Почему смартфон GPS находит свое местоположение намного быстрее, чем модуль GPS?

Когда я использую GPS-модуль arduino, обычно требуется несколько минут, чтобы начать отправку данных. И кажется, что это обычно имеет место со всеми модулями GPS, так как они должны "слушать" спутники в течение некоторого времени. Однако всякий раз, когда я использую встроенный GPS-приемник моего телефона, он находит свое положение в считанные секунды. Почему это?

Есть несколько вещей, которые влияют на время первого исправления (TTFX) .

1. Получение альманаха и эфемерид. Эти две вещи технически немного отличаются друг от друга, но для наших целей мы будем рассматривать их как одинаковые. Они - местоположения спутников, и вам нужно знать, где они находятся, чтобы определить вашу собственную позицию. Каждый спутник передает всю партию примерно раз в 12 минут. Таким образом, от абсолютно холодного старта с одноканальным приемником и приличным сигналом TTFX будет не менее 12 минут. Вы можете ускорить процесс:

   • Вместо этого загрузка из Интернета - как правило, хороший выбор для телефонов. Загрузка альманаха и эфемериса таким способом называется MSB Assisted GPS.
   • Вспоминая альманах с прошлого раза (он хорош в течение многих недель) и загружая только эфемериды.
   • Наличие более одного приемного канала в устройстве, чтобы вы могли прослушивать более одного спутника одновременно. Передачи смещены, чтобы сделать эту работу, и с некоторой осторожностью вы можете использовать эфемериды без альманаха, который экономит много времени. В настоящее время подавляющее большинство модулей на рынке имеют несколько каналов, поэтому редко можно найти такой, который все еще требует 12 минут.

2. Идентификация спутников. Вам нужно прослушать как минимум три спутника, желательно больше, чтобы получить хорошее решение, но каждый приемник (известный как корреляторы) может быть настроен только на один за раз. Если вы примерно знаете, где вы находитесь, сколько времени и у вас уже есть альманах, вы можете угадать, какие спутники вы видите. Телефоны, как правило, приблизительно знают, где они находятся, распознавая сигналы Wi-Fi или Bluetooth, зная, какую сотовую вышку они используют, и другие источники. Они также регулярно получают очень точные обновления времени, поэтому они обычно могут выбрать нужный спутник. Оба телефона и более крупные модули также могут помнить, когда и где они использовались в последний раз, и использовать это для начала.

3. Количество корреляторов. Из-за очень низкого отношения сигнал / шум сигналов GPS, вам нужно специальное оборудование для их получения. Некоторые приемники имеют только один прием и должны вращаться вокруг спутников. Другие имеют больше, и могут слушать больше сразу. Таким образом, даже если у вас уже есть альманах / эфемерид и вы примерно знаете, где вы находитесь, тогда больше корреляторов все равно помогут вам быстрее исправить. Вы можете подумать, что чем больше, тем лучше, но чем больше, тем выше стоимость и энергопотребление. Некоторые телефоны и модули имеют больше, чем другие.

4. Сигнал и антенны. Корреляторы будут выполнять свою работу быстрее, если в них будет хороший сигнал-шум. Очень плохие сигналы могут вообще не работать. Хороший дизайн антенны, усилитель, вид на небо и хорошая компоновка печатной платы могут сыграть решающую роль. Некоторые модули могут работать нормально из коробки, и намного лучше с подключенной антенной.

5. Количество используемых спутников. Там на самом деле есть два больших созвездия спутников: GPS (управляемый США) и ГЛОНАСС (управляемый Россией). Также строятся и другие проекты: Galileo (ЕС) и BeiDou-2 (Китай) и некоторые с местным охватом, такие как NAVIC Индии или BeiDou-1. Приемник, который может работать со спутниками из более чем одного созвездия, может выбирать из большего числа спутников, и он получит более быстрое и точное решение.

6. Качество корреляторов. Новые конструкции оборудования лучше старых, и они смогут лучше различать фрагменты сообщения GPS в шумном сигнале. Еще одна хитрость, которую могут сделать телефоны, - это захватывать фрагменты сигнала и передавать их через Интернет на сервер с очень хорошим программным коррелятором и заполнять альманах / эфемериды для изучения. Это известно как MSA Assisted GPS.

7. Некоторые телефоны (и даже несколько модулей) могут также использовать некоторые хитрые трюки, чтобы избежать или скрыть длинный TTFX. Поскольку они включены все время, они могут кратковременно включать GPS, не сообщая пользователю, чтобы держать местоположение и эфемериды примерно в актуальном состоянии. Другие могут отображать недавнюю позицию, все еще ожидая реального исправления - который в большинстве случаев выглядит как хороший TTFX, но выглядит плохо, если выясняется, что позиция очень неправильная.

Пункт 1 выше - это то, что имеет наибольшее значение, и обычно это ключевая вещь, которая отличается между базовыми модулями, более продвинутыми модулями и телефонами. Другие обычно имеют меньшее значение, но на самом деле это может стать очень сложной вещью. Если вы хотите узнать больше, то термин «время GPS для первого исправления» - это термин для поиска.

Операционная система сотового телефона загружает данные альманаха GPS (эфемериды спутников и информацию о состоянии) через Интернет через сотовую сеть и загружает их в модуль GPS гораздо быстрее, чем требуется, чтобы загрузить их со спутников GPS со скоростью 50 бит / с ( да, это 50 бит в секунду, GPS - довольно старая технология, оптимизированная для работы при очень низком SNR), значительно ускоряющая время для первого исправления. Это называется Assisted GPS, Он также, вероятно, имеет очень точную начальную временную привязку от сотового модема (вышки сотовой связи обычно синхронизируются по времени через GPS), а также, возможно, грубую оценку местоположения от сотового модема. Все это резко уменьшает количество запросов, которые должен выполнять приемник - он знает, какие спутники он должен видеть, поэтому он ищет только те, и ему не нужно ждать, пока спутники передадут все сообщение.

Другие ответы уже объяснили «как» и «почему», так что все, что мне осталось, это «что»: это называется A-GPS (вспомогательный GPS, иногда также называемый ускоренным или расширенным GPS) .

Другими словами: причина, по которой GPS телефона работает быстрее, чем «GPS GPS», заключается в том, что телефон не использует «GPS», он использует GPS.

Отчасти ответ здесь заключается в том, что мобильный телефон GPS - это не только GPS. Сотовые также используют другую информацию для геолокации, такую ​​как триангуляция вышек сотовой связи и видимость сетей Wi-Fi. Например, не-сотовая версия iPad Air не имеет реального GPS, но все еще знает, где вы находитесь в населенных пунктах, используя эти методы.

Просто хотелось бы немного подробнее рассказать о том, что происходит, когда старые приемники ждут данных. Другими словами, почему этот альманах (и запоминающаяся позиция) так полезен?

Сигналы GPS очень слабые. Учитывая расстояние, сигнал намного ниже минимального уровня шума, когда он достигает земли. Вы бы никогда не обнаружили спутник напрямую, если бы просто смотрели сканирование прицела с правильной частотой.

Получатель получает информацию путем сравнения входящего сигнала с определенным шаблоном (через корреляцию БПФ). Если используется правильный шаблон, то корреляция выравнивается, и данные можно увидеть.

Для простого приемника старого стиля, чтобы добраться до этой точки, требуется две вещи от коррелятора устройства: частота сообщения со спутника и фаза сообщения (выстраивание шаблонов). Если какой-либо из них неверен, то корреляция не удалась и ничего не обнаружено. Движение спутников означает, что принятый сигнал подвергается относительно большим доплеровским сдвигам.

Имея альманах и хорошее представление о текущем местоположении и времени, приемник может оценить относительные движения спутника и приемника, чтобы устранить большую часть доплеровского сдвига и приблизиться к частоте. Это означает, что коррелятор, как правило, может придать удар, просто испробовав разные фазы для шаблона сигнала. Этот поиск в фазовом пространстве может быть выполнен за несколько секунд.

Если альманах отсутствует или если нет оценки текущего местоположения и времени, система должна использовать разные фазы и разные частоты для получения данных от каждого спутника. Теперь, когда приходится искать в двух разных измерениях, даже многоканальной системе может понадобиться несколько минут, чтобы «найти» 3 спутника с помощью грубой силы.

Современные чипсеты могут использовать дополнительные сигналы и множество параллельных компараторов для ускорения поиска даже без присутствия A-GPS. Я подозреваю, что чипсет, который вы получаете на Arduino, вероятно, старше / дешевле и не будет использовать эти новые функции.

В США FCC требовало, чтобы операторы сотовой связи имели возможность идентифицировать местоположение вызывающего абонента при наборе экстренных служб на расстояние до 300 метров в течение 6 минут после первоначального телефонного звонка к 11 сентября 2012 года.

Это было постепенно введено в течение предыдущих лет, и требование было ужесточено в отчете о расстоянии и времени до местоположения в последующие годы.

Компании сотовой связи не могли гарантировать это в отдаленных районах, где только одна или две вышки сотовой связи находились в пределах контакта с мобильным телефоном, а также в городских условиях, где отражения и плотность здания не позволяли определить местоположение, даже если у телефона было несколько вышек, которые он мог принять. Чипы GPS не могли обеспечить это в течение требуемого периода времени при достаточно низкой мощности, чтобы сотовый телефон оставался коммерчески жизнеспособным (в то время, когда было введено требование. Чипсеты теперь намного более энергоэффективны и быстрее, частично из-за требования что каждый телефон включает в себя некоторые или все из набора микросхем GPS). Кроме того, чипсеты GPS были очень дорогими по сравнению с другими компонентами телефона.

Поэтому они создали несколько разных конкурирующих систем, которые все подпадают под прозвище «AGPS» для Assisted GPS.

Технология, которая работает за этими различными системами AGPS, отличается, иногда очень сильно.

Самые дешевые сотовые AGPS-системы регистрируют несколько миллисекунд RF-сигнала GPS, отправляют его на сервер AGPS, который затем, зная приблизительное местоположение телефона, может использовать этот фрагмент RF RF для определения гораздо более точного положения. Эти телефоны не могут получить координаты GPS без хорошей сотовой связи.

Некоторые имеют полные наборы микросхем GPS, но позволяют телефону предоставлять им альманах и эфемериды - две части информации, которые позволяют чипсету получить исправление в течение нескольких секунд - после чего он использует свои обычные методы для получения результатов определения местоположения. Со временем эти телефоны могут получить положение независимо от их сети.

Большинство наборов микросхем GPS позволяют загружать в них информацию об эфемеридах и альманахах, поэтому, если ваше устройство Arduino имеет подключение к Интернету и у вас есть доступ к серверу AGPS, вы можете аналогичным образом ускорить исправление GPS. Тем не менее, для большинства проектов простое добавление литиевой батарейки типа «таблетка» к правому выводу на приемнике GPS позволяет ему сохранять последние обновления альманаха и эфемерид, и, поскольку изменения невелики за короткие промежутки времени, это значительно ускоряет первое исправление, так как пока устройство не перемещается тысячи миль и включено каждые несколько дней.