用于 Cubesats 的 GPS - 8 公里/秒对于消费级芯片来说太快了吗?

电器工程 全球定位系统
2022-01-23 23:19:38

低地球轨道上的卫星正在以接近 8 公里/秒的速度移动。大多数消费级 GPS 芯片仍然调用 1000 节的 CoCom 限制,约 514 m/s。CoCom 限制是出口的自愿限制,您可以在此问答问答其他地方了解更多信息。

对于这个问题,我们假设它们是固件输出部分的数值限制。芯片必须实际计算速度(和高度),然后才能决定是否超出限制,然后将解决方案呈现给输出,或者阻止它。

在 8000 m/s 时,2GHz 处的多普勒频移约为 0.05 MHz,由于其调制,这是信号自然宽度的一小部分。

有几家公司销售用于立方体卫星的 GPS 装置,它们价格昂贵(数百到数千美元),而且可能物有所值,因为(至少其中一些)是为卫星应用和空间测试而设计的。

忽略 CoCom 限制的实施,以及除速度之外的所有其他空间操作问题,是否有任何理由说明以 500 m/s 最大速度指定的现代 GPS 芯片无法以 8000 m/s 工作?如果是这样,它们是什么?

注意: 8000m/s 除以 c (3E+08m/s) 得到接收序列的大约 27ppm 扩展/压缩。这可能会影响相关的某些实现(在硬件和软件中)。

4个回答

我不建议将集成 GPS 解决方案(包含 MCU 和闭源固件)用于卫星应用。这可能无法正常工作有几个原因:

  1. 可以针对有限的多普勒范围优化前端频率计划。通常,RF 前端会将信号混频到低于 10MHz 的 IF(更高的 IF 将需要更高的采样率并消耗更多的能量)。这个IF不是随便选的!商 IF/采样率对于整个多普勒范围应该是非谐波的,以避免来自采样信号中的 a/d 截断误差的杂散音。您可能会观察到跳动效应,使信号在某些多普勒速率下无法使用。
  2. 数字域相关器需要以正确的速率复制载波和 C/A 码,包括多普勒效应。它使用 DCO(数字控制振荡器)来控制载波和代码生成,通过 MCU 的配置寄存器进行调整。这些寄存器的位宽可能会被限制在地面接收器预期的多普勒范围内,如果您行驶得太快,就无法将频道调谐到信号。
  3. 如果没有可用的位置/时间估计,固件将不得不进行冷采集。它将搜索多普勒频段和编码相位以找到信号。搜索范围将限制为地面用户的预期范围。
  4. 固件通常会使用卡尔曼滤波来解决位置问题。这涉及接收器位置/速度/加速度的模型。虽然加速度不会成为卫星关注的问题,但如果固件不适合在轨使用,该模型将因速度而失败。

如果您使用可自由编程的前端和具有自定义固件的相关器,所有这些问题都可以得到解决。你可以看看Piksy

有些人将 COCOM 实现为or,其他人实现为and无论哪种方式,对于 EAR 或 ITAR 下的合格客户,供应商都会很乐意向您出售一个 $$$ 的固件选项,它会禁用该功能。硬件是一样的。

除了这个硬性限制之外,它还成为一个射频通信问题,同时设计您的硬件以容忍辐射效应。您的 Eb/N0 可能会好一些,因为您(字面上)更接近 SV 并避免大气路径损耗,但您的接收电路也需要承受相当多的多普勒。

顺便说一句,尽管 CubeSats 感兴趣的不仅仅是位置——GPS 时间是一种有价值的数据商品,可以帮助卫星根据 TLE 确定它的位置。即使接收方因为 COCOM 而拒绝给你一个职位,如果它给了时间,那也是值得的。

这真的取决于实施。例如,我研究过的一个接收器在每个相关器通道中都有一个定点载波 NCO 频率寄存器,宽度为 17 位。可以存储在该寄存器中的最大值对应于大约 6 km/s,并且还必须包括接收器时钟频率误差的影响。因此,它无法跟踪距离速率超过该限制的任何卫星,如果接收器以轨道速度移动,这将是相当多的卫星。

如果这篇关于 GPS 架构示例的论文具有代表性,那么这些芯片由射频前端、数字域中的硬件相关器组成,并且信号的所有实际解码都在软件中执行。

在这种情况下,唯一可能的问题是多普勒。该软件可能会丢弃“异常”值,但如果您想绕过 CoCom 限制,则无论如何都需要更换或修改固件。

一个更有趣的问题是,您是否可以借用一个 GPS模拟器,该模拟器可以通过编程来模拟高速情况。我原以为这是可能的——毕竟,制造商将如何测试他们的设备是否应用了 CoCom 限制?