GPS para Cubesats: ¿es 8km / seg demasiado rápido para los chips de consumo?

No recomendaría el uso de una solución GPS integrada (que contenga MCU y firmware de código cerrado) para una aplicación satelital. Hay varias razones por las que esto podría no funcionar:

1. El plan de frecuencia de la interfaz podría optimizarse para un rango Doppler limitado. Normalmente, la interfaz de RF mezclará la señal a un IF inferior a 10MHz (un IF más alto requerirá una mayor tasa de muestreo y consumirá más energía). Este SI no se elige arbitrariamente! El cociente IF / samplerate debe ser no armónico para todo el rango Doppler para evitar tonos espurios de errores de truncamiento a / d en la señal muestreada. Es posible que observe efectos de latido, que hacen que la señal sea inutilizable en algunas tasas de Doppler.
2. El correlacionador de dominio digital necesita reproducir una réplica del operador y el código C / A a la velocidad correcta, incluidos los efectos Doppler. Utiliza DCO (osciladores controlados digitales) para controlar la generación de portadoras y códigos, que se sintonizan a través de los registros de configuración de la MCU. El ancho de bits de estos registros puede estar limitado al rango Doppler esperado para un receptor con base en tierra, lo que hace imposible sintonizar el canal a la señal si viaja demasiado rápido.
3. El firmware tendrá que realizar una adquisición en frío si no se dispone de una estimación de posición / tiempo. Buscará intervalos de frecuencia Doppler y codificará las fases para encontrar una señal. El rango de búsqueda se limitará al rango esperado para un usuario basado en tierra.
4. Por lo general, el firmware utilizará el filtrado de kalman para las soluciones de posición. Esto implica un modelo de posición / velocidad / aceleración del receptor. Si bien la aceleración no será una preocupación para un satélite, el modelo fallará en velocidad, si el firmware no está adaptado para uso en órbita.

Todos estos problemas pueden solucionarse, si utiliza una interfaz y un correlacionador libremente programables con un firmware personalizado. Usted puede, por ejemplo. consulte Piksy .

Algunas personas implementan COCOM como o , otras como y . De cualquier manera, para clientes calificados bajo EAR o ITAR, los proveedores estarán encantados de venderle una opción de firmware por $ $ $ $ que deshabilita esa funcionalidad. El hardware es idéntico.

Fuera de esa difícil limitación, se convierte en un problema de comunicaciones de RF, junto con el diseño de su hardware para tolerar los efectos de la radiación. Su Eb / N0 probablemente será un poco mejor a medida que esté (literalmente) más cerca de los SV y evite la pérdida de la trayectoria atmosférica, pero su circuito de recepción también necesitará tolerar una cantidad considerable de Doppler.

Por cierto, no es solo la posición en la que están interesados los CubeSats. El tiempo de GPS es un elemento de datos valioso que ayuda a un satélite a averiguar dónde está, dado un TLE. Incluso si el receptor se niega a darle una posición debido a COCOM, si da el tiempo, puede valer la pena.

Si este documento en arquitectura GPS de ejemplo es representativo, entonces los chips consisten en: un front-end de RF, correladores de hardware en el dominio digital, y toda la decodificación real de la señal se realiza en software.

En cuyo caso, el único problema probable es el doppler. El software puede descartar valores "excepcionales", pero deberá reemplazar o modificar el firmware de todos modos si desea omitir los límites de CoCom.

Una pregunta más interesante es si puede pedir prestado un simulador de GPS que se puede programar para simular el caso de alta velocidad. Pensé que sería posible: después de todo, ¿cómo probaría un fabricante que su dispositivo está aplicando los límites de CoCom?

Realmente depende de la implementación. Como ejemplo, un receptor en el que he trabajado tiene un registro de frecuencia NCO de portadora de punto fijo en cada canal correlacionador, con un ancho de 17 bits. El valor máximo que se puede almacenar en este registro corresponde a unos 6 km / s, y también debe incluir una contribución del error de frecuencia del reloj del receptor. Por lo tanto, no sería capaz de rastrear a ningún satélite cuyo rango de alcance exceda ese límite, lo que sería bastante si el receptor se está moviendo a velocidades orbitales.

Cubesats se puede usar con unidades de GPS comerciales disponibles a un precio inferior a $ 1000. El fabricante elimina los límites, por lo que se espera que puedan probar con los eliminados. Tienen emuladores de GPS o acceso a ellos.

El fabricante debe eliminar los límites de cocom, y el fabricante solo lo hará si puede obtener una excepción a través de su gobierno. No estoy seguro del proceso, pero sé que es posible al menos en los Estados Unidos. Fuera de los Estados Unidos, esto puede ser casi imposible.

No conozco la precisión de la unidad GPS, pero aún hay efectos ionosféricos que deben tenerse en cuenta, si vuela en LEO. También necesitará un sistema ADCS decente para estimar la posición de sus naves espaciales