Как приемник GPS синхронизирует время со спутниками GPS?

Спутники GPS регулярно передают значения времени, но если принять во внимание временную задержку между спутником и приемником, полученное значение времени не будет точным, поскольку я знаю, что приемники GPS не могут определить свое положение, пока они не получил точное время. В наших устройствах нет атомных часов, синхронизированных с GPS.

Как наши приемники GPS рассчитывают время по сигналам GPS?

Очень хороший вопрос, все источники, которые я читал, не объясняли его.

Ответы (5)

«... полученное значение времени не будет точным, поскольку я знаю, что приемники GPS не могут определить свое положение, пока не получат точное время».

Значение времени не используется, чтобы сообщить получателю, который сейчас час (по крайней мере, напрямую, хотя это будет полезно позже). Он используется для того, чтобы приемник мог определить относительное расстояние до каждого спутника.

Если вы слышите, как спутник A говорит, что время равно 0,00000, а спутник B говорит, что время равно 0,00010, то, если они синхронизированы, вы должны быть ближе к B, чем к A. Вы можете точно сказать, насколько вы ближе, по конкретному времени. разница.

Повторите вычисления с несколькими другими спутниками, и вы обнаружите, что есть только одно место (и время), в котором может находиться приемник.

Приемник GPS вычисляет решение, которое одновременно обеспечивает положение, скорость и время (PVT). Дело не в том, что сначала вычисляется одно, а потом другое. Все они выпадают одновременно.

Вау, вот оно. Если вы слышите, как спутник A говорит, что время равно 0,00000, а спутник B говорит, что время равно 0,00010, то, если они синхронизированы, вы должны быть ближе к B, чем к A. Вы можете точно сказать, насколько вы ближе, по конкретному времени. разница.
Точнее, приемники GPS напрямую рассчитывают положение и время по временным меткам, передаваемым спутниками. Учитывая положение, скорость можно рассчитать отдельно по доплеровскому смещению каждого принятого сигнала от базовой частоты системы.
Интуитивно мне кажется, что время — это всего лишь четвертое измерение, поэтому определить свое положение в этом измерении должно быть не сложнее, чем определить свое положение в трех других, верно?
Многие приемники GPS в конечном итоге используются для определения времени, а не местоположения. Например, те, что есть на большинстве базовых станций сотовой связи :)
В приложении отображения времени мобильного телефона высокая точность не требуется.
Этот ответ совершенно неверен? Сумма точек, где каждая точка находится на 0,00010 световых секунд ближе к спутнику B, представляет собой более или менее плоскость, потому что мы не знаем абсолютного расстояния до спутника B (например, 11000 км), а знаем только относительное расстояние (например, 30 км или 0,00010 светового дня). секунды). Вы можете быть на 30 км ближе к Sat B на другом конце Вселенной. Однако все источники, которые я читал о GPS, работают с абсолютными расстояниями до спутников, и они, конечно же, изображены в виде сфер (а не плоскостей).
@VlastimilOvčáčík, поэтому для решения требуется как минимум четыре спутника (не все в одной плоскости). Геометрическое место постоянной абсолютной разности является гиперболоидом, а не плоскостью. Диаграммы, показывающие пересекающиеся сферы, являются упрощением, чтобы облегчить понимание.
@BowlOfRed, спасибо, что поправили меня на гиперболоиде - из-за отсутствия лучшего слова я использовал «более или менее самолет», но я знал, что это не так. Вы также можете быть правы в том, что сферы — это упрощение. Что еще более важно, я хочу акцентировать внимание на достоинствах - везде я читал, что GPS работает, вычисляя расстояние от приемника до спутников, а вы говорите, что это не так. Разница между двумя алгоритмами (абсолютное и относительное расстояние до спутника) выходит далеко за рамки любого упрощения, которое они могли себе позволить. Можете ли вы перечислить некоторые источники, подтверждающие, что GPS использует относительное расстояние?
@VlastimilOvčáčík Любой учебник по GPS (например, Kaplan или Borre) описывает это во вводных главах, как и страница Википедии, посвященная GPS. Вот почему вы повсюду увидите ссылки на «псевдооранжевые».
Разве все это не требует, чтобы ваш мобильный телефон по-прежнему отсчитывал время с атомарной точностью до метки времени при поступлении каждого сигнала? Я чувствую, что мне все еще чего-то не хватает.
Я чувствую, что если бы моя сотовая отставала на миллионную долю секунды (очень возможно), мой GPS был бы далеко, потому что свет такой быстрый.
@chessofnerd Приемнику не нужны точные часы. Он просто должен уметь различать полученные временные метки. Местные часы для этого не нужны.
@BowlOfRed. Как тогда он измеряет временную задержку? Другие упомянули PLL. Это оно?
electronics.howstuffworks.com/gadgets/travel/gps3.htm Эта ссылка действительно помогла мне увидеть, как дешевый приемник с дешевыми часами может использовать 4 (НЕ 3) спутника для корректной временной задержки. И все это без необходимости устанавливать на свой мобильный телефон дорогие атомные часы. Ура!
@PhilMiller, действительно ли какие-либо приемники GPS / других GNSS потребительского уровня используют доплеровский сдвиг в сигнале?

Чтобы получить общее представление о том, как определяется решение GPS, рассмотрим следующее уравнение:

р я знак равно ( Икс я − Икс ты ) 2 + ( у я − у ты ) 2 + ( г я − г ты ) 2 + с Δ т

куда р по сути, это расстояние от пользователя до спутника GPS, Икс , у , г координаты положения, нижний индекс я указывает конкретный спутник, с это скорость света, а Δ т является временной задержкой.

Предполагая, что вы знакомы с космическим аппаратом GPS (КА), Икс я , у я , г я значения известны из спутниковых эфемерид (это можно получить из общедоступных данных, а более точные эфемериды можно получить более безопасными методами). Теперь есть 4 неизвестных, что означает, что нам нужно 4 GPS SV для определения местоположения пользователя. ( Икс ты , у ты , г ты ) и временная задержка. Можно наблюдать больше SV, и можно найти переопределенное решение с помощью различных численных методов (например, решение по методу наименьших квадратов) или можно использовать лучшее решение SV-4.

Временная задержка, по существу, Δ т срок. Различные ошибки можно учесть, дополнив систему уравнений, включив в нее, но не ограничиваясь ими, ионосферные и тропосферные задержки, эффекты относительности и ошибки часов, присутствующие в приемнике.

Существует множество простых и сложных дифференциальных методов, по существу использующих аналогичные задержки между измерениями и устраняющих их, даже не решая их (например, дифференциальный GPS и кинематика в реальном времени).

Вот короткая статья , в которой обсуждаются уравнения наблюдения и, в частности, сигнал GPS и генерация кода.

Спасибо за ссылки. Я вижу сегодня, в настройках времени моего телефона Android есть опция синхронизации времени с GPS. Скорость сигнала GPS 300 000 км/сек. Расстояние GPS около 30.000 км. Так что задержка меньше секунды. И важно иметь точное время атомных часов gps на моем телефоне. Я продолжу искать, как GPS-приемники избавляются от задержки во времени и узнают точное время атомных часов.
«Я продолжу искать, как GPS-приемники избавляются от задержки времени». Поскольку может быть задействовано немало математики, какой ответ вы ищете? Насколько приведенная информация является неадекватной?
Я пытался понять временной сценарий. О том, как мой телефон получает точное время по атомным часам GPS. Имея в виду миллисекунды, ионосферные и тропосферные задержки и задержки скорости сигнала.
Привет дигилоги. Вы живете в районе, где вы получаете обычный радиоприем для радиочасов? (Радиочасы сейчас стоят всего несколько долларов, вы должны купить один en.wikipedia.org/wiki/Radio_clock ) Обратите внимание, что «удобное время», отображаемое на приемниках GPS, — я не совсем уверен, что это ДОЛЖНО БЫТЬ » полностью синхронизированы» с мировыми эталонными атомными часами. Если это так, то это просто "бонус". Если это официальное атомное время, и вы спрашиваете о поправке на расстояние до спутников, это будет просто тривиальный расчет в программе. Не забывай...
... не забывайте, когда любой обычный телефон на iOS или Android автоматически синхронизирует свое время (используя сервер времени Apple или что-то еще), возникают огромные проблемы с программным обеспечением и «уловки», связанные с тем, чтобы сделать это «как можно более правильным», позволяя Интернет задержки и прочее. действительно, если вы покупаете радиочасы за 5 долларов, я думаю, теоретически вам придется учитывать, как далеко вы находитесь от Майнфлингена или чего-то подобного.
И, наконец, кстати... en.wikipedia.org/wiki/Radio_clock#GPS_clocks

Проблема

Время GPS-приемника должно быть синхронизировано с атомными часами, расположенными на спутниках GPS. Это своего рода проблема курицы или яйца . Приемнику требуется точное время для расчета точного расстояния и точное расстояние для синхронизации времени (для расчета разницы во времени).

Ответ

Это четвертый спутник, который дает вашему приемнику точное время.

Объяснение

  • Если у вас есть расстояние только до спутника А, вы можете находиться где угодно на сфере вокруг А.
  • Если вы добавите расстояние к спутнику B, вы можете оказаться в любом месте на пересечении сфер вокруг A и B, которое будет кругом .
  • Если вы добавите расстояние к спутнику C, вы можете находиться в двух точках , которые являются пересечением окружности и сферы вокруг C.
  • Если вы добавите расстояние к спутнику D, одна из двух точек станет точкой .

Но это идеальный сценарий - у вас есть 4 точных расстояния, и они идеально укладываются в одну точку. Но точное измерение расстояний требует синхронизированного времени на вашем приемнике.

Что делать, если время вашего приемника не синхронизировано со спутниками? В этом случае четвертое измерение - расстояние до спутника D - будет далеко. Он не будет совпадать ни с одной из двух точек , но будет заметно ближе к одной из них. Назовем ошибкой расстояние между точкой и сферой вокруг спутника D.

В этот момент приемник решает задачу в обратном порядке. Мы знаем, что если приемник имеет точное время и 4 расстояния, он должен выдавать точное положение. Таким образом, корректируя несинхронизированное время вашего приемника и пересчитывая ошибку с настроенным временем, ошибка увеличивается или уменьшается.

Нижняя линия

Процесс синхронизации времени сводится к задаче минимизации погрешности за счет корректировки местного времени. Как только ошибка сведена к минимуму, точность времени приемника становится максимальной.

Что такого особенного в четвертом измерении?

Представьте, что у вас есть 4 расстояния. Выберите любые 3 расстояния из них, и если их сферы пересекутся, они создадут две точки, в которых все они пересекаются. Какими бы неточными ни были три расстояния, пока их сферы перекрываются, они образуют две совершенно определенные точки. Но это не значит, что точки относятся к реальному миру.

Четвертое измерение не может быть свободным, чтобы 4 сферы перекрывались в одной точке.

Какова цель четвертого измерения?

Теоретически 3 спутника могут дать вам достаточно данных, чтобы сократить ваше возможное местоположение до двух точек. И одна из точек обычно будет находиться на абсурдном расстоянии или двигаться с абсурдной скоростью, поэтому ее можно исключить.

Так что четвертый спутник нужен не для исключения одной из двух точек, а для синхронизации времени вашего приемника. Потому что без этого две точки, полученные путем наложения только трех сфер, вообще ненадежны .

Приемник просто предполагает, что его время достаточно точно для первоначальных измерений?

Да.

Заметки

  • когда я говорю, что расстояния идеально укладываются в одну точку, я на самом деле имею в виду, что ошибка времени сведена к минимуму и другие источники ошибки не учитываются (атмосферные и т. д.)

  • этот ответ неверен, как указывает @AnthonyX ниже , но все же там есть немного правды (я думаю)

Когда вы читаете этот ответ, я очень хочу, чтобы вы представили, что сейчас весна, вы стоите на лугу с GPS-приемником в ладони, а над вами есть спутники с красивыми сферами вокруг них :-)
Проблема с вашим объяснением заключается в том, что вы знаете только разницу между временными привязками принимаемых спутников; вы не знаете расстояния до любого из них, пока не сможете выполнить мультилатерацию дельта-времен. Это в основном набор одновременных уравнений. См. en.wikipedia.org/wiki/Multilateration Для этого требуется как минимум четыре спутника из-за количества неизвестных.
@AnthonyX Теперь я знаю об этом. Многие вводные тексты объясняют GPS как систему, использующую абсолютные диапазоны, поэтому они моделируют ее в виде сфер. Такое упрощение имхо непростительно даже во вступительных материалах, так как вызывает больше путаницы (у меня). Считайте этот ответ следствием того, что кто-то думает, что упрощение — это нормально. Однако я считаю, что моя точка зрения о том, что синхронизация времени достигается за счет минимизации ошибки четвертого измерения, по-прежнему ценна. Тем не менее, я не могу возражать против каких-либо отрицательных голосов.
Я считаю, что есть устранение ошибки, но для этого требуется 5 или более спутников. Четыре — это минимум, чтобы получить уникальное решение. Даже если вы думаете об этом в упрощенном виде, всего лишь три спутника дадут два возможных решения; четвертый спутник (не компланарный с тремя другими) потребуется для получения единого решения.

Допустим, время на вашем приемнике было далеко, скажем, на 10 минут.

Таким образом, задержка сигнала от каждого из 4 спутников будет составлять 10 минут плюс какие-то доли секунды.

Сигнал со спутника с наименьшей задержкой будет ближайшим к вам спутником.

Вычитание этой задержки из задержек трех других спутников позволит вам рассчитать разницу задержек между каждым из спутников.

Некоторая другая информация, известная вам как факты:

  1. Абсолютное местоположение всех 4 спутников относительно земли... широта, долгота, высота (высота орбиты).
  2. Учитывая, что «истинное» расстояние от вас до ближайшего спутника не может быть меньше высоты этого спутника (если вы были прямо под ним) и не может быть дальше от вас, чем следующий спутник.
  3. И «истинное» расстояние от вас до самого дальнего спутника не может быть меньше расстояния до следующего более близкого спутника и не может быть дальше от вас, чем точка на горизонте на высоте этого спутника.

Имея только эту информацию от этих 4 спутников, можно достаточно точно рассчитать вашу широту и долготу. Добавление данных с дополнительных спутников позволит повысить точность, включая расчет вашей высоты над землей.

Получается, что время приемника на самом деле бесполезно?
Если бы вы знали, что время получателя правильно синхронизировано, это упростило бы (ускорило) расчеты, а значит, не совсем бесполезно.
не говоря уже о том, что большинству людей не нужна отдаленно близкая к атомной точность :)
@KevinFegan Подобно тому, как приемник может использовать приблизительное положение (предоставленное пользователем), чтобы определить, какие спутники должны быть ему видны. В этом нет необходимости (эти данные могут быть вычислены в конце концов), но это помогает исключить некоторые возможные решения связанных с математикой, что приводит к более быстрому определению позиции.
Это неправильно. Нам нужно знать дельта-сдвиг времени между спутниками с атомарной точностью. «Некоторые малые доли секунды», о которых вы говорите, мы не можем вычислить с помощью бортового приемника. Это должно быть вычислено со спутников. Маловероятно, что приемник мог даже сказать вам, какой из 4 спутников был ближе всего к вам сразу после временной задержки. См. ответ @jah138.

Я почти уверен, что многие из приведенных выше ответов хотя бы частично неверны. Вам не нужно 4 спутника GPS для решения, вам нужно 3. Как указано выше, 1 дает вам сферу, 2 круг и 3 одну или, скорее всего, две точки на круге. Одна из этих точек находится далеко в космосе или внутри Земли. Приемник GPS использует среднее расстояние до поверхности Земли, геоду, для определения правильного (ближайшего) расстояния. Выигрывает тот, кто ближе всего к жеоде. Более 3 спутников просто позволяют лучше уменьшить ошибки, связанные с синхронизацией и атмосферными проблемами, сбоями системы и т. д.

Что касается времени, я не уверен на 100%, но я полагаю, что фактическое время суток не имеет большого значения, но просто прослушивание эфемеридных данных должно получить для этого точность до доли секунды. Я полагаю, что для того, чтобы приемник имел точность, близкую к атомной, система просто делает первоначальное предположение на основе имеющихся у нее данных (возможно, среднее значение всех случаев, когда она получала сигналы от спутников + несколько мс для среднего расстояния от приемников до сац?просто домыслы есть) а тут компы ошибка в положении. Если часы идут быстро, ошибка велика в одном направлении; slow выдает большую ошибку в обратном направлении. Часы приемника постоянно ускоряются или замедляются с помощью контура фазовой автоподстройки частоты (PLL), пока ошибка не станет максимально близкой к нулю; это продолжается в течение всего времени работы устройства. Если часы снова начнут дрейфовать, PLL поймает их и вернет в нужное русло. При этом часы поддерживаются почти с той же точностью, что и на спутнике, и, таким образом, достаточно точны для целей навигации или других целей точной синхронизации (NTP, синхронизация радиопередачи и т. д.). Я подозреваю, что это также (по крайней мере частично) причина, по которой вы видите большую ошибку при первом включении GPS-приемника, которая постепенно уменьшается по мере того, как часы становятся все более синхронизированными.

PLL существуют уже давно и используются повсеместно. VCXO обычно используется с PLL для обеспечения дешевого переменного высокочастотного источника на основе выходного сигнала низкоскоростного высококачественного фиксированного генератора в радиоприемниках и других средствах связи, а также в компьютерах и другой электронике. Следовательно, откуда берется тактовый множитель с вычислениями, медленная скорость, фиксированный XO управляет более быстрой шиной через PLL, чтобы получить скорость FSB, тогда ваш процессор использует другой множитель и PLL для своей собственной скорости. PLL также использовались для синхронизации часов и восстановления связи в течение очень долгого времени в сетях связи.

В Википедии есть достойная статья об этом. Это представляет собой аналогию автомобилей, мчащихся по трассе, каждый из которых находится под своим собственным контролем, пытаясь достичь максимальной безопасной / практической скорости. Когда выезжает пейс-кар, все они должны встать в очередь и следовать за идущей впереди машиной, не обгоняя ее. Пейс-кар едет с фиксированной скоростью в зависимости от спидометра. Каждый водитель позади него старается держать одинаковое расстояние до него или впереди идущего автомобиля; они ускоряются, чтобы закрыть промежутки, или замедляются, чтобы удлинить их. Таким образом, все они оказываются почти равномерно распределенными и движущимися почти с одинаковой скоростью. Удалите ссылку (пейс-кар), и все они снова будут случайными.

Я почти уверен, что многие из приведенных выше ответов хотя бы частично неверны. Вам не нужно 4 спутника GPS для решения, вам нужно 3. Другие ответы правильно объяснили, почему нужны четыре спутника. Вы решаете четыре одновременных уравнения для решения с четырьмя переменными: x, y, z и t.
Как приемник GPS синхронизирует время со спутниками GPS?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v