถี่ NCO ของผู้ให้บริการจุดคงที่ในแต่ละช่องทางที่มีความกว้าง 17 บิต ค่าสูงสุดที่สามารถเก็บไว้ในการลงทะเบียนนี้สอดคล้องกับประมาณ 6 km / s และยังมีการมีส่วนร่วมจากข้อผิดพลาดความถี่สัญญาณนาฬิกา ดังนั้นจะไม่สามารถติดตามดาวเทียมใด ๆ ที่มีอัตราช่วงเกินขีด จำกัด นั้นซึ่งค่อนข้างมากหากรับสัญญาณเคลื่อนที่ด้วยความเร็วในการโคจร

— pericynthion
แหล่งที่มา

1

Cubesats สามารถใช้กับหน่วย GPS เชิงพาณิชย์ที่มีค่าน้อยกว่า 1,000 $ ผู้ผลิตจะลบข้อ จำกัด ดังนั้นใครจะหวังว่าพวกเขาจะสามารถทดสอบได้ด้วยการลบพวกเขา พวกเขามีตัวเลียนแบบ GPS หรือเข้าถึงพวกเขา

ผู้ผลิตจะต้องลบขีด จำกัด cocom และผู้ผลิตจะทำเช่นนั้นหากคุณได้รับการยกเว้นจากรัฐบาลของคุณ ฉันไม่แน่ใจกระบวนการ แต่ฉันรู้ว่าเป็นไปได้อย่างน้อยที่สุดในสหรัฐอเมริกา นอกสหรัฐอเมริกาอาจเป็นไปไม่ได้

ฉันไม่รู้ความแม่นยำของหน่วย GPS แต่ยังมีเอฟเฟ็กต์ไอโอสเฟียร์ที่ต้องคำนึงถึงหากคุณบินใน LEO นอกจากนี้คุณยังต้องมีระบบ ADCS ที่เหมาะสมเพื่อประเมินตำแหน่งยานอวกาศของคุณ

— แรงดันไฟฟ้า
แหล่งที่มา

ผลกระทบของไอโอออสเฟียร์จะยังคงก่อให้เกิดข้อผิดพลาดในระดับเมตรหรือกรณีเลวร้ายที่สุดนับสิบเมตร เว้นแต่ว่าคิวบ์คนหนึ่งกำลังทำสิ่งที่ต้องใช้เวลาเป็นมิลลิวินาทีหรือการบินโดยอาศัย GPS สิ่งนี้จะไม่สิ้นสุดสำหรับคิวบ์ส่วนใหญ่ เป็นการดีที่จะจำไว้ขอบคุณ!

— uhoh