Globalny System Pozycjonowania - Global Positioning System

Globalny System Pozycjonowania (GPS)
Logo NAVSTAR GPS.png

Kraj(e) pochodzenia Stany Zjednoczone
Operator(y) Siły Kosmiczne USA
Rodzaj Wojskowe, cywilne
Status Operacyjny
Zasięg Światowy
Precyzja 500-30 cm (16-0,98 stopy)
Rozmiar konstelacji
Wszystkie satelity 77
Satelity na orbicie 31
Pierwsze uruchomienie 22 lutego 1978 ; 43 lata temu ( 22.02.1978 )
Razem uruchomień 75
Charakterystyka orbity
Reżim(y) 6x samoloty MEO
Wysokość orbity 20180 km (12540 mil)
Inne szczegóły
Koszt 12 mld USD
(początkowa konstelacja)
750 mln USD rocznie
(koszt operacyjny)
Koncepcja artystyczna satelity GPS Block II-F na orbicie okołoziemskiej.
Cywilne odbiorniki GPS („ urządzenie nawigacyjne GPS ”) w aplikacji morskiej.
Air Force Przestrzeń poleceń Senior Airman przebiega przez listę kontrolną podczas operacji satelitarnych Global Positioning System.

Global Positioning System ( GPS ), pierwotnie Navstar GPS , to radionawigacji satelitarnej opartej na systemie własnością rządu Stanów Zjednoczonych i jest zarządzana przez United States Kosmiczną Mocą . Jest to jeden z globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS), który dostarcza informacje o geolokalizacji i czasie do odbiornika GPS w dowolnym miejscu na Ziemi lub w jej pobliżu, gdzie nie ma przeszkód w zasięgu co najmniej czterech satelitów GPS. Przeszkody, takie jak góry i budynki, mogą blokować stosunkowo słabe sygnały GPS .

GPS nie wymaga od użytkownika przesyłania żadnych danych i działa niezależnie od odbioru telefonicznego lub internetowego, chociaż technologie te mogą zwiększyć użyteczność informacji pozycjonowania GPS. GPS zapewnia krytyczne możliwości pozycjonowania użytkownikom wojskowym, cywilnym i komercyjnym na całym świecie. Rząd Stanów Zjednoczonych stworzył system, utrzymuje go i kontroluje oraz udostępnia go swobodnie każdemu, kto ma odbiornik GPS.

Projekt GPS został rozpoczęty przez Departament Obrony USA w 1973 roku. Pierwszy prototyp statku kosmicznego został wystrzelony w 1978 roku, a pełna konstelacja 24 satelitów została uruchomiona w 1993 roku. Lata 80. po wydaniu rozkazu prezydenta Ronalda Reagana po incydencie Korean Air Lines Flight 007 . Postępy w technologii i nowe wymagania dotyczące istniejącego systemu doprowadziły obecnie do wysiłków zmierzających do modernizacji GPS i wdrożenia nowej generacji satelitów GPS Block IIIA oraz systemu kontroli operacyjnej nowej generacji (OCX). Ogłoszenia wiceprezydenta Ala Gore'a i administracji Clintona z 1998 roku zapoczątkowały te zmiany, które zostały zatwierdzone przez Kongres USA w 2000 roku.

W latach 90. jakość GPS została obniżona przez rząd Stanów Zjednoczonych w ramach programu o nazwie „Wybiórcza dostępność”; zostało to przerwane 1 maja 2000 r. na mocy ustawy podpisanej przez prezydenta Billa Clintona .

Usługa GPS jest kontrolowana przez rząd Stanów Zjednoczonych, który może selektywnie odmawiać dostępu do systemu, jak stało się z wojskiem indyjskim w 1999 roku podczas wojny Kargil , lub w dowolnym momencie obniżyć poziom usługi. W rezultacie kilka krajów opracowało lub jest w trakcie tworzenia innych globalnych lub regionalnych systemów nawigacji satelitarnej. Rosyjski Globalny System Nawigacji Satelitarnej ( GLONASS ) został opracowany równocześnie z GPS, ale do połowy lat 2000. jego zasięg był niepełny. GLONASS można dodać do urządzeń GPS, udostępniając więcej satelitów i umożliwiając szybsze i dokładniejsze ustalanie pozycji z dokładnością do dwóch metrów (6,6 stopy). Chiński system nawigacji satelitarnej BeiDou rozpoczął świadczenie usług globalnych w 2018 r., a jego pełne wdrożenie zakończyło się w 2020 r. Istnieje również system nawigacji satelitarnej Galileo Unii Europejskiej oraz indyjski NavIC . Japoński system satelitarny Quasi-Zenith (QZSS) to oparty na satelitach system GPS, który zwiększa dokładność GPS w Azji i Oceanii , z nawigacją satelitarną niezależną od GPS zaplanowaną na 2023 rok.

Kiedy selektywna dostępność została zniesiona w 2000 roku, GPS miał dokładność około pięciu metrów (16 stóp). Odbiorniki GPS korzystające z pasma L5 mogą mieć znacznie wyższą dokładność, wskazując na odległość do 30 centymetrów (11,8 cala), podczas gdy zaawansowani użytkownicy (zazwyczaj aplikacje inżynieryjne i geodezyjne) mogą mieć dokładność kilku sygnałów o szerokości pasma z dokładnością do dwóch centymetrów, a nawet submilimetrowa dokładność dla długotrwałych pomiarów. Od maja 2021 r. 16 satelitów GPS nadaje sygnały L5, a sygnały te są uważane za przedoperacyjne i mają dotrzeć do 24 satelitów do około 2027 r.

Historia

Animacja systemu konstelacji GPS

Projekt GPS został uruchomiony w Stanach Zjednoczonych w 1973 roku, aby przezwyciężyć ograniczenia poprzednich systemów nawigacyjnych, łącząc pomysły kilku poprzedników, w tym tajne inżynierskie studia projektowe z lat 60. XX wieku. Departament Obrony USA opracowali system, który pierwotnie używany przez 24 satelitów, do wykorzystania przez wojsko Stanów Zjednoczonych i stał się w pełni operacyjny w 1995 roku pozwolono użytku cywilnego z 1980 roku. Przypisuje się jej wynalezienie Rogerowi L. Eastonowi z Naval Research Laboratory , Ivanowi A. Getting z The Aerospace Corporation i Bradfordowi Parkinsonowi z Applied Physics Laboratory . Praca Gladys West jest uznawana za kluczową w rozwoju technik obliczeniowych do wykrywania pozycji satelitów z precyzją niezbędną do GPS.

Konstrukcja GPS opiera się częściowo na podobnych naziemnych systemach radionawigacyjnych , takich jak LORAN i Decca Navigator , opracowanych na początku lat 40. XX wieku.

W 1955 roku Friedwardt Winterberg zaproponował test ogólnej teorii względności – wykrywanie spowolnienia czasu w silnym polu grawitacyjnym za pomocą dokładnych zegarów atomowych umieszczonych na orbicie wewnątrz sztucznych satelitów. Szczególna i ogólna teoria względności przewiduje, że zegary na satelitach GPS będą widziane przez obserwatorów Ziemi, aby działały o 38 mikrosekund szybciej niż zegary na Ziemi. Projekt GPS koryguje tę różnicę; w przeciwnym razie pozycje obliczone przez GPS zgromadziłyby do 10 kilometrów dziennie (6 mil/d) błędu.

Przodkowie

Kiedy Związek Radziecki rozpoczął pierwszy sztuczny satelita ( Sputnik 1 ) w 1957 roku dwóch amerykańskich fizyków, William Guier i George Weiffenbach na Johns Hopkins University „s Applied Physics Laboratory (APL) postanowił monitorować swoje transmisje radiowe. W ciągu kilku godzin zdali sobie sprawę, że dzięki efektowi Dopplera mogą dokładnie określić położenie satelity na swojej orbicie. Dyrektor APL dał im dostęp do UNIVAC w celu wykonania wymaganych ciężkich obliczeń.

Na początku przyszłego roku Frank McClure, zastępca dyrektora APL, poprosił Guiera i Weiffenbacha o zbadanie odwrotnego problemu – wskazanie lokalizacji użytkownika, biorąc pod uwagę położenie satelity. (W tym czasie Marynarka Wojenna opracowywała pocisk Polaris wystrzeliwany z okrętu podwodnego , co wymagało od nich znajomości lokalizacji okrętu podwodnego). To skłoniło ich i APL do opracowania systemu TRANSIT . W 1959 roku ARPA (przemianowana na DARPA w 1972) również odegrała rolę w TRANSIT.

TRANSIT został po raz pierwszy pomyślnie przetestowany w 1960 roku. Używał konstelacji pięciu satelitów i mógł zapewnić nawigację mniej więcej raz na godzinę.

W 1967 roku Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych opracowała satelitę Timation , który dowiódł możliwości umieszczenia w kosmosie dokładnych zegarów, technologii wymaganej przez GPS.

W latach 70. naziemny system nawigacji OMEGA , oparty na porównaniu fazowym transmisji sygnału z par stacji, stał się pierwszym na świecie systemem radionawigacyjnym. Ograniczenia tych systemów spowodowały potrzebę stworzenia bardziej uniwersalnego rozwiązania nawigacyjnego o większej dokładności.

Chociaż istniało szerokie zapotrzebowanie na dokładną nawigację w sektorach wojskowym i cywilnym, prawie żaden z nich nie był postrzegany jako uzasadnienie miliardów dolarów, które kosztowałyby badania, rozwój, rozmieszczenie i działanie konstelacji satelitów nawigacyjnych. W czasie zimnowojennego wyścigu zbrojeń jedyną potrzebą uzasadniającą ten koszt w opinii Kongresu Stanów Zjednoczonych było nuklearne zagrożenie dla istnienia Stanów Zjednoczonych. Ten odstraszający efekt jest powodem, dla którego sfinansowano GPS. Jest to również powód ówczesnej ultratajności. Triady jądrowej składała się z United States Navy w podmorskich uruchomiony rakiet balistycznych (SLBM) wraz z United States Air Force (USAF) bombowców strategicznych i międzykontynentalnych pocisków balistycznych (ICBM). Uważane za kluczowe dla postawy odstraszania nuklearnego , dokładne określenie pozycji startowej SLBM było mnożnikiem siły .

Precyzyjna nawigacja umożliwiłaby okrętom podwodnym z rakietami balistycznymi Stanów Zjednoczonych dokładne ustalenie ich pozycji przed wystrzeleniem swoich SLBM. Siły Powietrzne USA, posiadające dwie trzecie triady nuklearnej, również miały wymagania dotyczące dokładniejszego i bardziej niezawodnego systemu nawigacyjnego. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych i Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych równolegle rozwijały własne technologie, aby rozwiązać zasadniczo ten sam problem.

Aby zwiększyć przeżywalność ICBM, zaproponowano użycie mobilnych platform startowych (porównywalnych z radzieckimi SS-24 i SS-25 ), a więc konieczność ustalenia pozycji startowej była podobna do sytuacji SLBM.

W 1960 roku Siły Powietrzne zaproponowały system radionawigacji zwany MOSAIC (Mobilny System Dokładnej Kontroli ICBM), który zasadniczo był trójwymiarowym LORANem. Kolejne badanie, Projekt 57, przeprowadzono w 1963 roku i „w tym badaniu narodziła się koncepcja GPS”. W tym samym roku koncepcja była realizowana jako Projekt 621B, który miał „wiele z atrybutów, które teraz widzisz w GPS” i obiecywał zwiększoną dokładność bombowców Sił Powietrznych, a także ICBM.

Aktualizacje systemu Navy TRANSIT były zbyt wolne dla dużych prędkości operacji Sił Powietrznych. Naval Research Laboratory (NRL) nadal czyni postępy swoich Timation (Time nawigacyjny) satelitów, zapoczątkowana w 1967 roku, drugi rozpoczętych w 1969 roku, a trzeci w 1974 roku niosąc pierwszy zegar atomowy na orbitę i czwarty rozpoczął się w 1977 roku.

Inny ważny poprzednik GPS pochodził z innej gałęzi armii Stanów Zjednoczonych. W 1964 roku armia Stanów Zjednoczonych okrążyła swojego pierwszego satelitę Sequential Collation of Range ( SECOR ) używanego do pomiarów geodezyjnych. System SECOR obejmował trzy nadajniki naziemne w znanych lokalizacjach, które wysyłałyby sygnały do ​​transpondera satelity na orbicie. Czwarta stacja naziemna, w nieokreślonej pozycji, mogłaby następnie wykorzystać te sygnały do ​​precyzyjnego ustalenia swojej lokalizacji. Ostatni satelita SECOR został wystrzelony w 1969 roku.

Rozwój

Dzięki tym równoległym zmianom w latach 60. zdano sobie sprawę, że lepszy system można opracować, łącząc najlepsze technologie z 621B, Transit, Timation i SECOR w programie wielousługowym. Błędy pozycji orbitalnej satelitów, wywołane między innymi zmianami pola grawitacyjnego i refrakcji radaru, musiały zostać rozwiązane. Zespół kierowany przez Harolda L Jury z Pan Am Aerospace Division na Florydzie w latach 1970-1973 wykorzystał w tym celu asymilację danych w czasie rzeczywistym i szacowanie rekurencyjne, redukując systematyczne i szczątkowe błędy do możliwego do opanowania poziomu, aby umożliwić dokładną nawigację.

Podczas weekendu Święta Pracy w 1973 r. na spotkaniu około dwunastu oficerów wojskowych w Pentagonie dyskutowano o stworzeniu Obronnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (DNSS) . To na tym spotkaniu powstała prawdziwa synteza, która stała się GPS. Później w tym samym roku program DNSS został nazwany Navstar. Navstar jest często błędnie uważany za akronim od „System NAVigation Using Timing and Ranging”, ale nigdy nie był uważany za taki przez Biuro Wspólnego Programu GPS (TRW mogło kiedyś opowiadać się za innym systemem nawigacyjnym, który używał tego akronimu). Ponieważ poszczególne satelity były kojarzone z nazwą Navstar (podobnie jak w przypadku poprzedników Transit i Timation), do identyfikacji konstelacji satelitów Navstar użyto pełniejszej nazwy, Navstar-GPS . W latach 1978-1985 wystrzelono dziesięć prototypowych satelitów „ Block I ” (dodatkowa jednostka została zniszczona w wyniku nieudanego startu).

Wpływ jonosfery na transmisję radiową badano w laboratorium geofizycznym Air Force Cambridge Research Laboratory , przemianowanym na Air Force Geophysical Research Lab (AFGRL) w 1974 roku. AFGRL opracował model Klobuchara do obliczania poprawek jonosferycznych do lokalizacji GPS. Warta uwagi jest praca wykonana przez australijską kosmolog Elizabeth Essex-Cohen w AFGRL w 1974 roku. Zajmowała się ona zakrzywianiem torów fal radiowych ( refrakcja atmosferyczna ) przemierzających jonosferę z satelitów NavSTAR.

Po tym, jak Korean Air Lines Flight 007 , Boeing 747 przewożący 269 osób, został zestrzelony w 1983 r. po zabłądzeniu w zakazaną przestrzeń powietrzną ZSRR , w okolicach Sachalinu i Wysp Moneron , prezydent Ronald Reagan wydał dyrektywę umożliwiającą swobodny dostęp GPS do użytku cywilnego, gdy została dostatecznie rozwinięta, jako dobro wspólne. Pierwszy satelita Bloku II został wystrzelony 14 lutego 1989 r., a 24. satelita został wystrzelony w 1994 r. Koszt programu GPS w tym momencie, nie uwzględniając kosztów sprzętu użytkownika, ale uwzględniając koszty wystrzeliwania satelitów, został oszacowany 5 mld USD (równowartość 9 mld USD w 2020 r.).

Początkowo sygnał najwyższej jakości był zarezerwowany do użytku wojskowego, a sygnał dostępny do użytku cywilnego był celowo degradowany w ramach polityki znanej jako selektywna dostępność . Zmieniło się to wraz z podpisaniem przez prezydenta Billa Clintona w dniu 1 maja 2000 r. dyrektywy politycznej, aby wyłączyć selektywną dostępność, aby zapewnić cywilom taką samą dokładność, jaką zapewniano wojsku. Dyrektywa została zaproponowana przez Sekretarza Obrony USA, Williama Perry'ego , w związku z powszechnym rozwojem zróżnicowanych usług GPS przez prywatny przemysł w celu poprawy dokładności cywilnej. Co więcej, armia amerykańska aktywnie rozwijała technologie uniemożliwiające obsługę GPS potencjalnym przeciwnikom na poziomie regionalnym.

Od czasu jej wdrożenia Stany Zjednoczone wprowadziły kilka ulepszeń do usługi GPS, w tym nowe sygnały do ​​użytku cywilnego oraz zwiększoną dokładność i integralność dla wszystkich użytkowników, przy jednoczesnym zachowaniu kompatybilności z istniejącym sprzętem GPS. Modernizacja systemu satelitarnego jest nieustanną inicjatywą Departamentu Obrony USA poprzez serię przejęć satelitów w celu zaspokojenia rosnących potrzeb wojska, ludności cywilnej i rynku komercyjnego.

Od początku 2015 r. wysokiej jakości odbiorniki GPS klasy FAA Standard Positioning Service (SPS) zapewniały dokładność poziomą lepszą niż 3,5 metra (11 stóp), chociaż wiele czynników, takich jak jakość odbiornika i anteny oraz problemy atmosferyczne mogą wpływać na tę dokładność.

GPS jest własnością i jest zarządzany przez rząd Stanów Zjednoczonych jako zasób narodowy. Departament Obrony jest zarządcą GPS. Interagency GPS Zarząd (IGEB) sprawy nadzorował GPS polityczne od 1996 do 2004. Po tym, National Space-Based pozycjonowania, nawigacji i pomiaru czasu Komitet Wykonawczy ustanowiony przez dyrektywę prezydencką w 2004 roku do doradzać i koordynować resorty i agencje federalne w sprawach dotyczących GPS i powiązane systemy. Komitetowi wykonawczemu przewodniczą wspólnie zastępcy sekretarzy obrony i transportu. W jej skład wchodzą urzędnicy równoważnego szczebla z Departamentów Stanu, Handlu i Bezpieczeństwa Wewnętrznego, Połączonych Szefów Sztabów i NASA . Komponenty urzędu wykonawczego prezydenta uczestniczą jako obserwatorzy w komitecie wykonawczym, a przewodniczący FCC uczestniczy jako łącznik.

Departament Obrony USA jest prawnie zobowiązany do „utrzymywania standardowej usługi pozycjonowania (zgodnie z definicją w federalnym planie radionawigacyjnym i specyfikacji sygnału standardowej usługi pozycjonowania), która będzie dostępna w sposób ciągły, na całym świecie” oraz „opracowania środków w celu zapobiec wrogiemu używaniu GPS i jego ulepszeń bez nadmiernego zakłócania lub degradowania zastosowań cywilnych”.

Kalendarium i modernizacja

Podsumowanie satelitów
Blok
Okres uruchomienia
Starty satelitów Obecnie na orbicie
i zdrowy
Suc-
cess
Fail-
ure
W
przygotowaniu
Plan-
Ned
i 1978-1985 10 1 0 0 0
II 1989-1990 9 0 0 0 0
IIA 1990-1997 19 0 0 0 0
IIR 1997-2004 12 1 0 0 7
IIR-M 2005-2009 8 0 0 0 7
IIF 2010-2016 12 0 0 0 12
IIIA 2018– 5 0 5 0 5
IIIF 0 0 0 22 0
Całkowity 75 2 5 22 31
(Ostatnia aktualizacja: 08 lipca 2021)

USA-203 z bloku IIR-M jest w złym stanie
Aby uzyskać pełniejszą listę, zobacz Lista satelitów GPS

  • W 1972 roku USAF Central Inertial Guidance Test Facility (Holloman AFB) przeprowadziło testy w locie czterech prototypowych odbiorników GPS w konfiguracji Y nad White Sands Missile Range , przy użyciu naziemnych pseudosatelitów.
  • W 1978 roku wystrzelono pierwszego eksperymentalnego satelitę GPS Block-I.
  • W 1983 roku, po tym, jak radziecki samolot przechwytujący zestrzelił cywilny samolot KAL 007, który zbłądził w zabronioną przestrzeń powietrzną z powodu błędów nawigacyjnych, zabijając wszystkich 269 osób na pokładzie, prezydent USA Ronald Reagan ogłosił, że GPS zostanie udostępniony do użytku cywilnego po jego ukończeniu. chociaż został on wcześniej opublikowany [w magazynie Navigation] i że kod CA (kod zgrubny/pozyskiwania) będzie dostępny dla użytkowników cywilnych.
  • Do 1985 roku wystrzelono dziesięć kolejnych eksperymentalnych satelitów Block-I, aby potwierdzić tę koncepcję.
  • Począwszy od 1988 roku dowodzenie i kontrolę nad tymi satelitami przeniesiono z Onizuka AFS w Kalifornii do 2. Eskadry Kontroli Satelitarnej (2SCS) znajdującej się w stacji Falcon Air Force w Colorado Springs w stanie Kolorado.
  • 14 lutego 1989 roku wystrzelono pierwszego nowoczesnego satelitę Block-II.
  • Wojna w Zatoce Perskiej w latach 1990-1991 była pierwszym konfliktem, w którym wojsko szeroko używało GPS.
  • W 1991 roku pomyślnie zakończył się projekt stworzenia miniaturowego odbiornika GPS, zastępując poprzednie 16-kilogramowe (35 funtów) odbiorniki wojskowe ręcznym odbiornikiem o wadze 1,25 kg (2,8 funta).
  • W 1992 r. 2. skrzydło kosmiczne, które pierwotnie zarządzało systemem, zostało dezaktywowane i zastąpione przez 50. skrzydło kosmiczne .
  • Do grudnia 1993 roku GPS osiągnął początkową zdolność operacyjną (IOC), z pełną konstelacją (24 satelity) i dostarczaniem usługi Standard Positioning Service (SPS).
  • Pełna zdolność operacyjna (FOC) została ogłoszona przez Dowództwo Sił Powietrznych (AFSPC) w kwietniu 1995 r., co oznacza pełną dostępność bezpiecznej wojskowej służby precyzyjnego pozycjonowania (PPS).
  • W 1996 roku, uznając znaczenie GPS zarówno dla użytkowników cywilnych, jak i wojskowych, prezydent USA Bill Clinton wydał dyrektywę polityczną, w której ogłosił GPS systemem podwójnego zastosowania i powołał Międzyagencyjną Radę Wykonawczą ds. GPS, która miałaby nim zarządzać jako majątkiem narodowym.
  • W 1998 r. wiceprezydent Stanów Zjednoczonych Al Gore ogłosił plany modernizacji GPS o dwa nowe sygnały cywilne w celu zwiększenia dokładności i niezawodności użytkownika, szczególnie w odniesieniu do bezpieczeństwa lotniczego, a w 2000 r. Kongres Stanów Zjednoczonych zatwierdził ten wysiłek, nazywając go GPS III .
  • W dniu 2 maja 2000 r. „Wybiórcza dostępność” została przerwana w wyniku zarządzenia wykonawczego z 1996 r., co pozwoliło użytkownikom cywilnym na odbieranie sygnału o niezdegradowanej jakości na całym świecie.
  • W 2004 roku rząd Stanów Zjednoczonych podpisał ze Wspólnotą Europejską porozumienie o współpracy w zakresie GPS i europejskiego systemu Galileo .
  • W 2004 roku prezydent Stanów Zjednoczonych George W. Bush zaktualizował politykę narodową i zastąpił zarząd Krajowym Komitetem Wykonawczym ds. Pozycjonowania, Nawigacji i Czasu w Przestrzeni Kosmicznej.
  • W listopadzie 2004 r. Qualcomm ogłosił pomyślne testy wspomaganego GPS dla telefonów komórkowych .
  • W 2005 roku wystrzelono pierwszego zmodernizowanego satelitę GPS i rozpoczęto nadawanie drugiego cywilnego sygnału (L2C) w celu zwiększenia wydajności użytkownika.
  • 14 września 2007 r. starzejący się system sterowania segmentem naziemnym oparty na systemie mainframe został przeniesiony do nowego Planu Rozwoju Architektury.
  • 19 maja 2009 r. Biuro Odpowiedzialności Rządu Stanów Zjednoczonych opublikowało raport ostrzegający, że niektóre satelity GPS mogą ulec awarii już w 2010 roku.
  • 21 maja 2009 r. Dowództwo Sił Powietrznych rozwiało obawy związane z awarią GPS, mówiąc: „Istnieje tylko niewielkie ryzyko, że nie będziemy dalej przekraczać naszych standardów wydajności”.
  • 11 stycznia 2010 r. aktualizacja naziemnych systemów kontroli spowodowała niezgodność oprogramowania z 8 000 do 10 000 odbiorników wojskowych wyprodukowanych przez oddział Trimble Navigation Limited z Sunnyvale w Kalifornii.
  • W dniu 25 lutego 2010 r. Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych podpisały kontrakt na opracowanie systemu sterowania operacyjnego GPS nowej generacji (OCX) w celu poprawy dokładności i dostępności sygnałów nawigacyjnych GPS i pełniącego rolę krytycznego elementu modernizacji systemu GPS.

Nagrody

Dowódca sił powietrznych w kosmosie wręcza dr Gladys West nagrodę, gdy 6 grudnia 2018 r. zostaje ona wprowadzona do Galerii Sław Air Force Space and Missile Pioneers za jej pracę z GPS.
Zastępca dowódcy AFSPC gen. broni DT Thompson wręcza dr Gladys West nagrodę, gdy zostaje wprowadzona do Galerii Sław Air Force Space and Missile Pioneers.

10 lutego 1993 roku National Aeronautic Association wybrało zespół GPS jako zwycięzców konkursu Robert J. Collier Trophy w 1992 roku , najbardziej prestiżowej nagrody lotniczej USA. Zespół ten składa się z naukowców z Naval Research Laboratory, USAF, Aerospace Corporation , Rockwell International Corporation i IBM Federal Systems Company. Honory cytowania ich „za najbardziej znaczącego rozwoju dla bezpiecznej i wydajnej nawigacji i nadzoru lotniczego i kosmicznego od wprowadzenia radiowej nawigacji 50 lat temu.”

Dwóch programistów GPS otrzymało nagrodę National Academy of Engineering Charlesa Starka Drapera za rok 2003:

Programista GPS Roger L. Easton otrzymał Narodowy Medal Technologii 13 lutego 2006 roku.

Francis X. Kane (pułkownik USAF, w stanie spoczynku) został wprowadzony do Galerii Sław Pionierów Kosmicznych i Rakietowych Sił Powietrznych USA w Lackland AFB, San Antonio, Teksas, 2 marca 2010 r. za swoją rolę w rozwoju technologii kosmicznych i projektowaniu inżynieryjnym koncepcja GPS realizowana w ramach Projektu 621B.

W 1998 roku technologia GPS została wprowadzona do Galerii Sław Technologii Kosmicznych Fundacji Kosmicznej .

4 października 2011 r. Międzynarodowa Federacja Astronautyczna (IAF) przyznała Globalnemu Systemowi Pozycjonowania (GPS) nagrodę 60-lecia, nominowaną przez członka IAF, Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki (AIAA). Komitet Wyróżnień i Nagród IAF uznał wyjątkowość programu GPS i wzorową rolę, jaką odegrał w budowaniu międzynarodowej współpracy na rzecz ludzkości.

6 grudnia 2018 r. Gladys West została wprowadzona do Galerii Sław Sił Powietrznych i Pionierów Rakietowych w uznaniu jej pracy nad niezwykle dokładnym geodezyjnym modelem Ziemi, który ostatecznie został wykorzystany do określenia orbity konstelacji GPS.

12 lutego 2019 r. czterech członków założycieli projektu otrzymało Nagrodę Królowej Elżbiety w dziedzinie inżynierii, a przewodniczący kapituły stwierdził: „Inżynieria jest fundamentem cywilizacji; nie ma innego fundamentu; to sprawia, że ​​wszystko się dzieje. to, co zrobili dzisiejsi laureaci – sprawili, że rzeczy się wydarzyły. Przepisali na nowo infrastrukturę naszego świata”.

Podstawowy pomysł

Podstawy

Odbiornik GPS oblicza własną pozycję i czas na podstawie danych otrzymanych z wielu satelitów GPS . Każdy satelita zawiera dokładny zapis swojej pozycji i czasu oraz przesyła te dane do odbiornika.

Satelity niosą bardzo stabilne zegary atomowe, które są zsynchronizowane ze sobą oraz z zegarami naziemnymi. Wszelkie dryfowanie od czasu utrzymywanego na ziemi jest korygowane codziennie. W ten sam sposób lokalizacje satelitów są znane z dużą precyzją. Odbiorniki GPS również mają zegary, ale są mniej stabilne i mniej precyzyjne.

Ponieważ prędkość fal radiowych jest stała i niezależna od prędkości satelity, opóźnienie między nadawaniem sygnału przez satelitę a jego odbiorem jest proporcjonalne do odległości od satelity do odbiornika. Co najmniej cztery satelity muszą znajdować się w polu widzenia odbiornika, aby mógł obliczyć cztery nieznane wielkości (trzy współrzędne pozycji i odchylenie własnego zegara od czasu satelity).

Bardziej szczegółowy opis

Każdy satelita GPS stale nadaje sygnał ( fala nośna z modulacją ), który obejmuje:

  • Pseudolosowych kod (sekwencję jedynek i zer), który jest znany do odbiornika. Poprzez wyrównanie w czasie wersji generowanej przez odbiornik i wersji kodu mierzonej przez odbiornik, czas przybycia (TOA) określonego punktu w sekwencji kodu, zwanego epoką, można znaleźć w skali czasu zegara odbiornika
  • Komunikat zawierający czas transmisji (TOT) epoki kodu (w skali czasu GPS) i pozycję satelity w tym czasie

Koncepcyjnie odbiornik mierzy TOA (zgodnie z własnym zegarem) czterech sygnałów satelitarnych. Z TOA i TOT, odbiornik tworzy cztery wartości czasu lotu (TOF), które są (biorąc pod uwagę prędkość światła) w przybliżeniu równoważne zasięgom odbiornik-satelita plus różnica czasu między odbiornikiem a satelitami GPS pomnożona przez prędkość światła, które nazywane są pseudoodległościami. Odbiornik następnie oblicza swoją trójwymiarową pozycję i odchylenie zegara na podstawie czterech TOF.

W praktyce pozycja odbiornika (w trójwymiarowych współrzędnych kartezjańskich z początkiem w centrum Ziemi) i przesunięcie zegara odbiornika względem czasu GPS są obliczane jednocześnie, przy użyciu równań nawigacyjnych do przetwarzania TOF.

Lokalizacja rozwiązania zorientowanego na Ziemię odbiornika jest zwykle przekształcana na szerokość , długość i wysokość względem elipsoidalnego modelu Ziemi. Wysokość może być następnie dalej przeliczona na wysokość w stosunku do geoidy , co jest zasadniczo średnim poziomem morza . Te współrzędne mogą być wyświetlane, na przykład na ruchomej mapie , lub rejestrowane lub używane przez inny system, taki jak system prowadzenia pojazdu.

Geometria satelity użytkownika

Chociaż zwykle nie są one tworzone bezpośrednio w przetwarzaniu odbiornika, konceptualne różnice czasu nadejścia (TDOA) definiują geometrię pomiaru. Każde TDOA odpowiada hiperboloidzie rewolucji (patrz Multilateracja ). Linia łącząca dwa zaangażowane satelity (i jej przedłużenia) tworzy oś hiperboloidy. Odbiornik znajduje się w miejscu przecięcia trzech hiperboloidów.

Czasami błędnie mówi się, że lokalizacja użytkownika znajduje się na przecięciu trzech sfer. Chociaż jest to łatwiejsze do zobrazowania, dzieje się tak tylko wtedy, gdy odbiornik ma zegar zsynchronizowany z zegarami satelitów (tj. odbiornik mierzy rzeczywiste odległości do satelitów, a nie różnice zasięgu). Użytkownik noszący zegar zsynchronizowany z satelitami ma wyraźne korzyści w zakresie wydajności. Przede wszystkim do obliczenia rozwiązania pozycji potrzebne są tylko trzy satelity. Gdyby zasadniczą częścią koncepcji GPS było to, że wszyscy użytkownicy musieliby nosić zsynchronizowany zegar, można by rozmieścić mniejszą liczbę satelitów, ale koszt i złożoność sprzętu użytkownika wzrosłyby.

Odbiornik w ciągłej pracy

Powyższy opis jest reprezentatywny dla sytuacji rozruchowej odbiornika. Większość odbiorników posiada algorytm śledzenia , czasami nazywany trackerem , który łączy zestawy pomiarów satelitarnych zebranych w różnym czasie – w efekcie wykorzystując fakt, że kolejne pozycje odbiornika są zwykle blisko siebie. Po przetworzeniu zestawu pomiarów, tracker przewiduje lokalizację odbiornika odpowiadającą następnemu zestawowi pomiarów satelitarnych. Po zebraniu nowych pomiarów odbiornik wykorzystuje schemat ważenia, aby połączyć nowe pomiary z predykcją trackera. Ogólnie rzecz biorąc, tracker może (a) poprawić dokładność położenia i czasu odbiornika, (b) odrzucić złe pomiary i (c) oszacować prędkość i kierunek odbiornika.

Wadą trackera jest to, że zmiany prędkości lub kierunku można obliczyć tylko z opóźnieniem, a wyznaczony kierunek staje się niedokładny, gdy odległość przebyta między dwoma pomiarami pozycji spada poniżej lub w pobliżu błędu losowego pomiaru pozycji. Urządzenia GPS mogą wykorzystywać pomiary przesunięcia Dopplera odbieranych sygnałów do dokładnego obliczania prędkości. Bardziej zaawansowane systemy nawigacyjne wykorzystują dodatkowe czujniki, takie jak kompas lub system nawigacji inercyjnej, jako uzupełnienie GPS.

Aplikacje inne niż nawigacyjne

GPS wymaga, aby co najmniej cztery satelity były widoczne, aby nawigacja była dokładna. Rozwiązanie równań nawigacyjnych podaje pozycję odbiornika wraz z różnicą między czasem utrzymywanym przez zegar pokładowy odbiornika a rzeczywistą porą dnia, eliminując w ten sposób potrzebę dokładniejszego i prawdopodobnie niepraktycznego zegara opartego na odbiorniku . Aplikacje dla GPS, takie jak transfer czasu, synchronizacja sygnałów drogowych i synchronizacja stacji bazowych telefonów komórkowych , wykorzystują ten tani i bardzo dokładny pomiar czasu. Niektóre aplikacje GPS wykorzystują ten czas do wyświetlania lub, poza podstawowymi obliczeniami pozycji, w ogóle go nie wykorzystują.

Chociaż do normalnego działania wymagane są cztery satelity, w szczególnych przypadkach jest ich mniej. Jeśli jedna zmienna jest już znana, odbiornik może określić swoją pozycję przy użyciu tylko trzech satelitów. Na przykład statek na otwartym oceanie ma zwykle znaną wysokość bliską 0 m , a wysokość samolotu może być znana. Niektóre odbiorniki GPS mogą wykorzystywać dodatkowe wskazówki lub założenia, takie jak ponowne ostatniej znanej wysokości , martwe liczenie , nawigacji bezwładnościowej lub tym informacje z komputera pojazdu, z wytworzeniem (degradowane) położenie, gdy mniej niż cztery satelity są widoczne.

Struktura

Obecny GPS składa się z trzech głównych segmentów. Są to segment przestrzeni, segment kontrolny i segment użytkownika. Siły Kosmiczne USA rozwijają, utrzymują i obsługują segmenty kosmiczne i kontrolne. Satelity GPS nadają sygnały z kosmosu, a każdy odbiornik GPS wykorzystuje te sygnały do ​​obliczania swojej trójwymiarowej lokalizacji (szerokość, długość i wysokość) oraz aktualnego czasu.

Segment kosmiczny

Nieuruchomiony satelita GPS bloku II-A na wystawie w Muzeum Lotnictwa i Kosmosu w San Diego
Wizualny przykład konstelacji GPS 24 satelitów w ruchu z obracającą się Ziemią. Zwróć uwagę, jak zmienia się w czasie liczba satelitów widocznych z danego punktu na powierzchni Ziemi. Punkt w tym przykładzie znajduje się w Golden, Kolorado, USA ( 39,7469°N 105,2108°W ). 39°44′49″N 105°12′39″W /  / 39,7469; -105.2108

Segment kosmiczny (SS) składa się z 24 do 32 satelitów lub pojazdów kosmicznych (SV) na średniej orbicie okołoziemskiej , a także zawiera adaptery ładunku do dopalaczy wymaganych do wystrzelenia ich na orbitę. Projekt GPS pierwotnie wymagał 24 SV, po osiem na trzech w przybliżeniu kołowych orbitach , ale został on zmodyfikowany do sześciu orbitalnych płaszczyzn z czterema satelitami każda. Sześć płaszczyzny orbity mają w przybliżeniu 55 ° nachylenia (pochylenia względem Ziemi równika ) i są oddzielone o 60 ° prawej wznoszenia z węzła wstępującego (kąt przy równiku od punktu odniesienia w celu przecięcia orbity). Okres orbitalny wynosi pół dnia syderycznego , tj. 11 godzin i 58 minut, więc satelity codziennie przelatują nad tymi samymi lub prawie tymi samymi lokalizacjami. Orbity są ułożone w taki sposób, że co najmniej sześć satelitów jest zawsze w zasięgu wzroku z każdego miejsca na powierzchni Ziemi (patrz animacja po prawej). Wynikiem tego celu jest to, że cztery satelity nie są równomiernie rozmieszczone (90°) na każdej orbicie. Ogólnie rzecz biorąc, różnica kątowa między satelitami na każdej orbicie wynosi 30°, 105°, 120° i 105°, co daje w sumie 360°.

Orbitowanie na wysokości około 20 200 km (12 600 mil); promień orbity około 26600 km (16500 mil), każdy SV wykonuje dwie pełne orbity każdego dnia gwiezdnego , powtarzając tę ​​samą ścieżkę naziemną każdego dnia. Było to bardzo pomocne podczas opracowywania, ponieważ nawet przy zaledwie czterech satelitach prawidłowe ustawienie oznacza, że ​​wszystkie cztery są widoczne z jednego miejsca przez kilka godzin każdego dnia. W operacjach wojskowych powtórzenie toru naziemnego może być wykorzystane do zapewnienia dobrego pokrycia w strefach walki.

Według stanu na luty 2019 r. w konstelacji GPS znajduje się 31 satelitów , z których 27 jest w użyciu w danym czasie, a pozostałe są przydzielone jako oczekujące. 32. został uruchomiony w 2018 r., ale od lipca 2019 r. jest nadal w fazie oceny. Więcej wycofanych z eksploatacji satelitów znajduje się na orbicie i jest dostępnych jako części zapasowe. Dodatkowe satelity poprawiają precyzję obliczeń odbiornika GPS, zapewniając nadmiarowe pomiary. Wraz ze wzrostem liczby satelitów konstelacja została zmieniona na układ niejednorodny. Wykazano, że taki układ poprawia dokładność, ale także poprawia niezawodność i dostępność systemu, w porównaniu z systemem jednorodnym, w przypadku awarii wielu satelitów. W rozszerzonej konstelacji dziewięć satelitów jest zwykle widocznych w dowolnym momencie z dowolnego punktu na Ziemi z wyraźnym horyzontem, zapewniając znaczną redundancję w stosunku do minimum czterech satelitów potrzebnych do określenia pozycji.

Segment kontrolny

Stacja monitora naziemnego używana od 1984 do 2007 roku, na wystawie w Air Force Space and Missile Museum .

Segment kontrolny (CS) składa się z:

  1. nadrzędna stacja sterowania (MCS),
  2. alternatywna główna stacja sterująca,
  3. cztery dedykowane anteny naziemne oraz
  4. sześć dedykowanych stacji monitorujących.

MCS może również uzyskać dostęp do anten naziemnych Sieci Sterowania Satelitarnego (SCN) (dla dodatkowej zdolności dowodzenia i kontroli) oraz stacji monitorujących NGA ( National Geospatial-Intelligence Agency ). Trasy lotu satelitów są śledzone przez dedykowane stacje monitorujące US Space Force na Hawajach , atolu Kwajalein , Wyspie Wniebowstąpienia , Diego Garcia , Colorado Springs, Kolorado i Cape Canaveral , wraz ze wspólnymi stacjami monitorującymi NGA działającymi w Anglii, Argentynie, Ekwadorze, Bahrajnie , Australii i Waszyngtonie. Informacje o śledzeniu są wysyłane do MCS w Schriever Space Force Base 25 km (16 mil) na wschód od Colorado Springs, który jest obsługiwany przez 2. Eskadrę Operacji Kosmicznych (2 SOPS) amerykańskich sił kosmicznych. Następnie 2 SOPS regularnie kontaktuje się z każdym satelitą GPS z aktualizacją nawigacyjną za pomocą dedykowanych lub współdzielonych (AFSCN) anten naziemnych (anteny naziemne GPS są zlokalizowane w Kwajalein , Wyspa Wniebowstąpienia , Diego Garcia i Cape Canaveral ). Aktualizacje te synchronizują zegary atomowe na pokładzie satelitów z dokładnością do kilku nanosekund i dostosowują efemerydy wewnętrznego modelu orbitalnego każdego satelity. Aktualizacje są tworzone przez filtr Kalmana, który wykorzystuje dane wejściowe z naziemnych stacji monitorujących, informacje o pogodzie kosmicznej i różne inne dane wejściowe.

Manewry satelitów nie są precyzyjne według standardów GPS, więc aby zmienić orbitę satelity, satelita musi być oznaczony jako niesprawny , aby odbiorniki go nie używały. Po manewrze satelity inżynierowie śledzą nową orbitę z ziemi, przesyłają nowe efemerydy i ponownie oznaczają satelitę w dobrej kondycji.

Segment kontroli operacji (OCS) obecnie służy jako segment kontroli rekordu. Zapewnia zdolność operacyjną, która obsługuje użytkowników GPS i utrzymuje działanie GPS i działanie zgodne ze specyfikacją.

OCS z powodzeniem zastąpił starszy komputer typu mainframe z lat 70. w bazie sił powietrznych Schriever we wrześniu 2007 r. Po zainstalowaniu system umożliwił modernizację i zapewnił podstawę dla nowej architektury bezpieczeństwa, która wspierała siły zbrojne USA.

OCS pozostanie rekordowym systemem kontroli naziemnej, dopóki nowy segment, system kontroli operacji GPS nowej generacji (OCX), nie zostanie w pełni opracowany i funkcjonalny. Nowe możliwości oferowane przez OCX będą podstawą do zrewolucjonizowania zdolności misji GPS, umożliwiając amerykańskim siłom kosmicznym znaczne ulepszenie usług operacyjnych GPS dla amerykańskich sił bojowych, partnerów cywilnych oraz niezliczonych użytkowników krajowych i międzynarodowych. Program GPS OCX zmniejszy również koszty, harmonogram i ryzyko techniczne. Został zaprojektowany, aby zapewnić 50% oszczędności kosztów utrzymania dzięki wydajnej architekturze oprogramowania i logistyce opartej na wydajności. Ponadto oczekuje się, że GPS OCX będzie kosztować miliony mniej niż koszt modernizacji OCS, zapewniając jednocześnie cztery razy większe możliwości.

Program GPS OCX stanowi kluczową część modernizacji systemu GPS i zapewnia znaczną poprawę zapewniania informacji w porównaniu z obecnym programem GPS OCS.

  • OCX będzie w stanie kontrolować i zarządzać starszymi satelitami GPS, a także następną generacją satelitów GPS III, umożliwiając jednocześnie pełny wachlarz sygnałów wojskowych.
  • Zbudowany na elastycznej architekturze, która może szybko dostosowywać się do zmieniających się potrzeb obecnych i przyszłych użytkowników GPS, umożliwiając natychmiastowy dostęp do danych GPS i stanu konstelacji dzięki bezpiecznym, dokładnym i niezawodnym informacjom.
  • Zapewnia wojownikowi bardziej bezpieczne, przydatne i przewidywalne informacje w celu zwiększenia świadomości sytuacyjnej.
  • Umożliwia obsługę nowych zmodernizowanych sygnałów (L1C, L2C i L5) i obsługuje kodowanie M, czego dotychczasowy system nie jest w stanie wykonać.
  • Zapewnia znaczące ulepszenia w zakresie zapewniania informacji w stosunku do bieżącego programu, w tym wykrywanie i zapobieganie cyberatakom, jednocześnie izolując, powstrzymując i działając podczas takich ataków.
  • Obsługuje wyższy poziom głośności prawie w czasie rzeczywistym oraz możliwości i zdolności dowodzenia i kontroli.

14 września 2011 r. Siły Powietrzne USA ogłosiły zakończenie wstępnego przeglądu projektu GPS OCX i potwierdziły, że program OCX jest gotowy do następnej fazy rozwoju.

Program GPS OCX przeoczył ważne kamienie milowe i przesuwa swój start w 2021 r., 5 lat po pierwotnym terminie. Według Rządowego Biura Rachunkowego nawet ten nowy termin wydaje się chwiejny.

Segment użytkowników

Odbiorniki GPS są dostępne w różnych formatach, od urządzeń zintegrowanych z samochodami, telefonami i zegarkami po dedykowane urządzenia, takie jak te.
Pierwsze przenośne urządzenie GPS, Leica WM 101, wystawione w Irlandzkim Narodowym Muzeum Nauki w Maynooth .

Segment użytkowników (USA) składa się z setek tysięcy amerykańskich i sojuszniczych wojskowych użytkowników bezpiecznej usługi precyzyjnego pozycjonowania GPS oraz dziesiątek milionów cywilnych, komercyjnych i naukowych użytkowników standardowej usługi pozycjonowania. Ogólnie, odbiorniki GPS składają się z anteny dostrojonej do częstotliwości nadawanych przez satelity, procesorów odbiornika i bardzo stabilnego zegara (często oscylatora kwarcowego ). Mogą również zawierać wyświetlacz do dostarczania użytkownikowi informacji o lokalizacji i prędkości. Odbiornik jest często opisywany liczbą kanałów: oznacza to, ile satelitów może monitorować jednocześnie. Początkowo ograniczony do czterech lub pięciu, z biegiem lat stopniowo rósł, tak że od 2007 roku odbiorniki mają zwykle od 12 do 20 kanałów. Chociaż istnieje wielu producentów odbiorników, prawie wszyscy używają jednego z produkowanych w tym celu chipsetów.

Typowy moduł odbiornika GPS OEM o wymiarach 15 mm × 17 mm (0,6 cala × 0,7 cala)

Odbiorniki GPS mogą zawierać wejście do korekcji różnicowych, wykorzystując format RTCM SC-104. Jest to zazwyczaj port RS-232 o szybkości 4800 bitów/s. Dane są w rzeczywistości wysyłane ze znacznie mniejszą szybkością, co ogranicza dokładność sygnału wysyłanego za pomocą RTCM. Odbiorniki z wewnętrznymi odbiornikami DGPS mogą przewyższać odbiorniki korzystające z zewnętrznych danych RTCM. Od 2006 r. nawet tanie jednostki często zawierają odbiorniki systemu WAAS ( Wide Area Augmentation System ).

Typowy odbiornik GPS ze zintegrowaną anteną.

Wiele odbiorników GPS może przekazywać dane pozycji do komputera PC lub innego urządzenia za pomocą protokołu NMEA 0183 . Chociaż protokół ten jest oficjalnie zdefiniowany przez National Marine Electronics Association (NMEA), odniesienia do tego protokołu zostały zebrane z rejestrów publicznych, umożliwiając narzędziom typu open source, takim jak gpsd, odczytanie protokołu bez naruszania praw własności intelektualnej . Istnieją również inne zastrzeżone protokoły, takie jak protokoły SiRF i MTK . Odbiorniki mogą łączyć się z innymi urządzeniami przy użyciu takich metod, jak połączenie szeregowe, USB lub Bluetooth .

Aplikacje

Chociaż pierwotnie był to projekt wojskowy, GPS jest uważany za technologię podwójnego zastosowania , co oznacza, że ​​ma również istotne zastosowania cywilne.

GPS stał się szeroko stosowanym i użytecznym narzędziem w handlu, zastosowaniach naukowych, śledzeniu i inwigilacji. Dokładny czas GPS ułatwia codzienne czynności, takie jak operacje bankowe, telefony komórkowe, a nawet sterowanie sieciami energetycznymi, umożliwiając dobrze zsynchronizowane przełączanie przekazywania.

Cywil

Ta antena jest zamontowana na dachu chaty, w której znajduje się eksperyment naukowy wymagający precyzyjnego pomiaru czasu.

Wiele zastosowań cywilnych wykorzystuje jeden lub więcej z trzech podstawowych elementów GPS: bezwzględna lokalizacja, ruch względny i transfer czasu.

  • Atmosfera : badanie opóźnień w troposferze (odzyskiwanie zawartości pary wodnej) i opóźnień jonosfery (odzyskiwanie liczby wolnych elektronów). Odzyskiwanie przemieszczeń powierzchni Ziemi w wyniku obciążenia ciśnieniem atmosferycznym.
  • Astronomia : dane synchronizacji zarówno położenia, jak i zegara są wykorzystywane w astrometrii i mechanice nieba oraz w precyzyjnym określaniu orbity. GPS jest również wykorzystywany zarówno w astronomii amatorskiej z małymi teleskopami, jak iw profesjonalnych obserwatoriach do wyszukiwania planet pozasłonecznych .
  • Zautomatyzowany pojazd : zastosowanie lokalizacji i tras dla samochodów osobowych i ciężarowych, aby działały bez ludzkiego kierowcy.
  • Kartografia : zarówno kartografowie cywilni, jak i wojskowi intensywnie korzystają z GPS.
  • Telefonia komórkowa : synchronizacja zegara umożliwia transfer czasu, co ma kluczowe znaczenie dla synchronizacji kodów rozprzestrzeniania z innymi stacjami bazowymi, aby ułatwić przekazywanie połączeń między komórkami i wspierać hybrydowe wykrywanie pozycji GPS/komórkowej dla mobilnych połączeń alarmowych i innych zastosowań. Pierwsze telefony ze zintegrowanym GPS pojawiły się pod koniec lat 90-tych. Amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) wprowadziła tę funkcję w słuchawce lub w wieżach (do użytku w triangulacji) w 2002 r., aby służby ratunkowe mogły zlokalizować 911 dzwoniących. Zewnętrzni programiści później uzyskali dostęp do interfejsów API GPS firmy Nextel po uruchomieniu, a następnie Sprint w 2006 r., a wkrótce potem Verizon .
  • Synchronizacja zegara : dokładność sygnałów czasowych GPS (±10 ns) ustępuje jedynie zegarom atomowym, na których są oparte i jest wykorzystywana w aplikacjach takich jak oscylatory kierunkowe GPS .
  • Pomoc w przypadku klęsk żywiołowych / usługi ratunkowe : wiele usług ratunkowych jest uzależnionych od funkcji GPS w zakresie lokalizacji i czasu.
  • Radiosondy i dropsondy wyposażone w GPS : mierzą i obliczają ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru do 27 km (89 000 stóp) od powierzchni Ziemi.
  • Okultacja radiowa w zastosowaniach związanych z pogodą i nauką o atmosferze.
  • Śledzenie floty : służy do identyfikowania, lokalizowania i utrzymywania raportów o kontaktach z jednym lub większą liczbą pojazdów floty w czasie rzeczywistym.
  • Geodezja : wyznaczanie parametrów orientacji Ziemi, w tym dobowego i dobowego ruchu biegunowego, zmienności długości dnia, środka masy Ziemi - ruch geocentrum oraz parametrów pola grawitacyjnego niskich stopni.
  • Geofencing : systemy śledzenia pojazdów , systemy śledzenia osoby , a pet śledzenia systemy używają GPS zlokalizować urządzeń, które są podłączone do lub przewożonych przez osoby, pojazdu lub zwierzęcia. Aplikacja może zapewniać ciągłe śledzenie i wysyłać powiadomienia, jeśli cel opuści wyznaczony (lub „ogrodzony”) obszar.
  • Geotagowanie : stosuje współrzędne lokalizacji do obiektów cyfrowych, takich jak zdjęcia (w danych Exif ) i inne dokumenty do celów takich jak tworzenie nakładek map za pomocą urządzeń takich jak Nikon GP-1
  • Śledzenie samolotów GPS
  • GPS dla górnictwa : zastosowanie RTK GPS znacznie usprawniło kilka operacji wydobywczych, takich jak wiercenie, kopanie, śledzenie pojazdów i pomiary. GPS RTK zapewnia dokładność pozycjonowania na poziomie centymetra.
  • Eksploracja danych GPS : możliwe jest agregowanie danych GPS od wielu użytkowników w celu zrozumienia wzorców ruchu, wspólnych trajektorii i interesujących lokalizacji.
  • Wycieczki GPS : lokalizacja określa, jakie treści mają być wyświetlane; na przykład informacje o zbliżającym się punkcie zainteresowania.
  • Nawigacja : nawigatorzy cenią sobie cyfrowo precyzyjne pomiary prędkości i orientacji, a także precyzyjne pozycje w czasie rzeczywistym z obsługą korekcji orbity i zegara.
  • Orbita Określenie niskich satelitów na orbicie z odbiornikiem GPS zainstalowane na statku, takiej jak GOCE , GRACE , Jason-1 , Jason-2 , TerraSAR-X , TANDEM-X , CHAMP , Sentinel-3 , a niektóre cubesats, np CubETH .
  • Pomiary wskazowe : GPS umożliwia bardzo dokładne oznaczanie czasu pomiarów systemu elektroenergetycznego, umożliwiając obliczenie wskazów .
  • Rekreacja : na przykład, Geocaching , Geodashing , GPS rysunek , waymarking i inne rodzaje lokalizacji na podstawie gier mobilnych , takich jak Pokémon idź .
  • Układy odniesienia : realizacja i zagęszczanie naziemnych układów odniesienia w ramach Globalnego Systemu Obserwacji Geodezyjnej. Kolokacja w przestrzeni między satelitarnym dalmierzem laserowym a obserwacjami mikrofalowymi w celu wyznaczenia globalnych parametrów geodezyjnych.
  • Robotyka : samonawigujące się, autonomiczne roboty wykorzystujące czujniki GPS, które obliczają szerokość i długość geograficzną, czas, prędkość i kurs.
  • Sport : używany w piłce nożnej i rugby do kontroli i analizy obciążenia treningowego.
  • Geodezja : geodeci wykorzystują lokalizacje bezwzględne do tworzenia map i określania granic nieruchomości.
  • Tektonika : GPS umożliwia bezpośredni pomiar ruchu zwarciowego podczas trzęsień ziemi . Między trzęsieniami ziemi GPS może być używany do pomiaru ruchu i deformacji skorupy ziemskiej w celu oszacowania narastania odkształceń sejsmicznych w celu tworzenia map zagrożeń sejsmicznych .
  • Telematyka : technologia GPS zintegrowana z komputerami i technologią komunikacji mobilnej w samochodowych systemach nawigacji .

Ograniczenia dotyczące użytku cywilnego

Rząd USA kontroluje eksport niektórych odbiorników cywilnych. Wszystkie odbiorniki GPS zdolne do działania na wysokości powyżej 60 000 stóp (18 km) nad poziomem morza i 1000 kn (500 m/s; 2000 km/h; 1000 mph) lub zaprojektowane lub zmodyfikowane do użytku z pociskami bezzałogowymi i samolotami są klasyfikowane jako amunicja (broń) – co oznacza, że ​​wymagają licencji eksportowych Departamentu Stanu .

Ta zasada dotyczy nawet jednostek czysto cywilnych, które odbierają tylko częstotliwość L1 i kod C/A (zgrubny/pozyskiwanie).

Wyłączenie działania powyżej tych limitów zwalnia odbiornik z klasyfikacji jako amunicja. Interpretacje dostawców różnią się. Zasada dotyczy pracy zarówno na docelowej wysokości, jak i prędkości, ale niektóre odbiorniki przestają działać nawet podczas postoju. Spowodowało to problemy z niektórymi amatorskimi startami balonów radiowych, które regularnie osiągają 30 km (100 000 stóp).

Ograniczenia te dotyczą wyłącznie jednostek lub komponentów eksportowanych ze Stanów Zjednoczonych. Istnieje rosnący handel różnymi komponentami, w tym urządzeniami GPS z innych krajów. Są one wyraźnie sprzedawane jako wolne od ITAR .

Wojskowy

Podłączanie zestawu naprowadzania GPS do głupiej bomby , marzec 2003.
Pocisk artyleryjski naprowadzany przez GPS M982 Excalibur .

Od 2009 r. wojskowe zastosowania GPS obejmują:

  • Nawigacja: Żołnierze używają GPS do znajdowania celów, nawet w ciemności lub na nieznanym terytorium, oraz do koordynowania ruchu wojsk i zaopatrzenia. W siłach zbrojnych Stanów Zjednoczonych dowódcy używają Cyfrowego Asystenta Dowódcy, a niższe rangą Cyfrowego Asystenta Żołnierza .
  • Śledzenie celów: Różne systemy uzbrojenia wojskowego wykorzystują GPS do śledzenia potencjalnych celów naziemnych i powietrznych przed oznaczeniem ich jako wrogie. Te systemy uzbrojenia przekazują współrzędne celu do precyzyjnie naprowadzanej amunicji, aby umożliwić im dokładne ostrzeliwanie celów. Samoloty wojskowe, szczególnie w rolach powietrze-ziemia , używają GPS do znajdowania celów.
  • Naprowadzanie pocisków i pocisków: GPS umożliwia dokładne namierzanie różnych rodzajów broni wojskowej, w tym ICBM , pocisków manewrujących , precyzyjnej amunicji i pocisków artyleryjskich . Wbudowane odbiorniki GPS w stanie wytrzymać przyspieszeń od 12.000 g lub około 118 km / s 2 (260.000 mph / s) zostały opracowane do użytku w 155-mm (6,1 cala) haubica muszli.
  • Szukać i ratować.
  • Rekonesans: Ruch patrolowy może być dokładniej zarządzany.
  • Satelity GPS posiadają zestaw detektorów detonacji jądrowej składający się z czujnika optycznego zwanego bhangmeter , czujnika rentgenowskiego, dozymetru i czujnika impulsów elektromagnetycznych (EMP) (czujnik W), które stanowią większą część Stanów Zjednoczonych System detekcji detonacji jądrowej . Generał William Shelton stwierdził, że przyszłe satelity mogą porzucić tę funkcję, aby zaoszczędzić pieniądze.

Nawigacja typu GPS została po raz pierwszy użyta podczas wojny w 1991 roku podczas wojny w Zatoce Perskiej , zanim GPS został w pełni opracowany w 1995 roku, aby pomóc siłom koalicji w nawigowaniu i wykonywaniu manewrów podczas wojny. Wojna wykazała również podatność GPS na zagłuszanie , gdy siły irackie zainstalowały urządzenia zagłuszające na prawdopodobnych celach, które emitowały szum radiowy, zakłócając odbiór słabego sygnału GPS.

Podatność GPS na zagłuszanie jest zagrożeniem, które wciąż rośnie wraz ze wzrostem sprzętu i doświadczenia zagłuszającego. Według doniesień sygnały GPS były wielokrotnie zagłuszane na przestrzeni lat w celach wojskowych. Wydaje się, że Rosja ma kilka celów związanych z tym zachowaniem, takich jak zastraszanie sąsiadów przy jednoczesnym podważaniu zaufania do systemów amerykańskich, promowanie ich alternatywy GLONASS, zakłócanie zachodnich ćwiczeń wojskowych i ochrona zasobów przed dronami. Chiny stosują zagłuszanie, aby zniechęcić amerykańskie samoloty nadzoru w pobliżu spornych wysp Spratly . Korea Północna przeprowadziła kilka poważnych operacji zagłuszających w pobliżu swojej granicy z Koreą Południową i na morzu, zakłócając loty, żeglugę i operacje połowowe. Irańskie siły zbrojne zakłóciły działanie GPS cywilnego samolotu pasażerskiego Flight PS752 , gdy ten zestrzelił samolot.

Punktualność

Sekundy przestępne

Podczas gdy większość zegarów czerpie swój czas z uniwersalnego czasu koordynowanego (UTC), zegary atomowe na satelitach są ustawione na „czas GPS”. Różnica polega na tym, że czas GPS nie jest korygowany w celu dopasowania do obrotu Ziemi, więc nie zawiera sekund przestępnych ani innych poprawek, które są okresowo dodawane do UTC. Czas GPS został ustawiony tak, aby odpowiadał UTC w 1980 roku, ale od tego czasu uległ rozbieżności. Brak korekt oznacza, że ​​czas GPS pozostaje na stałym przesunięciu względem międzynarodowego czasu atomowego (TAI) (TAI - GPS = 19 sekund). W zegarach pokładowych wykonywane są okresowe korekty, aby były zsynchronizowane z zegarami naziemnymi.

Komunikat nawigacji GPS zawiera różnicę między czasem GPS a UTC. Od stycznia 2017 r. czas GPS jest 18 sekund przed czasem UTC z powodu sekundy przestępnej dodanej do UTC 31 grudnia 2016 r. Odbiorniki odejmują to przesunięcie od czasu GPS, aby obliczyć UTC i określone wartości strefy czasowej. Nowe jednostki GPS mogą nie pokazywać prawidłowego czasu UTC do czasu otrzymania komunikatu przesunięcia UTC. Pole przesunięcia GPS-UTC może pomieścić 255 sekund przestępnych (osiem bitów).

Precyzja

Czas GPS jest teoretycznie dokładny do około 14 nanosekund, ze względu na dryf zegara względem międzynarodowego czasu atomowego, którego doświadczają zegary atomowe w nadajnikach GPS. Większość odbiorników traci pewną dokładność w interpretacji sygnałów i jest dokładny tylko do około 100 nanosekund.

Format

W przeciwieństwie do formatu roku, miesiąca i dnia kalendarza gregoriańskiego , data GPS jest wyrażona jako numer tygodnia i liczba sekund do tygodnia. Liczba tygodni jest przesyłany jako dziesięcioletniego bitowego pola w C / A i P (Y) komunikatów nawigacyjnych, a więc staje się znowu do zera co najmniej 1024 tygodni (19,6 lat). Tydzień zerowy GPS rozpoczął się o 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) 6 stycznia 1980 r., a numer tygodnia ponownie stał się zerem po raz pierwszy o 23:59:47 UTC 21 sierpnia 1999 r. (00 0:00:19 TAI 22 sierpnia 1999). Stało się to po raz drugi o godzinie 23:59:42 UTC 6 kwietnia 2019 r. Aby określić aktualną datę gregoriańską, odbiornik GPS musi mieć przybliżoną datę (do 3584 dni), aby poprawnie przetłumaczyć sygnał daty GPS. Aby rozwiązać ten problem, w przyszłości zmodernizowany komunikat nawigacji cywilnej GPS (CNAV) będzie wykorzystywał 13-bitowe pole, które powtarza się tylko co 8192 tygodni (157 lat), a zatem będzie trwało do 2137 (157 lat po tygodniu zerowym GPS).

Komunikacja

Sygnały nawigacyjne przesyłane przez satelity GPS kodują różne informacje, w tym pozycje satelitów, stan wewnętrznych zegarów i stan sieci. Sygnały te są przesyłane na dwóch oddzielnych częstotliwościach nośnych, które są wspólne dla wszystkich satelitów w sieci. Stosowane są dwa różne kodowania: kodowanie publiczne, które umożliwia nawigację w niższej rozdzielczości, oraz kodowanie szyfrowane używane przez wojsko USA.

Format wiadomości

Format wiadomości GPS
Ramki pomocnicze Opis
1 Zegar satelitarny,
związek czasu GPS
2-3 Efemerydy
(precyzyjna orbita satelity)
4–5 Komponent almanachu
(streszczenie sieci satelitarnej,
korekcja błędów)

Każdy satelita GPS stale nadaje komunikat nawigacyjny na częstotliwościach L1 (C/A i P/Y) i L2 (P/Y) z szybkością 50 bitów na sekundę (patrz bitrate ). Każda kompletna wiadomość zajmuje 750 sekund ( 12+12 minuty), aby zakończyć. Struktura wiadomości ma podstawowy format ramki o długości 1500 bitów składającej się z pięciu podramek, z których każda podramka ma długość 300 bitów (6 sekund). Podramki 4 i 5 są podkomutowane 25 razy każda, tak że kompletny komunikat danych wymaga transmisji 25 pełnych ramek. Każda podramka składa się z dziesięciu słów, każde o długości 30 bitów. Tak więc, przy 300 bitach w podramce razy 5 podramkach w ramce razy 25 ramek w komunikacie, każdy komunikat ma długość 37500 bitów. Przy szybkości transmisji 50 bitów/s daje to 750 sekund na przesłanie całej wiadomości almanachu (GPS) . Każda 30-sekundowa klatka zaczyna się dokładnie w minucie lub pół minucie, jak wskazuje zegar atomowy na każdym satelicie.

Pierwsza podramka każdej ramki koduje numer tygodnia i czas w tygodniu, a także dane o stanie satelity. Druga i trzecia podramka zawierają efemerydy – dokładną orbitę satelity. Czwarta i piąta podramka zawierają almanach , który zawiera informacje o przybliżonej orbicie i stanie do 32 satelitów w konstelacji, a także dane związane z korekcją błędów. Tak więc, aby uzyskać dokładną lokalizację satelity z tej przesyłanej wiadomości, odbiornik musi demodulować wiadomość z każdego satelity, który zawiera w swoim rozwiązaniu, przez 18 do 30 sekund. Aby zebrać wszystkie przesłane almanachy, odbiorca musi zdemodulować wiadomość przez 732 do 750 sekund lub 12+1 / 2 minut.

Wszystkie satelity nadają na tych samych częstotliwościach, kodując sygnały przy użyciu unikalnego wielodostępu z podziałem kodu (CDMA), dzięki czemu odbiorniki mogą odróżnić poszczególne satelity od siebie. System wykorzystuje dwa różne typy kodowania CDMA: kod zgrubny/pozyskiwania (C/A), który jest dostępny dla ogółu społeczeństwa, oraz kod precyzyjny (P(Y)), który jest zaszyfrowany w taki sposób, że tylko wojsko amerykańskie i inne Kraje NATO, którym przyznano dostęp do kodu szyfrującego, mogą uzyskać do niego dostęp.

Efemerydy są aktualizowane co 2 godziny i są wystarczająco stabilne przez 4 godziny, z możliwością aktualizacji co 6 godzin lub dłużej w warunkach innych niż nominalne. Almanach jest aktualizowany zazwyczaj co 24 godziny. Dodatkowo przesyłane są dane za kilka tygodni w przypadku aktualizacji transmisji, które opóźniają przesyłanie danych.

Częstotliwości satelitarne

Przegląd częstotliwości GPS
Zespół muzyczny Częstotliwość Opis
L1 1575,42 MHz Kody zgrubnej akwizycji (C/A) i zaszyfrowanej precyzji (P(Y)) oraz kody cywilne ( L1C ) i wojskowe (M) L1 na przyszłych satelitach Bloku III.
L2 1227,60 MHz Kod P(Y) plus kody L2C i wojskowe na satelitach Block IIR-M i nowszych.
L3 1381,05 MHz Używany do wykrywania detonacji jądrowej (NUDET).
L4 1379.913 MHz Badany pod kątem dodatkowej korekcji jonosferycznej.
L5 1176,45 MHz Proponowany do użycia jako cywilny sygnał bezpieczeństwa życia (SoL).

Wszystkie satelity nadają na tych samych dwóch częstotliwościach, 1,57542 GHz (sygnał L1) i 1,2276 GHz (sygnał L2). Sieć satelitarna wykorzystuje technikę widma rozproszonego CDMA, w której dane komunikatu o niskiej przepływności są kodowane za pomocą sekwencji pseudolosowej (PRN) o wysokiej przepływności , która jest inna dla każdego satelity. Odbiornik musi znać kody PRN dla każdego satelity, aby zrekonstruować rzeczywiste dane komunikatu. Kod C/A do użytku cywilnego przesyła dane z szybkością 1,023 miliona chipów na sekundę, podczas gdy kod P do użytku wojskowego w USA przesyła dane z szybkością 10,23 miliona chipów na sekundę. Rzeczywiste wewnętrzne odniesienie satelitów wynosi 10.22999999543 MHz, aby zrekompensować efekty relatywistyczne, które powodują, że obserwatorzy na Ziemi postrzegają inne odniesienie czasowe w stosunku do nadajników na orbicie. Nośna L1 jest modulowana zarówno przez kod C/A, jak i P, podczas gdy nośna L2 jest modulowana tylko przez kod P. Kod P może być zaszyfrowany jako tzw. kod P(Y), który jest dostępny tylko dla sprzętu wojskowego z odpowiednim kluczem deszyfrującym. Zarówno kody C/A, jak i P(Y) przekazują użytkownikowi dokładną godzinę dnia.

Do transmisji danych z satelitów do stacji naziemnych wykorzystywany jest sygnał L3 o częstotliwości 1,38105 GHz. Dane te są wykorzystywane przez amerykański system wykrywania wybuchów jądrowych (NUDET) (USNDS) do wykrywania, lokalizowania i zgłaszania detonacji jądrowych (NUDET) w ziemskiej atmosferze i w pobliżu kosmosu. Jednym z zastosowań jest egzekwowanie traktatów o zakazie prób jądrowych.

Pasmo L4 przy 1,379913 GHz jest badane pod kątem dodatkowej korekcji jonosferycznej.

W ramach modernizacji GPS dodano pasmo częstotliwości L5 na poziomie 1,17645 GHz . Częstotliwość ta mieści się w zakresie chronionym międzynarodowo dla nawigacji lotniczej, obiecując niewielkie lub żadne zakłócenia we wszystkich okolicznościach. Pierwszy satelita Block IIF dostarczający ten sygnał został wystrzelony w maju 2010 r. 5 lutego 2016 r. wystrzelony został dwunasty i ostatni satelita Block IIF. L5 składa się z dwóch elementów nośnych, które są ze sobą w kwadraturze fazowej. Każdy element nośny jest kluczem przesunięcia dwufazowego (BPSK) modulowanym przez oddzielny ciąg bitów. „L5, trzeci cywilny sygnał GPS, ostatecznie wesprze aplikacje bezpieczeństwa życia w lotnictwie i zapewni lepszą dostępność i dokładność”.

W 2011 r. LightSquared otrzymał warunkowe zrzeczenie się świadczenia naziemnej usługi szerokopasmowej w pobliżu pasma L1. Chociaż firma LightSquared złożyła wniosek o licencję na działanie w paśmie od 1525 do 1559 już w 2003 r. i została opublikowana do publicznego komentarza, FCC poprosiło LightSquared o utworzenie grupy badawczej ze społecznością GPS w celu przetestowania odbiorników GPS i zidentyfikowania problemu, który może powstają ze względu na większą moc sygnału z sieci naziemnej LightSquared. Społeczność GPS nie sprzeciwiła się aplikacjom LightSquared (dawniej MSV i SkyTerra) do listopada 2010 r., kiedy LightSquared złożył wniosek o modyfikację swojego zezwolenia na dodatkowy komponent naziemny (ATC). Zgłoszenie to (SAT-MOD-20101118-00239) stanowiło żądanie uruchomienia kilku rzędów wielkości większej mocy w tym samym paśmie częstotliwości dla naziemnych stacji bazowych, zasadniczo zmieniając przeznaczenie tego, co miało być „cichym sąsiedztwem” dla sygnałów z kosmosu jako odpowiednik sieci komórkowej. Testy przeprowadzone w pierwszej połowie 2011 r. wykazały, że wpływ dolnego pasma 10 MHz na urządzenia GPS jest minimalny (wpływ dotyczy mniej niż 1% wszystkich urządzeń GPS). Górne 10 MHz przeznaczone do użytku przez LightSquared może mieć pewien wpływ na urządzenia GPS. Istnieją pewne obawy, że może to poważnie pogorszyć sygnał GPS w wielu zastosowaniach konsumenckich. Magazyn Aviation Week donosi, że ostatnie testy (czerwiec 2011) potwierdzają "znaczne zacinanie się" GPS przez system LightSquared.

Demodulacja i dekodowanie

Demodulacja i dekodowanie sygnałów satelitarnych GPS przy użyciu kodu Coarse/Acquisition Gold .

Ponieważ wszystkie sygnały satelitarne są modulowane na tej samej częstotliwości nośnej L1, sygnały muszą być rozdzielone po demodulacji. Odbywa się to poprzez przypisanie każdemu satelicie unikalnej sekwencji binarnej znanej jako kod Gold . Sygnały są dekodowane po demodulacji za pomocą dodawania kodów Gold odpowiadających satelitom monitorowanym przez odbiornik.

Jeśli informacje z almanachu zostały wcześniej zebrane, odbiornik wybiera satelity do nasłuchu według ich PRN, unikalnych numerów z zakresu od 1 do 32. Jeśli informacje z almanachu nie znajdują się w pamięci, odbiornik wchodzi w tryb wyszukiwania do czasu uzyskania blokady na jednym z satelitów. Aby uzyskać blokadę, konieczne jest zapewnienie niezakłóconej linii widzenia od odbiornika do satelity. Odbiornik może wtedy uzyskać almanach i określić satelity, których powinien nasłuchiwać. Gdy wykrywa sygnał każdego satelity, identyfikuje go za pomocą odrębnego wzoru kodu C/A. Może wystąpić opóźnienie do 30 sekund przed pierwszym oszacowaniem pozycji ze względu na konieczność odczytania danych efemeryd.

Przetwarzanie komunikatu nawigacyjnego umożliwia określenie w tym czasie czasu transmisji i pozycji satelity. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz temat Demodulacja i dekodowanie, Zaawansowane .

Równania nawigacyjne

Opis problemu

Odbiornik wykorzystuje wiadomości odebrane z satelitów do określenia pozycji satelitów i czasu wysłania. Gdy X, Y i Z składniki satelitę i przesyłane czas ( s ), określa się jako [ x i y i , Z i , s I ], w którym indeks dolny i oznacza satelitę i ma wartość 1, 2,. .., n , gdzie n  ≥ 4. Gdy czas odbioru komunikatu wskazywany przez zegar odbiornika na pokładzie wynosi i , rzeczywisty czas odbioru wynosi t i = ib , gdzie b jest odchyleniem zegara odbiornika od znacznie dokładniejsze zegary GPS wykorzystywane przez satelity. Odchylenie zegara odbiornika jest takie samo dla wszystkich odbieranych sygnałów satelitarnych (zakładając, że wszystkie zegary satelitarne są idealnie zsynchronizowane). Czas przejścia wiadomości wynosi ibs i , gdzie s i jest czasem satelity. Przy założeniu, że komunikat przebytej na prędkością światła , c , że przebytą odległość ( t I - b - y I ), c .

Dla n satelitów równania do spełnienia to:

gdzie d i jest geometryczną odległością lub zasięgiem między odbiornikiem a satelitą i (wartości bez indeksów to składowe x, y i z pozycji odbiornika):

Definiując pseudoodległości jako , widzimy, że są one stronniczymi wersjami prawdziwego zakresu:

.

Ponieważ równania mają cztery niewiadome [ x,y,z,b ]—trzy składowe pozycji odbiornika GPS i przesunięcia zegara—sygnały z co najmniej czterech satelitów są niezbędne do rozwiązania tych równań. Można je rozwiązać metodami algebraicznymi lub numerycznymi. Istnienie i unikalność rozwiązań GPS omawiają Abell i Chaffee. Gdy n jest większe niż cztery, system ten jest nadmiernie określony i należy zastosować metodę dopasowania .

Wielkość błędu w wynikach różni się w zależności od lokalizacji odbieranych satelitów na niebie, ponieważ niektóre konfiguracje (gdy odbierane satelity znajdują się blisko siebie na niebie) powodują większe błędy. Odbiorniki zwykle obliczają bieżące oszacowanie błędu w obliczonej pozycji. Odbywa się to poprzez pomnożenie podstawowej rozdzielczości odbiornika przez wielkości zwane współczynnikami geometrycznego rozcieńczenia pozycji (GDOP), obliczonymi na podstawie względnych kierunków nieba wykorzystywanych satelitów. Lokalizacja odbiornika jest wyrażona w określonym układzie współrzędnych, takim jak szerokość i długość geograficzna za pomocą układu odniesienia geodezyjnego WGS 84 lub systemu specyficznego dla kraju.

Interpretacja geometryczna

Równania GPS można rozwiązywać metodami numerycznymi i analitycznymi. Interpretacje geometryczne mogą zwiększyć zrozumienie tych metod rozwiązania.

Kule

Scenariusz dwuwymiarowej kartezjańskiej multilateracji (trilateracji) w prawdziwym zakresie.

Mierzone zakresy, zwane pseudozakresami, zawierają błędy zegara. W uproszczonej idealizacji, w której zakresy są zsynchronizowane, te prawdziwe zakresy reprezentują promienie sfer, z których każda jest wyśrodkowana na jednym z transmitujących satelitów. Rozwiązanie położenia odbiornika znajduje się wówczas na przecięciu powierzchni tych kul; patrz trilateracja (bardziej ogólnie, multilateracja w pełnym zakresie). Wymagane są sygnały z co najmniej trzech satelitów, a ich trzy kule zazwyczaj przecinają się w dwóch punktach. Jednym z punktów jest lokalizacja odbiornika, a drugi porusza się szybko w kolejnych pomiarach i zwykle nie znajduje się na powierzchni Ziemi.

W praktyce istnieje wiele źródeł niedokładności poza odchyleniem zegara, w tym błędy losowe, a także potencjalna utrata precyzji przez odejmowanie liczb znajdujących się blisko siebie, jeśli środki sfer są stosunkowo blisko siebie. Oznacza to, że pozycja obliczona tylko z trzech satelitów prawdopodobnie nie będzie wystarczająco dokładna. Dane z większej liczby satelitów mogą pomóc ze względu na tendencję do znoszenia przypadkowych błędów, a także poprzez większe rozproszenie między środkami kul. Ale jednocześnie więcej sfer nie przecina się na ogół w jednym punkcie. Dlatego bliski punkt przecięcia jest obliczany, zwykle za pomocą metody najmniejszych kwadratów. Im więcej dostępnych sygnałów, tym lepsze będzie przybliżenie.

Hiperboloidy

Trzy satelity (oznaczone jako „stacje” A, B, C) mają znane lokalizacje. Rzeczywisty czas potrzebny na przesłanie sygnału radiowego z każdego satelity do odbiornika jest nieznany, ale prawdziwe różnice czasowe są znane. Następnie każda różnica czasu lokalizuje odbiornik na gałęzi hiperboli nastawionej na satelity. Odbiornik znajduje się wtedy na jednym z dwóch skrzyżowań.

Jeśli odejmiemy pseudoodległość między odbiornikiem a satelitą i oraz pseudoodległość między odbiornikiem a satelitą j , p ip j , wspólne odchylenie zegara odbiornika ( b ) znosi się, co skutkuje różnicą odległości d id j . Locus punktów mających stałą różnicę odległości do dwóch punktów (tutaj dwa satelity) to hiperbola na płaszczyźnie i hiperboloid obrotu (dokładniej, hiperboloid dwuwarstwowy ) w przestrzeni 3D (patrz Multilateracja ). W ten sposób, z czterech pomiarów pseudoodległości, odbiornik można umieścić na przecięciu powierzchni trzech hiperboloidów z ogniskami na parze satelitów. W przypadku dodatkowych satelitów wielokrotne skrzyżowania niekoniecznie muszą być unikalne i zamiast tego poszukuje się najlepiej dopasowanego rozwiązania.

Wpisana kula

Mniejszy okrąg ( czerwony ) wpisany i styczny do innych okręgów ( czarny ), które niekoniecznie muszą być wzajemnie styczne.

Pozycję odbiornika można interpretować jako środek wpisanej kuli (insfery) o promieniu bc , określonym przez bias zegara odbiornika b (skalowany przez prędkość światła c ). Położenie insfery jest takie, że dotyka innych sfer. Opisane kule są wyśrodkowane na satelitach GPS, których promienie są równe zmierzonym pseudoodległościom p i . Ta konfiguracja różni się od opisanego powyżej, w którym promienie sfer były pakietów lub geometryczne zakresy d I .

Hiperstożki

Zegar w odbiorniku zwykle nie jest tej samej jakości co zegary w satelitach i nie będzie z nimi dokładnie zsynchronizowany. Daje to pseudoodległości z dużymi różnicami w porównaniu z rzeczywistymi odległościami do satelitów. Dlatego w praktyce różnica czasu między zegarem odbiornika a czasem satelity jest definiowana jako nieznane odchylenie zegara b . Równania są następnie rozwiązywane jednocześnie dla pozycji odbiornika i przesunięcia zegara. Przestrzeń rozwiązań [ x,y,z,b ] może być postrzegana jako czterowymiarowa czasoprzestrzeń i potrzebne są sygnały z co najmniej czterech satelitów. W takim przypadku każde z równań opisuje hiperstożek (lub stożek sferyczny), którego wierzchołek znajduje się na satelicie, a podstawa jest kulą wokół satelity. Odbiornik znajduje się na przecięciu czterech lub więcej takich hiperstożków.

Metody rozwiązania

Najmniej kwadratów

Gdy dostępnych jest więcej niż cztery satelity, obliczenia mogą wykorzystywać cztery najlepsze lub więcej niż cztery jednocześnie (do wszystkich widocznych satelitów), w zależności od liczby kanałów odbiornika, możliwości przetwarzania i geometrycznego rozmycia precyzji (GDOP).

Użycie więcej niż czterech wiąże się z nadmiernie ustalonym układem równań bez unikalnego rozwiązania; taki system można rozwiązać metodą najmniejszych kwadratów lub ważoną metodą najmniejszych kwadratów.

Wielokrotny

Oba równania dla czterech satelitów lub równania najmniejszych kwadratów dla więcej niż czterech są nieliniowe i wymagają specjalnych metod rozwiązywania. Powszechnym podejściem jest iteracja zlinearyzowaną postacią równań, taką jak algorytm Gaussa-Newtona .

GPS został początkowo opracowany przy założeniu użycia numerycznej metody najmniejszych kwadratów — tj. przed znalezieniem rozwiązań w formie zamkniętej.

Forma zamknięta

Jedno rozwiązanie w postaci zamkniętej powyższego zestawu równań zostało opracowane przez S. Bancrofta. Jego właściwości są dobrze znane; w szczególności zwolennicy twierdzą, że jest lepszy w sytuacjach niskiego PKB w porównaniu z iteracyjnymi metodami najmniejszych kwadratów.

Metoda Bancrofta jest algebraiczna, w przeciwieństwie do numerycznej i może być używana dla czterech lub więcej satelitów. Gdy używane są cztery satelity, kluczowymi krokami są odwrócenie macierzy 4x4 i rozwiązanie równania kwadratowego z jedną zmienną. Metoda Bancrofta dostarcza jedno lub dwa rozwiązania dla nieznanych wielkości. Kiedy są dwa (zazwyczaj tak), tylko jeden jest rozsądnym rozwiązaniem zbliżonym do Ziemi.

Gdy odbiornik wykorzystuje więcej niż cztery satelity do rozwiązania, Bancroft używa uogólnionej odwrotności (tj. pseudoodwrotności) do znalezienia rozwiązania. Stwierdzono, że metody iteracyjne, takie jak podejście algorytmu Gaussa-Newtona do rozwiązywania problemów nadmiernie ustalonych nieliniowych najmniejszych kwadratów (NLLS), na ogół zapewniają dokładniejsze rozwiązania.

Leick i in. (2015) stwierdza, że ​​„rozwiązanie Bancrofta (1985) jest bardzo wczesnym, jeśli nie pierwszym rozwiązaniem w formie zamkniętej”. Inne rozwiązania w formie zamkniętej zostały opublikowane później, choć ich zastosowanie w praktyce jest niejasne.

Źródła i analiza błędów

Analiza błędów GPS sprawdza źródła błędów w wynikach GPS i oczekiwaną wielkość tych błędów. GPS dokonuje korekcji błędów zegara odbiornika i innych efektów, ale niektóre błędy szczątkowe pozostają nieskorygowane. Źródła błędów obejmują pomiary czasu nadejścia sygnału, obliczenia numeryczne, efekty atmosferyczne (opóźnienia jonosferyczne/troposferyczne), dane efemerydalne i zegarowe, sygnały wielościeżkowe oraz naturalne i sztuczne zakłócenia. Wielkość błędów resztowych z tych źródeł zależy od geometrycznego rozmycia precyzji. Sztuczne błędy mogą wynikać z urządzeń zagłuszających i zagrażać statkom i samolotom lub celowej degradacji sygnału poprzez selektywną dostępność, która ogranicza dokładność do ≈ 6–12 m (20–40 stóp), ale została wyłączona od 1 maja 2000 r.

Poprawa dokładności i pomiary

Powiększenie

Włączenie informacji zewnętrznych do procesu obliczeniowego może znacząco poprawić dokładność. Takie systemy wspomagające są ogólnie nazywane lub opisywane na podstawie tego, w jaki sposób docierają informacje. Niektóre systemy przesyłają dodatkowe informacje o błędach (takich jak dryf zegara, efemerydy lub opóźnienie jonosferyczne ), inne charakteryzują wcześniejsze błędy, podczas gdy trzecia grupa zapewnia dodatkowe informacje nawigacyjne lub informacje o pojeździe.

Przykłady systemów wspomagania obejmują system wspomagania rozległego obszaru (WAAS), europejski system wspomagania nawigacji geostacjonarnej (EGNOS), różnicowy GPS (DGPS), systemy nawigacji inercyjnej (INS) i wspomagany GPS . Standardową dokładność około 15 m (49 stóp) można zwiększyć do 3–5 m (9,8–16,4 stopy) z DGPS i do około 3 m (9,8 stopy) z WAAS.

Precyzyjne monitorowanie

Dokładność można poprawić poprzez precyzyjne monitorowanie i pomiar istniejących sygnałów GPS na dodatkowe lub alternatywne sposoby.

Największym pozostałym błędem jest zwykle nieprzewidywalne opóźnienie w jonosferze . Statek kosmiczny transmitował parametry modelu jonosferycznego, ale pewne błędy pozostały. Jest to jeden z powodów, dla których statki kosmiczne GPS nadają na co najmniej dwóch częstotliwościach, L1 i L2. Opóźnienie jonosferyczne jest dobrze zdefiniowaną funkcją częstotliwości i całkowitej zawartości elektronów (TEC) wzdłuż ścieżki, więc pomiar różnicy czasu przybycia między częstotliwościami określa TEC, a tym samym dokładne opóźnienie jonosferyczne dla każdej częstotliwości.

Odbiorniki wojskowe mogą dekodować kod P(Y) nadawany zarówno na L1 jak i L2. Bez kluczy deszyfrujących nadal możliwe jest użycie techniki bezkodowej do porównywania kodów P(Y) na L1 i L2, aby uzyskać wiele takich samych informacji o błędach. Ta technika jest powolna, dlatego obecnie jest dostępna tylko na specjalistycznym sprzęcie geodezyjnym. W przyszłości oczekuje się, że na częstotliwościach L2 i L5 będą transmitowane dodatkowe kody cywilne. Wszyscy użytkownicy będą wtedy mogli wykonywać pomiary w dwóch częstotliwościach i bezpośrednio obliczać błędy opóźnienia jonosferycznego.

Druga forma precyzyjnego monitorowania nosi nazwę Carrier-Phase Enhancement (CPGPS). Koryguje to błąd, który pojawia się, ponieważ przejście impulsowe PRN nie jest natychmiastowe, a zatem działanie korelacji (dopasowanie sekwencji satelita-odbiornik) jest niedoskonałe. CPGPS wykorzystuje fali nośnej L1, który ma okres od , która jest równa około jednej tysięcznej okresu bitowego kodu C / A, złota z , działać jako dodatkowy sygnał zegarowy i rozwiązać niepewności. Błąd różnicy faz w normalnym GPS wynosi 2–3 m (6 stóp 7 cali – 9 stóp 10 cali) niejednoznaczności. CPGPS działający z dokładnością do 1% idealnego przejścia redukuje ten błąd do 3 cm (1,2 cala) niejednoznaczności. Eliminując to źródło błędów, CPGPS w połączeniu z DGPS zwykle zapewnia absolutną dokładność w zakresie 20–30 cm (7,9–11,8 cala).

Relative Kinematyczne Pozycjonowanie (RKP) to trzecia alternatywa dla precyzyjnego systemu pozycjonowania opartego na GPS. W tym podejściu określenie zasięgu sygnału można rozwiązać z dokładnością mniejszą niż 10 cm (3,9 cala). Odbywa się to poprzez ustalenie liczby cykli, w których sygnał jest przesyłany i odbierany przez odbiornik, przy użyciu kombinacji danych korekcji różnicowego GPS (DGPS), przesyłając informacje o fazie sygnału GPS i techniki rozwiązywania niejednoznaczności za pomocą testów statystycznych — prawdopodobnie z przetwarzaniem w rzeczywistym -time ( pozycjonowanie kinematyczne w czasie rzeczywistym , RTK).

Śledzenie fazy fali nośnej (pomiar)

Inną metodą wykorzystywaną w aplikacjach geodezyjnych jest śledzenie fazy nośnej. Okres częstotliwości nośnej pomnożony przez prędkość światła daje długość fali, która wynosi około 0,19 m (7,5 cala) dla nośnej L1. Dokładność w zakresie 1% długości fali w wykrywaniu krawędzi natarcia zmniejsza tę składową błędu pseudoodległości do zaledwie 2 mm (0,079 cala). Porównuje się to z 3 m (9,8 stopy) dla kodu C/A i 0,3 m (1 stopa 0 cali) dla kodu P.

Dokładność 2 mm (0,079 cala) wymaga pomiaru całkowitej fazy — liczby fal pomnożonych przez długość fali plus ułamkową długość fali, co wymaga specjalnie wyposażonych odbiorników. Ta metoda ma wiele zastosowań geodezyjnych. Jest wystarczająco dokładny do śledzenia w czasie rzeczywistym bardzo powolnych ruchów płyt tektonicznych , zwykle 0-100 mm (0,0-3,9 cala) rocznie.

Potrójne różnicowanie, po którym następuje numeryczne znajdowanie pierwiastków, a technika najmniejszych kwadratów umożliwia oszacowanie pozycji jednego odbiornika na podstawie pozycji drugiego. Najpierw oblicz różnicę między satelitami, następnie między odbiornikami, a na końcu między epokami. Inne porządki brania różnic są równie ważne. Pominięto szczegółowe omówienie błędów.

Całkowita faza nośnej satelity może być mierzona niejednoznacznie co do liczby cykli. Pozwolić oznacza fazę nośnej satelitarnej j mierzona przez odbiornik I w czasie . Ten zapis pokazuje znaczenie indeksów dolnych i, j oraz k. Odbiornik ( r ), satelita ( s ) i czas ( t ) są w porządku alfabetycznym jako argumenty i dla zrównoważenia czytelności i zwięzłości, niech będzie zwięzły skrót. Definiujemy również trzy funkcje, : , które zwracają odpowiednio różnice między odbiornikami, satelitami i punktami czasowymi. Każda funkcja ma zmienne z trzema indeksami jako argumentami. Te trzy funkcje są zdefiniowane poniżej. Jeśli jest funkcją trzech argumentów całkowitych, i, j i k, to jest prawidłowym argumentem dla funkcji : , z wartościami zdefiniowanymi jako

,
, oraz
 .

Również jeśli są poprawnymi argumentami dla trzech funkcji, a a i b są stałymi, to jest poprawnym argumentem z wartościami zdefiniowanymi jako

,
, oraz
 .

Błędy zegara odbiornika można w przybliżeniu wyeliminować przez różnicowanie faz mierzonych z satelity 1 z fazą z satelity 2 w tej samej epoce. Ta różnica jest oznaczona jako

Podwójne różnicowanie oblicza różnicę między satelitą odbiornika 1 a odbiornikiem 2. To w przybliżeniu eliminuje błędy zegara satelitarnego. Ta podwójna różnica to:

Potrójne różnicowanie odejmuje różnicę odbiornika z czasu 1 od czasu 2. Eliminuje to niejednoznaczność związaną z całkowitą liczbą długości fal w fazie nośnej, pod warunkiem, że niejednoznaczność ta nie zmienia się w czasie. W ten sposób wynik potrójnej różnicy eliminuje praktycznie wszystkie błędy odchylenia zegara i niejednoznaczność liczb całkowitych. Znacznie zmniejszono opóźnienia atmosferyczne i błędy efemeryd satelitarnych. Ta potrójna różnica to:

Wyniki potrójnej różnicy można wykorzystać do oszacowania nieznanych zmiennych. Na przykład, jeżeli pozycja odbiornika 1 jest znana, ale pozycja odbiornika 2 nieznana, może być możliwe oszacowanie pozycji odbiornika 2 przy użyciu liczbowego wyszukiwania pierwiastków i najmniejszych kwadratów. Wyniki potrójnej różnicy dla trzech niezależnych par czasowych mogą być wystarczające do rozwiązania dla trzech składowych pozycji odbiornika 2. Może to wymagać procedury numerycznej. Do zastosowania takiej metody numerycznej wymagane jest przybliżenie pozycji odbiornika 2. Tę początkową wartość można prawdopodobnie podać z komunikatu nawigacyjnego i przecięcia powierzchni kul. Takie rozsądne oszacowanie może być kluczem do udanego wielowymiarowego odnalezienia korzeni. Iteracja od trzech par czasowych i dość dobrej wartości początkowej daje jeden obserwowany wynik potrójnej różnicy dla pozycji odbiornika 2. Przetwarzanie dodatkowych par czasu może poprawić dokładność, przedefiniowując odpowiedź z wieloma rozwiązaniami. Metoda najmniejszych kwadratów pozwala oszacować system naddeterminowany. Metoda najmniejszych kwadratów określa pozycję odbiornika 2, która najlepiej pasuje do obserwowanych wyników różnicy potrójnej dla pozycji odbiornika 2 przy kryterium minimalizacji sumy kwadratów.

Kwestie regulacyjne dotyczące widma dotyczące odbiorników GPS

W Stanach Zjednoczonych odbiorniki GPS podlegają przepisom części 15 Federalnej Komisji Łączności (FCC) . Jak wskazano w instrukcjach obsługi urządzeń GPS sprzedawanych w Stanach Zjednoczonych, jako urządzenie z części 15 „musi akceptować wszelkie odbierane zakłócenia, w tym zakłócenia, które mogą powodować niepożądane działanie”. W szczególności w odniesieniu do urządzeń GPS, FCC stwierdza, że ​​producenci odbiorników GPS „muszą używać odbiorników, które w rozsądny sposób dyskryminują odbiór sygnałów spoza ich przydzielonego widma”. Od 30 lat odbiorniki GPS działają w pobliżu pasma Mobile Satellite Service i bez problemu dyskryminują odbiór mobilnych usług satelitarnych, takich jak Inmarsat.

Widmo przydzielone do użytku GPS L1 przez FCC to 1559 do 1610 MHz, podczas gdy widmo przydzielone do użytku satelita-ziemia należące do Lightsquared to pasmo Mobile Satellite Service. Od 1996 roku FCC udziela licencji na użytkowanie widma sąsiadującego z pasmem GPS od 1525 do 1559 MHz firmie LightSquared z Wirginii . 1 marca 2001 roku FCC otrzymało wniosek od poprzednika LightSquared, Motient Services, o wykorzystanie przydzielonych im częstotliwości do zintegrowanej usługi naziemnej. W 2002 roku amerykańska Rada Przemysłu GPS zawarła porozumienie z LightSquared w sprawie emisji poza pasmem (OOBE), aby uniemożliwić transmisjom ze stacji naziemnych LightSquared transmisje w sąsiednim paśmie GPS od 1559 do 1610 MHz. W 2004 r. FCC przyjęła umowę OOBE w swoim upoważnieniu dla LightSquared do wdrożenia naziemnej sieci pomocniczej do ich systemu satelitarnego – znanej jako Ancillary Tower Components (ATC) – „Udzielimy autoryzacji MSS ATC pod warunkiem spełnienia warunków, które zapewnią, że dodany składnik naziemny pozostaje elementem pomocniczym w stosunku do głównej oferty MSS. Nie zamierzamy ani nie pozwolimy, aby składnik naziemny stał się samodzielną usługą”. Niniejsze upoważnienie zostało sprawdzone i zatwierdzone przez Międzyresortowy Komitet Doradczy ds. Radia Stanów Zjednoczonych, w skład którego wchodzą Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych, Armia Stanów Zjednoczonych, Straż Przybrzeżna Stanów Zjednoczonych , Federalna Administracja Lotnictwa , Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA), Departament Stanów Zjednoczonych Spraw Wewnętrznych i Departamentu Transportu USA .

W styczniu 2011 r. FCC warunkowo autoryzowało hurtowych klientów LightSquared — takich jak Best Buy , Sharp i C Spire — do zakupu tylko zintegrowanej usługi satelitarnej naziemnej od LightSquared i odsprzedaży tej zintegrowanej usługi na urządzeniach wyposażonych wyłącznie w użyj sygnału naziemnego przy użyciu przydzielonych częstotliwości LightSquared od 1525 do 1559 MHz. W grudniu 2010 r. producenci odbiorników GPS wyrazili obawy FCC, że sygnał LightSquared może zakłócać urządzenia odbiornika GPS, chociaż względy polityczne FCC prowadzące do zamówienia ze stycznia 2011 r. nie dotyczyły żadnych proponowanych zmian w maksymalnej liczbie naziemnych stacji LightSquared lub maksymalna moc, z jaką te stacje mogłyby pracować. Zamówienie ze stycznia 2011 r. uzależnia ostateczną autoryzację od badań problemów z zakłóceniami GPS przeprowadzonych przez grupę roboczą pod przewodnictwem LightSquared wraz z udziałem przemysłu GPS i agencji federalnej. W dniu 14 lutego 2012 r. FCC wszczęła postępowanie w celu uchylenia nakazu warunkowego zwolnienia LightSquared w oparciu o wniosek NTIA, że obecnie nie ma praktycznego sposobu na złagodzenie potencjalnych zakłóceń GPS.

Producenci odbiorników GPS projektują odbiorniki GPS tak, aby wykorzystywały widmo poza pasmem przydzielonym przez GPS. W niektórych przypadkach odbiorniki GPS są zaprojektowane tak, aby wykorzystywać do 400 MHz widma w dowolnym kierunku z częstotliwości L1 1575,42 MHz, ponieważ satelitarne usługi mobilne w tych regionach nadawane są z kosmosu na ziemię i na poziomach mocy współmiernych do usług satelitarnej komunikacji ruchomej . Zgodnie z przepisami części 15 FCC, odbiorniki GPS nie są objęte gwarancją ochrony przed sygnałami spoza widma przydzielonego przez GPS. To dlatego GPS działa obok pasma Mobile Satellite Service, a także, dlaczego pasmo Mobile Satellite Service działa obok GPS. Symbiotyczny związek przydziału widma zapewnia użytkownikom obu pasm możliwość współpracy i swobodnej pracy.

FCC przyjęła w lutym 2003 r. przepisy, które umożliwiły licencjobiorcom mobilnej usługi satelitarnej (MSS), takim jak LightSquared, zbudowanie niewielkiej liczby pomocniczych wież naziemnych w ich licencjonowanym widmie w celu „promowania bardziej efektywnego wykorzystania naziemnego widma bezprzewodowego”. W tych przepisach z 2003 r. FCC stwierdził: „W ramach sprawy wstępnej oczekuje się, że naziemne [Commercial Mobile Radio Service („CMRS”)] i MSS ATC będą miały różne ceny, zasięg, akceptację i dystrybucję produktów; w związku z tym pojawiają się dwie usługi, w najlepszym razie, aby być niedoskonałymi substytutami dla siebie nawzajem, które działałyby w przeważającej mierze w różnych segmentach rynku… Jest mało prawdopodobne, aby MSS ATC konkurował bezpośrednio z naziemnymi CMRS o tę samą bazę klientów…”. W 2004 roku FCC wyjaśniło, że wieże naziemne będą miały charakter pomocniczy, zauważając, że „Udzielimy autoryzacji MSS ATC pod warunkiem spełnienia warunków, które zapewnią, że dodany składnik naziemny pozostanie pomocniczy w stosunku do głównej oferty MSS. pozwolić, aby komponent naziemny stał się samodzielną usługą”. W lipcu 2010 roku FCC stwierdziła, że ​​oczekuje, iż LightSquared wykorzysta swoje uprawnienia do zaoferowania zintegrowanej naziemnej usługi satelitarnej w celu „dostarczania mobilnych usług szerokopasmowych podobnych do usług naziemnych operatorów telefonii komórkowej i zwiększania konkurencji w sektorze mobilnego dostępu szerokopasmowego”. Producenci odbiorników GPS argumentowali, że licencjonowane pasmo LightSquared od 1525 do 1559 MHz nigdy nie było przewidywane jako wykorzystywane do szybkich bezprzewodowych łączy szerokopasmowych w oparciu o orzeczenia FCC ATC z 2003 i 2004 r., które jasno wskazują, że dodatkowy komponent wieży (ATC) będzie w rzeczywistości , pomocnicze do głównego komponentu satelitarnego. Aby zbudować poparcie społeczne dla wysiłków na rzecz kontynuacji autoryzacji FCC w 2004 r. dla pomocniczego komponentu naziemnego LightSquared w porównaniu z prostą naziemną usługą LTE w paśmie Mobile Satellite Service, producent odbiorników GPS Trimble Navigation Ltd. utworzył „Coalition To Save Our GPS”.

Zarówno FCC, jak i LightSquared zobowiązały się publicznie do rozwiązania problemu zakłóceń GPS, zanim sieć będzie mogła działać. Według Chrisa Dancy z Aircraft Owners and Pilots Association , piloci linii lotniczych z typami systemów, które zostałyby dotknięte problemem, „mogą zejść z kursu i nawet nie zdać sobie z tego sprawy”. Problemy mogą również wpłynąć na modernizację Federalnej Administracji Lotnictwa do systemu kontroli ruchu lotniczego , wytyczne Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych oraz lokalne służby ratunkowe, w tym 911 .

W dniu 14 lutego 2012 r. FCC przesunęła się do zakazu planowanej krajowej sieci szerokopasmowej LightSquared po poinformowaniu przez Narodową Administrację Telekomunikacji i Informacji (NTIA), federalną agencję, która koordynuje wykorzystanie widma dla wojska i innych federalnych jednostek rządowych, że „istnieje w tej chwili nie ma praktycznego sposobu na złagodzenie potencjalnych zakłóceń”. LightSquared rzuca wyzwanie działaniom FCC.

Inne systemy

Porównanie wielkości orbit gwiazdozbiorów GPS , GLONASS , Galileo , BeiDou-2 i Iridium , Międzynarodowej Stacji Kosmicznej , Kosmicznego Teleskopu Hubble'a oraz orbity geostacjonarnej (i jej cmentarnej ) z pasami promieniowania Van Allena i Ziemią w skali.
Na Księżyc „s orbita jest około 9 razy tak duża jak na orbicie geostacjonarnej. (W pliku SVG najedź kursorem na orbitę lub jej etykietę, aby ją podświetlić; kliknij, aby załadować jej artykuł.)

Inne godne uwagi systemy nawigacji satelitarnej w użyciu lub różne stany rozwoju obejmują:

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki