Wie viele GPS-Kanäle sind sinnvoll?

Sie benötigen 4 Kanäle, um Ihre Position zu bestimmen (einschließlich der Höhe), und ich kann verstehen, dass einige zusätzliche Kanäle die Genauigkeit erhöhen. Es sind jedoch maximal 12 Satelliten gleichzeitig im Blick. Warum also Empfänger mit mehr Kanälen? Ich habe Empfänger mit 50 oder sogar 66 Kanälen gesehen , das ist mehr als die Anzahl der Satelliten.
Ich sehe keine Vorteile in dieser Explosion der Anzahl von Kanälen, während ich vermute, dass dies den Stromverbrauch des Empfängers erhöht.
Warum brauche ich 66 Kanäle?

Die Antwort ist aufgrund der Funktionsweise des GPS-Systems komplex. Daher werde ich einige Dinge vereinfachen, damit Sie das Prinzip verstehen. Wenn Sie jedoch daran interessiert sind, wie es tatsächlich implementiert wird, müssen Sie ein gutes GPS finden Referenz. Mit anderen Worten, das, was unten steht, soll Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie es funktioniert, ist aber in mancher Hinsicht technisch falsch. Das Folgende ist nicht korrekt genug, um Ihre eigene GPS-Software zu implementieren.

Hintergrund

Alle Satelliten senden im Wesentlichen auf der gleichen Frequenz. Sie gehen technisch über die Signale des jeweils anderen.

Wie geht der GPS-Empfänger damit um?

Erstens sendet jeder Satellit jede mS eine andere Nachricht. Die Nachricht ist 1024 Bit lang und wird von einem Pseudozufallszahlengenerator generiert.

Der GPS-Empfänger empfängt das gesamte Spektrum aller Sender, führt dann einen Korrelationsprozess durch - er generiert die spezifische Sequenz eines der Satelliten, multipliziert sie mit dem eingegebenen Signal und wenn sein Signal genau mit dem Satellitensignal übereinstimmt, dann mit dem Korrelator hat einen Satelliten gefunden. Durch das Mischen wird das Satellitensignal im Wesentlichen aus dem Rauschen herausgezogen und bestätigt, dass 1) wir die richtige Sequenz haben und 2) wir das richtige Timing haben.

Wenn es jedoch keine Übereinstimmung gefunden hat, muss es sein Signal um ein Bit verschieben und es erneut versuchen, bis es alle 1023 Bit-Perioden durchlaufen hat und keinen Satelliten gefunden hat. Anschließend wird versucht, einen anderen Satelliten zu einem anderen Zeitpunkt zu erkennen.

Aufgrund der Zeitverschiebung (1023 Bit, 1.000 Übertragungen pro Sekunde) kann es theoretisch einen Code in einer Sekunde vollständig durchsuchen, um einen bestimmten Code zu finden (oder festzustellen, dass es nichts gibt).

Aufgrund der Codeverschiebung (derzeit gibt es 32 verschiedene PRN-Codes, jeweils einen für jeden Satelliten) kann die Suche nach jedem Satelliten mehr als 30 Sekunden dauern.

Die Doppler-Verschiebung aufgrund der Geschwindigkeit des Satelliten im Verhältnis zu Ihrer Bodengeschwindigkeit bedeutet außerdem, dass die Zeitbasis um bis zu +/- 10 kHz verschoben werden kann, sodass etwa 40 verschiedene Frequenzverschiebungen nach einem Korrelator durchsucht werden müssen, bevor dieser aufgeben kann eine bestimmte PRN und Timing.

Was das bedeutet

Dies lässt uns ein mögliches Worst-Case-Szenario (ein Satellit in der Luft, und wir versuchen alles außer der exakten Übereinstimmung zuerst) einer Zeit, um zuerst einen Kaltstart zu beheben (dh keine Information über die Zeit oder den Ort des Empfängers). oder Standort der Satelliten) von 32 Sekunden, sofern wir keine Annahmen treffen oder clevere Tricks ausführen, das empfangene Signal ist gut usw.

Wenn Sie jedoch zwei Korrelatoren haben, haben Sie diese Zeit nur halbiert, weil Sie gleichzeitig nach zwei Satelliten suchen können. Holen Sie sich 12 Korrelatoren auf den Job und es dauert weniger als ein paar Sekunden. Wenn Sie eine Million Korrelatoren erhalten, kann dies theoretisch einige Millisekunden dauern.

Jeder Korrelator wird aus Marketinggründen als "Kanal" bezeichnet. Es ist nicht ganz falsch - in gewisser Weise demoduliert der Korrelator jeweils eine bestimmte codierte Frequenz. Dies ist im Wesentlichen das, was ein Funkempfänger beim Umschalten von Kanälen tut.

Es gibt jedoch eine Reihe von Annahmen, die ein GPS-Empfänger treffen kann, um das Problem zu lösen, sodass ein generischer 12-Kanal-Empfänger im schlimmsten Fall in ca. 1-3 Minuten eine Lösung finden kann.

Während Sie mit einem 4-Kanal-GPS einen 3D-Fix erhalten können, gehen Sie beim Verlust eines GPS-Signals (über den Horizont hinaus oder unter einer Brücke usw.) beim 3D-Fix mit drei Satelliten in den 2D-Fix über Ihre Kanäle kehren in den Korrelationsmodus zurück.

Jetzt beginnt Ihr Empfänger mit dem Herunterladen der Ephemeride und des Almanachs, wodurch der Empfänger auf sehr intelligente Weise nach Signalen suchen kann. Nach 12 Minuten oder es genau so weiß , welche Satelliten sollten im Hinblick auf sein.

Die Suche geht also ziemlich schnell, da Sie die Position und den Code für jeden Satelliten kennen, aber immer noch nur eine 2D-Korrektur haben, bis Sie tatsächlich einen neuen Satelliten finden.

Wenn Sie jedoch über einen 12-Kanal-Empfänger verfügen, können Sie 4 der stärksten Kanäle verwenden, um das Problem zu beheben, ein paar Kanäle, um Sicherungssatelliten zu erfassen, damit die Berechnungen bei Bedarf auf diese umgeschaltet werden können, und mehrere Kanäle, um weiterhin nach Satelliten zu suchen Der Empfänger sollte sehen können. Auf diese Weise verlieren Sie nie den vollen 3D-Fix.

Da Sie nur bis zu 12 Satelliten sehen können, warum brauchen Sie dann mehr als 12 Kanäle?

Es gibt ungefähr 24 GPS-Satelliten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in Betrieb sind, was bedeutet, dass Sie an einem Punkt auf der Erde wirklich nur die Hälfte von ihnen sehen können.

Denken Sie jedoch daran, dass Sie nur nach einem Satelliten pro Korrelator suchen können. Der Hauptgrund für die Erhöhung der Korrelatoren nach zwölf besteht darin, die Zeit bis zur ersten Korrektur zu verkürzen. Der Hauptgrund für die Verbesserung ist der Stromverbrauch.

Wenn Ihr GPS-Chipsatz die ganze Zeit mit Strom versorgt werden muss, verbraucht er ständig 100 mW Strom. Wenn Sie es jedoch nur einmal pro Sekunde für jeweils nur 10 ms einschalten müssen, reduzieren Sie einfach den Stromverbrauch auf 1 mW. Dies bedeutet, dass Ihr Mobiltelefon, Ihre Ortungsbake usw. zwei Größenordnungen länger mit demselben Batteriesatz betrieben werden können, während die vollständige Echtzeit-Positionsbestimmung beibehalten wird.

Darüber hinaus können mit Millionen von Korrelatoren genauere Suchvorgänge durchgeführt werden, um die Auswirkungen von Funkreflexionen in städtischen Schluchten (hohe Gebäude in Großstädten, die verwendet wurden, um GPS-Empfänger mit weniger Korrelatoren zu verschmutzen) zu verringern.

Während nur 4 Satelliten benötigt werden, um einen 3D-Fix zu erhalten, verwenden gute Empfänger mehr Satelliten in ihrem Positionsalgorithmus, um einen genaueren Fix zu erhalten. Es wird also nur ein 4-Kanal-Empfänger benötigt, ein 12-Kanal-Empfänger kann jedoch eine höhere Genauigkeit erzielen.

Fazit

Also die Millionen von Korrelatoren:

• Beschleunigt die Satellitenerfassung
• Reduziert den Stromverbrauch
• Reduziert die Wahrscheinlichkeit, einen 3D-Fix zu verlieren, auch in städtischen Canyons
• Verbessern Sie die Empfindlichkeit und ermöglichen Sie Korrekturen in dichten Wäldern und sogar in einigen Tunneln
• Bietet eine bessere Positioniergenauigkeit

_{^{Danke an borzakk für einige Korrekturen .}}

Sie benötigen einen Kanal pro Frequenz und Satellit.

Die meisten billigen Empfänger (wie der in Ihrem Telefon oder Auto) verfolgen nur die L1-Frequenz von nur den GPS-Satelliten. Wenn Sie Genauigkeit wünschen, müssen Sie zwei Frequenzen von jedem Satelliten verfolgen, um die ionosphärischen Verzögerungen genauer zu bestimmen. Wenn Sie in Gebieten mit teilweisen Hindernissen eine bessere Abdeckung wünschen, müssen Sie mehr als nur die GPS-Satelliten verfolgen.

Derzeit befinden sich 32 GPS-Satelliten in der Umlaufbahn, von denen 31 ab letzter Woche gesund waren. Ein Empfänger sieht aufgrund der Höhenmaske weniger als die Hälfte von ihnen, was bedeutet, dass er jeden Satelliten ignoriert, der sich weniger als 5 Grad über dem Horizont befindet. Die Höhenmaske kann höher eingestellt werden - 8 oder 10 Grad sind üblich. Jeder dieser Satelliten sendet sowohl auf der L1- als auch auf der L2-Frequenz. Derzeit sendet ein GPS-Satellit auf der L5 (im Testmodus). Alle zukünftigen GPS-Satelliten werden auch L5 unterstützen, und schließlich werden Ihre regulären billigen Empfänger L5 anstelle von L1 verwenden. Es wird wahrscheinlich das Jahr 2020 sein, in dem Sie sehen, wie L5 L1 bei billigen Geräten ersetzt.

Russland hat auch eine Konstellation globaler Positionierungssatelliten, die als GLONASS bekannt sind. Derzeit befinden sich 27 GLONASS-Satelliten im Orbit. Seit letzter Woche sind 23 gesund, 3 befinden sich im Wartungsmodus und 1 befindet sich im Inbetriebnahmemodus. Alle GLONASS-Satelliten senden auf zwei Frequenzen - L1 und L2.

Europa und China bauen ebenfalls Sternbilder auf.

Wenn Sie WAAS-Korrekturdaten verwenden möchten, benötigen Sie einen Kanal für SBAS.

Wenn Sie OmniStar oder Kanadas CDGPS verwenden möchten, benötigen Sie dafür einen Kanal.

Der Receiver, mit dem ich am besten vertraut bin, verfolgt die folgenden Kanäle:

• 14 GPS L1-Kanäle
• 14 GPS L2-Kanäle
• 6 GPS L5-Kanäle
• 12 GLONASS L1-Kanäle
• 12 GLONASS L2-Kanäle
• 2 SBAS-Kanäle (WAAS oder EGNOS)
• 1 L-Band-Kanal (OmniStar oder CDGPS)

Die neueste Generation von High-End-Empfängern verfügt auch über zusätzliche Kanäle für die europäische und chinesische Konstellation.

Warum mehr als 12 Kanäle?

Die Anzahl der Kanäle in einem Navigationsempfänger ist definitiv mehr als ein Marketing-Gag. Es ist die Frage, mit wie vielen Daten Sie umgehen können und wollen, um ein breites Spektrum unterschiedlicher Navigationssysteme ähnlicher Art zu nutzen. Bitte beachten Sie, dass diese Satellitensysteme für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich sind (Schiffs-, Auto-, Schienen- und Flugzeugnavigation, Geodäsie, Zeitmessung, Überwachung der Erde, Ionosphäre von Gebäuden, Wettervorhersage usw.). ..) und daher ist auch die Auswahl an Empfängern (die verschiedene Kanäle unterstützen) groß.

Aktuelle High-End-Geodätische GNSS-Empfänger (für Multi-Constellation) bieten mehr als 216 und bis zu 440 Kanäle. Für mobile Anwendungen verwendete Empfänger verwenden 66-200 Kanäle. Die Anzahl der Kanäle hat auch nichts mit der Anzahl der Korrelatoren zu tun. Jeder Kanal kann eine eigene Anzahl von Korrelatoren haben. Es ist wahr, dass die Anzahl der Korrelatoren zur Reduzierung des Suchraums wichtig ist, um einen guten und stabilen TTF (Time to First Fix) zu erhalten.

Sehr wichtig - und das wird in der Antwort von Adam Davis beschrieben: Sie brauchen einen Kanal pro Signal pro Satellit. Da das Design der Navigationssignale unterschiedlich ist (unterschiedliche Signalstärke, Modulation, Bandbreite usw.), müssen Sie den Empfänger für jedes Navigationssystem vorbereiten, das Sie für Ihre Positionslösung hinzufügen möchten.

Machen wir einen kleinen Überblick über verschiedene Arten von Navigationssystemen:

Navigationssysteme:

• GPS (Amerika)
• GLONASS (Russland)
• Beidou / KOMPASS (China)
• Galileo (Europa)

... und darüber hinaus Augmentationssysteme und regionale Navigationssysteme, die gleiche / ähnliche Frequenzen verwenden, und Navigationsnachrichten, die mit derselben Signalerfassungstechnik verwendet werden können:

• QZSS (regionales System: Japan, quasistationär)
• IRNSS (regionales System. Indien)
• EGNOS (Augmentationssystem Europa)
• WAAS (Augmentationssystem Amerika)
• OMNISTAR (privates Augmentationssystem)

Zählen wir also und kehren wir zur Diskussion pro Satellit / pro Signal (Auszug) zurück:

• GPS: L1, L2, L5 (L5 zählt 2-mal, da das Signal Unterkanäle enthält, z. B. die Komponenten I (In-Phase) und Q (Quad-Phase).)
• GLONASS: L1 L2 L3 (auch GLONASS verwendet Unterkanäle für die CDMA-Signalerfassung (Code Division Multiple Access))
• Galileo (E1, E6 (sicheres Signal), E5a, E5b, E5a + b (Breitbandsignal))
• Bitte beziehen Sie sich auf den aktuellen Signalplan für jedes System und auch auf die Empfängerübersicht (weitere Informationen).

Wenn Sie also einen GPS-Satelliten mit L1 und L2 und L5a + b verfolgen möchten, benötigen Sie 4 Kanäle. Für einen ersten Fix benötigen Sie 4 Satelliten, für eine direkte Poisiotn-Lösung ohne Redundanz 8 Kanäle. Je mehr GPS-Satelliten, desto mehr Redundanz (und Integrität). Beschleunigen: In dieser Konfiguration können Sie nur 5 GPS-Satelliten mit L1 / L2 und L5 verfolgen. Nach meinem Verständnis eine schwache Lösung. Wenn Sie jedoch nur L1-Messungen berücksichtigen, können Sie 12 Satelliten verfolgen. Je mehr Kanäle vorhanden sind, desto mehr muss der Empfänger (oder Basisbandprozessor) arbeiten. Dies hängt von der Leistungsfähigkeit Ihres Chips ab - ... und definitiv von der Anzahl nützlicher Beobachtungen und Daten für Ihre Anwendung. Die Frage muss zu jeder Zeit lauten:

1. Was möchte ich für meine Bewerbung?
2. Wie viele Daten benötige ich, um eine zuverlässige Lösung zu erhalten?
3. Wie viel Verarbeitungskapazität muss ich haben, um eine zuverlässige Lösung zu erhalten?
4. Wie sehr möchte / muss ich meine Lösung kontrollieren?

zum weiterlesen:

• eine sehr gute Empfängerbeschreibung von ESA
• GNSS-Empfängerumfrage 2014
• Artikel des Multi-Constellation-Empfängers auf einer einzigen Karte (GPS World)
• Aviala-Rodriguez et al. (2007): Die MBOC-Modulation, Indside GNSS, 2 (6): 43-58 ( online )
• Guo et al. (2013): Aufbau eines Breitbandempfängers mit mehreren Konstellationen, GPS World, 24 (3): 36-42
• Galileo-Signalplan
• GPS-Signalplan
• GLONASS-Signalplan
• KOMPASS-Signalplan

Die 1. Antwort ist schon sehr gut. Ich muss nur eines hinzufügen. Ich arbeite seit 2 Jahren an GPS-Software und weiß, dass man 6 Korrelatoren benötigt, um einen Satelliten zu verfolgen. Dies liegt daran, dass das GPS-Satellitensignal zwei Komponenten aufweist (I- und Q-Zweige, die ein komplexes Signal nach Sinus und Cosinus darstellen). Für jeden Zweig muss man eine verzögerte, pünktliche und fortgeschrittene Pseudozufallszahlenfolge erzeugen und ihre Korrelationen mit dem Satellitensignal berechnen. Zum Verfolgen von 12 Kanälen für nur ein L1-Signal werden also 12 x 6 Korrelatoren benötigt. Wenn Sie auch L2C, L5 oder Galileo ausführen möchten, benötigen Sie mehr Korrelatoren.

Die Antwort ist, dass du es nicht tust. Die neueste GPS-Empfängerfamilie von u-Blox ist stolz auf "Hochleistungs-GPS mit über 2 Millionen Korrelatoren". Was das bedeutet, ich bin nicht wirklich sicher, aber es ist eine gute Zahl für den Verkäufer zu zitieren!