Gps в смартфоне: Что такое GPS и как он работает на мобильных телефонах

Что такое GPS и как он работает на мобильных телефонах

6 сентября 2019

Жизнь уже никогда не будет прежней. Смартфоны и мобильные телефоны; планшеты, компьютеры и ноутбуки; умные часы и другие гаджеты слишком прочно вошли в нашу жизнь, предоставляя нам максимум самой разной информации изо дня в день. Разнообразные каналы, средства коммуникации и передачи данных окружили планету со всех сторон. Среди всего этого электронного разнообразия GPS  играет не последнюю роль и предоставляет нам точные координаты. И как люди раньше без этого обходились? А все ли знают сейчас, как вообще работает GPS? И что это такое? В данной статье постараемся дать максимально понятное объяснение о том, как работает навигационная система GPS — это действительно очень интересно!

• Принцип работы любой навигационной системы можно описать следующим образом: на орбите летает несколько спутников, которые представляют из себя максимально точные летающие атомные часы с антеной и солнечной батареей. Они излучают радиосигнал, в котором содержиться точное время. Этот сигнал движется к приемнику со скоростью света. В качестве приемника может выступать смартфон, планшет или специальный навигатор. Внутри смартфона есть мобильный процессор, который отвечает не только за вычисления. Одной из важных частей процессора является модем — он принимает сигнал от вышек сотовой связи, Wi-Fi, блютуз и многое другое. Иногда такой модем не являться частью процессора, а представляет из себя отдельный чип на плате. Когда модем в смартфоне получает сигнал от GPS спутника, он сопоставляет время отправленное спутником и свое время, а после этого определяет разницу. Таким образом, зная скорость сигнала и время, которое потребовалось на его прохождение, приемник вычисляет на каком расстоянии от него находится спутник.
• Имея три набора данных от трех разных спутников и зная их точное положение на земной орбите можно вычислить координаты приемника. Спутники двигаются на постоянной орбите с постоянной скоростью и их координаты в каждый отрезок времени известны с высокой точностью.
  Эти данные собраны в таблицы, которые имеют название “альманахи”. Такими таблицами должен обязательно располагать любой спутниковый приемник до начала изменений. В случае со смартфоном, альманах хранится в прошивке радиомодуля. Имея минимум три набора данных с трех разных спутников появляется возможность определить местоположение приемника. Однако для получения более точных результатов и во избежание ошибок (которые все-таки являются возможными), всегда используются данные четвертого спутника. Таким образом, данные с 4-х спутников — это тот минимальный набор данных, который необходим для работы GPS функции. Так, чем больше спутников может видеть надежный смартфон, тем быстрее и точнее он сможет определить свое местоположение. Именно с этой целью производители чипов внедряют в свои устройства поддержку максимального количества навигационных систем.
• Для того, чтобы определить сколько конкретно спутников может определить каждый конкретный смартфон, необходимо воспользоваться данными специального приложения — например, GPS Test. Если во время проверки смартфон видит много спутников за короткое время, значит такой смартфон хорошо принимает данные спутников GPS. В современных смартфонах по умолчанию существует поддержка GPS, GLONASS и Бэйду. В последнее время к этому списку можно добавить и европейскую сеть Galileo. За счет такого количества навигационных систем, современные сенсорные телефоны, они же смартфоны, могут собирать информацию о местоположении с разных спутников всех доступных навигационных систем, консолидировать полученные данные и выдавать пользователю смартфона максимально точный и качественный результат.
• Навигация в смартфонах не ограничивается лишь спутниками GPS. Для того, чтобы повысить скорость и точность навигации, часто используются дополнительные данные с вышек самой мобильной связи. По этим данным, мобильные телефоны определяют свое местоположение с точностью от 200 до 1500 метров, после чего подгружает данные из сети о имеющихся спутниках в данный момент в данном месте, и на основе полученной информации максимально эффективно и целенаправленно принимают необходимый сигнал.

Новый комментарий

Войти с помощью

Отправить

Где в смартфоне навигационный чип? Часть 1 / Хабр

Если спросить разработчика-железячника чем ему нравится его работа, многие ответят, что возможностью пощупать результат своего труда. Это приятное чувство, когда плата в руках. Она точно такая, как ты её представлял, как ты её придумал. Моргает светодиодами, впивается в руку острой гранью, оставляет след. Это не «бездушный софт», который не покажешь ребенку и не положишь под стекло на выставке.

Но у меня есть ощущение, что эта радость постепенно уходит в прошлое. Покажу на примере приемников спутниковых навигационных систем.

Что такое ГНСС приемник? С системной точки зрения, это один из трех компонентов системы в одном ряду с сегментом космических аппаратов и сегментом контроля и управления.

Навигационный приемник — это устройство, которое:

• находится у пользователя,

• принимает сигналы спутников и

• предоставляет на их основе PVT (position, time, velocity) сервис

Но где границы этого устройства? Если пользователем выступает человек, то от приемника потребуются экран и кнопки. Если потребитель — это другой элемент комплекса, то может быть достаточно посылки нескольких байт по проводному интерфейсу. Включать ли в навигационный приемник блок питания? Обязателен ли ему корпус? Является ли навигационным приемником программа, запущенная на персональном компьютере, и обрабатывающая запись сигнала? А сигнальный процессор, обрабатывающий предварительно перенесенный на промежуточную частоту и оцифрованный процесс?

Что такое типичный навигационный приемник в 2022 году?

По оценкам на 2021 год из 6.5 млрд навигационных приемников, которыми пользуется человечество, около 6 млрд находятся в смартфонах, планшетах, умных часах и подобных устройствах. Такое количественное распределение, несмотря на низкую стоимость приемников этого типа, приводит к соответствующим финансовым показателям. Ещё недавно около 40% выручки от продаж навигационных приемников приходилось на компании Qualcomm и Broadcom, специализирующихся на микросхемах для мобильных устройств.

Если ещё несколько лет назад прием ГНСС сигналов осуществлялся отдельным чипом, то сейчас производители пошли по пути объединения функций в системах-на-кристалле (СНК, англ. System-on-Chip). Такие микросхемы заменяют модули различного назначения: процессоры сигнальной обработки, приемники, видео акселераторы, процессоры приложений и т.п. Лидерами по производству систем-на-кристалле являются такие компании как Apple (серия A), Qualcomm (серия Snapdragon), Broadcom, MediaTek (серия Helio), Samsung (серия Exynos), Huawei (серия Kirin).

iPhone 3G и 3GS

Рассмотрим как эволюция навигационных приемников мобильных телефонов привела их в состав микросхем общего назначения на примере линейки смартфонов Apple iPhone.

Плата телефона Apple iPhone 3G с размещенной на ней микросхемой навигационного приемника Infineon PMB 2525

Первым iPhone’ом, получившим спутниковую навигацию, стал вышедший в 2008 году iPhone 3G. Телефон был построен на базе 32-битного процессора от Samsung и содержал множество специализированных микросхем. В качестве одной из таких микросхем использовался отдельный GPS-чип Infineon PMB 2525 Hammer-head II (извините за ссылки на мусорные сайты, официальные недоступны из России). Размеры чипа составляют 3.59 x 3.75 мм, для производства использовался технологический процесс 130 нм. В корпусе объединены и радиочастотный блок, и блок цифровой обработки, что существенно упрощает использование такого решения в мобильном телефоне с высокой плотностью расположения элементов. Разработчику остается обеспечить питание, тактовый сигнал, интерфейс к основному процессору, фильтры и антенну.

В приемнике PMB 2525 реализована технология A-GPS, позволяющая получать данные о движении спутников и время с помощью сотовой сети, с помощью чего сокращается время старта. Время получения первого решения (англ. TTFF — time to first fix) — одна из базовых характеристик приемника, численно выражающаяся в количестве секунд от включения приемника до получения пользователем первых оценок координат. Производителем Infineon PMB 2525 заявлено, что при использовании технологии A-GPS и доступности сотовой сети, время получения первого решения составляет одну секунду. Естественно, к таким заявлением производителя стоит относиться с долей скепсиса, т.к. такие характеристики вне лабораторных условий маловероятны и являются оптимистичными даже на сегодняшний день. В отсутствии сотовой сети TTFF составляет около 30 секунд.

Другая важная характеристика, заявленная в документации на приемник, — чувствительность, т.е. способность приемника работать при низком уровне сигнала. Численно она выражается в минимально допустимой мощности сигнала на выходе антенного элемента и составляет для данного приемника минус 160 дБм (дБм — отношение рассматриваемой мощности к 1 мВт, выраженное в дБ) в режиме слежения. Иначе говоря, приемник сдастся, только когда мощность одного навигационного сигнала упадет меньше 100 зептоватт (100 x 10^-21). Высокая чувствительность особенно актуальна в сотовых телефонах, т. к. в них используются миниатюрные антенны с изрезанными диаграммами направленности и большими потерями. В iPhone 3G она к тому же объединена с антенной WiFi и BT.

Структурная схема Apple iPhone 3GS

Аналогичный чип Infineon PMB 2525 продолжил использоваться в следующем Apple iPhone 3GS

iPhone 4 и 4S

Существенным шагом вперед стал выпуск Apple iPhone 4 в 2010 году. Большой экран, производительные процессоры, новые камеры, новые стандарты связи, увеличение времени автономной работы — всё это требовало увеличения размеров аккумулятора. Чтобы освободить место под батарею, начали сжимать электронику. Плата iPhone стала в несколько раз меньше по сравнению с предыдущим поколением, разместилась с боку от аккумулятора. Она приобрела вытянутую форму, характерную для современных телефонов, с плотным двусторонним монтажом. Антенны, в том числе и ГНСС, стали частью металлического корпуса телефона.

В условиях дефицита площади на печатной плате, число специализированных микросхем резко упало. Их начали объединять в единые системы на кристалле. Так, iPhone 4, содержал первый СНК Apple A-серии, а именно Apple A4. На одной кремниевой подложке объединились и процессор приложений ARM, и графическое ядро, а к ним на этапе сборки микросхемы добавлялись кристаллы SDRAM оперативной памяти.

Apple iPhone 4 выпускался в двух версиях для использования в разных сетях связи: GSM и CDMA, но эти версии отличались и навигационными приемниками!

В версии GSM использовалась специализированная микросхема навигационного приемника Broadcom BCM4750

ГНСС-чип Broadcom BCM4750 на плате телефона iPhone 4 версии GSM (металлический защитный экран снят, источник ifixit.com)

Как и Infineon PMB 2525, чип от Broadcom являлся микросхемой высокой интеграции, он содержал радиочастотный блок диапазона L1 GPS и блок цифровой обработки. Микросхема выполнялась по технологическому процессу 90 нм, в цифровой части содержала процессор, 24 корреляционных канала и блок быстрого поиска. Производитель заявляет чувствительность слежения на уровне минус 162 дБм и всё ту же активную работу с A-GPS.
Особый упор в продвижении микросхемы делался на её низкое энергопотребление, которое в режиме слежение могло опускаться до 13 мВт. В носимых приложениях энергопотребление приемника выходит на первый план, т.к. определяет время пользования устройством от зарядки до зарядки. Средний расход 13 мВт является прекрасным показателем и достигается в режиме периодического включения модуля. В телефон устанавливался литий-полимерный аккумулятор с напряжением 3.7 В и емкостью 1420 мАч, от которого бы данный приемник, в теоретическом пределе, мог бы работать до 100 часов. Для сравнения, специализированные помехоустойчивые приемники имеют потребление на 3 порядка выше, а значит расправились бы с таким аккумулятором в одиночку за пять минут.

В CDMA версии разработчики отказались от специализированного чипа и реализовали функции навигационного приемника с помощью микросхемы Qualcomm MDM6600. Эта микросхема — в первую очередь сотовый модем, и, что необычно для многоканальных больших модемов того времени, он содержит в одном корпусе как аналоговую, так и цифровую части. В этой микросхеме совмещается многоканальный радиочастотный блок HJ11-VF535-200 (т.н. RF transceiver), один из каналов которого настроен на GPS L1, и блок цифровой обработки HJ11-VJ130 (т.н. baseband processor). В основном он загружен работой с сотовыми сигналами, но помимо этого, обрабатывает и сигналы GPS С/A. Корпорация Qualcomm назвала соответствующий набор программно-аппаратных средств IZat gpsOneGen 8, и, как видно по индексу, это не первый навигационный приемник компании.

Чип Qualcomm MDM6600 на плате Apple iPhone 4 версии CDMA (источник ifixit.com)

Стоит отметить, что со связным модемом объединили в первую очередь ГНСС, а не такие технологии как WiFi или Bluetooth. Причина в активной поддержке работы навигационного приемника от сотовой сети. Для быстрого старта ему нужна информация о текущем времени и эфемериды спутников, всё то, что предоставляет A-GPS посредством сигналов сотовой сети. Оказалось проще и надежней реализовать навигацию в сотовом модеме, чем налаживать взаимодействие между модемом и отдельным навигационным чипом. Работа инженеров положительно сказалась на опыте использования устройства, потребители отметили лучшую работу навигации в CDMA версии телефона: он быстрее давал первое решение и лучше работал в сложных условиях.

Ещё одной новинкой в iPhone 4 стал трёхосевой гироскоп STMicroelectronics L3G4200D, что вместе с акселерометром позволяет реализовать, например, пешеходную систему счисления пути (PDR).

Модель iPhone 4S, вышедшая в 2011 году, получила поддержку ГЛОНАСС за счет использования обновленной микросхемы сигнальной обработки Qualcomm MDM-6610 и доработки программного обеспечения. ГЛОНАСС использовался в дополнение к GPS в плохих условиях приема: при низком отношении сигнал/шум или малом числе видимых спутников. В телефоне использовался трёхосевой гироскоп STMicroelectronics L3G4200D и трехосевой акселерометр STMicroelectronics LIS331DLH.

Таким образом, мы наблюдаем шаг объединения в одной микросхеме разных систем, после которого вычленить навигационный приемник, посчитать его стоимость, потребление, размер, можно лишь косвенно. При этом версия навигационного приемника может обновляться вместе с прошивкой телефона, которая за время жизни модели успевает пройти около сотни версий.

Как эволюционировали навигационные приемники в последующих моделях сотовых телефонов Apple рассмотрим во второй части статьи. Stay tuned 🙂

Антенны GPS на мобильных телефонах

Практически каждый современный смартфон теперь имеет GPS-антенну. Антенны GPS несколько уникальны, в что их пропускная способность довольно мала. Частота GPS составляет 1,575 ГГц, пропускная способность практически отсутствует. Однако антенны GPS часто также поддерживают российскую службу GPS, известную как ГЛОНАСС, которая расширяет требуемая полоса пропускания примерно до 1,605 ГГц.

Сигналы GPS от спутников GPS Правосторонняя круговая поляризация. Однако из-за трудностей с включением поляризации RHCP в небольших устройствах антенны GPS обычно вертикально поляризованный.

Обратите внимание, что GPS-антенны на смартфонах являются только приемными антеннами, поэтому вам не нужно беспокоиться о любые проблемы с передачей (SAR, излучение, требования TRP и т. д.).

Таким образом, требования к GPS-антеннам связаны с Общая изотропная чувствительность (TIS). Чувствительность приемников GPS находится в диапазоне (-163, -155) дБм. Требования к спутниковая съемка, как правило, указывает минимальную чувствительность порядка -145 дБм. Следовательно, если известна чувствительность приемника, наряду с требуемой чувствительностью можно определить приблизительная требуемая эффективность антенны GPS. КПД антенны GPS обычно составляет от -3 дБ до -9 дБ.дБ.

Антенна GPS чаще всего используется в портретном режиме, что означает, что мобильный телефон держится в руке вертикально. В связи с этим целесообразно, чтобы антенна имела диаграмма направленности который направлен вверх, а не вниз.

Следовательно, существуют альтернативные показатели, которые также используются помимо TIS. TIS является мерой чувствительности при усреднении «по всей 3D-сфере». UHIS (изотропная чувствительность верхней гемосферы) вычисляет чувствительность телефона только по верхней полусфере (т. е. игнорируя направления вниз), как показано на рисунке 1:

Рисунок 1. Иллюстрация UHIS (измерение чувствительности верхнего полушария) для GPS.

Другим распространенным показателем является PIGS, или частичная изотропная чувствительность GPS, которая усредняет чувствительность. по всем углам от 90 градусов над горизонтом до 30 градусов ниже горизонта:

Рисунок 2. Иллюстрация PIGS (частичная чувствительность) для GPS.

Половина волны на частоте GPS (1,575 ГГц) составляет около 9,5 см или 3,75 дюйма. Это значит, что нам нужно будет снова использовать наземную плоскость нашего смартфона (шасси) в качестве одного из рычагов нашего дипольная антенна. Кроме того, поскольку антенна GPS используется, когда пользователь держит телефон вертикально, обычно они держат руки на нижнем конце устройства. Поэтому мы предпочитаем иметь GPS антенну к верхней части устройства. Это проиллюстрировано для ладонного предусилителя на рисунке 3:

Рис.

3. Иллюстрация антенны GPS на Palm Pre.

На рис. 3 видно, что Palm использовала боковую Антенна ИФА. Расположение антенны GPS, вероятно, было выбрано, чтобы увеличить расстояние между двумя сотовыми антенны. Это увеличивает изоляцию, что полезно для максимизации эффективности антенны. Изоляция, вероятно, также была увеличена из-за поляризации антенн GPS и сотовых антенн. был ортогонален (GPS здесь кажется горизонтально поляризованным, антенны сотовой связи имеют вертикальную поляризацию).

Конструкция антенны GPS для мобильных устройств в основном будет состоять из первого определения требуемой эффективности антенны (чувствительность приемника GPS — требуемая TIS). Затем базовые IFA или Антенны PIFA можно попробовать (используя корпус телефона в качестве заземляющего слоя). Затем конструкцию можно оптимизировать и настроить с учетом учитывайте все близлежащие компоненты, которые мешают работе антенны (например, камера, батарея, пластик и т.

 д.).

С точки зрения иерархии проектирования, параметры для оптимизации перечислены ниже в порядке важности: 1. Эффективность антенны

2. Диаграмма направленности (лучше перекос вверх)

3. Изоляция от других антенн

4. Поляризация RHCP

Эффективность антенны является наиболее важной, а оптимизация поляризации наименее важной.

В следующем разделе мы рассмотрим Дизайн антенны WIFI для мобильных устройств.

Выделенный GPS или смартфон? | The Outdoor Life

Часто эта тема поднимается снова и снова, и я подумал, что пришло время изложить свои мысли по этому поводу. Я не защищаю единственный источник для навигации, просто почему DGPS намного надежнее, чем смартфон. ВСЕГДА, всегда имейте запасной план!

Почему выделенный GPS (DGPS) намного лучше любого смартфона!

Любой, кто путешествует в отдаленные районы, где сотовая связь ограничена или недоступна, получит более точную информацию, поскольку специальные устройства GPS подключаются к спутниковой сети более последовательно и чаще.

Смартфоны используют триангуляцию от вышек сотовой связи, прежде чем использовать спутники GPS для вычисления вашего текущего местоположения, что гораздо менее точно. Выделенный GPS будет гораздо чаще пинговать выделенный спутник, чтобы обеспечить более точные показания высоты, записанный пробег, скорость и изменения высоты до 3 футов в некоторых случаях.

DGPS использует реальную информацию о топографической карте, чтобы заранее сообщить вам о топографических особенностях, которые могут помешать вашему походу, будь то каньоны, горы, реки или другие препятствия.

Устройству DGPS не требуется сотовая сеть для карт, пересчета маршрута, поворота за поворотом (даже на тропах), местоположения достопримечательностей или тарифного плана.

DGPS более надежен, водонепроницаем, имеет большее время автономной работы, сменные батареи, а также отличается прочностью и устойчивостью к внешним воздействиям. Смартфоны не созданы специально для активного отдыха. Влажности, дождя, пересеченной местности, капель и другого износа на тропах может быть достаточно, чтобы сделать его бесполезным.

Техническое время: Сотовые телефоны пингуют только фактический спутник, чтобы проверить информацию триангуляции для определения местоположения, даже если используется приложение типа GPS.

В настоящее время во всем мире на орбите находится только 32 спутника GPS, принадлежащих правительству США, а сеть спутников была полностью введена в эксплуатацию только в 1995 году с первыми 24. У России есть своя система ГЛОНАСС, у Европейского Союза есть своя система Galileo, а у Китая имеет свою систему BeiDou. В настоящее время ГЛОНАСС является единственной другой системой, обеспечивающей покрытие по всему миру. Спутники GPS служат всего около 10 лет и часто нуждаются в обслуживании в течение своего срока службы, поэтому в настоящее время на орбите находятся 32 спутника, но для покрытия земного шара требуется всего 24, остальные в основном являются резервными.

GPS-пинг — не единственная цель этих спутников. Это военное оборудование, которым вооруженные силы США пользуются в своих целях. GPS может получить показания пинга только тогда и только тогда, когда GPS доступен для его передачи.

Стандартный приемник GPS прослушивает радиосигналы на определенной частоте, в то время как спутники отправляют закодированные во времени сообщения на той же частоте. Каждый спутник имеет атомные часы и также передает текущее точное время. Приемник GPS выясняет, какие спутники он может слышать, а затем начинает собирать эти сообщения. Сообщения включают время, текущее положение спутников и некоторые другие сведения. Поток сообщений медленный — это для экономии энергии, а также потому, что все спутники передают на одной частоте, их легче распознать, если они идут медленно. Из-за этого, а также количества информации, необходимой для правильной работы, определение местоположения с помощью обычного GPS может занять 30-60 секунд. Когда он знает положение и временной код по крайней мере 3 спутников, приемник GPS может предположить, что он находится на поверхности земли, и получить хорошие показания. 4 спутника нужны, если вы не на земле и вам нужна еще и высота. Итак, запомните эти 30-60 пингов для стандартного GPS.

На сотовые телефоны: В целях экономии большинство сотовых телефонов совместно используют компоненты приемника GPS с компонентами сотовой связи, и поэтому вы не можете получить исправление и говорить одновременно. Поскольку людям это не нравится, и это самая дешевая форма доступного оборудования GPS, сотовые компании будут использовать свои собственные технологии следующим образом:

Ваш мобильный телефон будет получать большую часть информации от сотовой компании и вышек для передачи на GPS-приемник. Частично это грубая информация о местоположении, основанная на том, что сотовые вышки могут «слышать» ваш телефон, поэтому к этому времени они уже знают ваше местоположение с точностью до городского квартала или около того посредством триангуляции. Затем ваш сотовый телефон переключится с сотовой связи на GPS на долю секунды и соберет необработанные данные GPS с 3 спутников (заметьте, через случайные промежутки времени, установленные правительством США и поддерживаемые сотовыми компаниями), а затем переключится обратно в режим сотовой связи. Затем ячейка отправляет необработанные данные GPS в вашу сотовую компанию, где ваша сотовая компания обрабатывает эти данные (действуя как автономный приемник GPS) и отправляет местоположение обратно на ваш телефон для использования вашим телефоном и приложениями. Шоу-пи!

Это экономит много денег на конструкции телефона и разгружает 24 спутника GPS. Но это оказывает большую нагрузку на полосу пропускания сотовой связи, и с учетом большого количества поступающих запросов требуется много быстрых серверов обработки для управления всеми этими данными. Давайте представим это в перспективе: общий объем продаж DGPS в 2015 году превысил около 40 миллионов единиц. Из них 36 % приходится на переносные наружные блоки (~14,4 м). В 2015 году количество мобильных телефонов превысило 1,45 миллиарда! Тем не менее, в целом сотовые компании могут быть дешевле и быстрее в реализации. Однако они неохотно выпускают полные функции, основанные на GPS, на сотовых телефонах из-за затрат и нагрузки, которую многие устройства будут возлагать на 24 спутника, которые просто отключат их — и точка! Вот почему сотовый телефон не может полностью использовать систему GPS, и поэтому они жестко регулируются Федеральной комиссией по связи (FCC).

Все еще со мной? Теперь, когда вы знаете, что вы знаете, и вы знаете, что запросы регулируются, и вы знаете, что вышки, пропускная способность и связь сотовой компании в значительной степени зависят от местоположений — что происходит, когда вы попадаете в районы с плохим обслуживанием или районы без обслуживания совсем? Единственное, что осталось для вашего телефона, это спутники GPS с очень ограниченными длительными интервалами!

Теперь, когда технология прогрессирует, пакеты данных становятся меньше, а скорость передачи выше, строятся новые башни, сотовые телефоны по-прежнему будут использовать спутники GPS для отслеживания местоположения, но они будут полагаться на них все меньше и меньше. Но, и это большое но, пинг спутников GPS по-прежнему регулируется различными правительствами в отношении того, как часто одно устройство может пинговать свои спутники. Даже приемники DGPS имеют определенный интервал, в течение которого им разрешено пинговать спутник.