Tại sao GPS điện thoại thông minh tìm thấy vị trí của nó nhanh hơn nhiều so với mô-đun GPS?

81

Khi tôi đang sử dụng mô-đun GPS arduino, thường sẽ mất vài phút để nó bắt đầu gửi dữ liệu. Và dường như đó thường là trường hợp của tất cả các mô-đun GPS vì chúng cần phải "lắng nghe" các vệ tinh một thời gian. Tuy nhiên, bất cứ khi nào tôi sử dụng GPS bên trong điện thoại, nó sẽ tìm thấy vị trí của nó trong vài giây. Tại sao vậy?

gps 
— Cây thốt nốt
nguồn
16
Câu trả lời một từ: "A-GPS"
— Agent_L
10
Đó không phải là một từ - đó là từ viết tắt bốn từ!
— Transitor
10
@Transistor Vâng, nếu bạn muốn có được pedantic, A-GPS không phải là từ viết tắt, mà là một chữ viết tắt. ;)
— DavidCAdams
7
@DavidCAdams: Bạn nói đúng! Tôi nhìn cả hai. Tôi chưa bao giờ nhận ra rằng một từ viết tắt được phát âm (hoặc ít nhất, tôi nên giả sử, có thể phát âm được) như một từ. Những điều tôi đã học được trên EE.SE!
— Transitor
1
@DavidCAdams Và tất cả những năm này tôi đã đi theo con đường phát âm A-GPS của NASA là "aggps", và bây giờ bạn đang nói rằng tôi không thể làm điều đó nữa? Những điều bạn học được trên EE.SE!
— một CVn

Câu trả lời:

116

Có một số điều ảnh hưởng đến thời gian sửa lỗi đầu tiên (TTFX) .

  1. Lấy niên giám và phù du. Hai thứ này về mặt kỹ thuật hơi khác nhau một chút, nhưng vì mục đích của chúng tôi, chúng tôi sẽ coi chúng là như nhau. Chúng là vị trí của các vệ tinh, và bạn cần biết vị trí của chúng để tìm ra vị trí của riêng bạn. Mỗi vệ tinh truyền toàn bộ lô khoảng 12 phút một lần. Vì vậy, từ một khởi đầu hoàn toàn lạnh với bộ thu một kênh và tín hiệu tốt, TTFX sẽ có ít nhất 12 phút. Bạn có thể tăng tốc mọi thứ bằng cách:

    • Tải xuống từ internet thay vào đó - nói chung là một lựa chọn tốt cho điện thoại. Tải xuống niên giám và phù du theo cách này được gọi là GPS hỗ trợ MSB.
    • Ghi nhớ niên giám từ lần trước (rất tốt trong nhiều tuần) và chỉ tải xuống các phù du.
    • Có nhiều kênh nhận trong thiết bị để bạn có thể nghe nhiều hơn một vệ tinh cùng một lúc. Các truyền được đặt so le để thực hiện công việc này, và với một số cẩn thận, bạn có thể sử dụng phù du mà không cần niên giám giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian. Phần lớn các mô-đun trên thị trường hiện nay có nhiều kênh, vì vậy rất hiếm khi tìm thấy một kênh vẫn cần 12 phút.

  2. Xác định vệ tinh. Bạn cần lắng nghe ít nhất ba vệ tinh, tốt nhất là nhiều hơn, để có cách khắc phục tốt, nhưng mỗi máy thu (được gọi là bộ tương quan) chỉ có thể được điều chỉnh cùng một lúc. Nếu bạn biết đại khái bạn đang ở đâu, mấy giờ và đã có niên giám, thì bạn có thể đoán những vệ tinh nào bạn có thể nhìn thấy. Điện thoại có xu hướng biết đại khái là họ nhận ra tín hiệu wifi hoặc bluetooth, biết họ đang sử dụng tháp di động nào và các nguồn khác. Họ cũng thường xuyên nhận được cập nhật thời gian rất chính xác, vì vậy họ thường có thể đi thẳng cho vệ tinh chính xác. Cả điện thoại và các mô-đun lớn hơn cũng có thể nhớ thời điểm và nơi chúng được sử dụng lần cuối và sử dụng nó để bắt đầu.

  3. Số lượng tương quan. Do tín hiệu GPS nhiễu rất thấp, bạn cần một chút phần cứng đặc biệt để nhận chúng. Một số máy thu chỉ có một và cần xoay 'quanh các vệ tinh. Những người khác có nhiều hơn, và có thể nghe nhiều hơn cùng một lúc. Vì vậy, ngay cả khi bạn đã có niên giám / phù du và biết đại khái bạn đang ở đâu, thì nhiều bộ tương quan vẫn sẽ giúp bạn khắc phục nhanh hơn. Bạn có thể nghĩ nhiều hơn luôn luôn tốt hơn, nhưng nhiều hơn làm tăng chi phí và tiêu thụ điện năng. Một số điện thoại và mô-đun có nhiều hơn những người khác.

  4. Tín hiệu và ăng ten. Các bộ tương quan sẽ thực hiện công việc của họ nhanh hơn nếu bạn có tín hiệu nhiễu lớn đi vào chúng. Tín hiệu rất kém có thể không hoạt động. Một thiết kế ăng-ten tốt, bộ khuếch đại, chế độ xem bầu trời và bố trí PCB tốt có thể tạo ra sự khác biệt. Một số mô-đun có thể hoạt động tốt ngoài hộp và tốt hơn nhiều với ăng-ten được cắm.

  5. Số lượng vệ tinh có thể sử dụng. Thực tế, có hai chòm sao lớn của các vệ tinh trên đó là GPS (do Hoa Kỳ điều hành) và GLONASS (do Nga điều hành). Ngoài ra còn có nhiều công trình đang được xây dựng: Galileo (EU) và BeiDou-2 (Trung Quốc) và một số có phạm vi bảo hiểm địa phương như NAVIC của Ấn Độ hoặc BeiDou-1. Một máy thu có thể hoạt động với các vệ tinh từ nhiều hơn một chòm sao có nhiều vệ tinh hơn để lựa chọn và sẽ có cách khắc phục nhanh hơn và chính xác hơn.

  6. Chất lượng của các tương quan. Thiết kế phần cứng mới tốt hơn so với thiết kế cũ và sẽ có thể chọn ra các đoạn của tin nhắn GPS trong tín hiệu nhiễu tốt hơn. Một mẹo điện thoại khác có thể làm là thu được các mảnh tín hiệu và truyền chúng qua internet đến một máy chủ có bộ tương quan phần mềm rất tốt và hoàn thành thuật toán / niên giám để kiểm tra. Điều này được gọi là GPS hỗ trợ MSA.

  7. Một số điện thoại (và thậm chí một vài mô-đun) cũng có thể sử dụng một số thủ thuật hơi lén lút để tránh hoặc ẩn một TTFX dài. Vì lúc nào họ cũng có thể bật GPS một cách nhanh chóng mà không cần thông báo cho người dùng để giữ vị trí và phù du gần như cập nhật. Những người khác có thể hiển thị một vị trí gần đây trong khi vẫn chờ đợi một bản sửa lỗi thực sự - có vẻ như là một TTFX tốt trong hầu hết thời gian, nhưng trông có vẻ tệ nếu hóa ra vị trí đó là rất sai.

Điểm 1 ở trên là điều tạo ra sự khác biệt nhất và thường là điều quan trọng khác biệt giữa các mô-đun cơ bản, mô-đun nâng cao hơn và điện thoại. Những người khác thường tạo ra một sự khác biệt nhỏ hơn, nhưng nó thực sự có thể trở thành một điều rất phức tạp. Nếu bạn muốn đọc thêm, thì "Thời gian GPS để sửa lỗi đầu tiên" là thuật ngữ để tìm kiếm.

— Jack B
nguồn
32
Ở điểm 2: Ngoài WiFi, điện thoại cũng có thể có được vị trí gần đúng dựa trên (các) trạm gốc di động mà nó tiếp xúc.
— bảng chữ cái
4
Một thiết bị cũng có thể "lưu trữ" dữ liệu vị trí đã biết cuối cùng, sử dụng dữ liệu đó ngay lập tức và điều chỉnh nó khi có dữ liệu thực. Điện thoại di động của tôi thực hiện việc này với GPS.
— ndtsc
17
Ngoài mạng di động, một số nhà cung cấp (bao gồm Google) đã xây dựng cơ sở dữ liệu về các vị trí thực tế của các điểm truy cập WiFi, cho phép họ xác định chính xác vị trí của thiết bị một cách đáng ngạc nhiên. Máy tính bảng Android giá rẻ của tôi không có GPS cũng không có quyền truy cập di động, nhưng Google Maps dường như luôn biết chính xác tôi đang ở đâu, miễn là tôi được kết nối với một Wap. Tôi nghi ngờ rằng họ có được vị trí của các Wap thông qua quy trình ngược - suy ra nó từ các vị trí của điện thoại được kết nối và các thiết bị khác có GPS.
— Dave Tweed
5
@ ゼ ー Mỗi khung hình là 35 giây, nhưng toàn bộ niên giám được chia thành 25 khung và sẽ mất 12-13 phút để truyền. Đúng là bạn có thể có được một bản sửa lỗi từ dữ liệu phù du mà không cần niên giám, nhưng bạn sẽ cần niên giám cho 1) phần cứng rất cũ, 2) hiệu chỉnh chính xác từ thời gian GPS sang UTC và 3) điều chỉnh độ trễ tầng điện ly trên một số phần cứng.
— Jack B
4
@ ゼ ー Ừm. Tôi đã rất rõ ràng rằng 12 phút là dành cho một người nhận kênh. Tôi cũng nói rằng các máy thu đa kênh nhanh hơn. Hầu hết các máy thu hiện đại là đa kênh, nhưng tôi chắc chắn có một số kênh đơn cũ hơn - và chúng mất toàn bộ 12 phút. Và nếu bạn có một kênh duy nhất và bạn muốn điều chỉnh độ trễ tầng điện ly, thì không có cách nào để có được kênh nhanh hơn so với toàn bộ niên giám có thể thu được. Việc bạn sử dụng các mô-đun đa kênh và yêu cầu TTFX 3 phút không có nghĩa là loại kia không tồn tại. Nhưng tôi sẽ cập nhật câu trả lời để nói loại cũ là hiếm.
— Jack B
22

Hệ điều hành điện thoại di động tải xuống dữ liệu niên giám GPS (thông tin vệ tinh và thông tin trạng thái) qua internet qua mạng di động và tải nó vào mô-đun GPS nhanh hơn nhiều so với tốc độ tải xuống từ vệ tinh GPS trực tiếp ở tốc độ 50 bps ( vâng, đó là 50 bit mỗi giây, GPS là công nghệ khá cũ được tối ưu hóa cho hoạt động ở mức SNR rất thấp), giúp tăng đáng kể thời gian để sửa lỗi đầu tiên. Đây được gọi là GPS có hỗ trợ. Nó cũng có thể có tham chiếu thời gian ban đầu rất chính xác từ modem di động (các tháp di động thường được đồng bộ hóa thời gian qua GPS) cũng như có thể ước tính vị trí thô từ modem di động. Tất cả những điều này kết hợp làm giảm đáng kể lượng tìm kiếm mà người nhận phải thực hiện - nó biết những vệ tinh nào có thể nhìn thấy, vì vậy nó chỉ tìm kiếm những thứ đó và không cần phải chờ đợi để các vệ tinh truyền đi toàn bộ tin nhắn.

— alex.forencich
nguồn
Vì vậy, về cơ bản, nó loại bỏ "đồng bộ hóa" ra khỏi quy trình. Các mô-đun GPS tìm kiếm vệ tinh bằng cách sử dụng dữ liệu được gửi bởi chính vệ tinh phải không?
— Dodecahedron hình người
3
Nó không đưa nó ra khỏi quy trình, nó tăng tốc nó bằng cách cung cấp cho người nhận GPS một ước tính tốt để bắt đầu từ đó.
— alex.forencich
29
50 bps không chỉ vì GPS đã cũ. Đây là một phần không thể thiếu trong cách các máy thu GPS có thể phát hiện tín hiệu cực yếu và làm thế nào tất cả các vệ tinh GPS có thể truyền trên một tần số duy nhất nhưng vẫn được nhận độc lập. Rất nhiều thứ phức tạp diễn ra trong một máy thu GPS.
— JRE
5
@TomTom: Không, tính bí mật của GPS không bao giờ đạt được bằng cách che khuất. Bạn có thể nghĩ đến Tính khả dụng Chọn lọc (SA), nhưng đó là lỗi định vị có chủ ý.
— MSalters
1
@TomTom: Phổ trải rộng của GPS không nhằm che giấu các tín hiệu. Nó có tác dụng đó đối với các máy thu RF đơn giản, nhưng đó không phải là vấn đề. Kỹ thuật trải phổ cho bạn hai điều: hoạt động với tín hiệu cực thấp đến tỷ lệ nhiễu và mức độ miễn nhiễm với nhiễu. Khá nhiều người và anh trai của anh ấy biết (và biết đường về khi nào) sử dụng GPS tần số nào. Không có điểm trong việc che giấu những gì đã biết. Mặc dù vậy, không bị (dễ dàng) bị kẹt là một điểm cộng lớn. Có thiết bị gây nhiễu GPS (bây giờ) nhưng trước đó nó khó thực hiện hơn nhiều.
— JRE
8

Một phần của câu trả lời ở đây là GPS điện thoại di động không chỉ là GPS. Di động cũng sử dụng các thông tin khác để định vị địa lý, chẳng hạn như tam giác các tháp điện thoại di động và khả năng hiển thị của các mạng wifi. Ví dụ: phiên bản không di động của iPad Air không có GPS thực tế nhưng vẫn biết bạn đang ở đâu trong các khu vực xây dựng bằng các kỹ thuật này.

— David Richerby
nguồn
4
Câu hỏi cụ thể là về cách thức hoạt động của GPS. Điện thoại di động không thể tam giác từ các tháp điện thoại di động vì không có thông tin vị trí có sẵn từ chúng.
— Transitor
6
@Transistor Câu hỏi so sánh GPS độc lập với GPS điện thoại di động và tiêu đề câu hỏi đặc biệt hỏi làm thế nào điện thoại di động làm GPS nhanh hơn các đơn vị GPS độc lập. Và Wikipedia nói rằng điện thoại di động làm sử dụng tháp tam giác để xác định vị trí. Tôi không chắc tại sao bạn nói không có thông tin vị trí khả dụng: chắc chắn, tòa tháp không thông báo vị trí của nó nhưng đường cũng không thông báo vị trí của họ: điện thoại của bạn có bản đồ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
— David Richerby
3
@Transistor: điện thoại di động không thực hiện tam giác. Các nhà cung cấp mạng làm.
— Jörg W Mittag
2
@ JörgWMittag: Phụ thuộc vào mạng AFAICT. Các mạng hiện đại cung cấp dịch vụ bản địa hóa như một phần của 911 / E112 được cải tiến.
— MSalters
@DavidR Richby: Cảm ơn đã liên kết. Tôi đọc qua nó hai lần nhưng tất cả những gì tôi có thể thấy là vị trí của điện thoại được biết đến mạng - không phải điện thoại. Tôi đã bỏ lỡ những gì?
— Transitor
5

Chỉ muốn đưa thêm một chút chi tiết vào những gì đang xảy ra khi những người nhận cũ đang chờ dữ liệu. Nói cách khác, tại sao vị trí niên giám (và vị trí được nhớ) lại hữu ích như vậy?

Các tín hiệu GPS rất yếu. Với khoảng cách, tín hiệu ở dưới mức nhiễu khi đến trái đất. Bạn sẽ không bao giờ trực tiếp phát hiện vệ tinh nếu bạn chỉ đơn giản là xem quét phạm vi theo tần số chính xác.

Cách người nhận nhận thông tin là bằng cách so sánh tín hiệu đến với một mẫu cụ thể (thông qua tương quan FFT). Nếu mẫu chính xác được sử dụng, thì các dòng tương quan lên và dữ liệu có thể được nhìn thấy.

Đối với một máy thu kiểu cũ đơn giản, đến thời điểm này đòi hỏi hai điều từ bộ tương quan của thiết bị: tần số của tin nhắn từ vệ tinh và pha của tin nhắn (xếp các mẫu). Nếu một trong hai điều này là không chính xác, thì mối tương quan là không thành công và không có gì được phát hiện. Chuyển động của các vệ tinh có nghĩa là tín hiệu thu được chịu sự dịch chuyển Doppler tương đối lớn.

Với một niên giám tại chỗ và một ý tưởng tốt về vị trí và thời gian hiện tại, người nhận có thể ước tính các chuyển động tương đối của vệ tinh và máy thu để loại bỏ hầu hết sự thay đổi Doppler và gần với tần số. Điều đó có nghĩa là bộ tương quan thường có thể tạo ra một cú đánh chỉ bằng cách thử các pha khác nhau cho mẫu tín hiệu. Tìm kiếm không gian pha này có thể được thực hiện trong vài giây.

Nếu niên giám bị thiếu hoặc nếu không có ước tính về vị trí và thời gian hiện tại, hệ thống phải thử các pha khác nhau và tần số khác nhau để lấy dữ liệu từ mỗi vệ tinh. Bây giờ phải tìm kiếm ở hai chiều khác nhau, có thể mất vài phút để thậm chí một hệ thống đa kênh có thể "tìm" 3 vệ tinh bằng vũ lực.

Chipset hiện đại có thể sử dụng các tín hiệu bổ sung và rất nhiều bộ so sánh song song để tăng tốc độ tìm kiếm, ngay cả khi không có A-GPS. Tôi nghi ngờ chipset bạn có trên khiên Arduino có thể cũ hơn / rẻ hơn và sẽ không sử dụng các tính năng mới hơn này.

— BátOfRed
nguồn
3

Tại Hoa Kỳ, FCC yêu cầu các nhà khai thác điện thoại di động có thể xác định vị trí của người gọi khi quay số dịch vụ khẩn cấp trong phạm vi 300 mét trong vòng 6 phút kể từ cuộc gọi điện thoại ban đầu trước ngày 11 tháng 9 năm 2012.

Điều này đã được thực hiện dần dần trong những năm trước và yêu cầu đã được thắt chặt cả về khoảng cách và thời gian để báo cáo vị trí trong những năm sau đó.

Các công ty điện thoại di động không thể đảm bảo điều này ở những vùng xa xôi, nơi chỉ có một hoặc hai tháp di động tiếp xúc với điện thoại di động, cũng như trong môi trường đô thị nơi phản xạ và mật độ xây dựng ngăn chặn vị trí ngay cả khi điện thoại có thể nhận được nhiều tháp. Các chip GPS không thể cung cấp điều này trong khung thời gian cần thiết với công suất đủ thấp để điện thoại di động vẫn có thể thương mại hóa được (tại thời điểm yêu cầu được đưa ra. Chipset hiện có hiệu suất cao hơn và nhanh hơn, một phần do yêu cầu rằng mọi điện thoại đều bao gồm một số hoặc tất cả chipset GPS). Hơn nữa, chipset GPS rất đắt so với các thành phần điện thoại khác.

Vì vậy, họ đã tạo ra một vài hệ thống cạnh tranh khác nhau, tất cả đều nằm trong biệt danh "AGPS" cho GPS có Hỗ trợ.

Công nghệ chạy đằng sau các hệ thống AGPS khác nhau này, đôi khi rất khác nhau.

Các hệ thống AGPS di động rẻ nhất ghi lại vài mili giây tín hiệu GPS RF, gửi nó đến máy chủ AGPS, sau đó, khi biết vị trí gần đúng của điện thoại, có thể sử dụng đoạn mã GPS RF đó để xác định vị trí chính xác hơn nhiều. Những điện thoại này không thể có được tọa độ GPS mà không có kết nối di động tốt.

Một số có chipset GPS đầy đủ, nhưng cho phép điện thoại cung cấp cho họ niên giám và phù du - hai thông tin cho phép chipset có thể sửa trong vòng vài giây - sau đó, nó sử dụng các phương pháp thông thường để tạo ra kết quả vị trí. Theo thời gian, những điện thoại này có thể có được vị trí độc lập với mạng của họ.

Hầu hết các chipset GPS cho phép bạn tải thông tin phù du và thông tin niên giám vào chúng, vì vậy nếu thiết bị arduino của bạn có kết nối internet và bạn có quyền truy cập vào máy chủ AGPS, bạn có thể tăng tốc độ khắc phục GPS theo cách tương tự. Tuy nhiên, đối với hầu hết các dự án, chỉ cần thêm pin lithium coin vào pin bên phải trên máy thu GPS cho phép nó giữ bản cập nhật niên giám và phù du cuối cùng, và vì những thay đổi nhỏ trong thời gian ngắn, điều này giúp tăng tốc đáng kể lần sửa đầu tiên như miễn là thiết bị đã không di chuyển hàng ngàn dặm, và được hỗ trợ trên mỗi vài ngày.

— Adam Davis
nguồn
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookie và Chính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.