GPS cho Cubesats - là 8km / giây quá nhanh đối với chip tiêu dùng?

Vệ tinh trên quỹ đạo trái đất thấp đang di chuyển gần 8km / giây. Hầu hết các chip GPS cấp tiêu dùng vẫn gọi giới hạn CoCom là 1000 hải lý, khoảng 514 m / s. Giới hạn CoCom là giới hạn tự nguyện cho xuất khẩu mà bạn có thể đọc thêm về câu hỏi và câu trả lời này cũng như câu hỏi và câu trả lời này và các nơi khác.

Đối với câu hỏi này, giả sử chúng là các giới hạn số trong phần đầu ra của phần sụn. Con chip thực sự phải tính toán tốc độ (và độ cao) trước khi nó có thể quyết định xem có vượt quá giới hạn hay không, và sau đó trình bày giải pháp cho đầu ra, hoặc chặn nó.

Với tốc độ 8000 m / s, sự thay đổi doppler ở 2GHz là khoảng 0,05 MHz, một phần nhỏ của độ rộng tự nhiên của tín hiệu do điều chế của nó.

Có một số công ty bán các đơn vị GPS cho hình khối, và chúng đắt tiền (hàng trăm đến hàng ngàn đô la) và có thể đáng giá từng xu vì (ít nhất là một số trong số chúng) được thiết kế cho các ứng dụng vệ tinh và thử nghiệm không gian.

Bỏ qua việc thực hiện các giới hạn CoCom và tất cả các vấn đề vận hành khác trong không gian ngoài vận tốc , có lý do nào khiến một con chip GPS hiện đại lách ra với vận tốc tối đa 500 m / s sẽ không thể hoạt động ở tốc độ 8000 m / s không? Nếu vậy, chúng là gì?

lưu ý: 8000m / s chia cho c (3E + 08m / s) cho khoảng 27ppm mở rộng / nén các chuỗi đã nhận. Điều này có thể ảnh hưởng đến một số triển khai tương quan (cả về phần cứng và phần mềm).

Tôi không khuyên bạn nên sử dụng giải pháp GPS tích hợp (chứa MCU và phần sụn nguồn đóng) cho ứng dụng vệ tinh. Có một số lý do tại sao điều này có thể không hoạt động:

1. Gói tần số lối vào có thể được tối ưu hóa cho phạm vi doppler giới hạn. Thông thường, giao diện RF sẽ trộn tín hiệu xuống mức IF thấp hơn 10 MHz (IF cao hơn sẽ yêu cầu tốc độ lấy mẫu cao hơn và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn). IF này không được chọn tùy ý! IF / lấy mẫu thương số phải không có tác dụng đối với toàn bộ phạm vi doppler để tránh các âm báo giả từ các lỗi cắt / d trong tín hiệu được lấy mẫu. Bạn có thể quan sát hiệu ứng đập, làm cho tín hiệu không thể sử dụng được ở một số tốc độ doppler.
2. Bộ tương quan miền kỹ thuật số cần tái tạo một bản sao của sóng mang và mã C / A với tỷ lệ chính xác, bao gồm các hiệu ứng doppler. Nó sử dụng DCO (bộ tạo dao động điều khiển kỹ thuật số) để tăng tốc độ tạo sóng mang và mã, được điều chỉnh thông qua các thanh ghi cấu hình từ MCU. Độ rộng bit của các thanh ghi này có thể bị giới hạn trong phạm vi doppler dự kiến ​​cho máy thu trên mặt đất, khiến cho không thể điều chỉnh kênh thành tín hiệu nếu bạn di chuyển quá nhanh.
3. Phần sụn sẽ phải thực hiện mua lại lạnh nếu không có ước tính vị trí / thời gian. Nó sẽ tìm kiếm các thùng tần số doppler và các pha mã để tìm tín hiệu. Phạm vi tìm kiếm sẽ được giới hạn trong phạm vi dự kiến ​​cho người dùng trên mặt đất.
4. Phần sụn thường sẽ sử dụng bộ lọc kalman cho các giải pháp vị trí. Điều này liên quan đến một mô hình của vị trí máy thu / vận tốc / gia tốc. Mặc dù khả năng tăng tốc sẽ không phải là vấn đề đáng lo ngại đối với vệ tinh, nhưng mô hình sẽ thất bại về vận tốc, nếu phần sụn không được điều chỉnh để sử dụng trên quỹ đạo.

Tất cả các vấn đề này có thể được giải quyết, nếu bạn sử dụng giao diện và bộ tương quan có thể lập trình tự do với phần sụn tùy chỉnh. Bạn có thể, nhìn vào Piksy .

Một số người thực hiện COCOM như một hoặc , những người khác như một và . Dù bằng cách nào, đối với những khách hàng đủ điều kiện theo EAR hoặc ITAR, các nhà cung cấp sẽ vui vẻ bán cho bạn một tùy chọn phần sụn cho $$$ mà vô hiệu hóa chức năng đó. Phần cứng giống hệt nhau.

Ngoài giới hạn cứng đó, nó trở thành một vấn đề liên lạc RF, cùng với việc thiết kế phần cứng của bạn để chịu được các hiệu ứng bức xạ. Eb / N0 của bạn có thể sẽ tốt hơn một chút khi bạn (theo nghĩa đen) gần với RAT hơn và tránh mất đường dẫn khí quyển, nhưng mạch nhận của bạn cũng sẽ cần phải chịu đựng một lượng Doppler đáng kể.

Nhân tiện, đây không chỉ là vị trí mà CubeSats quan tâm - thời gian GPS là một mặt hàng dữ liệu có giá trị giúp vệ tinh tìm ra vị trí của nó, được đưa ra một TLE. Ngay cả khi người nhận từ chối cung cấp cho bạn một vị trí do COCOM, nếu nó mang lại thời gian, điều đó có thể xứng đáng.

Nếu bài báo này về kiến ​​trúc GPS là đại diện, thì các chip bao gồm mặt trước RF, bộ tương quan phần cứng trong miền kỹ thuật số và tất cả việc giải mã tín hiệu thực tế được thực hiện trong phần mềm.

Trong trường hợp đó, vấn đề có khả năng duy nhất là doppler. Phần mềm có thể loại bỏ các giá trị "đặc biệt", nhưng bạn sẽ cần thay thế hoặc sửa đổi phần sụn nếu bạn muốn bỏ qua các giới hạn CoCom.

Một câu hỏi thú vị hơn là nếu bạn có thể mượn một trình giả lập GPS có thể được lập trình để mô phỏng trường hợp tốc độ cao. Tôi đã có thể nghĩ rằng điều đó là có thể - sau tất cả, làm thế nào một nhà sản xuất kiểm tra thiết bị của họ đang áp dụng các giới hạn CoCom?

Nó thực sự phụ thuộc vào việc thực hiện. Ví dụ, một máy thu mà tôi đã làm việc có một thanh ghi tần số NCO sóng mang điểm cố định trong mỗi kênh tương quan, với chiều rộng 17 bit. Giá trị tối đa có thể được lưu trữ trong thanh ghi này tương ứng với khoảng 6 km / s và cũng phải bao gồm đóng góp từ lỗi tần số xung nhịp của máy thu. Vì vậy, nó sẽ không thể theo dõi bất kỳ vệ tinh nào có tốc độ phạm vi vượt quá giới hạn đó, sẽ khá nhiều trong số chúng nếu máy thu di chuyển ở tốc độ quỹ đạo.

Cubesats có thể được sử dụng với các đơn vị GPS thương mại ngoài kệ có giá dưới 1000 $. Nhà sản xuất loại bỏ các giới hạn, vì vậy người ta sẽ hy vọng rằng họ có thể kiểm tra với chúng đã bị xóa. Họ có trình giả lập GPS hoặc truy cập vào chúng.

Các giới hạn cocom phải được nhà sản xuất loại bỏ và nhà sản xuất sẽ chỉ làm điều đó nếu bạn có thể có ngoại lệ thông qua chính phủ của mình. Tôi không chắc chắn về quy trình, nhưng tôi biết nó ít nhất có thể ở Mỹ. Bên ngoài Hoa Kỳ, điều này có thể gần như không thể.

Tôi không biết độ chính xác của đơn vị GPS, nhưng vẫn có các hiệu ứng tầng điện ly phải được tính đến, nếu bạn bay trong LEO. Bạn cũng sẽ cần một hệ thống ADCS phong nha để ước tính vị trí tàu vũ trụ của bạn