CubesatsのGPS-消費者向けチップには8 km /秒速すぎる？

低地球軌道にある衛星は、8km /秒近くで動いています。ほとんどのコンシューマーグレードのGPSチップは、CoComの制限である1000ノット（約514 m / s）を呼び出します。CoCom制限は、この質問と回答、およびこの質問と回答などで詳細を確認できる、輸出に対する自発的な制限です。

この質問では、ファームウェアの出力セクションの数値制限であると想定しましょう。チップは、制限を超えているかどうかを判断する前に、速度（および高度）を実際に計算し、ソリューションを出力に提示するか、ブロックする必要があります。

8000 m / sでは、2 GHzでのドップラーシフトは約0.05 MHzであり、変調のために信号の自然な幅のごく一部です。

キューブサット用のGPSユニットを販売している会社はいくつかあります。それらは高価で（数百から数千ドル）、衛星アプリケーション用に設計され、宇宙でテストされているため、おそらく1ペニーの価値があります。

CoCom制限の実装、および速度以外の宇宙での操作に関する他のすべての問題を無視して、500 m / sの最大速度で指定された最新のGPSチップが8000 m / sで動作できない理由はありますか？もしそうなら、それらは何ですか？

注： 8000m / sをc（3E + 08m / s）で割ると、受信したシーケンスの約27ppmの拡張/圧縮になります。これは、相関関係のいくつかの実装に影響する可能性があります（ハードウェアとソフトウェアの両方で）。

衛星アプリケーションに統合されたGPSソリューション（MCUとクローズドソースファームウェアを含む）を使用することはお勧めしません。これが機能しない理由はいくつかあります。

1. フロントエンド周波数計画は、限られたドップラー範囲に対して最適化される場合があります。通常、RFフロントエンドは信号を10MHz未満のIFにミックスダウンします（IFが高いほど、サンプリングレートが高くなり、より多くのエネルギーを消費します）。このIFは任意に選択されたものではありません。サンプリングされた信号のa / dトランケーションエラーからのスプリアストーンを回避するために、商IF /サンプルレートはドップラー範囲全体に対して非調和でなければなりません。いくつかのドップラーレートでは信号が使用できなくなる、うなりの影響が観察される場合があります。
2. デジタルドメインコリレーターは、キャリアのレプリカとC / Aコードを、ドップラー効果を含む正しいレートで再現する必要があります。MCUからの構成レジスタを介して調整されるDCO（デジタル制御発振器）を使用して、キャリアとコード生成のペースを調整します。これらのレジスタのビット幅は、地上ベースの受信機で予想されるドップラー範囲に制限されている可能性があり、あまりに速く移動している場合、チャネルを信号に調整することが不可能になります。
3. 位置/時間の見積もりが利用できない場合、ファームウェアはコールド取得を行う必要があります。ドップラー周波数ビンとコード位相を検索して信号を見つけます。検索範囲は、地上ベースのユーザーに予想される範囲に制限されます。
4. ファームウェアは通常、位置ソリューションにカルマンフィルタリングを使用します。これには、レシーバーの位置/速度/加速度のモデルが含まれます。衛星にとって加速は問題ではありませんが、ファームウェアが軌道内での使用に適合していない場合、モデルは速度に関して失敗します。

カスタムファームウェアで自由にプログラム可能なフロントエンドと相関器を使用すれば、これらの問題すべてに対処できます。ピクシーを見てください。

COCOMをorとして実装する人もいれば、andとして実装する人もいます。いずれにせよ、EARまたはITARに基づく認定された顧客の場合、ベンダーはその機能を無効にする$$$のファームウェアオプションを喜んで販売します。ハードウェアは同じです。

その厳しい制限の外では、放射の影響を許容するようにハードウェアを設計するとともに、RF通信の問題になります。あなたのEb / N0はおそらく（文字通り）SVに近く、大気の経路損失を回避しているので多少良くなりますが、受信回路もかなりの量のドップラーを許容する必要があります。

ところで、CubeSatが関心を持っているのは位置だけではありません。GPS時間は、衛星がTLEを与えられた場合、それがどこにあるかを把握するのに役立つ貴重なデータ商品です。ココムのせいでレシーバーがポジションを与えない場合でも、時間が与えられればそれだけの価値があります。

場合例えばGPSアーキテクチャに本稿では代表的であり、その後、チップは、RFフロントエンドのデジタルドメイン内のハードウェア相関器で構成し、信号のすべての実際の復号は、ソフトウェアで実行されます。

その場合、唯一考えられる問題はドップラーです。ソフトウェアは「例外的な」値を破棄する可能性がありますが、CoComの制限をバイパスする場合は、ファームウェアを交換または変更する必要があります。

より興味深い問題は、高速ケースをシミュレートするようにプログラムできるGPS シミュレータを借りることができるかどうかです。私はそれが可能だと思っていたでしょう-結局のところ、メーカーがデバイスがCoCom制限を適用していることをどのようにテストしますか？

それは本当に実装に依存します。例として、私が取り組んだ1つの受信機には、各相関チャネルに固定小数点キャリアNCO周波数レジスタがあり、幅は17ビットです。このレジスターに格納できる最大値は約6 km / sに対応し、レシーバーのクロック周波数エラーからの寄与も含める必要があります。したがって、範囲レートがその制限を超える衛星を追跡することはできません。これは、受信機が軌道速度で動いている場合、衛星のかなりの数になります。

Cubesatは、1000ドル未満の市販のGPSユニットで使用できます。メーカーが制限を削除したので、それらを削除した状態でテストできることを期待しています。彼らはGPSエミュレーターを持っているか、それらにアクセスできます。

cocomの制限は製造元が削除する必要があり、製造元は政府を通じて例外を取得できる場合にのみそれを行います。プロセスはわかりませんが、少なくとも米国では可能であることはわかっています。米国外では、これは不可能に近いかもしれません。

GPSユニットの精度はわかりませんが、LEOで飛行している場合は、まだ考慮すべき電離層の影響があります。宇宙船の位置を推定するには、まともなADCSシステムも必要です。