Pourquoi le GPS du smartphone trouve-t-il sa position beaucoup plus rapidement qu'un module GPS?

Lorsque j'utilise le module GPS arduino, l'envoi de données prend généralement quelques minutes. Et il semble que ce soit généralement le cas de tous les modules GPS, car ils doivent "écouter" les satellites pendant un certain temps. Cependant, chaque fois que j'utilise le GPS interne de mon téléphone, il trouve sa position en quelques secondes. Pourquoi donc?

Plusieurs facteurs affectent le délai avant la première correction (TTFX) .

1. Obtenir l'almanach et les éphémérides. Ces deux choses sont techniquement un peu différentes l'une de l'autre, mais nous les traiterons de la même manière. Ce sont les emplacements des satellites, et vous avez besoin de savoir où ils se trouvent pour déterminer votre propre position. Chaque satellite transmet le tout environ toutes les 12 minutes. Donc, à partir d’un démarrage complètement froid avec un récepteur à canal unique et un signal décent, TTFX durera au moins 12 minutes. Vous pouvez accélérer les choses en:

   • Téléchargement à partir d'Internet à la place - généralement un bon choix pour les téléphones. Le téléchargement de l'almanach et de l'éphémère de cette manière s'appelle MSB Assisted GPS.
   • Se souvenir de l'almanach de la dernière fois (c'est bon pour plusieurs semaines) et ne télécharger que les éphémérides.
   • Si vous avez plusieurs canaux de réception dans l'appareil, vous pourrez ainsi écouter plus d'un satellite à la fois. Les transmissions sont échelonnées pour que cela fonctionne, et avec quelques précautions, vous pouvez utiliser les éphémérides sans almanach, ce qui vous fait gagner beaucoup de temps. De nos jours, la grande majorité des modules sur le marché ont plusieurs canaux. Il serait donc rare d'en trouver un qui nécessite encore 12 minutes.

2. Identifier les satellites. Vous devez écouter au moins trois satellites, de préférence plus, pour obtenir une bonne solution, mais chaque récepteur (appelé corrélateur) ne peut être réglé que l'un après l'autre. Si vous savez à peu près où vous vous trouvez, à quelle heure il est et si vous avez déjà un almanach, vous pouvez deviner quels satellites vous pouvez voir. Les téléphones ont tendance à savoir en quelque sorte où ils se trouvent en reconnaissant les signaux Wi-Fi ou Bluetooth, en sachant quelle tour de téléphonie cellulaire ils utilisent et d'autres sources. Ils reçoivent aussi régulièrement des mises à jour de l'heure très précises, ce qui leur permet généralement de rechercher directement le bon satellite. Les téléphones et les modules plus importants peuvent également se souvenir de la date et du lieu de leur dernière utilisation et les utiliser pour commencer.

3. Nombre de corrélateurs. En raison du très faible rapport signal sur bruit des signaux GPS, vous avez besoin d’un équipement spécial pour les recevoir. Certains récepteurs n'en ont qu'un et doivent tourner autour des satellites. D'autres ont plus et peuvent écouter plus à la fois. Donc, même si vous avez déjà un almanach / éphéméride et savez à peu près où vous vous trouvez, alors davantage de corrélateurs vous aideront quand même à réparer plus rapidement. Vous pensez peut-être que plus est toujours mieux, mais plus augmente les coûts et la consommation d'énergie. Certains téléphones et modules ont plus que d'autres.

4. Signal et antennes. Les corrélateurs feront leur travail plus rapidement si vous obtenez un bon rapport signal sur bruit. De très mauvais signaux pourraient ne pas fonctionner du tout. Une bonne conception d'antenne, un amplificateur, une vue du ciel et une bonne configuration de carte de circuit imprimé peuvent faire toute la différence. Certains modules peuvent fonctionner correctement, et beaucoup mieux avec une antenne branchée.

5. Nombre de satellites utilisables. Il existe en fait deux grandes constellations de satellites, GPS (géré par les États-Unis) et GLONASS (géré par la Russie). Il y en a aussi d'autres en construction: Galileo (UE) et BeiDou-2 (Chine) et certaines avec une couverture locale, comme les sociétés indiennes NAVIC ou BeiDou-1. Un récepteur qui peut travailler avec des satellites de plus d'une constellation a plus de satellites à choisir et obtiendra une position plus rapide et plus précise.

6. Qualité des corrélateurs. Les nouvelles conceptions matérielles sont meilleures que les anciennes et pourront mieux détecter les fragments du message GPS dans un signal bruyant. Une autre astuce que les téléphones peuvent faire est de capturer des fragments de signal et de les transmettre par Internet à un serveur doté d’un très bon corrélateur logiciel, ainsi que d’un almanach / éphéméride complet à examiner. Ceci est connu sous le nom de GPS assisté MSA.

7. Certains téléphones (et même quelques modules) peuvent également utiliser des astuces légèrement sournoises pour éviter ou masquer un long TTFX. Comme ils sont allumés tout le temps, ils peuvent allumer brièvement le GPS sans en informer l’utilisateur afin de maintenir la localisation et les éphémérides à peu près actualisées. D'autres peuvent afficher une position récente tout en attendant un correctif réel - qui ressemble la plupart du temps à un bon TTFX, mais qui a l'air mauvais s'il s'avère que la position est très mauvaise.

Le point 1 ci-dessus est la chose qui fait le plus différence, et est généralement la chose clé qui diffère entre les modules de base, les modules plus avancés et les téléphones. Les autres font généralement une différence moindre, mais cela peut en réalité devenir très compliqué. Si vous souhaitez en savoir plus, le terme "recherche du premier repère GPS" est le terme à rechercher.

Le système d'exploitation du téléphone portable télécharge les données de l'almanach GPS (éphémérides et informations d'état du satellite) sur Internet via le réseau cellulaire et les charge dans le module GPS beaucoup plus rapidement que le temps nécessaire pour les télécharger directement des satellites GPS à 50 bps ( oui, c’est 50 bits par seconde, le GPS est plutôt une technologie ancienne optimisée pour un fonctionnement avec un très faible RSB), ce qui accélère considérablement le délai de la première correction. Ceci est appelé GPS assisté. Il a aussi probablement une référence temporelle initiale très précise du modem cellulaire (les tours cellulaires sont généralement synchronisées par GPS via le temps), ainsi qu’une estimation approximative de la position du modem cellulaire. Tout cela combiné réduit considérablement le temps de recherche que doit effectuer le récepteur - il sait quels satellites il devrait pouvoir voir, il ne les recherche que, et il n’a pas besoin d’attendre que les satellites les transmettent. le message entier.

Les autres réponses ont déjà expliqué le "comment" et le "pourquoi". Il ne me reste donc que le "quoi": il s’appelle A-GPS (GPS assisté, parfois aussi GPS accéléré ou augmenté) .

En d'autres termes: la raison pour laquelle le GPS d'un téléphone fonctionne plus rapidement que le "GPS du GPS" est que le téléphone n'utilise pas le "GPS", il utilise aGPS.

Une partie de la réponse ici est que le GPS des téléphones portables n’est pas seulement le GPS. Cell utilise également d'autres informations pour la géolocalisation, telles que la triangulation des tours de téléphonie cellulaire et la visibilité des réseaux wifi. Par exemple, la version non cellulaire de l'iPad Air n'a pas de GPS réel, mais sait toujours où vous vous trouvez dans les zones construites à l'aide de ces techniques.

Je voulais juste donner un peu plus de détails sur ce qui se passe lorsque les anciens récepteurs attendent des données. En d'autres termes, pourquoi cet almanach (et cette position rappelée) est-il si utile?

Les signaux GPS sont très faibles. Vu la distance, le signal est bien en dessous du bruit de fond lorsqu'il atteint la terre. Vous ne détecteriez jamais directement le satellite si vous regardiez simplement un balayage de l'oscilloscope à la bonne fréquence.

Le récepteur obtient des informations en comparant le signal entrant à un modèle spécifique (via une corrélation FFT). Si le modèle correct est utilisé, la corrélation s'aligne et les données sont visibles.

Pour un simple récepteur à l'ancienne, arriver à ce point nécessite deux choses du corrélateur de l'appareil: la fréquence du message du satellite et la phase du message (alignement des motifs). Si l'un de ces éléments est incorrect, la corrélation échoue et rien n'est détecté. Les mouvements des satellites signifient que le signal reçu est sujet à des décalages Doppler relativement importants.

Avec un almanach en place et une bonne idée de la position et de l'heure actuelles, le récepteur peut estimer les mouvements relatifs du satellite et du récepteur pour éliminer la majeure partie du décalage Doppler et se rapprocher un peu de la fréquence. Cela signifie que le corrélateur peut généralement obtenir un résultat en essayant différentes phases pour le motif du signal. Cette recherche d’espace de phase peut être effectuée en quelques secondes.

Si l'almanach est manquant ou en l'absence d'estimation de la position et de l'heure actuelles, le système doit essayer différentes phases et différentes fréquences pour obtenir les données de chaque satellite. Maintenant qu’il faut chercher dans deux dimensions différentes, même un système multicanal peut prendre quelques minutes pour "trouver" 3 satellites par force brute.

Les jeux de puces modernes peuvent utiliser des signaux supplémentaires et de nombreux comparateurs parallèles pour accélérer la recherche, même en l'absence d'A-GPS. Je pense que le chipset que vous obtenez sur un bouclier Arduino est probablement plus ancien et moins cher et n'utilisera pas ces nouvelles fonctionnalités.

Aux États-Unis, la FCC a demandé aux opérateurs de téléphonie mobile de pouvoir identifier l'emplacement de l'appelant lorsqu'ils appelaient les services d'urgence dans un rayon de 300 mètres dans les 6 minutes suivant l'appel initial, avant le 11 septembre 2012.

Ce processus a été mis en place progressivement au cours des années précédentes et les exigences en matière de distance et de temps par rapport au lieu ont été resserrées au cours des dernières années.

Les compagnies de téléphonie mobile ne pouvaient pas garantir cela dans les zones reculées où seulement une ou deux tours cellulaires étaient en contact avec le téléphone mobile, ni dans les environnements urbains où les réflexions et la densité de construction empêchaient la localisation, même lorsque le téléphone disposait de plusieurs tours. Les puces GPS ne pouvaient pas fournir cela dans les délais requis avec une puissance suffisamment faible pour que le téléphone portable soit toujours viable sur le plan commercial (au moment de l'introduction de l'exigence. Les chipsets sont maintenant beaucoup plus efficaces en énergie et plus rapides, en partie à cause de l'exigence chaque téléphone comprend tout ou partie d’un jeu de puces GPS). De plus, les jeux de puces GPS étaient très coûteux par rapport aux autres composants du téléphone.

Ils ont donc créé quelques systèmes concurrents différents qui relèvent tous du surnom "AGPS" pour le GPS assisté.

La technologie qui se cache derrière ces différents systèmes AGPS diffère, parfois considérablement.

Les systèmes AGPS cellulaires les moins chers enregistrent plusieurs millisecondes du signal RF GPS et l'envoient au serveur AGPS qui, connaissant l'emplacement approximatif du téléphone, peut utiliser cet extrait GPS RF pour déterminer une position beaucoup plus précise. Ces téléphones ne peuvent pas obtenir les coordonnées GPS sans une bonne connexion cellulaire.

Certains possèdent des jeux de puces GPS complets, mais autorisent le téléphone à leur fournir l'almanach et les éphémérides - deux informations qui permettent au jeu de puiser une solution en quelques secondes - après quoi il utilise ses méthodes habituelles pour produire des résultats de position. Avec le temps, ces téléphones peuvent obtenir une position indépendante de leur réseau.

La plupart des jeux de puces GPS vous permettent de charger des éphémérides et des informations d'almanach. Par conséquent, si votre périphérique Arduino dispose d'une connexion Internet et que vous avez accès à un serveur AGPS, vous pouvez accélérer votre position GPS de la même manière. Cependant, pour la plupart des projets, le simple fait d'ajouter une pile bouton au lithium à la broche droite du récepteur GPS lui permet de conserver la dernière mise à jour des almanachs et des éphémérides; tant que l'appareil n'a pas parcouru des milliers de kilomètres et est sous tension tous les deux ou trois jours.