民用 GPS 接收器可实现的最高更新速率是多少?

电器工程 全球定位系统 全球导航卫星系统
2022-01-25 12:14:13

我有兴趣了解民用 GPS 接收器可实现的最大更新速率。具体来说

  • 完全依赖 GPS 卫星的接收器(例如,不包括基于 IMU 的运动估计进行插值)
  • 假设限制(即排除可行性问题,例如处理能力)
  • 锁定后的更新率(例如 TTFF)

我发现的最快的民用接收器芯片的更新率为 50Hz,例如 Venus838FLPx。

根据这个 stackexchange 线程中的 alex.forencich ,它可能“相当高”:

很难在卫星上确定位置更新率,因为它都在接收器中。这些卫星仅以每秒 50 位的速率和 1.023 MHz 的 CDMA 芯片速率传输轨道星历数据和时间,所有这些都精确地锁相到原子频率标准。GPS 接收器保持对 CDMA 扩展码的锁定,并使用它来确定卫星之间的到达时间差异。首先获得锁定需要一段时间,但之后可以以相当高的频率更新位置。我不确定上限是多少。

这当然与民用接收器的 CoCom 速度和高度限制无关。

这就是我发现的。

2个回答

约束因素是解扩后的低通滤波。如果我们假设 -204dBW/Hz 噪声功率密度(~ 17°C 噪声温度),在达到 -160dBW 的 L1 功率之前,我们只能允许大约 25kHz 的噪声带宽。我们的积分时间必须至少为 1/25.000 秒才能检测到来自噪声背景的信号(假设全向天线)。这是全强度信号的理论极限。

积分时间 \$T\$ 和跟踪环路带宽 \$B_n\$ 的乘积必须明显小于单位才能使环路稳定,因此最多 25kHz 带宽是可能的(在现实世界的接收器中,您通常会找到 \$T=10^{-3}s\$ 和 \$B_n<=18Hz\$)。接收信号和本地副本的相对时序只能以 \$B_n/2\$ 的速率变化(有意义),使得更频繁的位置修复毫无用处。

您可以使用定向天线作弊,但为了计算方位角和仰角,您的天线位置需要固定,这与导航系统的目的相矛盾。

现在回到现实:缩短积分周期会使位置固定更加嘈杂。考虑到现成单元的链路预算,超过 50 次修复/秒是一种浪费,除非你有非常强的信号,否则你得到的只是(相位)噪声。而且计算负担很高,它会像地狱一样吃掉电池。

GPS 接收器通过维护接收器位置(以及位置的导数)的内部软件“模型”来运行。卡尔曼滤波器通常用于根据来自卫星的原始数据使该模型与现实保持同步。

来自每颗卫星的信号通常一次积分 20 ms,因为这是来自卫星的 PSK 数据的比特周期。这意味着该模型每秒 50 次获取与每颗卫星的距离的原始更新。但是,请注意,来自不同卫星的更新本质上是异步的(它们不会同时发生),因为从头顶上的卫星到地平线上的卫星的路径长度差异也在 20 毫秒左右。随着每次新的卫星测量数据的出现,内部模型都会使用新信息进行更新。

当 GPS 接收器发出更新消息时,消息中的数据来自模型。接收器可以根据需要随时更新模型,也可以根据需要随时输出位置消息。然而,结果是简单的插值——额外的输出消息中不包含新信息。信息带宽受限于将原始卫星测量值馈送到滤波器的速率

正如 Andreas 所指出的,具有高输出消息率并不意味着您可以跟踪更高的接收器动态。如果您必须跟踪高接收器动态,则必须使用其他信息源,例如 IMU。在“紧耦合”系统中,IMU 数据更新 GPS 接收器使用的相同内部模型,这允许 IMU“协助”跟踪单个 GPS 信号。

这个问题还有一个经济方面。大多数“民用”GPS 接收器的成本都非常有限,因此,只有足够的 CPU 功率(和电池功率)才能满足手头应用(例如汽车或手机导航)的更新速率要求。对于大多数此类应用程序而言,每秒一次(或更少)的更新速率已经绰绰有余。需要更高更新率的“军用”应用具有更高的材料和功率预算。GPS 接收器相应定价,即使实际接收器硬件基本相同,但可能使用更强大的 CPU。