GPS III Gdzie jesteśmy? A dokąd idziemy?

Piętnaście lat temu pojawił się pierwszy telefon komórkowy z obsługą GPS. Flop spadł, ale forma, którą zapoczątkował, pozostała z nami w pobliżu sprzętu komunikacyjnego klasy wojskowej z urządzeniem konsumenckim.

Nie możesz skręcić za rogiem bez telefonu, zegarka lub butów, które podpowiadają, gdzie iść, ponieważ dokładnie wiedzą, gdzie jesteś. Ale nie zawsze tak było.

Krótka historia GPS

Uważamy GPS za coś oczywistego jako „towar”, wielki prezent od Reagan-Era Gwiezdne Wojny MADness Zimnej Wojny, który czasami uczy licealistów o teorii względności. Przygnębiające jest to, że GPS (lub GNSS, jak wówczas był klasyfikowany) został udostępniony publicznie dopiero po niesamowicie znanej katastrofie lotniczej.

W 1983 r. - zaledwie pięć lat po wystrzeleniu pierwszego satelity NAVSTAR - Korea Air Lines Flight 007 została zestrzelona po przekroczeniu sowieckiej przestrzeni powietrznej z powodu błędu nawigacji pilota. Globalna reakcja na utratę 269 dusz na pokładzie była udręczona, ale zabarwiona polityką zimnej wojny, a prezydent Ronald Reagan ogłosił, że GPS zostanie udostępniony światu za darmo, aby zapobiec takiej tragedii.

Globalny system pozycjonowania został pierwotnie zaprojektowany z potrzeby wojska w celu koordynowania ruchu żołnierzy i jednostek w nieznanych obszarach (takich jak Zatoka Perska, gdzie GPS po raz pierwszy użyto w teatrze w Operacji Pustynna Burza), a także System Detonacji Detonacji Jądrowej ( NUDET).

Lata pozycjonowania „selektywnego”

Ze względu na wykorzystanie wielu satelitów z niezwykle dokładnymi zegarami, GPS miał dokładność pozycjonowania około 10m od samego początku. Jednak Departament Obrony wprowadził umyślne błędy pozycjonowania w zespołach cywilnych, powołując się na obawy, że technologia zostanie zastosowana przeciwko nim. To, jak często się zdarza, niemal natychmiast przyniosło skutek.

Nawet podczas pierwszego użycia GPS w Desert Storm ograniczona liczba drogich, energochłonnych, ciężkich odbiorników GPS doprowadziła wielu uzbrojonych do zmuszenia do „taniego”, lekkiego i niemal wszechobecnego odbiornika cywilnego, który był faktycznie bezużyteczny w terenie z powodu tych umyślnych błędów. To był tak rozpoznany problem, że system wstawiania błędów (zwany Selektywną Dostępnością lub po prostu SA) został wyłączony na cały świat na resztę Wojny w Zatoce Perskiej (lata 90–91).

W latach 90-tych organy wojskowe, korporacyjne i cywilne nalegały na usunięcie SA, a ludzie - od firm przewozowych po FAA - twierdzili, że fałszywy hałas w sygnale ogranicza użyteczność i dostosowanie GPS w ich odpowiednich obszarach. Błędy te zostały wyłączone na stałe w 2000 r. Przez prezydenta Billa Clintona.

Jednak wprowadzana jest nowa generacja satelitów, które obiecują ogromny wzrost nie tylko dokładności, ale także dostępności GPS. Ten zestaw 30 nowych satelitów, oznaczony jako GPS Blok III, lub po prostu GPS III, zastąpi starzejący się Blok II i już nieczynny Blok I. Z 64 wystrzelonych bloków I / II 33 pozostają operacyjne, najstarszy to Navstar IIA-01, w wieku 23 lat.

Powody, dla których te satelity są ogromną poprawą, są bardziej skomplikowane niż “blokowanie jest szybsze i dokładniejsze”. Dlatego.

Jak działa GPS

GPS działa jako system wyłącznie nadawany; nie wymaga żadnego połączenia transmisji danych, aby określić Twoją pozycję (chociaż większość aplikacji potrzebuje połączenia transmisji danych Chory zerwania połączenia danych aplikacji GPS? Wypróbuj 3 zaktualizowane mapy offline [Android] Chory zerwania połączenia danych aplikacji GPS? Spróbuj 3 Zaktualizowane mapy offline [Android] Niedawno Chris opisał trzy najlepsze aplikacje GPS offline dostępne na Androida. Od tego czasu wiele innych aplikacji GPS wydało lub otrzymało ważne aktualizacje. Czy nowi użytkownicy wypadają pozytywnie w porównaniu z tymi ocenionymi przez… do mapowania -bok). Twój telefon lub SatNav nie rozmawia z satelitą oddalonym o 12 500 mil, po prostu nasłuchuje na określonej częstotliwości dla określonych kodów.

Twój telefon nasłuchuje na określonym kanale lub „paśmie” z każdym satelitą nadającym swój własny kod czasu oparty na własnym zegarze atomowym unoszącym się na orbicie. Ponieważ jednak każdy satelita znajduje się w innej odległości od Ciebie, po otrzymaniu tych „tyknięć” będą one nieco niezsynchronizowane. Urządzenie GPS próbuje następnie zsynchronizować każdy strumień z zegarem wewnętrznym, aby mógł ustalić odległość każdego satelity od Twojej lokalizacji.

Więc jesteś X, Y i Z mil od trzech satelitów. Są one co najmniej 12 500 mil nad twoją głową i podróżują z prędkością 14 000 mil na godzinę, a ty nie masz pojęcia, gdzie się znajdują i dokąd zmierzają. Nie jest to szczególnie pomocne, dopóki nie dodamy kodu czasu nadawanego przez każdego satelitę, który zawiera znacznie więcej informacji niż tylko czas.

Wiem, gdzie jestem, ale gdzie jesteś?

Aby dowiedzieć się, gdzie opieramy się na „tyknięciu” satelitów, potrzebujemy dodatkowej informacji, która została już przesłana w kodzie czasowym, tak zwanej „Almanachu”. Zawiera informacje o aktualnej charakterystyce orbit każdego satelity. Twój telefon buduje małe modelowe planetarium oparte na czasie z dokładnością do kilku nanosekund. Sprawdza się, gdzie znajdują się satelity i gdzie jesteś względem satelitów Jak działa GPS [MakeUseOf wyjaśnia] Jak GPS działa [MakeUseOf wyjaśnia] Jako zapalony gracz, jestem zaskoczony korelacją między funkcjami podobnymi do GPS w nowoczesne gry wideo i rozpowszechnianie technologii GPS w codziennym życiu. Kiedy byłem dzieckiem, mapy papierowe i kartografia były…. Bum. Najbliższy Starbucks oddalony jest od niego o 12,6 metrów.

Teraz robi się ciekawie; to tylko jeden „zespół” lub kanał. Początkowo istniały trzy kanały; dwa (L1 / L2) zastosowano odpowiednio do akwizycji i pozycjonowania. Były one używane w aplikacjach konsumenckich, ale jeśli miałeś określony kod szyfrujący (powszechnie nazywany kodem Gold), masz większą dokładność, tylko sygnały wojskowe.

Wreszcie pasmo L3 jest zarezerwowane dla detekcji detonacji jądrowej, która monitoruje kulę ziemską pod kątem zdarzeń związanych z podczerwienią o wysokiej energii i jest najczęściej wykorzystywana do egzekwowania traktatów o zakazie prób jądrowych. Ale nowe wersje standardu GPS mają nowe, ekscytujące funkcje.

Co nowego w GPS III?

W późniejszych blokach II i nowych systemach bloku III liczba dostępnych pasm została zwiększona do 5. L4 pozostało jako pasmo badawcze, podczas gdy L5 obejmuje bezpieczeństwo życia (dane SoL i sygnały pilota), co jest wyjątkowo niezawodna wersja GPS dla użytkowników lotniczych, morskich i „poszukujących i ratujących”.

W nowych systemach metoda nakładania danych na ten sam sygnał za pomocą kodu Gold (CDMA) jest również używana do wytwarzania dodatkowych sygnałów dla kanałów cywilnych i wojskowych (odpowiednio L2C i M-Code), które robią dwie bardzo fajne rzeczy osobno.

Kod L2C jest zarówno 250-krotny jak „wykrywalny” (co nie jest tym samym co „silniejszy”) i działa w innym paśmie niż ten zwykle używany przez cywilny GPS. Ponieważ będziemy teraz mieć dostęp do dwóch pasm, możemy je porównać w czasie rzeczywistym, aby zrekompensować zakłócenia atmosferyczne, co oznacza, że ​​konsumenci będą w końcu mogli uzyskać niezawodne ustawienie w pomieszczeniu (z uzasadnionego powodu) .

Kod M to duży element biletu uzasadniający nowe zmiany w działaniu GPS. Dwa duże postępy w tym zakresie to kierunkowość i przeciwdziałanie zakleszczeniom. Zamiast zwykłego systemu „transmisji całej ziemi”, nowe satelity Bloku III będą miały zarówno anteny Cała Ziemia, jak i kierunkowe M-Code, zapewniając żołnierzom 100-krotnie silniejszy odbiór w obrębie stożka wiązki, który będzie (zaledwie) kilkaset kilometrów przez.

W związku z tą pompą mocy sygnały M-Code będą również obejmować szereg technik korekcji błędów, przeciwdziałania zagłuszaniu, przeciwdziałania fałszowaniu i transmisji danych w celu zwalczania lokalnych systemów zaprzeczania GPS i zapewnienia, że ​​żołnierze zawsze mają najlepsze dostępne dane o pozycji, niezależnie od tego, pogody, lokalizacji lub wroga.

Do tego dochodzą zwykłe ulepszenia, które pojawiają się przy zakupie nowego zestawu; szybsze zegary Rubidium zapewniają dokładniejsze taktowanie i lepsze ustawienie odbiornika. Tymczasem lepsze panele słoneczne dostarczą więcej mocy silniejszym antenom, co oznacza więcej mocy na końcu odbiorczym.

Potem masz zwykłe dodatki, kiedy rządy angażują się w różne rzeczy; NASA poprosiła o przyklejenie kilku laserów odblaskowych (lusterek), aby zapewnić lepsze śledzenie orbit na ziemi, a siły powietrzne lobbują za dodaniem dodatkowych funkcji wyszukiwania i ratowania (SAR) oprócz istniejących kanałów danych SoL. Jest to część globalnego standardu dla systemów SAR obejmujących 37 krajów i zapewni nie tylko natychmiastowe wykrycie i lokalizację sygnału alarmowego, ale także możliwość wysyłania krótkich wiadomości z powrotem do odbiornika.

Czy to w powietrzu?

Wiele z tych postępów opiera się nie tylko na zaktualizowanych satelitach, ale także na zaktualizowanych wcześniej naziemnych stacjach naziemnych “Segmenty kontroli operacyjnej”(OCS). Te stacje naziemne są miejscami na całym świecie i koordynują ścieżki orbitalne, gęstość zasięgu oraz możliwości wyszukiwania i ratowania / wykrywania jądrowego dla sieci GPS, a także okresowo korygują tę irytującą specjalną dylatację czasu względności. Nowe wersje tych stacji naziemnych (OCX) umożliwiają większość tych postępów, a także umożliwiają interoperacyjność między amerykańskimi i europejskimi systemami GNSS (PS, dlatego GPS jest do bani, jeśli jesteś w Europie w porównaniu do USA; mamy mniej ptaki nad naszymi głowami).

Niestety właśnie te niesamowite nowe systemy powstrzymują wydanie GPS III. Kontraktor obrony, Lockheed Martin, został zatrudniony do budowy pierwszego satelity, ale opóźniły go nowe komputery zarządzające i nawigacyjne L2C firmy Exelis; podczas gdy Raytheon został zatrudniony do budowy OCX, które doświadczyły znacznego przekroczenia budżetu.

Podsumowanie i spekulacje

Korzyści z nowego systemu Bloku III, w tym niektóre elementy aktualnie uruchomionego Bloku II, można podsumować jako:

• Skrócony czas akwizycji
• Zwiększony odbiór wewnętrzny
• Zwiększona dokładność i czułość ruchu
• Szerszy obszar zasięgu
• Zwiększona dokładność w scenariuszach wojskowych z użyciem skupionej wiązki
• Zwiększone możliwości przeciwzakłóceniowe (nie jest jasne, czy dotyczy to zarówno sygnałów cywilnych, jak i wojskowych, ale jestem optymistą)
• Zwiększona interoperacyjność z europejskim systemem pozycjonowania GALILEO
• Skrócony czas reakcji na wyszukiwanie i ratowanie oraz lepszy zasięg globalny dzięki niektórym funkcjom przesyłania wiadomości, które mogły zapobiec utracie MH370

Z powodu opóźnień zarówno w systemach satelitarnych, jak i w segmentach kontroli naziemnej, jest mało prawdopodobne, że zobaczymy pełne zalety tych systemów dla użytkowników końcowych do końca 2015 r. / Do połowy 2016 r. Jednak po ich zwiększeniu mają one proponowane życie 15 lat, więc dokąd pójdziemy?

Stany Zjednoczone nie są już jedynym graczem w globalnej nawigacji. Rosja ma GLONASS od połowy lat 90., aw ciągu ostatnich 5 lat zarówno chiński BeiDou, jak i europejski system GALILEO pojawił się w Internecie. Wreszcie indyjski regionalny system nawigacji satelitarnej (IRNASS) ma zostać uruchomiony w ciągu najbliższych kilku lat.

Wszystkie mają różne regionalne uwarunkowania, więc najważniejsze pytanie brzmi, kto będzie współpracował jako pierwszy? Czy będą to odbiorcy czy rządy globalne? Czy wrócimy do dni, w których globalni podróżnicy muszą mieć telefon komórkowy na każdym kontynencie?

Dzięki nowym rozszerzeniom GPS Stany Zjednoczone wykazały gotowość do współpracy z systemem europejskim, podobnie jak Rosja, zapewniając interoperacyjność w zakresie bezpieczeństwa życia zarówno z GPS, jak i GALILEO. Niebo staje się zajęte, a przy tym tempie będzie co najmniej 120 satelitów na niebie zapewniających pozycjonowanie „komuś”. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, nasi biedni konsumenci mogą nawet być w stanie korzystać z większości z nich, doprowadzając nas do dokładności kilku cali, nawet w pomieszczeniach. Oznacza to spełnienie wymagań FAA dotyczących autopilotów z precyzyjnym podejściem do samolotów (podpowiedzi i drony), a także umożliwienie znacznie dokładniejszego wykrywania pasów ruchu w samochodach samojezdnych Oto, jak dostaniemy się do świata wypełnionego samochodami bez kierowcy Oto nasz sposób Dostaniesz się do świata pełnego samochodów bez kierowców Prowadzenie pojazdu jest żmudnym, niebezpiecznym i wymagającym zadaniem. Czy pewnego dnia może to zostać zautomatyzowane dzięki samochodowej technologii Google? .

Dodaj to do postępów w noszeniu w porównaniu 6 Porównanych nadchodzących urządzeń do noszenia: Co jest gorące, a co nie 6 Porównanych nadchodzących do noszenia urządzenia: Co jest gorące, a co nie Przedstawiam wam sześć bardziej interesujących i przydatnych urządzeń technologicznych do noszenia na rynku lub wkrótce wprowadź to. i IoT Co to jest Internet rzeczy i jak wpłynie na naszą przyszłość [MakeUseOf wyjaśnia] Co to jest Internet rzeczy i jak wpłynie na naszą przyszłość [MakeUseOf wyjaśnia] Wygląda na to, że pojawiają się nowe modne słowa, które wyskakują z każdym mijający dzień, a „Internet przedmiotów” to jeden z najnowszych pomysłów na… urządzenia (jakkolwiek przerażające może być to, dlaczego Internet przedmiotów jest największym koszmarem bezpieczeństwa. Dlaczego Internet przedmiotów jest największy) Koszmar bezpieczeństwa Pewnego dnia wracasz z pracy do domu, aby odkryć, że Twój system bezpieczeństwa w chmurze został naruszony. Jak to się mogło stać? Z Internetem rzeczy (IoT) możesz dowiedzieć się na własnej skórze.) patrzę w przyszłość małych urządzeń, które wiedzą, gdzie są i mogą ze sobą rozmawiać. Inteligentne portfele, inteligentne dzwonki do drzwi, które dzwonią tylko wtedy, gdy ktoś jest w domu, breloki, torby, wszystkie te rzeczy, które mogą rozmawiać z twoim telefonem komórkowym i powiedzieć, gdzie są z dokładnością do kilku cali (wtedy mogę w końcu się dowiedzieć gdzie zostawiłem klucze…).

To tylko niektóre z moich przemyśleń na temat tego, dokąd zaprowadzi nas ta technologia, ale jaka jest twoja historia? Co możesz zrobić z urządzeniami rozpoznającymi pozycję? Powinniśmy się bać?

I jak zawsze, wszelkie pytania lub coś, co przeskoczyłem nieco za daleko, zadajcie w komentarzach.

Prawa autorskie do zdjęć: History Rat: Operation Desert Storm - The Ground War; Mashup of Two pieces autorstwa DonkeyHotey, wydany (i ponownie wydany) na licencji CC-SA-2.0, Canada Search and Rescue by Bmpower z angielskiej Wikipedii (praca własna); Trilateration 2D autorstwa Javiersanp za pośrednictwem Wikimedia Commons (praca własna GFDL lub CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), Mapa segmentu kontroli GPS na licencji publicznej pod adresem GPS.gov; Debris-GEO1280 by NASA Orbital Debris Program Office, na licencji publicznej domeny, za pośrednictwem Wikimedia Commons