Was ist die höchste erreichbare Aktualisierungsrate für einen zivilen GPS-Empfänger?

Ich bin daran interessiert, die maximal erreichbare Aktualisierungsrate für einen zivilen GPS-Empfänger zu kennen. Speziell

Empfänger, die ausschließlich von GPS-Satelliten abhängen (z. B. ohne IMU-basierte Bewegungsschätzung zur Interpolation)
Die hypothetische Grenze (dh ohne Machbarkeitsbedenken, z. B. Rechenleistung)
Aktualisierungsrate nach Sperre (zB TTFF)

Die schnellsten zivilen Empfängerchips, die ich gefunden habe, haben eine Aktualisierungsrate von 50 Hz, wie z. B. der Venus838FLPx.

Laut alex.forencich in diesem Stackexchange-Thread könnte es "ziemlich hoch" sein:

Es ist schwierig, eine Positionsaktualisierungsrate für die Satelliten festzulegen, da sich alles im Empfänger befindet. Die Satelliten übertragen einfach Orbital-Ephemeridendaten und die Tageszeit mit 50 Bit pro Sekunde und einer CDMA-Chiprate von 1,023 MHz, die alle genau auf einen Atomfrequenzstandard phasenverriegelt sind. Der GPS-Empfänger behält eine Sperre für den CDMA-Spreizcode bei und verwendet diese, um die Unterschiede bei der Ankunftszeit zwischen den Satelliten zu bestimmen. Es dauert eine Weile, bis eine Sperre erreicht ist, aber danach kann die Position mit einer ziemlich hohen Frequenz aktualisiert werden. Ich bin mir nicht sicher, wie hoch die Obergrenze dafür ist.

Und dies hat natürlich nichts mit den CoCom-Geschwindigkeits- und Höhenbeschränkungen für zivile Empfänger zu tun .

Das habe ich gefunden.

gps gnss

— Gemeinschaft
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@ MarkoBuršič das ist ganz offensichtlich falsch. Es gibt mehrere harte Grenzen. Um mit der Phase zu beginnen, gibt Ihnen dies offensichtlich eine erste harte Grenze (Frequenz des Trägers). Dann haben Sie Cramer-Rao, das Ihnen keine signifikante Genauigkeit ermöglicht, ohne genügend Beobachtung zu sammeln. dann ist eine beliebig hohe Aktualisierungsrate mit Shannons Kanalkapazität völlig nicht kompatibel. Dann haben Sie aufgrund von Planck / Heisenberg eine sehr begrenzte potenzielle LO-Genauigkeit, was zu einer begrenzten Standortgenauigkeit und einer begrenzten Aktualisierungsrate führt. Die Liste geht weiter.

— Marcus Müller

Aus dem Bauch heraus würde ich mit Shannons Kanalkapazität beginnen, da dies angesichts der geringen Bandbreite und des niedrigen SNR, die physikalisch möglich sind, auch ohne atmosphärische Effekte, eine ziemlich harte Grenze darstellt.

— Marcus Müller

Nichts, was darauf hindeutet, dass die GPS-Positionsberechnung die Ausgabe erfüllt oder übertrifft. Der Ausgang könnte die Position überabtasten.

— old_timer

Javad und Topcon stellen beide Empfänger mit 100-Hz-Positionsaktualisierungsraten her. Das sind die schnellsten, die ich je gesehen habe. Wie andere angemerkt haben, sind die meisten Hersteller auf 20 oder 50 Hz beschränkt. Es ist in der Praxis wenig vorteilhaft, schneller zu laufen. Für die meisten Anwendungen ist dies eine Verschwendung von CPU-Zeit und -Leistung.

— Andrew

@winny Shannon verfolgt meine schlaflosen Nächte; Ich könnte ihm genauso gut Kredit geben, wo Kredit fällig ist: P

— Marcus Müller

Antworten:

Der einschränkende Faktor ist die Tiefpassfilterung nach dem Entspreizen. Wenn wir eine Rauschleistungsdichte von -204 dBW / Hz (~ 17 ° C Rauschtemperatur) annehmen, können wir nur eine Rauschbandbreite von etwa 25 kHz zulassen, bevor sie die L1-Leistung von -160 dBW erreicht. Unsere Integrationszeit muss mindestens 1 / 25.000s betragen, um das Signal vom Rauschhintergrund zu erfassen (unter der Annahme einer Rundstrahlantenne). Dies ist die theoretische Grenze für ein Signal voller Stärke.

$T$ $B_n$ $T=10^{-3}s$ $B_n<=18Hz$ $B_n/2$

Sie können mit einer Richtantenne schummeln , aber um Azimut und Höhe zu berechnen, muss die Position Ihrer Antenne festgelegt werden, und dies widerspricht dem Zweck eines Navigationssystems.

Nun zurück zur Realität: Durch die Verkürzung der Integrationszeit von werden die Positionskorrekturen lauter. Angesichts des Verbindungsbudgets einer Standardeinheit sind mehr als 50 Fixes / s eine Verschwendung. Wenn Sie kein wirklich starkes Signal haben, erhalten Sie nur (Phasen-) Rauschen. Und es gibt eine hohe Rechenlast, es wird Batterie wie die Hölle fressen.

— Andreas
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Schön . Ein paar komplizierende Faktoren: 1. Wir können eine "virtuelle" Bandbreitensteigerung erzielen, indem wir mehr als die mindestens vier Satelliten beobachten. Normalerweise erhöhen Sie damit die Genauigkeit und nicht die Geschwindigkeit. 2. Wir könnten das Grundrauschen durch die Verwendung der Empfängerdiversität verringern. Das ist ein ziemlich begrenzter, aber relativ billiger Weg. Wenn man darüber nachdenkt, nutzen 1. und 2. beide redundante Informationen im Empfängersystem mit unabhängigem Rauschen, so dass beide Diversity-Techniken sind. Beide befinden sich sehr stark an der "logischen" Grenze eines einzigen GPS-Empfängers und nicht an den Auswirkungen der Sensorfusion.

— Marcus Müller

@ MarcusMüllerJa, eine Erhöhung der Genauigkeit erhöht auch die mögliche Fixrate und damit die maximale nachverfolgbare Dynamik. Mehrere kohärente Signale helfen (L2), dasselbe gilt für Phased-Array-Antennen. Wir sprechen hier nicht mehr von "bürgerlich".

— Andreas

Nun, Diversität durch Hinzufügen von mehr Empfängerketten wäre relativ einfach, verglichen mit der signifikanten Reduzierung der Rauschzahl. Ich bin mir ziemlich sicher, dass ein 18-Hz-GPS-Empfänger bereits unter das fällt, wofür Sie ein Exportkontrollformular ausfüllen müssten.

— Marcus Müller

Groß. Jetzt möchte ich die SDR-Implementierungen von GNSS-Empfängern erneut betrachten. Und ich habe keine Zeit ...

— Marcus Müller

@ MarcusMüller FWIW: Ich habe in COTS-SMD-ICs nicht> 10 Hz gesehen, aber 5 und 10 Hz-Lösungsraten sind meines Wissens üblich.

— Morten Jensen

Ein GPS-Empfänger verwaltet ein internes Softwaremodell der Position des Empfängers (und Ableitungen der Position). Ein Kalman-Filter wird normalerweise verwendet, um dieses Modell mit der Realität synchron zu halten, basierend auf Rohdaten, die von den Satelliten stammen.

Das Signal von jedem Satelliten wird normalerweise jeweils 20 ms lang integriert, da dies die Bitperiode der vom Satelliten kommenden PSK-Daten ist. Dies bedeutet, dass das Modell 50 Mal pro Sekunde eine unformatierte Aktualisierung der Entfernung von jedem Satelliten erhält. Beachten Sie jedoch, dass die Aktualisierungen von verschiedenen Satelliten im Wesentlichen asynchron sind (sie treten nicht alle gleichzeitig auf), da die Pfadlängenunterschiede zwischen Satelliten-Overhead und Satelliten am Horizont ebenfalls in der Größenordnung von 20 ms liegen. Bei jeder neuen Satellitenmessung wird das interne Modell mit den neuen Informationen aktualisiert.

Wenn der GPS-Empfänger eine Aktualisierungsnachricht ausgibt, stammen die Daten in der Nachricht vom Modell. Der Empfänger kann das Modell beliebig oft aktualisieren und Positionsmeldungen so oft ausgeben, wie er möchte. Das Ergebnis ist jedoch eine einfache Interpolation - in den zusätzlichen Ausgabenachrichten sind keine neuen Informationen enthalten. Die Informationsbandbreite wird durch die Rate begrenzt, mit der die Rohsatellitenmessungen dem Filter zugeführt werden.

Wie Andreas bemerkt , bedeutet eine hohe Nachrichtenrate NICHT, dass Sie eine höhere Empfängerdynamik verfolgen können. Wenn Sie eine hohe Empfängerdynamik verfolgen müssen, müssen Sie andere Informationsquellen wie eine IMU verwenden. In einem "eng gekoppelten" System aktualisieren die IMU-Daten dasselbe interne Modell, das der GPS-Empfänger verwendet, wodurch die IMU die Verfolgung der einzelnen GPS-Signale "unterstützen" kann.

Die Frage hat auch eine wirtschaftliche Seite. Die meisten "zivilen" GPS-Empfänger sind stark kostenbeschränkt, und daher wird nur genügend CPU-Leistung (und Batterieleistung) verwendet, um die Anforderungen an die Aktualisierungsrate für die jeweilige Anwendung (z. B. Auto- oder Mobiltelefonnavigation) zu erfüllen. Eine Aktualisierungsrate von einmal pro Sekunde (oder weniger) ist für die meisten dieser Anwendungen mehr als ausreichend. "Militärische" Anwendungen, die höhere Aktualisierungsraten benötigen, haben höhere Budgets für Material und Leistung. Die Preise für die GPS-Empfänger sind entsprechend, obwohl die tatsächliche Empfängerhardware im Wesentlichen dieselbe ist, mit der möglichen Ausnahme, dass eine leistungsstärkere CPU verwendet wird.

— Dave Tweed
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Na ja, wie Sie sagten, und ich denke, es könnte sich lohnen, darauf hinzuweisen: Höhere Aktualisierungsraten ergeben sich normalerweise aus der Fusion von Sensordaten mit anderen Sensoren. Dinge wie Präzisionskompasse und Beschleunigungsmesser sind normalerweise die hohen Kosten in IMUs, die Sie normalerweise nicht kaufen, wenn Sie nicht mit hohen Geschwindigkeiten fliegen. Ich meine, im Ernst, ein Kalman, sogar ein stark modifizierter, ist wahrscheinlich kein Problem für einen Mikrocontroller mit einer FPU, die mit ein paar 100 MHz läuft. Der Algorithmus und seine Parametrisierung, das Kalibrierungs- und Integrationswissen sind das, wofür die Hersteller Sie bezahlen lassen (abgesehen von teuren Sensoren)

— Marcus Müller