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

Question

Los satélites en órbita terrestre baja se mueven cerca de 8 km/s. La mayoría de los chips de GPS de grado de consumo siguen invocando los límites de CoCom de 1000 nudos, alrededor de 514 m/s. Los límites de CoCom son límites voluntarios para exportaciones que puedes leer más sobre en esta pregunta y respuesta y esta pregunta y respuesta y en otros lugares.

Para esta pregunta, vamos a asumir que son límites numéricos en la sección de salida del firmware. El chip debe calcular la velocidad (y altitud) antes de poder decidir si el límite está excedido, y luego presentar la solución en la salida, o bloquearla.

A 8000 m/s el desplazamiento Doppler a 2 GHz es alrededor de 0.05 MHz, una pequeña fracción del ancho natural de la señal debido a su modulación.

Hay varias compañías que venden unidades de GPS para cubesats, y son caras (cientos a miles de dólares) y probablemente valen cada centavo porque (al menos algunas de ellas) están diseñadas para aplicaciones satelitales y han sido probadas en el espacio.

Ignorando la implementación de los límites de CoCom, y todos los demás problemas de operación en el espacio además de la velocidad, ¿hay alguna razón por la cual un chip de GPS moderno especificado a una velocidad máxima de 500 m/s no podría funcionar a 8000 m/s? Si es así, ¿cuáles serían?

nota: 8000 m/s dividido por c (3E+08 m/s) da aproximadamente 27 ppm de expansión/compresión de las secuencias recibidas. Esto podría afectar algunas implementaciones de correlación (tanto en hardware como en software).

Answer 1

No aconsejaría utilizar una solución GPS integrada (que contiene MCU y firmware de código cerrado) para una aplicación satelital. Hay varias razones por las que esto podría fallar al funcionar:

1. El plan de frecuencia del frontend puede estar optimizado para un rango doppler limitado. Típicamente, el frontend de RF mezclará la señal a un IF menor de 10MHz (un IF más alto requerirá una tasa de muestreo más alta y consumirá más energía). ¡Este IF no se elige arbitrariamente! El cociente IF/tasa de muestreo debe ser no armónico para todo el rango doppler para evitar tonos espurios provenientes de errores de truncamiento de a/d en la señal muestreada. Puedes observar efectos de batido que hacen la señal inutilizable en ciertas tasas de doppler.
2. El correlador en el dominio digital necesita reproducir una réplica de la portadora y el código C/A a la velocidad correcta, incluyendo los efectos doppler. Utiliza DCOs (osciladores de control digital) para sincronizar la generación de la portadora y el código, que se ajustan a través de registros de configuración desde el MCU. El ancho de bit de estos registros puede estar limitado al rango doppler esperado para un receptor terrestre, lo que hace imposible ajustar el canal a la señal si te estás moviendo demasiado rápido.
3. El firmware tendrá que realizar una adquisición en frío si no hay una estimación de posición/tiempo disponible. Buscará en los binarios de frecuencia doppler y fases de código para encontrar una señal. El rango de búsqueda estará restringido al rango esperado para un usuario terrestre.
4. El firmware típicamente usará filtrado de Kalman para soluciones de posición. Esto implica un modelo de posición/velocidad/aceleración del receptor. Si bien la aceleración no será un problema para un satélite, el modelo fallará para la velocidad si el firmware no está adaptado para uso en órbita.

Todos estos problemas pueden ser abordados si utilizas un frontend y correlador libremente programables con un firmware personalizado. Puedes, por ejemplo, mirar Piksy.

Answer 2

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

Fuera de esa limitación dura, se convierte en un problema de comunicaciones RF, junto con diseñar tu hardware para tolerar los efectos de radiación. Tu Eb/N0 probablemente será algo mejor ya que estás (literalmente) más cerca de los SVs y evitando la pérdida de trajetoria atmosférica, pero tu circuito de recepción también necesitará tolerar una cantidad considerable de Doppler.

No es solo la posición que interesa a los CubeSats, por cierto: el tiempo GPS es una valiosa mercancía de datos que ayuda a un satélite a averiguar dónde está, dado un TLE. Incluso si el receptor se niega a darte una posición debido a COCOM, si da la hora, puede valer la pena.

Answer 3

Realmente depende de la implementación. Como ejemplo, un receptor en el que he trabajado tiene un registro de frecuencia de NCO de portadora de punto fijo en cada canal correlador, con una anchura de 17 bits. El valor máximo que se puede almacenar en este registro corresponde a alrededor de 6 km/s, y también tiene que incluir una contribución del error de frecuencia del reloj del receptor. Entonces no sería capaz de seguir a ningún satélite cuya velocidad de rango exceda ese límite, lo cual sería bastante si el receptor se está moviendo a velocidades orbitales.

Answer 4

Si este documento sobre la arquitectura de ejemplo de GPS es representativo, entonces los chips consisten en un frente 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 de Doppler. Es posible que el software descarte valores "excepcionales", pero de todas formas necesitarás reemplazar o modificar el firmware si deseas evitar los límites de CoCom.

Una pregunta más interesante es si puedes pedir prestado un simulador de GPS que pueda ser programado para simular el caso de alta velocidad. Creo que sería posible - después de todo, ¿cómo probaría un fabricante que su dispositivo está aplicando los límites de CoCom?

Answer 5

Los Cubesats se pueden utilizar con unidades GPS comerciales disponibles en el mercado que cuestan menos de 1000$. El fabricante elimina los límites, por lo que se esperaría que puedan probar con ellos eliminados. Tienen emuladores GPS o acceso a ellos.

Los límites del cocom tienen que ser eliminados por el fabricante, y el fabricante solo lo hará si puede obtener una excepción a través de su gobierno. No estoy seguro del proceso, pero sé que al menos en los EE. UU. es posible. Fuera de los EE. UU. esto puede ser casi imposible.

No conozco la precisión de la unidad GPS, pero aún hay efectos ionosféricos que deben tenerse en cuenta si vuelas en LEO. También necesitarás un sistema ADCS decente para estimar la posición de tu nave espacial.