Часы GPS-приемника

Насколько я понимаю, GPS должен работать, потому что:

  • У вас есть 4 (или больше, но скажем 4) спутника, часы которых чрезвычайно сильно синхронизированы (через атомные бортовые часы)

  • У вас есть приемник, который получает 4 пинга/сообщения от этих спутников, каждое из которых содержит временную метку даты отправки относительно «времени GPS».

  • Предположим, что время/часы приемника имеют только смещение относительно времени GPS (т.е. фиксированная постоянная ошибка), вы можете из этих 4 сигналов и карты положения спутников вывести свои 3 декартовых координаты + ошибка смещения времени вашего приемника часы относительно времени GPS.

В теории все хорошо, а на практике:

  • Точность синхронизации, которую мы ищем, находится в наносекундах (поскольку здесь задействовано c, и цель состоит в том, чтобы достичь метрической точности на псевдодиапазонах)

  • Итак, технологически «легко» обеспечить фактическую «отправку» сигнала спутниками GPS с фактической отметкой времени атомных часов? Я имею в виду, что он проходит через электронную систему, затем через реальную физическую аналоговую антенну. Я не говорю о добавлении известной задержки (что не является проблемой, поскольку ее можно учитывать, если она известна), но как насчет неизвестной задержки/джиттера? Например, легко ли гарантировать, что дата излучения аналоговой антенны соответствует требованиям/спецификациям?

  • Тот же вопрос с антенной/схемой приемника?

  • Кроме того, на принимающей стороне также существует проблема джиттера/повторяемости «смещения времени» по отношению к часам GPS. Поскольку мы на самом деле ищем наносекунды, это кажется не очевидным. Я понимаю / предполагаю, что у приемника есть хорошо известные стабильные кварцевые (или аналогичные) низкочастотные часы и дрожащий ГУН для наносекундной детализации? И джиттер этого ГУН достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать при решении системы уравнений GPS, предполагая фиксированное смещение?

Конечно, не стесняйтесь переносить вопрос в другое место, если электротехника не является подходящим сообществом (в конце концов, вопрос в том, что я больше думаю о чистых схемах, чем об аэронавтике, поэтому я решил задать его здесь, но я могу ошибаться).

Ответы (3)

Итак, технологически «легко» обеспечить фактическую «отправку» сигнала спутниками GPS с фактической отметкой времени атомных часов?

Задержки бортовой электроники не беспокоят, пока они постоянны. Смещение часов z-счета космических аппаратов относительно времени GPS компенсируется в целом. Переменные задержки, такие как джиттер, вызывают беспокойство, но атомные часы имеют отличные характеристики фазового шума.

Стабильность фазового центра антенны также вызывает беспокойство, сигнал должен (кажется) исходить из четко определенной точки космического корабля. Это совсем не просто, например, Министерство обороны ошиблось, когда подключило демонстрационную полезную нагрузку L5 к SVN47. Это оборудование вводило фазовый сдвиг сигнала, зависящий от высоты, что делало весь космический аппарат непригодным для целей навигации. (читайте историю на InsideGNSS ).

Тот же вопрос с антенной/схемой приемника?

Приемник использует одну антенну, один МШУ, один ГУН, один смеситель, один фильтр и один АЦП для всех сигналов. Дисперсия (задержка в зависимости от частоты) не имеет значения, все сигналы занимают одну и ту же частоту. Любая задержка повлияет на все сигналы одинаково, относительная синхронизация сигналов не будет затронута. Задержки приведут только к локальной ошибке часов, а не к ошибке положения.

Фазовый шум локального генератора также приведет к локальной ошибке часов и не повлияет на позиционирование. Это может серьезно ограничить возможности приемника отслеживать сигнал, но относительно дешевый резонатор с температурной компенсацией подойдет.

Приемник не принимает метки времени, он скорее оценивает относительную фазу сигналов. Чтобы справиться с такой высокой частотой, L1 (1575,42 МГц) преобразуется с понижением частоты до ПЧ, скажем, 4,096 МГц и дискретизируется с тактовой частотой 10 МГц (эквивалентно 100 нс). Важно понимать, что это преобразование с понижением частоты не влияет на точность определения местоположения, поскольку фазовый сдвиг L1 на один цикл соответствует одному циклу для ПЧ.

Таким образом, приемник может легко обнаружить фазовый сдвиг на один период, что соответствует 19 см прямой видимости. (Так почему у ресиверов нет 19см ДОП? Ответ сюда не подходит).

Задержка в антенне, зависящая от направления , является проблемой для точной GPS, как и прием отраженных сигналов (многолучевость). В прецизионных приемниках для смягчения помех используются дроссельные антенны или даже антенны с фрактальными элементами.

Я понимаю / предполагаю, что у приемника есть хорошо известные стабильные кварцевые (или аналогичные) низкочастотные часы и дрожащий ГУН для наносекундной детализации?

Фазовый шум (спектральная плотность мощности) TCXO составляет около -100 дБн/Гц при отклонении от номинального значения на 100 Гц. PLL/VCO добавит несколько дБ. Этот фазовый шум сложным образом влияет на SNR. Пока вы не отслеживаете чрезвычайно слабые сигналы или вам не нужно отслеживать быструю динамику приемника (например, наведение ракеты), эта производительность в порядке.

Более точные генераторы можно использовать для повышения производительности различными способами, например, с помощью более узких (цифровых) фильтров.

И джиттер этого ГУН достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать при решении системы уравнений GPS, предполагая фиксированное смещение?

См. выше, вам не нужно учитывать джиттер для ошибок положения, так как он одинаково влияет на все сигналы.

Поскольку относительная синхронизация спутниковых сигналов не изменяется через антенный кабель, приемник фактически сообщает положение антенны, а не самого приемника.
@PeterBennett Верно. Разве я говорил иначе?
нет, но я хотел прояснить это для менее технических читателей. Никакой критики.
@PeterBennett Хм, да, «относительное время» описывает это лучше, я добавлю его к своему ответу. Спасибо.
Кроме того, я не уверен, что вы пытаетесь сказать в своем ответе на второй вопрос. Один цикл носителя L1 соответствует примерно 19 см. Один цикл тактовой частоты 10 МГц будет соответствовать примерно 30 метрам.
@DaveTweed Да, это 19 см. Я имел в виду 30 см и использовал их без пересчета. Исправит. 2. «Длина волны» ПЧ не имеет значения, смещение на один радиан L1 преобразуется в сдвиг на один радиан в ПЧ, поэтому имеет значение длина волны L1. Я упомянул ПЧ, чтобы объяснить, как UC вообще может обрабатывать сигнал 1,5 ГГц. Хорошо, это сбивает с толку...
Да, я просто пытался понять, куда вписывается число 30. Все это немного отвлекающий маневр, поскольку приемники могут легко измерять фазу несущей с точностью до доли цикла. Как вы говорите, это в любом случае не является ограничивающим фактором для общей точности определения местоположения.
@Andreas Андреас Я, вероятно, позже углублюсь в ваш ответ (особенно среднюю часть), но что касается последнего пункта - как джиттер влияет на все сигналы одинаково, если они не получены точно в одно и то же время? Я думаю, я понимаю, что вы говорите парой пунктов выше, что дрожание не превышает ~ пары, поэтому, вероятно, все будет в порядке и не слишком сильно нарушит систему уравнений (и приведет только к ошибке позиционирования ~ 20 см, о которой вы упоминаете), но технически 4 сигнала будут иметь разное значение джиттера, не так ли? Или джиттер ГУН на самом деле ~ постоянный между двумя импульсами кристалла?
@ParkerLewis Не за что. Вы думаете, что приемник ожидает определенного времени SV для всех сигналов, и они, конечно, не поступают в одно и то же время. Но дело обстоит иначе: приемник имеет один SV-счетчик времени на канал, который синхронизируется с принимаемым сигналом за доли миллисекунды (для гражданских пользователей) и производит выборку этих счетчиков ровно в один момент времени (фактически, синхронизируется на одном АЦП-отсчете). Разница в счетчике времени SV переводится в разницу прямой видимости.
@Andreas Хотя я инженер, EE вообще не моя область, поэтому многие вещи, которые могут показаться базовыми знаниями любому в этой области, просто не для меня, поэтому у меня будет ряд, вероятно, «тупых» вопросов. (например, мне пришлось искать аббревиатуры LNA, ADC и IF... :)) 1/ Не удалось найти, что такое SV? 2/Вы говорите: «Любая задержка повлияет на все сигналы одинаково, относительная синхронизация сигналов не будет затронута. Задержки приведут только к локальной ошибке часов, а не к ошибке положения». Не подвержены ли эти отдельные элементы неконтролируемой изменчивости фазового сдвига (даже на уровне нс)?
@Andreas 3/ «Приемник не принимает метки времени, он скорее оценивает относительную фазу сигналов». Вы говорите, что фаза самого входящего сигнала - это информация о времени GPS (в отличие от данных, передаваемых L1)? 4/ «L1 (1575,42 МГц) преобразуется с понижением частоты в ПЧ, скажем, 4,096 МГц и дискретизируется на частоте 10 МГц». Я так понимаю, вы умножаете L1 на частоту, скажем, 1571 МГц, чтобы получить выходную частоту 4 МГц, верно?
@ParkerLewis SV - это GPS-язык для космического корабля. Относительно задержки: Учтите, что задержки влияют на точность положения только в том случае, если на отдельные сигналы влияют разные величины. Когда они находятся в антенном кабеле (и на всех последующих этапах обработки), любое смещение будет удлинять видимую линию прямой видимости (на языке GPS: «псевдодальность») на ту же величину (это не совсем верно для ГЛОНАСС, так как разные КА занимают разные несущие частоты, но это для GPS/NAVSTAR). При решении для положения/времени эти ошибки компенсируются для пространственных координат, они проявляются во временной «координате».
@ParkerLewis Фаза несущей (1023*1000*1540 Гц), код расширения (1023*1000 каналов/с) и навигационное сообщение (50 бод) имеют строго фиксированное временное соотношение в SV. Для пользователей C/A-кода («гражданских») отдельные чипы могут быть связаны с сообщением о времени, но отдельные циклы несущей не могут, сохраняется неоднозначность цикла несущей, равная 1540. При усреднении простой приемник может синхронизироваться с точностью до 1/10 чипа. Таким образом, можно сказать, что кодовая фаза — это сообщение о времени. Снимок этой фазы для всех отслеживаемых КА позволяет рассчитать псевдодальности с точностью до нескольких десятков метров.
@Andreas: еще раз спасибо за ваши очень интересные ответы. «При вычислении положения/времени эти ошибки компенсируются для пространственных координат, они проявляются во временной «координате»»: конечно, но согласны ли мы с тем, что для устранения это означает, что эти ошибки должны применяться точно так же? к сигналам различных принимаемых спутников. Я предполагаю, что идея заключается в том, что, поскольку они постоянно принимаются и обрабатываются/используются, вы действительно сравниваете только те сигналы, которые прошли через одну и ту же ошибку (по крайней мере, на принимающей стороне)?
@ParkerLewis Правильно, все сигналы прошли через одну и ту же ошибку. Насчет даунконверсии вы тоже правы. 1000*1023*16 Гц Кристаллы часто используются для генерации 1000*1023*16*96 Гц гетеродина, оставляя сигнал на 4,092 МГц ПЧ. Чтобы избежать паразитных тонов из-за шума квантования, приемники могут использовать PLL с дробным числом n и коэффициент 96 000x, что дает немного более низкую ПЧ. (это заменяет мой предыдущий комментарий).

Несколько дополнительных битов к ответу Андреаса:

Итак, технологически «легко» обеспечить фактическую «отправку» сигнала спутниками GPS с фактической отметкой времени атомных часов?

GPS — одна из тех вещей, где базовая концепция достаточно проста для понимания, а реализация — кошмар. Если кто-нибудь когда-нибудь скажет вам, что знает все о том, как работает GPS, или что с ним легко что-то сделать, то он либо а) лжец, б) слишком глуп, чтобы понять, как многого он не знает, либо в) по крайней мере 7 кандидатов наук в различных областях математики и физики.
Так что не "легко". Но немного обманывают. Существует сеть станций мониторинга, которые постоянно посылают поправочную информацию на КА, в основном они корректируют орбитальную информацию, которая транслируется, но они также контролируют и отправляют поправки для часов. Пока задержки внутри электроники остаются постоянными и с низким уровнем джиттера, их можно скорректировать.

Я понимаю / предполагаю, что у приемника есть хорошо известные стабильные кварцевые (или аналогичные) низкочастотные часы и дрожащий ГУН для наносекундной детализации? И джиттер этого ГУН достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать при решении системы уравнений GPS, предполагая фиксированное смещение?

В хорошей рекламе GPS TCXO будет выбран не обязательно из-за его точности (это можно скорректировать, вы все равно должны скорректировать его, поскольку он никогда не будет точным с атомными часами), а из-за очень низкого фазового шума, который является мерой джиттер на выходе часов.

Получатели работают, создавая локальную копию сигнала, который они ожидают увидеть, а затем пытаются сопоставить ее с входящим сигналом. Они никогда не смотрят на один образец, сигнал слишком слаб для этого, они смотрят на большой набор образцов, взятых за разумный период времени. Тактовый джиттер в приемнике уменьшит степень совпадения этих двух копий и, таким образом, снизит ОСШ сигнала, однако сравниваемый период времени достаточно велик, чтобы локальный джиттер имел тенденцию к усреднению и, таким образом, имел относительно небольшое влияние на точность измерения. измерения.

Давайте не будем удерживать людей от создания самодельных GPS-проектов. Построение и обслуживание космического или контрольного сегмента затруднено, но вы можете принимать сигнал с помощью доморощенной основной полосы частот. Не легко, но может быть очень полезным.
Истинный. Но тогда полное понимание никогда не требуется, чтобы использовать что-либо. Я не пытался никого обескуражить, я пытался донести мысль, что почти любое объяснение, которое вы получите, будет упрощенной версией, не думайте, что оно полное. Это не значит, что он недостаточно хорош для вашего использования. Ньютоновские законы движения являются упрощением, но они прекрасно подходят для большинства приложений.
Я согласен. Я полностью осознаю, что мой ответ - упрощение. Все еще надеюсь, что это помогло ОП понять, что для получения GPS не требуется тонкая лабораторная настройка. Кажется, это его заблуждение, что приемник должен измерять временные интервалы с высокой точностью.
Спасибо @Andrew и за ваш ответ. Пару дней назад для меня было слишком рано (все еще нужно было сначала переварить ответы Андреаса), но теперь ваше дополнение имеет большой смысл и объясняет некоторые из новых вопросов, которые у меня возникли, особенно ваш последний абзац.

Причина, по которой ему нужны четыре спутника, может быть упрощена следующим образом:

  • первый обеспечивает точную привязку времени;
  • второй обеспечивает радиальное расстояние, дающее сферу;
  • третий обеспечивает пересекающееся радиальное расстояние, и у нас остается дуга;
  • четвертая пересекает дугу, дающую две точки, одну в космосе, а другую близко к поверхности земли.

Алгоритм в GPS-приемнике использует статистическую модель для получения наилучшего соответствия и удаления выбросов, вычисляя положение и абсолютное время.

Каждый спутник должен иметь очень точные часы и передавать свое собственное точное положение.

Да, при длинных антенных кабелях требуется компенсация в приемнике для очень точного воспроизведения сигналов времени.

Ваша ментальная модель слишком упрощена. Вы также получаете радиальное расстояние от первого спутника. Таким образом, если у вас есть измерения с четырех спутников, у вас будет достаточно информации для решения четырех неизвестных без какой-либо двусмысленности: координаты приемника по осям X, Y и Z, а также смещение его часов.
@Dave, тебе нужно точное время, чтобы определить расстояние, или точное расстояние, чтобы определить время. Вам нужно два спутника, чтобы получить расстояние и время. Смещение часов, которое вы упомянули, является точным временем. (Я думаю, что мы говорим об одном и том же здесь...)
Часы GPS-приемника
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v