多少个GPS通道有意义?


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您需要4个通道来确定您的位置(包括海拔),而且我可以理解,一些额外的通道可以提高准确性。但是,任何时候最多只能看到12颗卫星,那么为什么接收机的频道更多?我见过具有50甚至66个频道的接收器,这比卫星数量还要多。
在这种数量激增的通道中,我看不出任何优势,但我认为它确实会增加接收机的功耗。
那么,为什么需要66个频道?


现在,在这里更需要使用俄罗斯系统的鹰嘴。不仅对美国有更多的了解,而且两者都为西方提供了更好的解决方案。

虽然这很有意义,但GLONASS需要更多的渠道,一些额外的细节/参考将是很好的。如果它描述了GLONASS频率(我认为是不同的)以及它们如何组合在一起,则可能是一个很好的答案。
PeterJ

Answers:


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由于GPS系统的运行方式,答案很复杂,因此我将简化一些事情,以便您理解其原理,但是如果您对它的真正实现方式感兴趣,则需要去寻找一个好的GPS。参考。换句话说,以下内容旨在使您了解其工作原理,但在某些方面在技术上是错误的。以下内容不足以实现您自己的GPS软件。

背景

所有卫星的发射频率基本相同。从技术上讲,他们正在遍及彼此的信号。

那么GPS接收器如何处理呢?

首先,每颗卫星每毫秒发送一个不同的消息。该消息为1024位长,由伪随机数生成器生成。

GPS接收器接收所有发射器的全部频谱,然后执行称为相关的过程-生成卫星之一的特定序列,将其乘以信号输入,如果其信号与卫星信号完全匹配,则相关器找到一颗卫星 混合实质上将卫星信号从噪声中拉出,并验证了1)我们的序列正确,并且2)时序正确。

但是,如果找不到匹配项,则必须将其信号移位一位,然后再试一次,直到它经过所有1023位周期并且没有找到卫星为止。 然后,它继续尝试在不同时期检测另一颗卫星。

由于时移(1023位,每秒1,000次传输),理论上它可以在一秒钟内完全搜索一个代码,以找到(或确定没有任何内容)特定代码。

由于代码移位(当前有32个不同的PRN代码,每个卫星一个),因此搜索每个卫星可能需要30+秒。

此外,由于卫星速度相对于地面速度而引起的多普勒频移,意味着时基可能会偏移+/- 10kHz,因此,在相关器放弃之前,需要搜索约40种不同的频移以寻找相关器。特定的PRN和时间。

这是什么意思

这样一来,我们可能会遇到最坏的情况(一颗卫星在空中,我们首先尝试除精确匹配之外的所有方法)来首先解决冷启动问题(即,没有关于接收器的时间或位置的信息,或卫星的位置)(32秒),假设我们没有做任何假设,也没有执行任何巧妙的技巧,接收到的信号很好,等等。

但是,如果您有两个相关器,那么您只需将时间减少一半,因为您可以一次搜索两个卫星。获得12个相关器,只需不到几秒钟的时间。获得一百万个相关器,理论上可能需要几毫秒的时间。

为了行销,每个相关器都称为“通道”。 这并不是完全错误的-从某种意义上讲,相关器一次解调一个特定的编码频率,这实际上是无线电接收机在切换频道时所做的事情。

GPS接收器有很多假设可以简化问题空间,以使通用的12通道接收器可以在最坏的情况下大约1-3分钟内解决问题。

虽然您可以使用4通道GPS进行3D修复,但是如果丢失GPS信号(超出地平线或在桥下等),则会丢失3D修复并通过三颗卫星进行2D修复,而其中一个您的频道会回到关联模式。

现在,您的接收器开始下载星历表和年历,这使接收器可以非常智能地搜索信号。大约12分钟后,它确切知道应该看到哪些卫星。

这样搜索就可以很快进行,因为您知道每颗卫星的位置和代码,但是在实际找到新卫星之前,您仍然只有2D定位。

但是,如果您有一个12频道的接收器,则可以使用4个最强的频道来提供解决方案,几个频道可以锁定备用卫星,以便在需要时可以将计算切换到备用卫星,还有几个频道可以继续搜索卫星接收者应该能够看到。这样,您就不会丢失完整的3D修复。

由于您最多只能看到12颗卫星,为什么您需要超过12个频道?

在任何给定时间,大约有24颗GPS卫星在运行,这意味着在地球上的某个点上,您实际上只能看到其中的一半。

但是请记住-每个关联器只能搜索一颗卫星,因此将关联器增加到十二个以上的主要原因是为了缩短首次修复的时间,而改善该问题的主要原因是功耗。

如果您的GPS芯片组必须一直供电,则始终需要100mW的功耗。但是,如果每次只需要将其打开一次且每次仅需10mS,那么您只需将功耗降低到1mW。这意味着您的手机,定位信标等可以在使用同一组电池的情况下更长的时间达到两个数量级,同时仍可保持其位置的完整实时定位。

此外,有了数百万个相关器,人们可以进行更精确的搜索,从而有助于减少城市峡谷中无线电反射的影响(大城市的高层建筑曾用较少的相关器来破坏GPS接收器)。

最后,虽然只需要4颗卫星即可获得3D定位,但好的接收器会在其位置算法中使用更多的卫星来获得更准确的定位。因此,仅需要4通道接收器,而12通道接收器可以获得更高的精度。

结论

因此,数百万个相关器:

  • 加快卫星采集
  • 降低功耗
  • 降低即使在城市峡谷中丢失3D修复的可能性
  • 提供更高的灵敏度,可以在茂密的森林甚至某些隧道中进行修复
  • 提供更好的定位精度

感谢borzakk的一些更正


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+1是因为我不能投票超过一次。我现在对GPS有了更好的了解!
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谢谢!这确实解释了我所有的GPS问题。
Piotr Kula

“这给我们带来了最糟糕的情况([…]),它有一个时间首先解决了32秒的冷启动([…])”与“尽管有很多假设,但GPS接收机可以做出,从而简化了问题空间,使普通的12通道接收器在最坏的情况下,可以在大约1-3分钟内得到解决。”这没有多大意义。是我弄错了,还是您在这里看不同的“最坏情况”(信号条件?),还是第一个陈述应该意味着32分钟?
乔纳斯·谢弗(JonasSchäfer)2014年

@JonasWielicki一颗卫星。
亚当·戴维斯

@AdamDavis感谢您的澄清。那么第一个引用是指“固定一个卫星”,第二个引用是“全位置固定”?
JonasSchäfer2014年

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您需要每个频率,每个卫星一个频道。

大多数廉价的接收器(例如电话或汽车中的接收器)仅从GPS卫星跟踪L1频率。如果需要准确性,则需要跟踪每个卫星的两个频率,以便更准确地确定电离层延迟。如果您希望在部分障碍物的区域获得更好的覆盖范围,则不仅需要跟踪GPS卫星,还需要跟踪更多的卫星。

目前有32颗GPS卫星在轨,截至上周,其中31颗处于健康状态。接收器将由于仰角遮罩而看到不到一半的信号,这意味着它会忽略地平线以上5度以内的任何卫星。可以将高程遮罩设置得更高-通常为8度或10度。这些卫星中的每一个都以L1和L2频率广播,而一颗GPS卫星当前正在L5广播(处于测试模式)。将来所有的GPS卫星都将支持L5,最终您的常规廉价接收器将使用L5而不是L1。您可能会在2020年看到L5在廉价设备上取代L1。

俄罗斯还拥有称为GLONASS的全球定位卫星群。目前有27颗GLONASS卫星在轨。截至上周,有23位用户处于健康状态,3位处于维护模式,1位处于调试模式。所有GLONASS卫星均以L1和L2两个频率广播。

欧洲和中国也在建立星座。

如果要使用WAAS校正数据,则需要一个通道用于SBAS。

如果要使用OmniStar或加拿大的CDGPS,则需要一个频道。

我最熟悉的接收器跟踪以下频道:

  • 14个GPS L1频道
  • 14个GPS L2频道
  • 6个GPS L5频道
  • 12个GLONASS L1通道
  • 12个GLONASS L2通道
  • 2个SBAS频道(WAAS或EGNOS)
  • 1个L波段频道(OmniStar或CDGPS)

最新一代的高端接收器还具有用于欧洲和中国星座的附加频道。


当接收器看到所有这些来自不同来源的信号时,是否会提高定位精度?
mmccoo 2011年

实际上,每个卫星每个频率通常需要2或3个相关器。只有一个人可以告诉您您已被锁定,但您不能轻易判断您是否正处于高峰期。使用3,您可以精确地运行一个您认为信号峰值所在的位置,而一个则稍微领先一点,一个稍稍落后一点,通过查看其他值,您可以对峰值位置进行小的调整。
安德鲁

4

为什么超过12个频道?

导航接收器内部的频道数量绝对超过了营销手段。这是一个问题,您可以并希望使用大量种类繁多的同类导航系统来处理多少数据。请记住,该卫星系统可用于多种应用(船舶,汽车,铁路和飞机的导航,大地测量,定时,对地球的监视,建筑物电离层,天气预报等)。 ..),因此接收器的种类也很广泛(支持不同的频道)。

当前的高端大地测量GNSS接收机(用于多星座)具有超过216个通道和多达440个通道。用于移动应用的接收器使用66-200个频道。通道的数量也与相关器的数量有关。每个通道可以具有自己的数量的相关器。确实,重要的是要减少搜索空间的相关器数量,以获得良好且稳定的TTF(首次修复时间)。

非常重要-这就是亚当·戴维斯(adam davis)的回答:每个卫星每个信号需要一个频道。由于导航信号的设计各不相同(不同的信号强度,调制,带宽等),因此您必须准备好接收器,使其能够支持要为位置解决方案添加的任何导航系统。

让我们简要概述一下不同类型的导航系统:

导航系统:

  • GPS(美国)
  • GLONASS(俄罗斯)
  • 北斗/ COMPASS(中国)
  • 伽利略(欧洲)

...以及更进一步的增强系统和区域导航系统,它们使用相同/相似的频率和导航消息,可以由相同的信号采集技术使用:

  • QZSS(区域系统:日本,准平稳)
  • IRNSS(区域系统。印度)
  • EGNOS(欧洲增强系统)
  • WAAS(美国扩展系统)
  • OMNISTAR(私有增强系统)

因此,让我们数一遍,然后回到每个卫星/每个信号的讨论(摘录):

  • GPS:L1,L2,L5(L5计数2次,因为信号内部存在子信道-例如I(同相)和Q(四相)分量)
  • GLONASS:L1 L2 L3(GLONASS也使用子信道进行码分多址(CDMA)信号采集)
  • 伽利略(E1,E6(安全信号),E5a E5b E5a + b(宽带信号))
  • 请参考每个系统的当前信号计划以及接收器概述(更多阅读资料)

因此,如果您想用L1和L2以及L5a + b跟踪一颗GPS卫星,则需要4个频道。对于第一个解决方案,您需要4个卫星进行导航,仅需要8个频道即可获得直接解决方案,而无需任何冗余。GPS卫星越多,冗余(和完整性)就越大。要加快速度:在这种配置下,您只能使用L1 / L2和L5跟踪5颗GPS卫星。以我的理解,一个较弱的解决方案。但是,如果您仅考虑L1的测量结果(而不是Corse的测量结果),则可以跟踪12颗卫星。因此,频道越多,接收机(或基带处理器)必须工作的越多。这取决于您的芯片的功能-以及绝对可以为您的应用程序提供有用的观测数据和数据的数量。任何时候都必须采取以下措施:

  1. 我想要什么我的申请?
  2. 我需要多少数据才能获得可靠的解决方案?
  3. 我需要多少处理能力才能获得可靠的解决方案?
  4. 我想要/必须控制多少解决方案?

供进一步阅读:


2

第一个答案已经很好。我只需要添加一件事。从事GPS软件研究已有2年,我知道要追踪一颗卫星,一颗需要6个相关器。这是因为GPS卫星信号具有两个分量(I和Q分支,有点像用正弦和余弦表示复杂信号)。对于每个分支,必须产生一个延迟的,准时的和高级的伪随机数序列,并计算它们与卫星信号的相关性。因此,仅针对L1信号跟踪12个通道,就需要12 x 6个相关器。如果您还想进行L2C,L5或Galileo,则需要更多的相关器。


1

答案是你不知道。最新的u-Blox GPS接收器系列引以自豪的是“具有超过200万个相关器的高性能GPS”。这意味着我不太确定,但是对于推销员来说,这是一个很好的数字!


错误的链接,现在是2018
。– CrossRoads '18
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