ทำไมสมาร์ทโฟน GPS ถึงพบตำแหน่งเร็วกว่าโมดูล GPS มาก?

เมื่อฉันใช้โมดูล arduino GPS จะใช้เวลาสองสามนาทีในการเริ่มส่งข้อมูล และดูเหมือนว่ามันมักจะเป็นกรณีของโมดูล GPS ทั้งหมดเนื่องจากพวกเขาจำเป็นต้อง "ฟัง" กับดาวเทียมในบางครั้ง อย่างไรก็ตามเมื่อใดก็ตามที่ฉันใช้ GPS ภายในโทรศัพท์ฉันพบว่าตำแหน่งอยู่ในไม่กี่วินาที ทำไมถึงเป็นอย่างนั้น?

มีหลายสิ่งที่มีผลต่อการมีเวลาในการแก้ไขครั้งแรก (TTFX)

1. รับปูมและ ephemeris สองสิ่งนี้แตกต่างกันเล็กน้อยในทางเทคนิค แต่สำหรับจุดประสงค์ของเราเราจะปฏิบัติต่อพวกเขาเหมือนกัน พวกมันคือตำแหน่งของดาวเทียมและคุณจำเป็นต้องรู้ว่าพวกมันอยู่ที่ไหนเพื่อที่จะกำจัดตำแหน่งของคุณ ดาวเทียมแต่ละดวงจะส่งสัญญาณจำนวนมากอย่างคร่าวๆทุกๆ 12 นาที ดังนั้นจากจุดเริ่มต้นที่เย็นชาอย่างสมบูรณ์ด้วยตัวรับสัญญาณหนึ่งช่องทางและสัญญาณที่ดี TTFX จะใช้เวลาอย่างน้อย 12 นาที คุณสามารถเร่งความเร็วสิ่งต่าง ๆ โดย:

   • การดาวน์โหลดจากอินเทอร์เน็ตแทน - โดยทั่วไปเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับโทรศัพท์ การดาวน์โหลด almanac และ ephemreris วิธีนี้เรียกว่า MSB Assisted GPS
   • จดจำปฏิทินจากครั้งที่แล้ว (ดีสำหรับหลายสัปดาห์) และดาวน์โหลด ephemeris เท่านั้น
   • มีมากกว่าหนึ่งช่องรับสัญญาณในอุปกรณ์เพื่อให้คุณสามารถฟังมากกว่าหนึ่งดาวเทียมในครั้งเดียว การส่งสัญญาณมีการเซเพื่อให้งานนี้และด้วยความระมัดระวังคุณสามารถใช้ ephemeris โดยไม่ต้องปูมที่ช่วยประหยัดเวลาได้มาก โมดูลส่วนใหญ่ในตลาดทุกวันนี้มีหลายช่องทางดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะหาโมดูลที่ยังคงต้องใช้เวลา 12 นาที

2. การระบุดาวเทียม คุณต้องฟังดาวเทียมอย่างน้อยสามดวงยิ่งดีกว่าเพื่อรับการแก้ไขที่ดี แต่ตัวรับสัญญาณแต่ละตัว (ที่รู้จักกันในชื่อ correlators) สามารถปรับได้ครั้งละหนึ่งตัวเท่านั้น ถ้าคุณรู้ว่าคุณอยู่ที่ไหนคุณจะใช้เวลากี่ปีและมีปฏิทินอยู่แล้วคุณสามารถเดาได้ว่าดาวเทียมดวงไหนที่คุณเห็น โทรศัพท์มักจะรู้คร่าวๆว่าพวกเขาอยู่ที่ไหนจากการรับรู้สัญญาณ WiFi หรือบลูทู ธ รู้ว่าพวกเขากำลังใช้เสาสัญญาณเซลล์ใดและแหล่งอื่น พวกเขาได้รับการอัพเดทเวลาอย่างแม่นยำเป็นประจำเช่นกันดังนั้นพวกเขาจึงสามารถตรงไปยังดาวเทียมที่ถูกต้องได้ ทั้งโทรศัพท์และโมดูลขนาดใหญ่สามารถจดจำเวลาและสถานที่ที่ใช้งานครั้งสุดท้ายและใช้สิ่งนั้นเพื่อเริ่มต้น

3. จำนวนผู้ร่วมงาน เนื่องจากสัญญาณ GPS มีสัญญาณรบกวนต่ำมากคุณจึงต้องมีฮาร์ดแวร์พิเศษเพื่อรับสัญญาณ เครื่องรับบางอย่างมีเพียงเครื่องเดียวและจำเป็นต้องหมุน 'รอบดาวเทียม คนอื่นมีมากขึ้นและสามารถฟังมากขึ้นในครั้งเดียว ดังนั้นแม้ว่าคุณจะมี almanac / ephemeris อยู่แล้วและรู้ว่าคุณอยู่ที่ไหนคร่าว ๆ แล้ว correlators เพิ่มเติมก็จะช่วยให้คุณแก้ไขได้เร็วขึ้น คุณอาจคิดว่ามากขึ้นดีกว่าเสมอ แต่ยิ่งเพิ่มต้นทุนและการใช้พลังงาน โทรศัพท์และโมดูลบางรุ่นมีมากกว่าโทรศัพท์อื่น ๆ

4. สัญญาณและเสาอากาศ ผู้ร่วมงานจะทำงานของพวกเขาได้เร็วขึ้นหากคุณมีสัญญาณที่ดีต่อเสียงรบกวน สัญญาณที่แย่มากอาจไม่ทำงานเลย การออกแบบเสาอากาศที่ดีแอมป์วิวท้องฟ้าและโครงร่าง PCB ที่ดีสามารถสร้างความแตกต่างได้ บางโมดูลอาจใช้งานได้นอกกรอบและดีกว่ามากเมื่อเสียบสายอากาศ

5. จำนวนดาวเทียมที่ใช้งานได้ จริงๆแล้วมีกลุ่มดาวเทียมขนาดใหญ่สองกลุ่มที่นั่น GPS (ดำเนินการโดยสหรัฐอเมริกา) และ GLONASS (ดำเนินการโดยรัสเซีย) นอกจากนี้ยังมีการก่อสร้างเพิ่มเติม: กาลิเลโอ (EU) และ BeiDou-2 (จีน) และบางแห่งมีการรายงานข่าวในพื้นที่เช่น NAVIC ของอินเดียหรือ BeiDou-1 เครื่องรับที่สามารถทำงานกับดาวเทียมจากกลุ่มดาวมากกว่าหนึ่งกลุ่มมีดาวเทียมให้เลือกมากกว่าและจะได้รับการแก้ไขที่รวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น

6. คุณภาพของ correlators การออกแบบฮาร์ดแวร์ใหม่นั้นดีกว่ารุ่นเก่าและจะสามารถแยกส่วนของข้อความ GPS ในสัญญาณที่มีเสียงดังได้ดีกว่า โทรศัพท์เคล็ดลับอีกอย่างหนึ่งที่สามารถทำได้คือการจับสัญญาณและส่งผ่านอินเทอร์เน็ตไปยังเซิร์ฟเวอร์ที่มีซอฟต์แวร์สัมพันธ์ที่ดีมากและใช้ almanac / ephemeris เพื่อตรวจสอบ สิ่งนี้เรียกว่า MSA Assisted GPS

7. โทรศัพท์บางรุ่น (และแม้แต่โมดูลไม่กี่ตัว) อาจใช้กลอุบายเล็กน้อยเพื่อหลีกเลี่ยงหรือซ่อน TTFX ที่ยาว เนื่องจากพวกเขาอยู่ตลอดเวลาพวกเขาอาจเปิด GPS โดยย่อโดยไม่แจ้งให้ผู้ใช้ทราบเพื่อรักษาตำแหน่งและ ephemeris อย่างคร่าว ๆ คนอื่นอาจแสดงตำแหน่งล่าสุดในขณะที่ยังคงรอการแก้ไขจริง - ซึ่งดูเหมือนว่าเป็น TTFX ที่ดีเกือบตลอดเวลา แต่ดูไม่ดีถ้าเห็นว่าตำแหน่งนั้นผิดไปมาก

จุดที่ 1 ข้างต้นเป็นสิ่งที่สร้างความแตกต่างได้มากที่สุดและโดยปกติจะเป็นสิ่งสำคัญที่แตกต่างกันระหว่างโมดูลพื้นฐานโมดูลขั้นสูงและโทรศัพท์ คนอื่นมักจะสร้างความแตกต่างเล็กน้อย แต่จริงๆแล้วมันอาจกลายเป็นสิ่งที่ซับซ้อน หากคุณต้องการอ่านเพิ่มเติมแล้ว "เวลา GPS ในการแก้ไขครั้งแรก" เป็นคำที่ต้องการค้นหา

ระบบปฏิบัติการโทรศัพท์มือถือดาวน์โหลดข้อมูล GPS almanac (ดาวเทียม ephemeris และข้อมูลสถานะ) ผ่านอินเทอร์เน็ตผ่านเครือข่ายมือถือและโหลดลงในโมดูล GPS ได้เร็วกว่าที่ใช้ในการดาวน์โหลดดาวเทียม GPS โดยตรงที่ 50 bps ( ใช่นั่นคือ 50 บิตต่อวินาที GPS ค่อนข้างเทคโนโลยีเก่าที่เหมาะสำหรับการดำเนินงานที่ SNR ต่ำมาก) เร่งเวลาในการแก้ไขครั้งแรกอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้เรียกว่าAssisted GPS. นอกจากนี้ยังอาจมีการอ้างอิงเวลาเริ่มต้นที่แม่นยำมากจากโมเด็มเซลล์ (โดยปกติแล้วเสาสัญญาณโทรศัพท์จะซิงค์เวลาผ่าน GPS) รวมถึงการประมาณตำแหน่งคร่าวๆจากเซลล์โมเด็ม การรวมกันทั้งหมดนี้ช่วยลดปริมาณการค้นหาที่ผู้รับต้องทำอย่างมาก - รู้ว่าดาวเทียมควรมองเห็นอะไรดังนั้นจึงมองเฉพาะดาวเทียมเหล่านั้นและไม่จำเป็นต้องรอให้ดาวเทียมส่งสัญญาณ ข้อความทั้งหมด

คำตอบอื่น ๆ ได้อธิบายแล้ว "วิธีการ" และ "ทำไม" ดังนั้นสิ่งที่เหลือสำหรับฉันคือ "อะไร": มันเรียกว่าA-GPS (จีพีเอสช่วยบางครั้งก็เรียกว่าเร่งหรือเติมจีพีเอส)

อีกนัยหนึ่ง: สาเหตุที่ GPS ของโทรศัพท์ทำงานเร็วกว่า "GPS ของ GPS" คือโทรศัพท์ไม่ได้ใช้ "GPS" แต่ใช้ aGPS

ส่วนหนึ่งของคำตอบคือโทรศัพท์มือถือ GPS ไม่ใช่แค่ GPS เซลล์ยังใช้ข้อมูลอื่น ๆ เพื่อระบุตำแหน่งทางภูมิศาสตร์เช่นการวิเคราะห์เสาสัญญาณโทรศัพท์และการมองเห็นเครือข่าย wifi ตัวอย่างเช่น iPad Air รุ่นที่ไม่มีเซลลูลาร์ไม่มี GPS จริง แต่ก็ยังรู้ว่าคุณอยู่ที่ไหนในพื้นที่ที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคเหล่านี้

แค่ต้องการให้รายละเอียดเพิ่มเติมเล็กน้อยในสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อตัวรับสัญญาณเก่ากำลังรอข้อมูล กล่าวอีกนัยหนึ่งว่าเหตุใดปฏิทินปูม (และตำแหน่งที่จำได้) จึงมีประโยชน์มาก

สัญญาณ GPS อ่อนมาก เมื่อพิจารณาระยะทางสัญญาณจะอยู่ต่ำกว่าพื้นเสียงเมื่อถึงโลก คุณไม่เคยตรวจพบดาวเทียมโดยตรงหากคุณเพียงแค่ดูการสแกนขอบเขตด้วยความถี่ที่ถูกต้อง

วิธีรับสัญญาณคือการเปรียบเทียบสัญญาณขาเข้ากับรูปแบบเฉพาะ (ผ่านสหสัมพันธ์ FFT) หากใช้รูปแบบที่ถูกต้องจะมีความสัมพันธ์เพิ่มขึ้นและสามารถมองเห็นข้อมูลได้

สำหรับเครื่องรับแบบเก่าที่ใช้งานง่ายมาถึงจุดนี้ต้องใช้สองสิ่งจากอุปกรณ์เชื่อมโยง: ความถี่ของข้อความจากดาวเทียมและเฟสของข้อความ (เรียงตามรูปแบบ) หากสิ่งใดสิ่งหนึ่งเหล่านี้ไม่ถูกต้องแสดงว่าสหสัมพันธ์นั้นไม่สำเร็จและไม่มีการตรวจพบสิ่งใด การเคลื่อนที่ของดาวเทียมหมายความว่าสัญญาณที่ได้รับนั้นขึ้นอยู่กับการเลื่อนของ Doppler ที่ค่อนข้างใหญ่

ด้วยเครื่องปูมในสถานที่และความคิดที่ดีเกี่ยวกับตำแหน่งและเวลาปัจจุบันเครื่องรับสัญญาณสามารถประเมินการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของดาวเทียมและเครื่องรับเพื่อลบ Doppler shift ส่วนใหญ่และเข้าใกล้ความถี่ นั่นหมายความว่าผู้เชื่อมโยงสามารถเกิดการโจมตีได้เพียงแค่ลองใช้เฟสที่แตกต่างกันสำหรับรูปแบบสัญญาณ การค้นหาพื้นที่เฟสสามารถทำได้ในไม่กี่วินาที

ถ้าปฏิทินหายไปหรือไม่มีการประมาณตำแหน่งและเวลาปัจจุบันระบบจะต้องลองใช้เฟสและความถี่ที่แตกต่างกันเพื่อรับข้อมูลจากดาวเทียมแต่ละดวง ขณะนี้มีการค้นหาในสองมิติที่แตกต่างกันมันอาจใช้เวลาสักครู่เพื่อให้ระบบหลายช่องทาง "ค้นหา" 3 ดาวเทียมด้วยกำลังดุร้าย

ชิปเซ็ตที่ทันสมัยสามารถใช้ประโยชน์จากสัญญาณเพิ่มเติมและตัวเปรียบเทียบแบบขนานจำนวนมากเพื่อเพิ่มความเร็วในการค้นหาแม้ว่าจะไม่มี A-GPS ก็ตาม ฉันสงสัยว่าชิปเซ็ตที่คุณใช้กับ Arduino Shield น่าจะเป็นรุ่นเก่า / ราคาถูกกว่าและจะไม่ใช้คุณสมบัติใหม่เหล่านี้

ในสหรัฐอเมริกาFCC กำหนดให้ผู้ให้บริการโทรศัพท์เคลื่อนที่สามารถระบุตำแหน่งของผู้โทรเมื่อโทรไปยังบริการฉุกเฉินภายใน 300 เมตรภายใน 6 นาทีของการโทรครั้งแรกภายในวันที่ 11 กันยายน 2555

เรื่องนี้ค่อย ๆ ค่อย ๆ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาและข้อกำหนดที่ได้รับทั้งในระยะทางและเวลาในการรายงานตำแหน่งในปีต่อ ๆ มา

บริษัท โทรศัพท์มือถือไม่สามารถรับประกันสิ่งนี้ได้ในพื้นที่ห่างไกลที่มีเสาสัญญาณเพียงหนึ่งหรือสองเสาอยู่ในการติดต่อกับโทรศัพท์มือถือหรือในสภาพแวดล้อมในเมืองที่มีการสะท้อนและความหนาแน่นของอาคารป้องกันตำแหน่งแม้ในขณะที่โทรศัพท์มีหลายเสา ชิป GPS ไม่สามารถให้สิ่งนี้ได้ภายในเวลาที่กำหนดโดยใช้พลังงานต่ำพอที่โทรศัพท์มือถือจะยังคงใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ (ในเวลาที่มีการแนะนำข้อกำหนดปัจจุบันชิปเซ็ตกำลังมีประสิทธิภาพมากขึ้นและเร็วขึ้น โทรศัพท์ทุกเครื่องมีชิปเซ็ต GPS บางส่วนหรือทั้งหมด) นอกจากนี้ชิปเซ็ต GPS มีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับส่วนประกอบโทรศัพท์อื่น ๆ

ดังนั้นพวกเขาจึงสร้างระบบการแข่งขันที่แตกต่างกันเล็กน้อยซึ่งทั้งหมดตกอยู่ภายใต้ชื่อ "AGPS" สำหรับ Assisted GPS

เทคโนโลยีที่ทำงานอยู่เบื้องหลังระบบ AGPS เหล่านี้แตกต่างกันไปอย่างมาก

ระบบ AGPS เซลลูลาร์ที่ถูกที่สุดจะบันทึกสัญญาณ GPS RF หลายมิลลิวินาทีส่งไปยังเซิร์ฟเวอร์ AGPS ซึ่งเมื่อทราบตำแหน่งโดยประมาณของโทรศัพท์สามารถใช้ข้อมูล GPS RF นั้นเพื่อกำหนดตำแหน่งที่แม่นยำยิ่งขึ้น โทรศัพท์เหล่านี้ไม่สามารถรับพิกัด GPS ได้หากไม่มีการเชื่อมต่อมือถือที่ดี

บางรุ่นมีชิปเซ็ต GPS เต็มรูปแบบ แต่อนุญาตให้โทรศัพท์มอบอัลมายัคและเอเฟมเมริส - ข้อมูลสองชิ้นที่อนุญาตให้ชิปเซ็ตได้รับการแก้ไขภายในไม่กี่วินาทีหลังจากนั้นจะใช้วิธีปกติเพื่อสร้างผลลัพธ์ตำแหน่ง เวลาที่กำหนดโทรศัพท์เหล่านี้สามารถรับตำแหน่งที่เป็นอิสระจากเครือข่ายของพวกเขา

ชิปเซ็ต GPS ส่วนใหญ่อนุญาตให้คุณโหลดข้อมูล ephemeris และ almanac ลงในนั้นดังนั้นหากอุปกรณ์ arduino ของคุณมีการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตและคุณสามารถเข้าถึงเซิร์ฟเวอร์ AGPS คุณสามารถเร่งแก้ไข GPS ในลักษณะเดียวกัน อย่างไรก็ตามสำหรับโครงการส่วนใหญ่เพียงแค่เพิ่มแบตเตอรี่ลิเธียมเซลล์แบบเหรียญไปที่ขาขวาบนตัวรับสัญญาณ GPS ทำให้สามารถอัปเดตปฏิทินประจำปีและ ephemeris ล่าสุดได้และเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงมีขนาดเล็กในช่วงเวลาสั้น ๆ ตราบใดที่อุปกรณ์ไม่ได้เคลื่อนที่เป็นพัน ๆ ไมล์และเปิดเครื่องทุกสองสามวัน