Mengapa GPS ponsel pintar menemukan posisinya jauh lebih cepat daripada modul GPS?


81

Ketika saya menggunakan modul GPS Arduino, biasanya dibutuhkan beberapa menit untuk mulai mengirim data. Dan tampaknya biasanya demikian halnya dengan semua modul GPS karena mereka perlu "mendengarkan" satelit selama beberapa waktu. Namun setiap kali saya menggunakan GPS internal ponsel saya menemukan posisinya dalam hitungan detik. Mengapa demikian?


16
Satu jawaban kata: "A-GPS"
Agent_L

10
Itu bukan satu kata - itu adalah singkatan empat kata!
Transistor

10
@ Transistor Nah jika Anda ingin menjadi orang yang bertele-tele, A-GPS bukanlah akronim, tetapi inisialisasi. ;)
DavidCAdams

7
@DavidCAdams: Anda benar! Saya melihat mereka berdua. Saya tidak pernah menyadari bahwa akronim diucapkan (atau setidaknya, saya kira, dapat diucapkan) sebagai sebuah kata. Hal-hal yang saya pelajari di EE.SE!
Transistor

1
@ DavidvidAdAd Dan selama bertahun-tahun saya telah pergi rute NASA untuk mengucapkan A-GPS sebagai "agps", dan sekarang Anda mengatakan saya tidak bisa melakukan itu lagi? Hal-hal yang Anda pelajari di EE.SE!
CVn

Jawaban:


117

Ada beberapa hal yang mempengaruhi waktu untuk memperbaiki pertama kali (TTFX) .

  1. Mendapatkan almanak dan ephemeris. Kedua hal ini secara teknis sedikit berbeda satu sama lain, tetapi untuk tujuan kami, kami akan memperlakukan mereka sebagai sama. Mereka adalah lokasi satelit, dan Anda perlu mengetahui di mana mereka berada untuk mengetahui posisi Anda sendiri. Setiap satelit mentransmisikan seluruh lot secara kasar setiap 12 menit. Jadi, dari awal yang benar-benar dingin dengan penerima satu saluran dan sinyal yang layak, TTFX akan memakan waktu setidaknya 12 menit. Anda dapat mempercepat dengan:

    • Mengunduh dari internet sebagai gantinya - umumnya merupakan pilihan yang baik untuk ponsel. Mengunduh almanak dan ephemreris dengan cara ini dikenal sebagai MSB Assisted GPS.
    • Mengingat almanak dari yang terakhir kali (itu bagus untuk beberapa minggu) dan hanya mengunduh ephemeris.
    • Memiliki lebih dari satu saluran penerima di perangkat sehingga Anda dapat mendengarkan lebih dari satu satelit sekaligus. Transmisinya dibuat sempoyongan untuk membuat ini bekerja, dan dengan hati-hati Anda dapat menggunakan ephemeris tanpa almanak yang menghemat banyak waktu. Sebagian besar modul yang ada di pasaran saat ini memiliki banyak saluran, sehingga akan jarang ditemukan satu yang masih membutuhkan 12 menit.
  2. Mengidentifikasi satelit. Anda perlu mendengarkan setidaknya tiga satelit, lebih disukai lebih banyak, untuk mendapatkan hasil yang baik, tetapi masing-masing penerima (dikenal sebagai korelator) hanya dapat disesuaikan satu per satu. Jika Anda tahu secara kasar di mana Anda berada, jam berapa sekarang, dan sudah memiliki almanak, maka Anda bisa menebak satelit mana yang bisa Anda lihat. Ponsel cenderung mengetahui secara kasar dari mana mereka mengenali sinyal wifi atau bluetooth, mengetahui menara sel yang mereka gunakan, dan sumber lainnya. Mereka secara teratur mendapatkan pembaruan waktu yang sangat akurat juga, sehingga mereka biasanya dapat langsung menuju satelit yang benar. Baik ponsel dan modul yang lebih besar juga dapat mengingat kapan dan di mana mereka terakhir digunakan, dan menggunakannya untuk memulai.

  3. Jumlah korelator. Karena sinyal-to-noise sinyal GPS sangat rendah, Anda memerlukan perangkat keras khusus untuk menerimanya. Beberapa penerima hanya memiliki satu, dan perlu memutar putaran satelit. Yang lain memiliki lebih banyak, dan dapat mendengarkan lebih banyak sekaligus. Jadi, bahkan jika Anda sudah memiliki almanak / ephemeris dan tahu kira-kira di mana Anda berada, maka lebih banyak korelator masih akan membantu Anda memperbaiki lebih cepat. Anda mungkin berpikir lebih banyak selalu lebih baik, tetapi lebih banyak meningkatkan biaya dan konsumsi daya. Beberapa ponsel dan modul memiliki lebih dari yang lain.

  4. Sinyal dan antena. Korelator akan melakukan pekerjaan mereka lebih cepat jika Anda memiliki signal-to-noise yang bagus. Sinyal yang sangat buruk mungkin tidak berfungsi sama sekali. Desain antena, penguat, tampilan langit, dan tata letak PCB yang baik dapat membuat semua perbedaan. Beberapa modul mungkin berfungsi dengan baik di luar kotak, dan jauh lebih baik dengan antena yang terpasang.

  5. Jumlah satelit yang dapat digunakan. Sebenarnya ada dua rasi bintang satelit di sana, GPS (dijalankan oleh AS) dan GLONASS (dijalankan oleh Rusia). Ada juga lebih banyak yang sedang dibangun: Galileo (UE) dan BeiDou-2 (Cina) dan beberapa dengan cakupan lokal seperti NAVIC India atau BeiDou-1. Penerima yang dapat bekerja dengan satelit dari lebih dari satu rasi bintang memiliki lebih banyak satelit untuk dipilih, dan akan mendapatkan perbaikan yang lebih cepat dan lebih akurat.

  6. Kualitas korelator. Desain perangkat keras baru lebih baik daripada yang lama, dan akan dapat memilih fragmen pesan GPS dalam sinyal berisik yang lebih baik. Trik lain yang dapat dilakukan ponsel adalah menangkap fragmen sinyal dan mengirimkannya melalui internet ke server dengan korelator perangkat lunak yang sangat baik, dan menyelesaikan almanak / ephemeris untuk diperiksa. Ini dikenal sebagai MSA Assisted GPS.

  7. Beberapa telepon (dan bahkan beberapa modul) mungkin juga menggunakan beberapa trik yang sedikit licik untuk menghindari atau menyembunyikan TTFX yang lama. Karena mereka selalu menyala, mereka mungkin sebentar mengaktifkan GPS tanpa memberi tahu pengguna untuk menjaga agar lokasi dan ephemeris tetap up to date. Orang lain mungkin menampilkan posisi baru-baru ini sambil masih menunggu perbaikan nyata - yang terlihat seperti TTFX yang baik hampir sepanjang waktu, tetapi terlihat buruk jika ternyata posisinya sangat salah.

Poin 1 di atas adalah hal yang paling membuat perbedaan, dan biasanya hal utama yang berbeda antara modul dasar, modul yang lebih maju, dan telepon. Yang lain biasanya membuat perbedaan yang lebih kecil, tetapi sebenarnya bisa menjadi hal yang sangat rumit. Jika Anda ingin membaca lebih lanjut, maka "waktu GPS untuk memperbaiki pertama" adalah istilah untuk mencari.


32
Pada poin 2: Selain WiFi, telepon juga dapat memperoleh perkiraan lokasi berdasarkan stasiun pangkalan seluler yang bersentuhan dengannya.
alphabetter

4
Perangkat mungkin juga "menembolok" data posisi terakhir yang diketahui, segera menggunakannya, dan menyesuaikannya saat data nyata masuk. Ponsel saya melakukan ini dengan GPS-nya.
rdtsc

17
Selain jaringan seluler, sejumlah penyedia (termasuk Google) telah membangun basis data lokasi fisik titik akses WiFi, yang memungkinkan mereka menentukan lokasi perangkat dengan sangat akurat. Tablet Android murah saya tidak memiliki GPS atau akses seluler, namun Google Maps tampaknya selalu tahu persis di mana saya berada, selama saya terhubung ke WAP. Saya menduga mereka mendapatkan lokasi WAP melalui proses terbalik - mengambil kesimpulan dari lokasi ponsel yang terhubung dan perangkat lain yang memiliki GPS.
Dave Tweed

5
@ ゼ ー ロ Setiap frame adalah 35 detik, tetapi almanak lengkap dibagi menjadi lebih dari 25 frame, dan akan memakan waktu 12-13 menit untuk mengirim. Memang benar bahwa Anda dapat memperoleh perbaikan dari data ephemeris tanpa almanak, tetapi Anda akan membutuhkan almanak untuk 1) perangkat keras yang sangat lama, 2) koreksi akurat dari waktu GPS ke UTC dan 3) koreksi penundaan ionosfer pada beberapa perangkat keras.
Jack B

4
@ ゼ ー ロ Ummm. Saya sangat jelas bahwa 12 menit adalah untuk satu saluran penerima. Saya juga mengatakan bahwa penerima multi-channel lebih cepat. Kebanyakan receiver modern adalah multi-channel, tetapi saya pasti memiliki beberapa channel single yang lebih lama - dan mereka membutuhkan waktu 12 menit penuh. Dan jika Anda memiliki satu saluran dan Anda ingin koreksi penundaan ionosfer, maka tidak ada cara untuk mendapatkannya lebih cepat daripada almanak penuh dapat diperoleh. Fakta bahwa Anda menggunakan modul multi-saluran dan memerlukan TTFX 3 menit tidak berarti jenis lainnya tidak ada. Tapi saya akan memperbarui jawaban untuk mengatakan tipe lama jarang.
Jack B

22

Sistem operasi ponsel mengunduh data GPS almanak (ephemeris satelit dan informasi status) melalui internet melalui jaringan seluler dan memuatnya ke dalam modul GPS lebih cepat daripada yang diperlukan untuk mengunduhnya dari satelit GPS langsung pada 50 bps ( ya, itu 50 bit per detik, GPS adalah teknologi yang agak tua dioptimalkan untuk operasi pada SNR yang sangat rendah), secara signifikan mempercepat waktu untuk memperbaiki pertama. Ini disebut Assisted GPS. Ini juga kemungkinan memiliki referensi waktu awal yang sangat akurat dari modem sel (menara sel biasanya disinkronkan waktu melalui GPS) serta kemungkinan perkiraan lokasi kasar dari modem sel. Semua ini dikombinasikan secara drastis mengurangi jumlah pencarian yang harus dilakukan penerima - ia tahu satelit apa yang harus dapat dilihatnya, sehingga hanya mencari mereka, dan tidak perlu menunggu sekitar untuk mengirimkan satelit seluruh pesan.


Jadi pada dasarnya mengeluarkan "sinkronisasi" dari proses. Modul GPS mencari satelit menggunakan data yang dikirim oleh satelit itu sendiri bukan?
Anthropomorphous Dodecahedron

3
Itu tidak mengeluarkannya dari proses, itu mempercepat dengan memberikan penerima GPS yang baik untuk memulai.
alex.forencich

29
50 bps bukan hanya karena GPS sudah tua. Ini adalah bagian yang tidak terpisahkan dari bagaimana penerima GPS dapat mendeteksi sinyal yang sangat lemah, dan bagaimana semua satelit GPS dapat mentransmisikan pada frekuensi tunggal tetapi masih diterima secara independen. Banyak hal rumit terjadi pada penerima GPS.
JRE

5
@ TomTom: Tidak, kerahasiaan GPS tidak pernah dicapai dengan ketidakjelasan. Anda mungkin berpikir tentang Ketersediaan Selektif (SA), tetapi itu adalah kesalahan penentuan posisi yang disengaja.
MSalters

1
@TomTom: Spektrum sebaran GPS tidak dimaksudkan untuk menyembunyikan sinyal. Itu memang memiliki efek itu untuk penerima RF sederhana, tapi bukan itu intinya. Teknik spread spectrum memberi Anda dua hal: operasi dengan sinyal yang sangat rendah untuk rasio noise, dan tingkat kekebalan terhadap gangguan. Hampir semua orang dan saudaranya tahu (dan tahu jalan kembali kapan) yang menggunakan frekuensi GPS. Tidak ada gunanya menyembunyikan apa yang sudah diketahui. Tidak menjadi macet adalah nilai tambah yang besar. Ada GPS jammers (sekarang) tetapi saat itu jauh lebih sulit untuk dilakukan.
JRE


8

Bagian dari jawabannya di sini adalah bahwa ponsel GPS bukan hanya GPS. Cell juga menggunakan informasi lain untuk geolokasi, seperti triangulasi menara ponsel dan visibilitas jaringan wifi. Misalnya, versi non-seluler dari iPad Air tidak memiliki GPS yang sebenarnya tetapi masih tahu di mana Anda berada di area yang dibangun menggunakan teknik ini.


4
Pertanyaannya secara khusus tentang bagaimana GPS beroperasi. Ponsel tidak dapat melakukan triangulasi dari menara ponsel karena tidak ada informasi lokasi yang tersedia dari mereka.
Transistor

6
@ Transistor. Pertanyaannya membandingkan GPS yang berdiri sendiri dengan ponsel GPS dan judul pertanyaan secara spesifik menanyakan bagaimana ponsel melakukan GPS lebih cepat daripada unit GPS yang berdiri sendiri. Dan Wikipedia mengatakan bahwa ponsel yang menggunakan menara triangulasi untuk menentukan lokasi. Saya tidak yakin mengapa Anda mengatakan tidak ada informasi lokasi yang tersedia: tentu saja, menara tidak mengumumkan lokasinya tetapi jalan juga tidak mengumumkan lokasi mereka: ponsel Anda memiliki peta yang disimpan dalam database.
David Richerby

3
@ Transistor: ponsel tidak melakukan triangulasi. Penyedia jaringan tidak.
Jörg W Mittag

2
@ JörgWMittag: Tergantung pada jaringan AFAICT. Jaringan modern menyediakan layanan pelokalan sebagai bagian dari Enhanced 911 / E112.
MSalters

@ DavidRicherby: Terima kasih atas tautannya. Saya membacanya dua kali tetapi yang bisa saya lihat adalah bahwa lokasi telepon diketahui oleh jaringan - bukan ke telepon. Apa yang saya lewatkan?
Transistor

5

Hanya ingin menaruh sedikit lebih detail dalam apa yang terjadi ketika penerima yang lebih tua sedang menunggu data. Dengan kata lain, mengapa almanak itu (dan posisi yang diingat) sangat berguna?

Sinyal GPS sangat lemah. Mengingat jaraknya, sinyalnya jauh di bawah lantai kebisingan ketika mencapai bumi. Anda tidak akan pernah secara langsung mendeteksi satelit jika Anda hanya menonton pemindaian lingkup dengan frekuensi yang benar.

Cara penerima mendapat informasi adalah dengan membandingkan sinyal yang masuk dengan pola tertentu (melalui korelasi FFT). Jika pola yang benar digunakan, maka korelasinya berbaris dan data dapat dilihat.

Untuk penerima yang sederhana dan bergaya lama yang sampai ke titik ini memerlukan dua hal dari korelator perangkat: frekuensi pesan dari satelit, dan fase pesan (mengatur pola-pola). Jika salah satu dari ini tidak benar, maka korelasinya tidak berhasil dan tidak ada yang terdeteksi. Gerakan satelit berarti bahwa sinyal yang diterima tunduk pada pergeseran Doppler yang relatif besar.

Dengan almanak di tempat dan gagasan yang baik tentang lokasi dan waktu saat ini, penerima dapat memperkirakan gerakan relatif satelit dan penerima untuk menghapus sebagian besar pergeseran Doppler dan mendekati frekuensi. Itu berarti korelator biasanya dapat menghasilkan hit hanya dengan mencoba fase yang berbeda untuk pola sinyal. Pencarian ruang-fase ini dapat dilakukan dalam beberapa detik.

Jika almanak hilang, atau jika tidak ada perkiraan lokasi dan waktu saat ini, sistem harus mencoba fase dan frekuensi berbeda untuk mendapatkan data dari setiap satelit. Sekarang karena harus mencari dalam dua dimensi yang berbeda, diperlukan beberapa menit bahkan untuk sistem multi-saluran untuk "menemukan" 3 satelit dengan kekerasan.

Chipset modern dapat menggunakan sinyal tambahan dan banyak pembanding paralel untuk mempercepat pencarian, bahkan tanpa A-GPS. Saya menduga chipset yang Anda peroleh pada pelindung Arduino mungkin lebih tua / lebih murah dan tidak akan menggunakan fitur-fitur baru ini.


3

Di AS, FCC mengharuskan operator telepon seluler untuk dapat mengidentifikasi lokasi penelepon saat memanggil layanan darurat dalam jarak 300 meter dalam 6 menit dari panggilan telepon awal pada 11 September 2012.

Ini bertahap secara bertahap selama tahun-tahun sebelumnya, dan persyaratan telah diperketat baik dalam jarak dan waktu ke lokasi laporan di tahun-tahun berikutnya.

Perusahaan-perusahaan telepon seluler tidak dapat menjamin hal ini di daerah-daerah terpencil di mana hanya satu atau dua menara seluler berada dalam kontak dengan telepon seluler, atau di lingkungan perkotaan di mana pantulan dan kepadatan bangunan menghalangi lokasi bahkan ketika telepon memiliki beberapa menara yang dapat menerimanya. Chip GPS tidak dapat menyediakan ini dalam kerangka waktu yang diperlukan pada daya yang cukup rendah sehingga ponsel masih dapat bertahan secara komersial (pada saat persyaratan diperkenalkan. Chipset sekarang jauh lebih hemat daya dan lebih cepat, sebagian karena persyaratan bahwa setiap telepon menyertakan sebagian atau semua chipset GPS). Lebih lanjut, chipset GPS relatif sangat mahal dibandingkan komponen ponsel lainnya.

Jadi mereka menciptakan beberapa sistem persaingan yang berbeda yang semuanya berada di bawah moniker "AGPS" untuk Assisted GPS.

Teknologi yang berjalan di belakang berbagai sistem AGPS ini berbeda, terkadang sangat berbeda.

Sistem AGPS seluler termurah merekam beberapa milidetik sinyal GPS RF, mengirimkannya ke server AGPS yang kemudian, mengetahui perkiraan lokasi telepon, dapat menggunakan cuplikan GPS RF untuk menentukan posisi yang jauh lebih akurat. Ponsel ini tidak dapat memperoleh koordinat GPS tanpa koneksi seluler yang baik.

Beberapa memiliki chipset GPS penuh, tetapi memungkinkan ponsel untuk menyediakan mereka dengan almanak dan ephemeris - dua potong informasi yang memungkinkan chipset untuk kemudian diperbaiki dalam hitungan detik - setelah itu menggunakan metode normal untuk menghasilkan hasil posisi. Waktu yang diberikan, ponsel ini dapat memperoleh posisi independen dari jaringan mereka.

Sebagian besar chipset GPS memungkinkan Anda memuat informasi ephemeris dan almanak ke dalamnya, jadi jika perangkat Arduino Anda memiliki koneksi internet dan Anda memiliki akses ke server AGPS Anda dapat mempercepat perbaikan GPS Anda dengan cara yang sama. Namun, untuk sebagian besar proyek cukup menambahkan baterai sel koin lithium ke pin kanan pada penerima GPS memungkinkannya menyimpan pembaruan almanak dan ephemeris terakhir, dan karena perubahannya kecil selama periode waktu yang singkat ini sangat mempercepat perbaikan pertama seperti selama perangkat belum bergerak ribuan mil, dan dihidupkan setiap beberapa hari.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.