Cuando estoy usando el módulo GPS de arduino, generalmente toma unos minutos para que comience a enviar datos. Y parece que suele ser el caso de todos los módulos GPS, ya que necesitan "escuchar" los satélites durante algún tiempo. Sin embargo, cada vez que uso el GPS interno de mi teléfono, encuentra su posición en cuestión de segundos. ¿Por qué es eso?
Hay varias cosas que afectan el tiempo para la primera reparación (TTFX) .
Obteniendo el almanaque y las efemérides. Estas dos cosas son técnicamente un poco diferentes entre sí, pero para nuestros propósitos las trataremos de la misma manera. Son las ubicaciones de los satélites, y necesita saber dónde están para poder determinar su propia posición. Cada satélite transmite el lote completo aproximadamente una vez cada 12 minutos. Entonces, desde un arranque completamente en frío con un receptor de un canal y una señal decente, el TTFX será de al menos 12 minutos. Puedes acelerar las cosas mediante:
Identificación de satélites. Necesita escuchar al menos tres satélites, preferiblemente más, para obtener una buena solución, pero cada receptor (conocido como correladores) solo puede sintonizar uno a la vez. Si sabes aproximadamente dónde estás, qué hora es y ya tienes un almanaque, puedes adivinar qué satélites puedes ver. Los teléfonos tienden a saber más o menos dónde están al reconocer las señales de wifi o bluetooth, saber qué torre celular están usando y otras fuentes. También reciben regularmente actualizaciones de tiempo muy precisas, por lo que generalmente pueden ir directamente al satélite correcto. Tanto los teléfonos como los módulos más grandes también pueden recordar cuándo y dónde se usaron por última vez, y usarlos para comenzar.
Número de correladores. Debido a la muy baja señal a ruido de las señales de GPS, necesita un bit especial de hardware para recibirlas. Algunos receptores solo tienen uno y necesitan girar alrededor de los satélites. Otros tienen más, y pueden escuchar más a la vez. Así que incluso si ya tiene el almanaque / efemérides y sabe aproximadamente dónde se encuentra, más correladores le ayudarán a solucionar el problema más rápido. Podría pensar que más siempre es mejor, pero más aumenta el costo y el consumo de energía. Algunos teléfonos y módulos tienen más que otros.
Señal y antenas. Los correladores harán su trabajo más rápido si usted recibe una buena señal de ruido. Las señales muy pobres pueden no funcionar en absoluto. Un buen diseño de antena, amplificador, vista del cielo y un buen diseño de PCB pueden marcar la diferencia. Algunos módulos pueden funcionar correctamente de manera inmediata y mucho mejor con una antena enchufada.
Número de satélites utilizables. En realidad, hay dos grandes constelaciones de satélites, GPS (administrado por EE. UU.) Y GLONASS (administrado por Rusia). También hay más en construcción: Galileo (UE) y BeiDou-2 (China) y algunos con cobertura local como NAVIC de la India o BeiDou-1. Un receptor que puede trabajar con satélites de más de una constelación tiene más satélites para elegir, y obtendrá una solución más rápida y precisa.
Calidad de los correladores. Los nuevos diseños de hardware son mejores que los antiguos, y podrán seleccionar fragmentos del mensaje GPS en una señal ruidosa mejor. Otro truco que pueden hacer los teléfonos es capturar fragmentos de señal y pasarlos a través de Internet a un servidor con un excelente correlacionador de software, y completar el análisis de almanaques y efemérides. Esto se conoce como GPS asistido por MSA.
Algunos teléfonos (e incluso algunos módulos) también pueden usar algunos trucos un poco astutos para evitar u ocultar un TTFX largo. Dado que están encendidos todo el tiempo, pueden encender el GPS brevemente sin avisar al usuario para mantener la ubicación y las efemérides casi al día. Otros pueden mostrar una posición reciente mientras aún esperan una solución real, que parece ser un buen TTFX la mayor parte del tiempo, pero se ve mal si resulta que la posición es muy incorrecta.
El punto 1 de arriba es lo que hace la mayor diferencia, y suele ser la clave que es diferente entre los módulos básicos, los módulos más avanzados y los teléfonos. Los otros usualmente hacen una diferencia menor, pero en realidad puede llegar a ser una cosa muy complicada. Si desea leer más, entonces "tiempo GPS para la primera reparación" es el término que debe buscar.
El sistema operativo del teléfono celular descarga los datos del almanaque GPS (efemérides satelitales e información de estado) a través de la red celular y los carga en el módulo GPS mucho más rápido que el que se tarda en descargarlos desde los satélites GPS directamente en 50 bps (sí, eso es 50 bits por segundo, el GPS es bastante antiguo tecnología optimizado para operar a una SNR muy baja), acelerando significativamente el tiempo para la primera reparación. Esto se llama GPS asistido . También es probable que tenga una referencia de tiempo inicial muy precisa desde el módem celular (las torres celulares usualmente están sincronizadas a través del GPS) y posiblemente una estimación aproximada de la ubicación del módem celular. Todo esto combinado reduce drásticamente la cantidad de búsquedas que tiene que hacer el receptor: sabe qué satélites debería poder ver, por lo que solo los busca, y no necesita esperar a que los satélites transmitan todo el mensaje.
Las otras respuestas ya explicaron el "cómo" y el "por qué", así que todo lo que me queda es el "qué": se llama A-GPS (GPS asistido, a veces también llamado GPS acelerado o aumentado) .
En otras palabras: la razón por la que el GPS de un teléfono funciona más rápido que el "GPS de GPS" es que el teléfono no está usando "GPS", está usando aGPS.
Parte de la respuesta aquí es que el GPS del teléfono celular no es solo el GPS. Cell también utiliza otra información para la geolocalización, como la triangulación de torres de telefonía celular y la visibilidad de las redes wifi. Por ejemplo, la versión no celular del iPad Air no tiene GPS real, pero aún sabe dónde estás en las áreas construidas usando estas técnicas.
Solo quería poner un poco más de detalles sobre lo que está sucediendo cuando los receptores más antiguos esperan datos. En otras palabras, ¿por qué es tan útil el almanaque (y la posición recordada)?
Las señales del GPS son muy débiles. Dada la distancia, la señal está muy por debajo del piso de ruido cuando llega a la tierra. Nunca detectaría directamente el satélite si simplemente estuviera viendo un escaneo de alcance con la frecuencia correcta.
La forma en que el receptor obtiene información es comparando la señal entrante con un patrón específico (a través de una correlación FFT). Si se usa el patrón correcto, entonces la correlación se alinea y se pueden ver los datos.
Para que un receptor simple, de estilo antiguo, llegar a este punto requiere dos cosas del correlador del dispositivo: la frecuencia del mensaje desde el satélite y la fase del mensaje (alineación de los patrones). Si alguno de estos es incorrecto, entonces la correlación no tiene éxito y no se detecta nada. Los movimientos de los satélites significan que la señal recibida está sujeta a cambios Doppler relativamente grandes.
Con un almanaque en su lugar y una buena idea de la ubicación y el tiempo actuales, el receptor puede estimar los movimientos relativos del satélite y del receptor para eliminar la mayor parte del desplazamiento Doppler y acercarse un poco a la frecuencia. Eso significa que el correlacionador generalmente puede tener un éxito simplemente probando diferentes fases para el patrón de señal. Esta búsqueda de espacio de fase se puede hacer en unos pocos segundos.
Si falta el almanaque, o si no hay una estimación de la ubicación y el tiempo actuales, el sistema debe probar diferentes fases y diferentes frecuencias para obtener datos de cada satélite. Ahora que tiene que buscar en dos dimensiones diferentes, puede llevar algunos minutos, incluso a un sistema multicanal, "encontrar" 3 satélites por fuerza bruta.
Los chipsets modernos pueden hacer uso de señales adicionales y muchos comparadores paralelos para acelerar la búsqueda, incluso sin la presencia de A-GPS. Sospecho que el conjunto de chips que obtienes en un escudo Arduino es probablemente más antiguo / barato y no usará estas nuevas funciones.
En los EE. UU., la FCC requería que los operadores de teléfonos celulares pudieran identificar la ubicación de la persona que llama al marcar servicios de emergencia a menos de 300 metros dentro de los 6 minutos posteriores a la llamada telefónica inicial antes del 11 de septiembre de 2012.
Esto se introdujo gradualmente en los años anteriores, y el requisito se ha ajustado tanto en el informe de distancia como de tiempo a ubicación en los últimos años.
Las compañías de telefonía celular no podían garantizar esto en áreas remotas donde solo una o dos torres celulares estaban en contacto con el teléfono móvil, ni en entornos urbanos donde los reflejos y la densidad del edificio impidieran la ubicación, incluso cuando el teléfono tenía varias torres, podría recibir. Los chips GPS no pudieron proporcionar esto dentro del marco de tiempo requerido con una potencia lo suficientemente baja como para que el teléfono celular aún fuera comercialmente viable (en el momento en que se introdujo el requisito. Los chipsets ahora son mucho más eficientes y más rápidos, en parte debido al requisito que todos los teléfonos incluyen algunos o todos los chipsets de GPS). Además, los conjuntos de chips GPS eran muy caros en relación con los otros componentes del teléfono.
Así que crearon unos cuantos sistemas diferentes que compiten entre sí y que todos caen bajo el nombre de "AGPS" para GPS asistido.
La tecnología que se ejecuta detrás de estos diversos sistemas AGPS difiere, a veces en gran medida.
Los sistemas AGPS celulares más económicos registran varios milisegundos de la señal de RF de GPS, envíelos al servidor de AGPS que, a sabiendas de la ubicación aproximada del teléfono, puede usar ese fragmento de RF de GPS para determinar una posición mucho más precisa. Estos teléfonos no pueden obtener coordenadas de GPS sin una buena conexión celular.
Algunos tienen conjuntos de chips GPS completos, pero permiten que el teléfono les proporcione el almanaque y las efemérides, dos piezas de información que permiten al conjunto de chips obtener una solución en cuestión de segundos, después de lo cual utiliza sus métodos normales para producir resultados de posición. Con el tiempo, estos teléfonos pueden obtener una posición independiente de su red.
La mayoría de los conjuntos de chips de GPS le permiten cargar información de efemérides y almanaques en ellos, por lo que si su dispositivo arduino tiene una conexión a Internet y tiene acceso a un servidor AGPS, puede acelerar la corrección de su GPS de una manera similar. Sin embargo, para la mayoría de los proyectos, simplemente agregar una batería de celda de litio a la clavija derecha en el receptor GPS le permite mantener la última actualización de almanaques y efemérides, y dado que los cambios son pequeños en períodos cortos de tiempo, esto acelera en gran medida la primera solución como siempre que el dispositivo no se haya movido miles de millas y se encienda cada pocos días.
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