GPS для Cubesats - 8 км / сек слишком быстро для потребительских чипов?

Спутники на низкой околоземной орбите движутся со скоростью около 8 км / с. Большинство потребительских GPS-чипов все еще используют ограничения CoCom 1000 узлов, около 514 м / с. Лимиты CoCom - это добровольные лимиты на экспорт, о которых вы можете прочитать больше в этом вопросе и ответе, а также в этом вопросе и ответе и в других местах.

Для этого вопроса, давайте предположим, что они являются числовыми пределами в разделе вывода прошивки. Чип должен фактически рассчитать скорость (и высоту), прежде чем он сможет решить, превышен ли предел, а затем либо представить решение для вывода, либо заблокировать его.

При скорости 8000 м / с доплеровский сдвиг на частоте 2 ГГц составляет около 0,05 МГц, что составляет небольшую долю естественной ширины сигнала из-за его модуляции.

Есть несколько компаний, которые продают устройства GPS для кубов, и они дороги (от сотен до тысяч долларов) и, вероятно, стоят каждого копейки, потому что (по крайней мере, некоторые из них) предназначены для спутниковых применений и космических испытаний.

Не обращая внимания на реализацию ограничений CoCom и все другие вопросы работы в космосе, кроме скорости , есть ли причины, по которым современный GPS-чип с максимальной скоростью 500 м / с не сможет работать на скорости 8000 м / с? Если так, то кто они?

примечание: 8000 м / с, деленное на c (3E + 08 м / с), дает расширение / сжатие принимаемых последовательностей примерно на 27 частей на миллион. Это может повлиять на некоторые реализации корреляции (как в аппаратном, так и в программном обеспечении).

Я бы не советовал использовать интегрированное решение GPS (содержащее микроконтроллер и встроенное программное обеспечение с закрытым исходным кодом) для спутникового приложения. Есть несколько причин, по которым это может не сработать:

1. Частотный план внешнего интерфейса может быть оптимизирован для ограниченного доплеровского диапазона. Как правило, интерфейс RF будет смешивать сигнал до ПЧ ниже 10 МГц (более высокая ПЧ потребует более высокой частоты дискретизации и потребляет больше энергии). Этот ЕСЛИ не выбран произвольно! Соотношение IF / частота дискретизации должно быть негармоничным для всего диапазона доплеровских частот, чтобы избежать ложных тонов от ошибок усечения / d в дискретизированном сигнале. Вы можете наблюдать эффекты биения, которые делают сигнал непригодным к использованию при некоторых допплеровских скоростях.
2. Коррелятор цифрового домена должен воспроизводить точную копию несущей и кода C / A с правильной скоростью, включая доплеровские эффекты. Он использует DCO (генераторы с цифровым управлением) для ускорения генерации несущей и кода, которые настраиваются через регистры конфигурации от MCU. Ширина битов этих регистров может быть ограничена доплеровским диапазоном, ожидаемым для наземного приемника, что делает невозможным настройку канала на сигнал, если вы путешествуете слишком быстро.
3. Прошивка должна будет выполнить холодное обнаружение, если нет доступной оценки положения / времени. Он будет искать доплеровские частотные интервалы и фазы кода, чтобы найти сигнал. Диапазон поиска будет ограничен диапазоном, ожидаемым для наземного пользователя.
4. Микропрограмма обычно использует фильтрацию Калмана для определения местоположения. Это включает в себя модель положения приемника / скорости / ускорения. Хотя ускорение не будет проблемой для спутника, модель не справится со скоростью, если встроенное ПО не приспособлено для использования на орбите.

Все эти проблемы могут быть решены, если вы используете свободно программируемый интерфейс и коррелятор с пользовательской прошивкой. Вы можете, например, посмотреть на Пикси .

Некоторые люди реализуют COCOM как или , другие как и . В любом случае, для квалифицированных клиентов в EAR или ITAR поставщики с радостью продадут вам вариант прошивки за $$$, который отключает эту функцию. Аппаратное обеспечение идентично.

Помимо этого жесткого ограничения, оно становится проблемой радиочастотной связи, наряду с разработкой оборудования для переноса радиационных воздействий. Ваш Eb / N0, вероятно, будет несколько лучше, поскольку вы (буквально) ближе к SV и избегаете атмосферных потерь в тракте, но вашей приемной схеме также потребуется допустить значительное количество доплеровского сдвига.

Кстати, CubeSats интересует не только позиция - время GPS является ценным товаром данных, который помогает спутнику выяснить, где он находится, учитывая TLE. Даже если получатель отказывается предоставить вам должность из-за COCOM, если он дает время, это может стоить того.

Если этот документ на примере архитектуры GPS является репрезентативным, то микросхемы состоят из РЧ-интерфейса, аппаратных корреляторов в цифровой области, и все фактическое декодирование сигнала выполняется программно.

В этом случае единственной вероятной проблемой является допплер. Программное обеспечение может отбрасывать «исключительные» значения, но вам все равно придется заменить или изменить прошивку, если вы хотите обойти ограничения CoCom.

Более интересный вопрос - можете ли вы позаимствовать симулятор GPS, который можно запрограммировать для имитации высокоскоростного случая. Я бы подумал, что это будет возможно - в конце концов, как производитель будет проверять, что их устройство применяет ограничения CoCom?

Это действительно зависит от реализации. Например, один приемник, над которым я работал, имеет частотный регистр NCO несущей с фиксированной точкой в ​​каждом канале коррелятора шириной 17 бит. Максимальное значение, которое может быть сохранено в этом регистре, соответствует примерно 6 км / с, а также должно включать вклад от ошибки тактовой частоты приемника. Таким образом, он не сможет отслеживать спутники, у которых скорость дальности превышает этот предел, которых было бы довольно много, если бы приемник двигался с орбитальной скоростью.

Cubesats можно использовать с готовыми коммерческими GPS-устройствами стоимостью менее 1000 $. Производитель снимает ограничения, поэтому можно надеяться, что они смогут протестировать их без них. У них есть эмуляторы GPS или доступ к ним.

Пределы кокоса должны быть сняты производителем, и производитель будет делать это только в том случае, если вы можете получить исключение от своего правительства. Я не уверен, что процесс, но я знаю, что это возможно, по крайней мере, в США. За пределами США это может быть почти невозможно.

Я не знаю точности блока GPS, но все еще существуют ионосферные эффекты, которые необходимо учитывать, если вы летите в LEO. Вам также понадобится приличная система ADCS для оценки вашего положения космических кораблей.