Wie skaliert und verarbeitet das GPS potenziell Millionen von Anfragen pro Sekunde und antwortet in Echtzeit?

Heutzutage fast jeder, der irgendwo ein Smartphone oder ein GPS-Gerät besessen hat. Diese Geräte scheinen auch in Echtzeit zu aktualisieren. Wie ist der GPS-Satellit in der Lage, potenziell Millionen von Anfragen von Millionen verschiedener Geräte zu beantworten und alle Millionen von Geräten in Echtzeit ohne Verzögerung zu aktualisieren?

So wie ich es verstehe, werden Websites, die sogar zu Tausenden besucht werden, verlangsamt, wenn sie nicht richtig darauf vorbereitet sind. Wie geht das GPS mit dem Verkehr um, der scheinbar unmöglich zu bewältigen ist, selbst wenn es für einen Supercomputer schwierig ist.

Wenn jemand auf einem Hügel über einer großen Stadt steht und schreit "Die Mongolen kommen!" dann weiß jeder was los ist und sie verlassen die Stadt. Der Ausguck muss nicht sagen "Hey Timmy: Die Mongolen kommen! Hey John: Die Mongolen kommen! Hey Sarah ..."

GPS ist nur eine Ansammlung von Satelliten in der Umlaufbahn, die schreien: "Ich bin hier!" in Radiofrequenz. Ein GPS-Empfänger versucht nur, die verschiedenen Satelliten auszumachen, die ihre Positionen schreien, und tippt auf "Wenn Satellit 1 dort drüben ist und Satellit 2 dort drüben ist und Satellit 3 ungefähr an DIESEM Ort ist ... dann muss ich hier irgendwo sein ".

Technisch hört der Empfänger den Zeitstempel und die Orbitalposition jedes GPS-Satelliten ab. Es berechnet die Zeit, die die verschiedenen Satellitensignale benötigt haben, um den Empfänger zu erreichen, wodurch der Empfänger die Entfernung von jedem Satelliten erhält. In Anbetracht der Entfernung zu jedem Satelliten kennen Sie Ihre eigene Position.

Wie? Stellen Sie sich drei Satelliten in der Umlaufbahn und Sie auf der Erde mit langen Stöcken dazwischen vor. Diese Stöcke werden sich nur an einer Stelle treffen. Mit einem Satelliten und einem Stick mit fester Länge können Sie sich überall auf einer Kugel um den Satelliten befinden. Mit zwei Satelliten können Sie sich überall auf einem Kreis befinden, der zwischen den beiden Satelliten zentriert ist. Bei drei Satelliten kann Ihre Position im Allgemeinen nur an einer Stelle sein. In der Regel sind jedoch vier Satelliten für jede Genauigkeit erforderlich. (Die Berechnung der Entfernung zu den Satelliten ist normalerweise nicht so genau, daher ist es besser, die Entfernung zu mehreren Satelliten zu kennen.)

Der GPS-Satellit ist nur ein Sender (was das GPS-Signal betrifft) und das andere Ende ist nur ein Empfänger. Es gibt keine bidirektionale Kommunikation und daher muss sich der Satellit nicht um die Anzahl der Geräte kümmern. Grundsätzlich sendet der Satellit zu einer bestimmten Zeit seinen eigenen Standort, und der Empfänger berechnet seine Position anhand dieser Informationen, sodass alle Arbeiten vom Empfänger ausgeführt werden.

Kurz gesagt, es gibt keine "Anfragen", genauso wie es keine "Anfragen" für traditionelles analoges Radio und Fernsehen gibt.

Satelliten reagieren nicht. Sie senden ein Signal und GPS-Clients empfangen es. Ich meine, Ihr GPS-Gerät muss nichts an den Satelliten senden, es empfängt nur vom Satelliten und das ist genug. Ihr GPS-Gerät muss Signale von mehreren Satelliten empfangen und dann rechnen, um seine eigene Position zu berechnen.

Die kurze Antwort lautet also: Es ist massiv parallelisiert. :-)

Die Entfernung zwischen jedem Satelliten und Ihrer Position berechnet sich aus der Zeit, die das Signal benötigt, um die 20.200 km (12.600 Meilen) über Kopf, die bis zu 26.600 km (16.500 Meilen) am Horizont reichen, zu Ihrem Empfänger zurückzulegen. Bei einer Signalgeschwindigkeit von 300.000 km / s beträgt die Zeit zwischen 89 und 67 Millisekunden und muss daher mit einer Genauigkeit von Nanosekunden gemessen werden. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von GPS ist, dass die billige und einfache Uhr im Empfänger die gleiche Genauigkeit aufweist wie die sehr komplexen und teuren Uhren in den Satelliten.

Darron erklärte, wie der Fix mit vier Satelliten erreicht wird. Einer definiert eine Kugel, der zweite schneidet diese als Kreis, der dritte schneidet den Kreis in zwei Punkte und der vierte unterscheidet diese beiden Punkte. Wird angenommen, dass sich der Empfänger in der Nähe der Erdoberfläche befindet, kann dies anstelle der vierten Satellitenmessung verwendet werden. Idealerweise sollten sich alle an einem einzigen Punkt schneiden, aber in der Praxis würden sie sich ohne Korrektur leicht ausbreiten, da die Empfängeruhr schnell oder langsam läuft. Durch Einstellen der Taktrate, um eine möglichst genaue Übereinstimmung zu erzielen, wird die erforderliche Zeitgenauigkeit erzielt. Der verbleibende Spread ist ein Maß für die Genauigkeit des Fixes.

In den alten Zeiten der Chronometer-Navigation für Längengrade war nur eine äußerst stabile Uhr notwendig. Obwohl die Uhr langsam oder schnell lief, spielte dies keine Rolle, solange die Geschwindigkeit bekannt war. es war dann einfach, die genaue Zeit aus der Rate zu berechnen und wie lange es gedauert hat, bis die Uhr gegen eine genaue Zeit abgeglichen wurde, wie beispielsweise das Abfeuern einer Mittagsfeuerwaffe im Hafen. In ähnlicher Weise wird im GPS-Empfänger eine einfache, aber stabile Uhr benötigt, deren Frequenz wie oben berechnet wurde, um Ihnen das Äquivalent einer "Atomuhr in Ihrer Hand" zu geben.