GPS für Cubesats - sind 8 km / s für Consumer-Chips zu schnell?

Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn bewegen sich in der Nähe von 8 km / s. Die meisten GPS-Chips für Endverbraucher erreichen immer noch die CoCom-Grenzwerte von 1000 Knoten, etwa 514 m / s. CoCom-Grenzwerte sind freiwillige Grenzwerte für Exporte, über die Sie in dieser Frage und Antwort sowie in dieser Frage und Antwort und an anderer Stelle mehr lesen können .

Nehmen wir für diese Frage an, es handelt sich um numerische Grenzwerte im Ausgabeabschnitt der Firmware. Der Chip muss tatsächlich die Geschwindigkeit (und Höhe) berechnen, bevor er entscheiden kann, ob der Grenzwert überschritten wird, und dann entweder die Lösung dem Ausgang präsentieren oder ihn blockieren.

Bei 8000 m / s beträgt die Dopplerverschiebung bei 2 GHz etwa 0,05 MHz, ein kleiner Bruchteil der natürlichen Breite des Signals aufgrund seiner Modulation.

Es gibt mehrere Unternehmen, die GPS-Geräte für Cubesats verkaufen. Sie sind teuer (Hunderttausende von Dollar) und wahrscheinlich jeden Cent wert, da (zumindest einige von ihnen) für Satellitenanwendungen und Weltraumtests konzipiert sind.

Gibt es Gründe, warum ein moderner GPS-Chip mit einer Höchstgeschwindigkeit von 500 m / s nicht mit 8000 m / s arbeiten kann, wenn man die Umsetzung der CoCom-Grenzwerte und alle anderen Probleme im Weltraum außer der Geschwindigkeit ignoriert ? Wenn ja, was sind sie?

Hinweis: 8000 m / s geteilt durch c (3E + 08 m / s) ergeben eine Erweiterung / Komprimierung der empfangenen Sequenzen von etwa 27 ppm. Dies kann sich auf einige Implementierungen der Korrelation auswirken (sowohl in Hardware als auch in Software).

Ich würde nicht empfehlen, eine integrierte GPS-Lösung (die MCU und Closed-Source-Firmware enthält) für eine Satellitenanwendung zu verwenden. Es gibt mehrere Gründe, warum dies möglicherweise nicht funktioniert:

1. Der Frontend-Frequenzplan kann für einen begrenzten Doppler-Bereich optimiert werden. Normalerweise mischt das HF-Frontend das Signal auf eine ZF von weniger als 10 MHz (eine höhere ZF erfordert eine höhere Abtastrate und verbraucht mehr Energie). Diese IF wird nicht willkürlich gewählt! Der Quotient IF / Samplerate sollte für den gesamten Dopplerbereich nicht harmonisch sein, um Störgeräusche aufgrund von A / D-Kürzungsfehlern im abgetasteten Signal zu vermeiden. Sie können Schlageffekte beobachten, die das Signal bei einigen Dopplerraten unbrauchbar machen.
2. Der Korrelator für digitale Domänen muss eine Replik des Trägers und des C / A-Codes mit der richtigen Rate einschließlich Doppler-Effekten reproduzieren. Es verwendet DCOs (digital gesteuerte Oszillatoren), um die Träger- und Codegenerierung zu beschleunigen, die über Konfigurationsregister von der MCU abgestimmt werden. Die Bitbreite dieser Register kann auf den für einen bodengestützten Empfänger erwarteten Dopplerbereich beschränkt sein, sodass es unmöglich ist, den Kanal auf das Signal abzustimmen, wenn Sie zu schnell unterwegs sind.
3. Die Firmware muss eine kalte Erfassung durchführen, wenn keine Positions- / Zeitschätzung verfügbar ist. Es werden Doppler-Frequenzbereiche und Codephasen durchsucht, um ein Signal zu finden. Der Suchbereich wird auf den Bereich beschränkt, der für einen bodengestützten Benutzer erwartet wird.
4. Die Firmware verwendet normalerweise die Kalman-Filterung für Positionslösungen. Dies beinhaltet ein Modell der Empfängerposition / -geschwindigkeit / -beschleunigung. Während die Beschleunigung für einen Satelliten kein Problem darstellt, fällt das Modell hinsichtlich der Geschwindigkeit aus, wenn die Firmware nicht für die Verwendung im Orbit angepasst ist.

All diese Probleme können behoben werden, wenn Sie ein frei programmierbares Frontend und einen Korrelator mit einer benutzerdefinierten Firmware verwenden. Sie können, zB Piksy anschauen .

Einige Leute implementieren COCOM als oder , andere als und . In jedem Fall verkaufen Anbieter für qualifizierte Kunden unter EAR oder ITAR gerne eine Firmware-Option für $$$, die diese Funktionalität deaktiviert. Hardware ist identisch.

Abgesehen von dieser harten Einschränkung wird es zu einem HF-Kommunikationsproblem, zusammen mit der Entwicklung Ihrer Hardware, um Strahlungseffekte zu tolerieren. Ihr Eb / N0 wird wahrscheinlich etwas besser sein, da Sie (buchstäblich) näher an den SVs sind und den atmosphärischen Pfadverlust vermeiden, aber Ihre Empfangsschaltung muss auch eine beträchtliche Menge an Doppler tolerieren.

Es ist übrigens nicht nur die Position, an der CubeSats interessiert ist - GPS-Zeit ist ein wertvolles Datengut, mit dem ein Satellit anhand eines TLE herausfinden kann, wo er sich befindet. Selbst wenn der Empfänger sich aufgrund von COCOM weigert, Ihnen eine Position zu geben, kann es sich lohnen, wenn er die Zeit dafür gibt.

Wenn dieses Papier zur beispielhaften GPS-Architektur repräsentativ ist, bestehen die Chips aus einem HF-Front-End, Hardwarekorrelatoren im digitalen Bereich, und die gesamte tatsächliche Decodierung des Signals wird in Software durchgeführt.

In diesem Fall ist das einzige wahrscheinliche Problem der Doppler. Die Software verwirft möglicherweise "außergewöhnliche" Werte, aber Sie müssen die Firmware trotzdem ersetzen oder ändern, wenn Sie die CoCom-Grenzwerte umgehen möchten.

Eine interessantere Frage ist, ob Sie einen GPS- Simulator ausleihen können, der so programmiert werden kann, dass er den Hochgeschwindigkeitsfall simuliert. Ich hätte gedacht, dass es möglich wäre - wie würde ein Hersteller schließlich testen, ob sein Gerät die CoCom-Grenzwerte anwendet?

Es kommt wirklich auf die Implementierung an. Als Beispiel hat ein Empfänger, an dem ich gearbeitet habe, ein Festkomma-Träger-NCO-Frequenzregister in jedem Korrelatorkanal mit einer Breite von 17 Bit. Der Maximalwert, der in diesem Register gespeichert werden kann, entspricht etwa 6 km / s und muss auch einen Beitrag des Empfängertaktfrequenzfehlers enthalten. Es wäre also nicht in der Lage, Satelliten zu verfolgen, deren Reichweite diese Grenze überschreitet. Dies wären ziemlich viele, wenn sich der Empfänger mit Orbitalgeschwindigkeit bewegt.

Cubesats können mit handelsüblichen GPS-Geräten verwendet werden, die weniger als 1000 US-Dollar kosten. Der Hersteller hebt die Grenzen auf, so dass man hoffen würde, dass sie mit den entfernten testen können. Sie haben GPS-Emulatoren oder Zugriff darauf.

Die Cocom-Grenzwerte müssen vom Hersteller entfernt werden, und der Hersteller wird dies nur tun, wenn Sie durch Ihre Regierung eine Ausnahme erhalten können. Ich bin mir nicht sicher, aber ich weiß, dass es zumindest in den USA möglich ist. Außerhalb der USA ist dies möglicherweise nahezu unmöglich.

Ich kenne die Genauigkeit des GPS-Geräts nicht, aber es gibt immer noch ionosphärische Effekte, die berücksichtigt werden müssen, wenn Sie in LEO fliegen. Sie benötigen außerdem ein anständiges ADCS-System, um die Position Ihres Raumfahrzeugs abzuschätzen