Detectando sinais de GPS
- Existem apenas cerca de 30 satélites GPS para atender o planeta inteiro. É um projeto semelhante à ideia de que os servidores DNS do mundo todo começam a partir de 13 servidores-raiz.
- Os sinais de GPS estão sempre ao nosso redor, independentemente da altitude ou do clima. Se entendermos a linguagem das ondas eletromagnéticas que atravessam nosso corpo, podemos descobrir nossa localização exata em qualquer lugar.
- O GPS é um dos projetos de geoengenharia mais ousados que a humanidade já tentou. Com uma antena e determinação, é possível perceber seus vestígios.
Sinais fracos de GPS
- A intensidade do sinal transmitido pelos satélites GPS é comparável à de uma lâmpada doméstica, mas quando chega ao solo fica extremamente fraca.
- É como enxergar a luz de uma lâmpada piscando 1 milhão de vezes por segundo a 20 mil km de distância. Ainda assim, até esse piscar tão fraco pode ser detectado, decodificado e compreendido para uso prático.
- Como o sinal de GPS é muito fraco, é difícil cobrar pelo serviço de GPS. Do ponto de vista do satélite, ele simplesmente continua transmitindo o sinal.
Ouvindo o sinal de GPS
- O GPS é transmitido por ondas eletromagnéticas, ou seja, é como rádio. A frequência é um fator importante.
- Para receber o sinal de GPS, é necessário um rádio definido por software (SDR) ajustado para a frequência do GPS.
- Ao configurar o SDR e ajustar bias tee, AGC, correção de IQ etc., é possível explorar o espectro.
Capturando sinais fracos
- O sinal de GPS que chega ao solo é 100 mil vezes mais fraco do que o ruído ao redor. Em outras palavras, fica mais de 50db abaixo do ruído térmico.
- Ainda assim, o GPS consegue identificar e decodificar o sinal no meio do ruído por meio de técnicas de processamento de sinais.
- O GPS usa o código C/A, conhecido tanto pelo satélite quanto pelo receptor. O satélite o retransmite repetidamente 1000 vezes por segundo.
- O receptor continua acumulando o sinal recebido e o compara com o sinal C/A esperado. O ruído converge para média 0, enquanto o sinal C/A vai crescendo gradualmente.
- Isso é chamado de espectro espalhado por sequência direta, e para aplicar isso a vários satélites usa-se a técnica de acesso múltiplo por divisão de código.
- Os dados reais são transmitidos sobre o código C/A. O C/A é transmitido a 1 milhão de bits por segundo, enquanto os dados são transmitidos a 50 bits por segundo.
Geração do código C/A
- Cada satélite GPS tem seu próprio código C/A exclusivo. Ele está definido na especificação civil do GPS.
- Há muitos métodos online para gerar o código C/A, mas pouco código real disponível, então o autor compartilha o código que gerou por conta própria.
Detecção do sinal dos satélites GPS
- O receptor cria cópias dos códigos C/A dos 32 satélites e faz a correlação cruzada com os dados recebidos pela antena.
- O sinal recebido sofre distorções, como desvio Doppler e diferença de fase.
- O receptor precisa considerar, para cada satélite, o código C/A, a faixa esperada de desvio Doppler, a diferença de fase e outros fatores.
- A carga computacional da etapa de detecção é alta. Muitas pesquisas de otimização vêm sendo realizadas.
- A correlação cruzada no domínio da frequência permite tratar a diferença de fase e o desvio Doppler de uma só vez.
- Uma busca binária é usada para encontrar o desvio Doppler que apresenta a correlação mais forte.
Opinião do GN⁺
- O GPS é uma tecnologia impressionante, mas resulta de uma combinação sofisticada de tecnologias existentes. Não é uma tecnologia revolucionária totalmente nova.
- É possível receber GPS com hardware dedicado, mas o fato de isso também poder ser feito por software é um grande avanço. A tendência de substituir funções de hardware por software provavelmente vai se acelerar daqui para frente.
- O fato de o sinal de GPS ser fraco pode ajudar na segurança. Interferência intencional ou spoofing se tornam mais difíceis.
- O GPS começou como tecnologia militar, mas, ao ser aberto ao uso civil, teve uma explosão de aplicações. Tornar a tecnologia pública e compartilhá-la acelera a inovação.
- Os primeiros receptores GPS eram grandes e caros, mas agora estão em todos os smartphones. Isso mostra o processo em que a tecnologia evolui, se populariza, fica mais barata e é miniaturizada.
1 comentários
Comentários do Hacker News
Os receptores mais recentes com amostragem direta de RF operam rápido o suficiente para processar sinais de GPS, e produtos como o Xilinx RFSoC e o FlexRIO da NI já estão no mercado. Ainda assim, os preços continuam altos.
O GPS foi lançado em 1978, e hoje mais da metade da população vive sem conhecer uma época sem GPS. Até 2000, o recurso Selective Availability reduzia deliberadamente a precisão, então ele não ajudava tanto assim no dia a dia.
A velocidade com que o gypsum determina a posição a partir de um cold start em menos de 1 minuto é superior à dos receptores comerciais atuais. No passado, os primeiros receptores comerciais levavam de 15 a 20 minutos para obter a posição.
Antigamente, receptores GPS capazes de navegação enquanto se deslocavam a mais de 600 m/h eram classificados pelo ITAR como material militar. Hoje, as regras ficaram mais complexas, e não está claro se isso ainda se aplica.
Se você tirar fotos com um iPhone durante um voo, depois do pouso as fotos ficam com informações de localização registradas, o que permite procurar depois por alguma formação geográfica curiosa.
O GPS funciona mesmo no modo avião e também sem rede celular ou Wi‑Fi. Como é operado pelos EUA e pode ter o serviço bloqueado em regiões específicas quando necessário, vários países estão desenvolvendo seus próprios sistemas de navegação por satélite.
Os satélites de GPS transmitem não a posição, mas apenas informações de tempo. É interessante que a navegação astronômica também dependa de tempo preciso.
Dá para encontrar no YouTube o livro "GPS Declassified", que descreve de forma interessante o processo de desenvolvimento do GPS, e o documentário "The Lonely Halls Meeting", com entrevistas com os desenvolvedores.