W nawigacji satelitarnej i system pozycjonowania odbiera i analizuje sygnały z konstelacji satelitów . Najbardziej znane systemy to GPS , GLONASS , Galileo i Beidu . Pomimo pozornej prostoty techniki przetwarzanie sygnałów i obliczanie pozycji odbiornika jest złożone. Opisany tutaj odbiornik dotyczy systemu GPS , ale opis można uogólnić na inne systemy.
Satelity nadają w sposób ciągły na dwóch częstotliwościach L1 (1575,42 MHz ) i L2 (1227,60 MHz ). Są one modulowane fazowo przez kombinację danych cyfrowych i dwóch kodów; ta kombinacja jest dodatkiem modulo 2. Kody są kodami pseudolosowymi C / A (akronim dla zgrubnego pozyskiwania , zgrubnego pozyskiwania ), który jest sekwencją przy 1,023 Mbit / s i okresie 1 milisekundy oraz kodem pseudolosowym P, dla precyzja , na poziomie 10,23 Mbit/s z okresem 280 dni. Pierwsza jest swobodnie dostępna, druga jest zarezerwowana dla autoryzowanych użytkowników; najczęściej jest zaszyfrowany .
W przypadku sygnałów swobodnie dostępnych stosuje się nośną L1. Każdy satelita GPS przesyła kod akwizycji C/A oraz dane na tym nośniku. Kod C/A jest unikalny dla każdego satelity spośród zestawu 31. Dane przesyłane z prędkością 50 bit/s zawierają informacje o całej konstelacji GPS: efemerydy używane do obliczania pozycji satelitów, korekcja zegara, dane do korekcji jonosferycznej, a także specjalne komunikaty systemowe. Dane satelitarne są przesyłane w jednej ramce co 30 sekund. Czas potrzebny na przesłanie pełnego almanachu systemu to 12,5 minuty.
Efemerydy zawiera szczegółowe parametry orbitalne wszystkich satelitów. Dane efemeryd zmieniają się z godziny na godzinę, ale są ważne przez około cztery godziny. Część kontrolna ramki GPS aktualizuje almanach systemu co tydzień i aktualizuje efemerydy co godzinę za pośrednictwem trzech naziemnych stacji kontroli. W ciągłej normalnej pracy odbiornik GPS aktualizuje te efemerydy przechowywane w jego pamięci w sposób ciągły, często co 30 minut.
Pozycja odbiornika jest obliczana na podstawie danych cyfrowych almanachu oraz oznaczenia czasowego charakterystycznych momentów sekwencji kodu C/A. Obecne odbiorniki mogą śledzić dużą liczbę satelitów jednocześnie na tylu dedykowanych kanałach; 12 kanałów to wspólna liczba. O wydajności odbiornika GPS, gdy jest on włączony, decydują w dużej mierze widoczne satelity oraz dostępność w pamięci odbiornika almanachu systemu GPS.
W ten sam sposób wprowadzany jest drugi satelita, który zna odległość dzielącą go od odbiornika GPS. Przecięcie dwóch sfer tworzy okrąg. Ten okrąg reprezentuje wszystkie pozycje, jakie może mieć odbiornik GPS.
Termin zimny start opisuje działanie odbiornika GPS , gdy jest on włączony, gdy nie ma dostępnych danych nawigacyjnych, na przykład przy pierwszym uruchomieniu. Zimny start oznacza, że odbiornik nie ma jeszcze w pamięci aktualnego almanachu, danych o orbitach satelitów, początkowej pozycji geograficznej ani czasu odniesienia.
Podczas zimnego startu odbiornik automatycznie wybiera zestaw satelitów i dedykuje indywidualny kanał do wyszukiwania sygnału z każdego satelity w konstelacji, opcjonalnie stosując przesunięcia Dopplera na tych częstotliwościach. Jeżeli żaden z satelitów nie zostanie pozyskany po określonym czasie, zwanym limitem czasu , odbiornik wybiera nowy zestaw wyszukiwania satelitów, a następnie powtarza proces aż do pozyskania danych z pierwszego satelity.
Gdy satelity są zbierane, odbiornik automatycznie zbiera dane z almanachu, który zaczyna zapisywać. Odbiornik wykorzystuje informacje uzyskane podczas pozyskiwania danych z konkretnego satelity, aby oczywiście wyeliminować satelity poniżej horyzontu ze zbioru wyszukiwania. Ta strategia poprawia pozyskiwanie danych z dodatkowych satelitów wymaganych do wykonania pierwszego obliczenia pozycji. Zestawy wyszukiwania zimnego startu są tworzone w celu zapewnienia, że co najmniej trzy satelity zostaną pozyskane podczas pierwszych dwóch okresów wyłączenia. Gdy tylko cztery satelity zostaną zebrane, odbiornik oblicza pierwszą lokalizację. Odbiornik GPS zazwyczaj wykonuje zimny start w mniej niż dwie minuty.
Do wykonania pierwszego pozycjonowania nie jest wymagany kompletny almanach systemu. Następnie zostanie on zapisany w całości. Almanach jest wykorzystywany w kolejnych gorących startach oraz w celu ułatwienia pozyskiwania widocznych satelitów GPS.
Przy ciepłym rozruchu odbiornik ma aktualny almanach, pierwszą pozycję w odległości niecałych 3000 kilometrów i dokładny czas, z dokładnością do pięciu minut, zapisany w pamięci. Aby wymusić ciepły start, almanach , godzina i pozycja wyjściowa muszą zostać pobrane przez odbiornik.
Podczas ciepłego startu odbiornik identyfikuje satelity, które oczekuje na odbiór, wykorzystując dane z almanachu, pozycję wyjściową i czas. Odbiornik oblicza wysokość i efekt Dopplera każdego satelity w tym zaplanowanym zestawie i przypisuje jego różnym kanałom równoległe wyszukiwanie tych satelitów. Jeżeli znany jest błąd wewnętrznego oscylatora, odbiornik kompensuje to przesunięcie w celu optymalizacji wyszukiwania. Jeśli przesunięcie nie jest znane, algorytmy wyszukiwania są rozszerzane, aby uwzględnić tolerancję oscylatora, starzenie się i błędy związane z temperaturą.
Jeśli odbiornik ma almanach i pierwszą pozycję, ale nie ma aktualnego czasu, uruchamia wyszukiwanie na zimno do momentu pozyskania pierwszego satelity. Po zebraniu tych danych z pierwszego satelity, odbiornik GPS może uzyskać przybliżony czas, a następnie przełączy się w tryb ciepłego startu, aby pobrać dodatkowe satelity. Chociaż czas na pierwszą akwizycję jest w tym przypadku nieco dłuższy, jest on zauważalnie krótszy niż pełny zimny start. Czas rozruchu przy pierwszej akwizycji jest zwykle krótszy niż 50 sekund.
Jeśli odbiornik nie zbierze wszystkich danych z planowanych satelitów w ciągu kilku minut podczas ciepłego startu, na przykład dlatego, że antena GPS znajduje się w zasłoniętym otoczeniu, jeden z kanałów jest przydzielany w celu przeprowadzenia wyszukiwania w trybie zimnego startu . Ta strategia minimalizuje czas akwizycji na pierwszej pozycji w przypadkach, gdy przechowywany almanach, pozycja i czas są nieprawidłowe.
Strategia ciepłego startu ma zastosowanie, gdy almanach, pozycja, czas, dane efemeryczne (dane efemeryczne) w pamięci są prawidłowe. Strategia wyszukiwania gorącego startu jest podobna do gorącego startu, ale ponieważ dane w pamięci są uważane za aktualne i prawidłowe, czas akwizycji jest zwykle krótszy niż 30 sekund.
Dokładność pozycji GPS jest degradowana przez wpływ na sygnały przekroczenia jonosfery i troposfery , dryfty zegara satelitarnego, błędy zegara odbiornika, odbicia pasożytnicze. Dostępność selektywna nie była stosowana od 2000 roku .
Opracowano modele, aby w jak największym stopniu skorygować wpływ efektów troposferycznych i jonosferycznych. Wpływ dryftów zegara satelitarnego jest minimalizowany przez włączenie danych korekcyjnych przesyłanych dla każdego satelity używanego do określania pozycji. Obliczenie pozycji odbiornika ma również konsekwencję podporządkowania częstotliwości jego wewnętrznego oscylatora częstotliwości odbieranych sygnałów, innymi słowy częstotliwości wewnętrznych oscylatorów lub zegarów satelitów. Dane zawarte w almanachu pozwalają następnie odbiornikowi obliczyć i wyświetlić czas UTC lub czas legalny.
Odbiornik GNSS o podwójnej częstotliwości pomaga zwiększyć dokładność, zwłaszcza w miastach. Pierwszy dwuczęstotliwościowy chip dla urządzeń konsumenckich (zwłaszcza smartfonów) został wprowadzony przez firmę Broadcom pod koniec 2017 roku pod nazwą BCM47755. Xiaomi Mi 8 to pierwszy smartfon, aby je zintegrować. Qualcomm i HiSilicon podążyli za nimi pod koniec 2018 r. z modemem Snapdragon X24 LTE zintegrowanym odpowiednio z Snapdragon 855 i Kirin 980.
Pozycja jest domyślnie wyrażona w formacie podającym szerokość, długość i wysokość w systemie WGS84 . Współrzędne te można łatwo przekonwertować na inny system odniesienia specyficzny dla kraju, w którym znajduje się odbiornik. Popularne odbiorniki zazwyczaj oferują wybór z ponad 170 systemów.
Odbiornik GPS aktualizuje swoją pozycję co sekundę lub więcej (do 100 Hz ).
Dynamiczne granice działania dla różnych konstrukcji odbiorników są określone poniżej. Te ograniczenia operacyjne zakładają, że odbiornik GPS jest prawidłowo zainstalowany i że cały system GPS jest zaprojektowany do działania w tych samych dynamicznych warunkach.
Gdy sygnał z określonego satelity zostanie chwilowo przerwany podczas normalnej pracy, odbiornik kontynuuje wyszukiwanie utraconego sygnału na ostatniej znanej częstotliwości satelity. Jeśli utracony sygnał nie zostanie jeszcze odebrany w ciągu 15 sekund, odbiornik inicjuje poszukiwanie szerszej częstotliwości. Odbiornik wykorzystuje najnowsze znane informacje do ustalenia środkowej częstotliwości i zakresu wyszukiwania. Na przykład co 15 sekund, aż do przywrócenia utraconego sygnału, obliczana jest nowa częstotliwość środkowa z jej zakresem wyszukiwania. Każdy zakres częstotliwości jest przeszukiwany w krokach co 500 Hz .
Jeśli dane efemerydy lub almanachu są nadal dostępne dla chwilowo utraconego satelity, prędkość satelity jest uwzględniana w obliczeniach częstotliwości środkowej nośnej. Wiek almanachu jest uwzględniany przez szerokość zakresu wyszukiwania. Jeśli dane efemeryd lub almanachu nadal nie są dostępne, odbiornik szuka przez dwie minuty ostatniej ważnej informacji o satelicie przed utratą sygnału.
Jeśli satelita nie został ponownie odebrany przez antenę GPS, ostatni odebrany sygnał jest przeszukiwany z częstotliwością Dopplera, w oparciu o dynamikę satelity, przez maksymalnie dwie minuty.
Jeśli aktualna pozycja nie jest dokładnie znana, poszerza się zakres wyszukiwania. Czasy ponownego pozyskiwania dla chwilowo utraconych sygnałów GPS są zazwyczaj krótsze niż kilka sekund.
Typowy odbiornik GPS zawiera cyfrowy procesor sygnału DSP , który działa na częstotliwości L1 (1575,42 MHz ). Sygnały odbierane z satelitów przez antenę są filtrowane i wzmacniane przez przedwzmacniacz, a następnie podawane do konwertera RF/IF. Zabieg ten jest często wykonywany na poziomie anteny. Obwód przetwarza odebraną częstotliwość, uzyskuje kod C/A sygnału odbieranego z kilku satelitów jednocześnie. Obecne odbiorniki mogą jednocześnie przetwarzać sygnały odbierane z dwunastu satelitów. Mikroprocesor wykorzystuje obliczenia danych i dokonuje nawigacyjnych dodatkowo kontroluje kanały DSP. Montażem steruje oscylator kwarcowy odbiornika.