Глобальная система позиционирования

Эта статья об американской глобальной навигационной спутниковой системе. О подобных системах см. Спутниковая навигация .

«GPS» перенаправляется сюда. Информацию об устройствах GPS см. в разделе Устройство спутниковой навигации . Чтобы узнать о других значениях, см. GPS (значения) .

Глобальная система позиционирования (GPS)

Логотип
Страна/страны происхождения	Соединенные Штаты
Оператор(ы)	Космические силы США
Тип	Военный, гражданский
Статус	Оперативный
Покрытие	Глобальный
Точность	30–500 см (0,98–16 футов)
Размер созвездия
Номинальные спутники	24
Текущие используемые спутники	38 (32 в рабочем состоянии)
Первый запуск	22 февраля 1978 г ( 1978-02-22 )
Всего запусков	75
Орбитальные характеристики
Режим(ы)	6 MEO самолетов
Высота орбиты	20 180 км (12 540 миль)
Орбитальный период	1 ⁄ или 11 sd часов 58 минут
Период повторного посещения	1 звездный день
Другие детали
Расходы	12 миллиардов долларов (начальное созвездие) 1,84 миллиарда долларов в год (2023 г.) (эксплуатационные расходы)
Веб-сайт	gps.gov

Впечатление художника от спутника GPS Block IIR на околоземной орбите

Гражданские GPS-приемники (« устройства GPS-навигации ») в морском применении.

Автомобильная навигационная система в такси

проверяет космического командования ВВС Старший летчик контрольный список во время операций со спутником Глобальной системы позиционирования.

Система глобального позиционирования ( GPS ), первоначально Navstar GPS , — спутниковая радионавигационная система, принадлежащая правительству США и эксплуатируемая Космическими силами США . Это одна из глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), которая предоставляет о геолокации и информацию в времени GPS-приемнику любой точке Земли или вблизи нее, где есть беспрепятственная прямая видимость для четырех или более спутников GPS. Он не требует от пользователя передачи каких-либо данных и работает независимо от телефона или Интернет-приема, хотя эти технологии могут повысить полезность информации о местоположении GPS. Он предоставляет возможности критического позиционирования военным, гражданским и коммерческим пользователям по всему миру. Хотя правительство Соединенных Штатов создало, контролирует и обслуживает систему GPS, к ней свободно доступен каждый, у кого есть GPS-приемник.

Обзор

Проект GPS был начат Министерством обороны США в 1973 году. Первый прототип космического корабля был запущен в 1978 году, а полная группировка из 24 спутников вступила в эксплуатацию в 1993 году. Гражданское использование военными США было ограничено в среднем до 100 метров погрешности. в местоположении, транслируя выборочную доступность (SA). Хотя в указе президента Рональда Рейгана после катастрофы рейса 007 Korean Air Lines было объявлено, что гражданское использование в конечном итоге будет доступно без ухудшения качества, оно оставалось в силе до тех пор, пока президент Клинтон не объявил 1 мая 2000 года об удалении SA для обеспечения свободного гражданского доступа к полная точность GPS. Достижения в области технологий и новые требования к существующей системе теперь привели к усилиям по модернизации GPS и внедрению следующего поколения спутников GPS Block IIIA и системы оперативного управления следующего поколения (OCX). который был одобрен Конгрессом США в 2000 году.

С начала 1990-х годов точность позиционирования GPS была снижена правительством США с использованием технологии под названием «Выборочная доступность» , которая могла выборочно ухудшить или запретить доступ к системе в любое время. как это произошло с индийскими военными в 1999 году во время Каргильской войны . В результате несколько неамериканских организаций, включая Россию , Китай , Индию , Японию и Европейский Союз , разработали или разрабатывают свои собственные глобальные или региональные спутниковые навигационные системы. Выборочная доступность была прекращена 1 мая 2000 года в соответствии с законопроектом, подписанным президентом Биллом Клинтоном .

Когда функция выборочной доступности была прекращена, точность GPS составляла около 5 метров (16 футов). Приемники GPS, использующие диапазон L5, имеют гораздо более высокую точность - 30 сантиметров (12 дюймов), в то время как приемники для высокотехнологичных приложений, таких как инженерное дело и топографическая съемка, имеют точность в пределах см ( 3/4 дюйма 2 ) и может даже обеспечивать точность до субмиллиметра при длительных измерениях. Потребительские устройства, такие как смартфоны, могут иметь точность до 4,9 м (16 футов) или выше при использовании со вспомогательными службами, такими как позиционирование Wi-Fi .

По состоянию на июль 2023 г. 18 спутников GPS передают сигналы L5, которые считаются предоперационными, прежде чем они будут транслироваться полным набором из 24 спутников в 2027 году.

История

Продолжительность: 1 минута 20 секунд. 1:20 Доступны субтитры. СС

Фильм ВВС, представляющий систему глобального позиционирования Navstar, около 1977 года.

Анимация системы созвездий GPS

Проект GPS был запущен в США в 1973 году для преодоления ограничений предыдущих навигационных систем. объединение идей нескольких предшественников, включая секретные инженерные исследования 1960-х годов. Министерство обороны США разработало систему, которая первоначально использовала 24 спутника для использования военными США, и стала полностью работоспособной в 1993 году. Гражданское использование было разрешено с 1980-х годов. Роджеру Л. Истону из Военно-морской исследовательской лаборатории , Ивану А. Геттингу из Аэрокосмической корпорации и Брэдфорду Паркинсону из Лаборатории прикладной физики . Его изобретение приписывают Работа Глэдис Уэст по созданию математической геодезической модели Земли считается важной в развитии вычислительных методов определения положения спутников с точностью, необходимой для GPS.

Конструкция GPS частично основана на аналогичных наземных радионавигационных системах, таких как LORAN и Decca Navigator , разработанных в начале 1940-х годов.

В 1955 году Фридвардт Винтерберг предложил провести тест общей теории относительности — обнаружить замедление времени в сильном гравитационном поле с помощью точных атомных часов, размещенных на орбите внутри искусственных спутников. Специальная и общая теории относительности предсказали, что часы на спутниках GPS, наблюдаемые на Земле, идут на 38 микросекунд быстрее в день, чем на Земле. Конструкция GPS компенсирует эту разницу; потому что без этого в расчетных координатах GPS будут накапливаться ошибки до 10 километров в день (6 миль в день).

Предшественники

Когда Советский Союз запустил свой первый искусственный спутник ( «Спутник-1 ») в 1957 году, два американских физики, Уильям Гайер и Джордж Вайффенбах, из Джона Хопкинса (APL) Университета Лаборатории прикладной физики решили контролировать его радиопередачи. Через несколько часов они поняли, что благодаря эффекту Доплера они могут точно определить, где находится спутник на своей орбите. Директор APL предоставил им доступ к UNIVAC для выполнения необходимых тяжелых расчетов.

Руководители Военно -морской исследовательской лаборатории программы Timation, а затем и программы GPS: Роджер Л. Истон (слева) и Эл Бартоломью .

В начале следующего года Фрэнк МакКлюр, заместитель директора APL, попросил Гайера и Вайффенбаха исследовать обратную задачу: определение местоположения пользователя по данным спутника. (В то время военно-морской флот разрабатывал ракету «Поларис» , запускаемую с подводных лодок, которая требовала от них знания местоположения подводной лодки.) Это побудило их и APL разработать систему TRANSIT . В 1959 году ARPA (переименованная в DARPA в 1972 году) также сыграла роль в TRANSIT.

ТРАНЗИТ впервые был успешно испытан в 1960 году. Он использовал группировку из пяти спутников и мог обеспечивать навигационную точность примерно раз в час.

В 1967 году ВМС США разработали спутник Timation , который доказал возможность размещения точных часов в космосе — технологии, необходимой для GPS.

В 1970-х годах появилась наземная навигационная система «ОМЕГА» , основанная на фазовом сравнении передачи сигналов от пар станций. стала первой в мире радионавигационной системой. Ограничения этих систем привели к необходимости создания более универсального навигационного решения с большей точностью.

Хотя существовали широкие потребности в точной навигации в военном и гражданском секторах, почти ни одна из них не рассматривалась как оправдание миллиардов долларов, которые потребовались бы на исследования, разработку, развертывание и эксплуатацию группировки навигационных спутников. Во время «холодной войны» гонки вооружений ядерная угроза существованию Соединённых Штатов была единственной необходимостью, которая, по мнению Конгресса Соединённых Штатов, оправдывала эти затраты. Именно этот сдерживающий эффект и послужил причиной финансирования GPS. Это также причина сверхсекретности того времени. Ядерная триада ВМС США состояла из баллистических ракет подводных лодок (БРПЛ) ВВС США (ВВС США) , стратегических бомбардировщиков и межконтинентальных баллистических ракет (МБР). считалось жизненно важным для политики ядерного сдерживания Точное определение позиции запуска БРПЛ, которое , повышало силу .

Точная навигация позволит подводным лодкам США с баллистическими ракетами точно определить свое положение до запуска своих БРПЛ. ВВС США, располагающие двумя третями ядерной триады, также предъявляли требования к более точной и надежной навигационной системе. ВМС США и ВВС США параллельно разрабатывали собственные технологии для решения, по сути, одной и той же проблемы.

Для повышения живучести МБР было предложено использовать мобильные пусковые платформы (сравнимы с советскими СС-24 и СС-25 ), поэтому необходимость фиксации стартовой позиции имела сходство с ситуацией с БРПЛ.

В 1960 году ВВС предложили радионавигационную систему под названием MOSAIC (мобильная система точного управления межконтинентальными баллистическими ракетами), которая по сути представляла собой трехмерный ЛОРАН. Последующее исследование «Проект 57» было проведено в 1963 году, и «именно в этом исследовании родилась концепция GPS». В том же году эта концепция получила развитие как Проект 621Б, который обладал «многими качествами, которые вы сейчас видите в GPS». и пообещал повысить точность бомбардировщиков ВВС, а также межконтинентальных баллистических ракет.

Спутник навигационных технологий – II (Timation IV): NTS-II, первый спутник, полностью спроектированный и построенный NRL в рамках финансирования совместной программы GPS. Спущен на воду 23 июня 1977 года.

Обновления из системы Navy TRANSIT были слишком медленными для высоких скоростей работы ВВС. Лаборатория военно-морских исследований (NRL) продолжала совершенствовать свои спутники синхронизации (навигации по времени), первый из которых был запущен в 1967 году, второй — в 1969 году, третий — в 1974 году и вывел на орбиту первые атомные часы , а четвертый — в 1977 году.

Еще один важный предшественник GPS пришел из другого подразделения вооруженных сил США. В 1964 году армия Соединенных Штатов вывела на орбиту свой первый спутник последовательного сопоставления дальности ( SECOR ), используемый для геодезической съемки. Система SECOR включала в себя три наземных передатчика в известных местах, которые отправляли сигналы на спутниковый транспондер на орбите. Четвертая наземная станция, находящаяся в неопределенном положении, сможет затем использовать эти сигналы для точного определения своего местоположения. Последний спутник SECOR был запущен в 1969 году.

Развитие

Благодаря этим параллельным разработкам в 1960-х годах стало понятно, что превосходную систему можно разработать путем синтеза лучших технологий 621B, Transit, Timation и SECOR в мультисервисной программе. Необходимо было устранить ошибки орбитального положения спутников, вызванные, среди прочего, изменениями гравитационного поля и рефракции радара. Команда, возглавляемая Гарольдом Л. Джури из аэрокосмического подразделения Pan Am во Флориде с 1970 по 1973 год, использовала для этого ассимиляцию данных в реальном времени и рекурсивную оценку, уменьшая систематические и остаточные ошибки до управляемого уровня, чтобы обеспечить точную навигацию.

Во время выходных, посвященных Дню труда в 1973 году, на встрече около двенадцати офицеров в Пентагоне обсуждался вопрос создания оборонной навигационной спутниковой системы (DNSS) . Именно на этой встрече был создан настоящий синтез, который стал НГМ. Позже в том же году программа DNSS получила название «Навстар». Navstar часто ошибочно считают аббревиатурой «Навигационная система, использующая время и дальность», но никогда не рассматривалась как таковая в Объединенном офисе программы GPS (TRW, возможно, когда-то выступала за другую навигационную систему, в которой использовалась бы эта аббревиатура). Поскольку отдельные спутники были связаны с названием Navstar (как и в случае с предшественниками Transit и Timation), для идентификации созвездия спутников Navstar использовалось более полное имя, Navstar-GPS . В период с 1978 по 1985 год было запущено десять прототипов спутников « Блок I » (дополнительный блок был уничтожен в результате неудачного запуска).

Влияние ионосферы на радиопередачу исследовалось в геофизической лаборатории Кембриджской исследовательской лаборатории ВВС , переименованной в Лабораторию геофизических исследований ВВС (AFGRL) в 1974 году. AFGRL разработала модель Клобучара для расчета ионосферных поправок к местоположению GPS. Следует отметить работу, проделанную австралийским ученым-космонавтом Элизабет Эссекс-Коэн в AFGRL в 1974 году. Она занималась искривлением путей радиоволн ( атмосферной рефракции ), пересекающих ионосферу от спутников NavSTAR.

После того, как рейс 007 Korean Air Lines , Боинг 747 , на борту которого находились 269 человек, был сбит советским самолетом-перехватчиком после отклонения в запрещенном воздушном пространстве из-за навигационных ошибок, В окрестностях Сахалина и островов Монерон президент Рональд Рейган издал директиву, согласно которой GPS была свободно доступна для гражданского использования, как только она будет достаточно развита, в качестве общего блага. Первый спутник Block II был запущен 14 февраля 1989 года. а 24-й спутник был запущен в 1994 году. Стоимость программы GPS на данный момент, не включая стоимость пользовательского оборудования, но включая затраты на запуск спутников, оценивается в 5 миллиардов долларов США (что эквивалентно 10 миллиардам долларов США в 2023 году).

Первоначально сигнал самого высокого качества был зарезервирован для военного использования, а сигнал, доступный для гражданского использования, намеренно ухудшался в соответствии с политикой, известной как выборочная доступность . Ситуация изменилась 1 мая 2000 года, когда президент Билл Клинтон подписал политическую директиву об отключении выборочной доступности, чтобы обеспечить гражданским лицам ту же точность, которая была предоставлена ​​​​военным. Директива была предложена министром обороны США Уильямом Перри в связи с повсеместным ростом услуг дифференциальной GPS со стороны частного сектора для повышения точности гражданских целей. Более того, американские военные разрабатывали технологии, позволяющие лишить потенциальных противников услуг GPS на региональной основе. Выборочная доступность была удалена из архитектуры GPS, начиная с GPS-III.

С момента ее развертывания в США было реализовано несколько улучшений службы GPS, включая новые сигналы для гражданского использования, а также повышенную точность и целостность для всех пользователей, сохраняя при этом совместимость с существующим оборудованием GPS. Модернизация спутниковой системы является постоянной инициативой Министерства обороны США посредством серии приобретений спутников для удовлетворения растущих потребностей военных, гражданского населения и коммерческого рынка.

По состоянию на начало 2015 года высококачественные GPS-приемники службы стандартного позиционирования (SPS) обеспечивали горизонтальную точность более 3,5 метров (11 футов). хотя на эту точность могут влиять многие факторы, такие как качество приемника и антенны, а также атмосферные проблемы.

GPS принадлежит и управляется правительством США как национальный ресурс. Министерство обороны является управляющим GPS. Межведомственный исполнительный совет GPS (IGEB) курировал вопросы политики GPS с 1996 по 2004 год. После этого президентским указом в 2004 году был создан Национальный исполнительный комитет по космическому позиционированию, навигации и синхронизации для консультирования и координации федеральных департаментов и агентств по вопросам, касающимся GPS и связанные с ним системы. Исполнительный комитет совместно возглавляют заместители министров обороны и транспорта. В его состав входят должностные лица эквивалентного уровня из Государственного департамента, Министерства торговли и внутренней безопасности, Объединенного комитета начальников штабов и НАСА . Компоненты исполнительного аппарата президента участвуют в исполнительном комитете в качестве наблюдателей, а председатель Федеральной комиссии по связи участвует в качестве связующего звена.

По закону Министерство обороны США обязано «поддерживать стандартную службу позиционирования (как определено в федеральном плане радионавигации и спецификации сигналов стандартной службы позиционирования), которая будет доступна на постоянной, всемирной основе», и «разрабатывать меры по предотвращению враждебное использование GPS и ее дополнений без неоправданного нарушения или ухудшения гражданского использования».

и

Сводка по спутникам

Блокировать	Запуск период	Запуски спутников				В настоящее время на орбите и здоровый
		Успех	Отказ	В подготовка	Планируется
я	1978–1985	10	1	0	0	0
II	1989–1990	9	0	0	0	0
ИМА	1990–1997	19	0	0	0	0
БИХ	1997–2004	12	1	0	0	7
ИИР-М	2005–2009	8	0	0	0	7
ИИФ	2010–2016	12	0	0	0	12
IIIА	2018–	6	0	4	0	6
IIIF	—	0	0	0	22	0
Общий		76	2	4	22	32
(Последнее обновление: 3 сентября 2023 г.) США-203 из Блока ИИР-М нездоров. Более полный список см. в разделе Список спутников GPS.

• В 1972 году Центральный испытательный центр инерциального наведения ВВС США (авиабаза Холломан) провел опытно-конструкторские летные испытания четырех прототипов GPS-приемников в Y-конфигурации над ракетным полигоном Уайт-Сэндс с использованием наземных псевдоспутников.
• В 1978 году был запущен первый экспериментальный GPS-спутник Block-I.
• В 1983 году, после того как советский самолет-перехватчик сбил гражданский авиалайнер KAL 007 , который вторгся в запрещенное воздушное пространство из-за навигационных ошибок, в результате чего погибли все 269 человек на борту, президент США Рональд Рейган объявил, что GPS будет доступна для гражданского использования, как только она будет завершена. хотя еще в 1979 году было публично известно, что код CA (грубый код/код сбора данных) будет доступен гражданским пользователям.
• К 1985 году для проверки концепции было запущено еще десять экспериментальных спутников Block-I.
• Начиная с 1988 года командование и управление этими спутниками было передано из Онидзука AFS , Калифорния, во 2-ю эскадрилью управления спутниками (2SCS), расположенную на базе ВВС Фалькон в Колорадо-Спрингс, Колорадо .
• 14 февраля 1989 года был запущен первый современный спутник Block-II.
• Война в Персидском заливе с 1990 по 1991 год была первым конфликтом, в котором военные широко использовали GPS.
• В 1991 году проект DARPA по созданию миниатюрного приемника GPS успешно завершился, заменив предыдущие военные приемники весом 16 кг (35 фунтов) полностью цифровым портативным приемником GPS весом 1,25 кг (2,8 фунта).
• В 1991 году была основана TomTom , голландский производитель спутниковой навигации.
• В 1992 году 2-е космическое крыло , первоначально управлявшее системой, было дезактивировано и заменено 50-м космическим крылом .

  

  Эмблема 50-го космического крыла

• К декабрю 1993 года GPS достигла начальной эксплуатационной готовности (IOC) с полной группировкой (24 спутника) и предоставлением службы стандартного позиционирования (SPS).
• Полная эксплуатационная готовность (FOC) была объявлена ​​Космическим командованием ВВС (AFSPC) в апреле 1995 года, что означает полную доступность безопасной военной службы точного позиционирования (PPS).
• В 1996 году, признавая важность GPS для гражданских пользователей, а также для военных, президент США Билл Клинтон издал политическую директиву. объявление GPS системой двойного назначения и создание Межведомственного исполнительного совета GPS для управления ею как национальным достоянием.
• В 1998 году вице-президент США Эл Гор объявил о планах модернизировать GPS двумя новыми гражданскими сигналами для повышения точности и надежности пользователя, особенно в отношении авиационной безопасности, а в 2000 году Конгресс США санкционировал эти усилия, назвав их GPS III. .
• 2 мая 2000 г. «Выборочная доступность» была прекращена в результате указа 1996 г., что позволило гражданским пользователям получать сигнал без ухудшения качества по всему миру.
• В 2004 году правительство США подписало соглашение с Европейским сообществом о сотрудничестве в области GPS и европейской системы Galileo .
• В 2004 году президент США Джордж Буш обновил национальную политику и заменил исполнительный совет Национальным исполнительным комитетом по космическому позиционированию, навигации и времени.
• В ноябре 2004 года компания Qualcomm объявила об успешных испытаниях системы GPS для мобильных телефонов .
• В 2005 году был запущен первый модернизированный спутник GPS, который начал передавать второй гражданский сигнал (L2C) для повышения производительности пользователей.
• 14 сентября 2007 г. устаревшая система управления наземным сегментом на базе мэйнфрейма была переведена на новый план развития архитектуры.
• США 19 мая 2009 года Счетная палата правительства опубликовала отчет, предупреждающий, что некоторые спутники GPS могут выйти из строя уже в 2010 году.
• 21 мая 2009 года Космическое командование ВВС развеяло опасения по поводу сбоя GPS, заявив: «Существует лишь небольшой риск, что мы не продолжим превышать наши стандарты производительности».
• 11 января 2010 года обновление наземных систем управления вызвало несовместимость программного обеспечения с 8000–10 000 военными приемниками, произведенными подразделением Trimble Navigation Limited из Саннивейл, Калифорния.
• 25 февраля 2010 г. ВВС США заключили контракт с компанией Raytheon на разработку системы оперативного управления GPS следующего поколения (OCX), которая позволит повысить точность и доступность навигационных сигналов GPS и станет важной частью модернизации GPS.

Награды

Заместитель командующего AFSPC генерал-лейтенант Д.Т. Томпсон вручает Глэдис Уэст награду по случаю ее введения в Зал славы пионеров космоса и ракетной техники ВВС.

10 февраля 1993 года Национальная ассоциация аэронавтики выбрала команду GPS победителями Трофея Роберта Дж. Кольера 1992 года , самой престижной авиационной награды США. В эту команду входят исследователи из Лаборатории военно-морских исследований, ВВС США, Аэрокосмической корпорации , Международной корпорации Rockwell и компании IBM Federal Systems. Награда присуждается им «за наиболее значительное достижение в области безопасной и эффективной навигации и наблюдения за воздушными и космическими аппаратами с момента внедрения радионавигации 50 лет назад».

Два разработчика GPS получили Национальной инженерной академии премию Чарльза Старка Дрейпера за 2003 год:

• Иван Геттинг , почетный президент корпорации и инженер Массачусетского технологического института , заложил основу для GPS, усовершенствовав Радиопомощь наземную радиосистему времен Второй мировой войны под названием LORAN действия для дальнего ( навигации Аэрокосмической ) .
• Брэдфорд Паркинсон , профессор аэронавтики и астронавтики в Стэнфордском университете , задумал нынешнюю спутниковую систему в начале 1960-х годов и разработал ее совместно с ВВС США. Паркинсон прослужил в ВВС двадцать один год, с 1957 по 1978 год, и вышел в отставку в звании полковника.

Разработчик GPS Роджер Л. Истон получил Национальную медаль технологий 13 февраля 2006 года.

Фрэнсис X. Кейн (полковник ВВС США в отставке) был введен в Зал славы пионеров космической и ракетной техники ВВС США на авиабазе Лэкленд в Сан-Антонио, штат Техас, 2 марта 2010 г. за его роль в разработке космических технологий и инженерных разработках. Концепция проектирования ГНС выполнена в рамках проекта 621Б.

В 1998 году технология GPS была занесена в Космического фонда Зал славы космических технологий .

4 октября 2011 года Международная астронавтическая федерация (IAF) вручила Глобальной системе позиционирования (GPS) награду в честь 60-летия, номинированную членом IAF, Американским институтом аэронавтики и астронавтики (AIAA). Комитет по наградам и наградам IAF признал уникальность программы GPS и образцовую роль, которую она сыграла в построении международного сотрудничества на благо человечества.

6 декабря 2018 года Глэдис Уэст была введена в Зал славы пионеров космической и ракетной техники ВВС в знак признания ее работы над чрезвычайно точной геодезической моделью Земли, которая в конечном итоге использовалась для определения орбиты созвездия GPS.

12 февраля 2019 года четыре члена-основателя проекта были награждены Премией королевы Елизаветы в области инженерии, а председатель совета по награждению заявил: «Инженерия — это основа цивилизации; другой основы не существует; она заставляет вещи происходить. И это именно то, что сделали сегодняшние лауреаты – они сделали вещи возможными. Они в значительной степени переписали инфраструктуру нашего мира».

Принципы

Спутники GPS несут очень стабильные атомные часы , которые синхронизированы друг с другом и с эталонными атомными часами на наземных станциях управления; любое отклонение часов на борту спутников от эталонного времени, поддерживаемого на наземных станциях, регулярно корректируется. Так как скорость радиоволн ( скорость света ) постоянна и не зависит от скорости спутника, временная задержка между передачей сигнала спутником и его приемом наземной станцией пропорциональна расстоянию от спутника до наземной станции. Благодаря информации о расстоянии, собранной с нескольких наземных станций, координаты местоположения любого спутника в любое время могут быть рассчитаны с большой точностью.

Каждый спутник GPS хранит точную запись своего положения и времени и непрерывно передает эти данные. На основе данных, полученных от нескольких спутников GPS , GPS-приемник конечного пользователя может рассчитать свое собственное четырехмерное положение в пространстве-времени ; Однако, как минимум, четыре спутника должны находиться в поле зрения приемника, чтобы он мог вычислить четыре неизвестных величины (три координаты положения и отклонение собственных часов от спутникового времени).

Более подробное описание

Каждый спутник GPS постоянно передает сигнал ( несущую волну с модуляцией ), который включает в себя:

• Псевдослучайный код (последовательность единиц и нулей) , известный получателю. Путем выравнивания по времени версии кода, сгенерированной приемником, и версии кода, измеренной приемником, время прибытия (TOA) определенной точки в кодовой последовательности, называемой эпохой, можно найти на шкале времени часов приемника.
• Сообщение, которое включает время передачи (TOT) эпохи кода (в шкале времени GPS) и положение спутника в это время.

Концептуально приемник измеряет TOA (по собственным часам) четырех спутниковых сигналов. Из TOA и TOT приемник формирует четыре значения времени полета (TOF), которые (с учетом скорости света) примерно эквивалентны дальностям между приемником и спутником плюс разница во времени между приемником и спутниками GPS, умноженная на скорость света. которые называются псевдодиапазонами. Затем приемник вычисляет свое трехмерное положение и отклонение часов на основе четырех TOF.

На практике положение приемника (в трехмерных декартовых координатах с началом в центре Земли) и смещение часов приемника относительно времени GPS вычисляются одновременно с использованием уравнений навигации для обработки TOF.

Местоположение решения, ориентированного на Землю, обычно преобразуется в широту , долготу и высоту относительно эллипсоидальной модели Земли. Затем высоту можно преобразовать в высоту относительно геоида , которая по сути является средним уровнем моря. Эти координаты могут отображаться, например, на движущейся карте , или записываться или использоваться какой-либо другой системой, например системой наведения транспортного средства.

Геометрия пользовательского спутника

Дополнительная информация: § Геометрическая интерпретация.

Хотя концептуальные разницы во времени прибытия (TDOA) обычно не формируются явно при обработке приемника, они определяют геометрию измерения. Каждый TDOA соответствует гиперболоиду вращения (см. Мультилатерация ). Линия, соединяющая два задействованных спутника (и ее продолжения), образует ось гиперболоида. Приемник расположен в точке пересечения трех гиперболоидов.

Иногда неправильно говорят, что местоположение пользователя находится на пересечении трёх сфер. Хотя это проще визуализировать, это имеет место только в том случае, если приемник имеет часы, синхронизированные с часами спутников (т. е. приемник измеряет истинную дальность до спутников, а не разницу дальностей). Пользователь, имеющий часы, синхронизированные со спутниками, получает заметные преимущества в производительности. Прежде всего, для расчета местоположения необходимы только три спутника. Если бы неотъемлемой частью концепции GPS было то, что всем пользователям необходимо было иметь при себе синхронизированные часы, можно было бы развернуть меньшее количество спутников, но стоимость и сложность пользовательского оборудования увеличились бы.

Приемник в непрерывной работе

Приведенное выше описание представляет собой ситуацию запуска приемника. Большинство приемников имеют алгоритм отслеживания , иногда называемый трекером , который объединяет наборы спутниковых измерений, собранных в разное время — по сути, используя тот факт, что последовательные положения приемников обычно расположены близко друг к другу. После обработки набора измерений трекер прогнозирует местоположение приемника, соответствующее следующему набору спутниковых измерений. Когда собираются новые измерения, приемник использует схему взвешивания для объединения новых измерений с прогнозом трекера. В общем, трекер может (а) улучшить точность положения и времени приемника, (б) отклонить неверные измерения и (в) оценить скорость и направление приемника.

Недостатком трекера является то, что изменения скорости или направления могут быть вычислены только с задержкой, и это полученное направление становится неточным, когда расстояние, пройденное между двумя измерениями положения, падает ниже или близко к случайной ошибке измерения положения. Устройства GPS могут использовать измерения доплеровского сдвига полученных сигналов для точного расчета скорости. В более продвинутых навигационных системах в дополнение к GPS используются дополнительные датчики, такие как компас или инерциальная навигационная система .

Ненавигационные приложения

Список приложений см. в § Приложения .

Для точной навигации GPS требуется наличие четырех или более спутников. Решение навигационных уравнений дает положение приемника, а также разницу между временем, отображаемым на бортовых часах приемника, и истинным временем суток, тем самым устраняя необходимость в более точных и, возможно, непрактичных часах на основе приемника. . Приложения для GPS, такие как передача времени , синхронизация сигналов светофора и синхронизация базовых станций сотовых телефонов , используют эту дешевую и очень точную синхронизацию. Некоторые приложения GPS используют это время для отображения или, за исключением базовых расчетов положения, не используют его вообще.

Хотя для нормальной работы требуется четыре спутника, в особых случаях их может быть меньше. Если одна переменная уже известна, приемник может определить ее положение, используя только три спутника. Например, корабль в открытом океане обычно имеет известную высоту, близкую к 0 м , а высота самолета может быть известна. Некоторые приемники GPS могут использовать дополнительные подсказки или предположения, такие как повторное использование последней известной высоты, счисление пути , инерциальная навигация или включение информации от компьютера автомобиля, чтобы определить (возможно, ухудшенное) положение, когда видно менее четырех спутников.

Структура

Текущая GPS состоит из трех основных сегментов. Это космический сегмент, сегмент управления и пользовательский сегмент. Космические силы США развивают, обслуживают и управляют космическими сегментами и сегментами управления. Спутники GPS передают сигналы из космоса, и каждый приемник GPS использует эти сигналы для расчета своего трехмерного местоположения (широта, долгота и высота) и текущего времени.

Космический сегмент

См. Также: Блоки спутников GPS и Список спутников GPS.

В 1985 году GPS II прошел четырехмесячную серию квалификационных испытаний в космической камере AEDC Mark I, чтобы определить, сможет ли спутник выдерживать экстремальную жару и холод в космосе.

Наглядный пример группировки GPS из 24 спутников, движущейся при вращении Земли. Обратите внимание, как со временем меняется количество спутников, видимых из данной точки земной поверхности. Точка в этом примере находится в городе Голден, штат Колорадо, США (

 WikiMiniAtlas

 39,7469 ° N 105,2108 ° W  / 39,7469; -105.2108 ).

Космический сегмент (КС) состоит из 24–32 спутников или космических аппаратов (КА), находящихся на средней околоземной орбите , а также включает в себя адаптеры полезной нагрузки для ускорителей, необходимые для их запуска на орбиту. Первоначально проект GPS предусматривал 24 космических аппарата, по восемь каждый на трех примерно круговых орбитах . но это было изменено до шести орбитальных плоскостей по четыре спутника в каждой. Шесть плоскостей орбиты имеют наклон Земли примерно 55° (наклон относительно экватора ) и разделены прямым восхождением восходящего узла на 60° (угол вдоль экватора от точки отсчета до пересечения орбиты). Орбитальный период составляет половину звездных суток , т. е . 11 часов 58 минут, так что спутники проходят над одними и теми же местами. или почти те же места каждый день. Орбиты расположены так, что как минимум шесть спутников всегда находятся в пределах прямой видимости со всей поверхности Земли (см. анимацию справа). Результатом достижения этой цели является то, что четыре спутника не расположены на одинаковом расстоянии (90 °) друг от друга на каждой орбите. В общих чертах угловая разница между спутниками на каждой орбите составляет 30 °, 105 °, 120 ° и 105 ° друг от друга, что в сумме составляет 360 °.

На орбите на высоте примерно 20 200 км (12 600 миль); радиус орбиты примерно 26 600 км (16 500 миль), Каждый космический корабль совершает два полных оборота за каждый звездный день , повторяя каждый день один и тот же наземный маршрут . Это было очень полезно во время разработки, поскольку даже при наличии всего четырех спутников правильное выравнивание означает, что все четыре спутника видны из одной точки в течение нескольких часов каждый день. В военных операциях повторение наземного маршрута может использоваться для обеспечения хорошего покрытия в зонах боевых действий.

По состоянию на февраль 2019 г. , GPS 31 спутник В созвездии , 27 из которых используются в данный момент, а остальные находятся в режиме ожидания. 32-й был запущен в эксплуатацию в 2018 году, но по состоянию на июль 2019 года все еще находится на стадии оценки. Еще больше выведенных из эксплуатации спутников находятся на орбите и доступны в качестве запасных частей. Дополнительные спутники повышают точность вычислений GPS-приемника, обеспечивая избыточные измерения. С увеличением количества спутников группировка была изменена на неравномерную. Было показано, что такое расположение повышает точность, но также повышает надежность и доступность системы по сравнению с единой системой при выходе из строя нескольких спутников. Благодаря расширенной группировке девять спутников обычно видны в любое время из любой точки Земли с чистым горизонтом, что обеспечивает значительную избыточность по сравнению с минимум четырьмя спутниками, необходимыми для позиции.

Контрольный сегмент

Наземная станция наблюдения, использовавшаяся с 1984 по 2007 год, выставлена ​​в Музее ракетно-космической техники ВВС.

Сегмент управления (CS) состоит из:

1. главная станция управления (MCS),
2. альтернативная главная станция управления,
3. четыре выделенные наземные антенны и
4. шесть специализированных станций мониторинга.

MCS также может получить доступ к наземным антеннам сети спутникового управления (SCN) (для дополнительных возможностей управления и контроля) и NGA ( Национальное агентство геопространственной разведки станциям мониторинга ). Траектории полета спутников отслеживаются специальными станциями мониторинга Космических сил США на Гавайях, атолле Кваджалейн , острове Вознесения , Диего-Гарсия , Колорадо-Спрингс, Колорадо и мысе Канаверал , а также общими станциями мониторинга NGA, работающими в Англии, Аргентине, Эквадоре, Бахрейне. , Австралия и Вашингтон, округ Колумбия. Информация отслеживания отправляется в MCS на базе космических сил Шривер в 25 км (16 миль) к востоку-юго-востоку от Колорадо-Спрингс, которая находится в ведении 2-й эскадрильи космических операций (2 SOPS) Космических сил США. Затем 2 SOPS регулярно связываются с каждым спутником GPS, предоставляя навигационные обновления, используя выделенные или общие (AFSCN) наземные антенны (выделенные наземные антенны GPS расположены в Кваджалейне , острове Вознесения , Диего-Гарсии и мысе Канаверал ). Эти обновления синхронизируют атомные часы на борту спутников с точностью до нескольких наносекунд и корректируют эфемериды внутренней орбитальной модели каждого спутника. Обновления создаются с помощью фильтра Калмана , который использует данные наземных станций мониторинга, информацию о космической погоде и различные другие входные данные.

При корректировке орбиты спутника он помечается как неработоспособный , поэтому приемники его не используют. После маневра инженеры отслеживают новую орбиту с земли, загружают новые эфемериды и снова отмечают исправность спутника.

Сегмент управления операциями (OCS) в настоящее время служит сегментом управления записью. Он обеспечивает эксплуатационные возможности, которые поддерживают пользователей GPS и поддерживают работоспособность и производительность GPS в соответствии со спецификациями.

OCS успешно заменила устаревший мейнфрейм 1970-х годов на базе ВВС Шривер в сентябре 2007 года. После установки система помогла обеспечить модернизацию и обеспечить основу для новой архитектуры безопасности, которая поддерживала вооруженные силы США.

OCS продолжит оставаться рекордной наземной системой управления до появления нового сегмента — системы управления операциями GPS следующего поколения. (OCX), полностью разработан и функционален. Министерство обороны США заявило, что новые возможности, предоставляемые OCX, станут краеугольным камнем для революционного изменения возможностей GPS, позволяя Космическим силам США значительно улучшить оперативные услуги GPS для боевых сил США, гражданских партнеров и множества внутренних и международных пользователей. Программа GPS OCX также позволит сократить затраты, сроки и технические риски. Он предназначен для обеспечения 50% экономия затрат на поддержание деятельности за счет эффективной архитектуры программного обеспечения и логистики, ориентированной на производительность. Кроме того, ожидается, что GPS OCX будет стоить на миллионы меньше, чем стоимость модернизации OCS, но при этом обеспечит в четыре раза больше возможностей.

Программа GPS OCX представляет собой важнейшую часть модернизации GPS и обеспечивает значительные улучшения в обеспечении информации по сравнению с текущей программой GPS OCS.

• OCX будет иметь возможность контролировать и управлять устаревшими спутниками GPS, а также спутниками следующего поколения GPS III, обеспечивая при этом полный спектр военных сигналов.
• Построен на гибкой архитектуре, которая может быстро адаптироваться к меняющимся потребностям сегодняшних и будущих пользователей GPS, обеспечивая немедленный доступ к данным GPS и состоянию созвездия посредством защищенной, точной и надежной информации.
• Предоставляет бойцу более надежную, полезную и прогнозируемую информацию для повышения осведомленности о ситуации.
• Обеспечивает новые модернизированные сигналы (L1C, L2C и L5) и поддерживает M-код, чего не может сделать устаревшая система.
• Обеспечивает значительные улучшения в обеспечении безопасности информации по сравнению с текущей программой, включая обнаружение и предотвращение кибератак, а также изоляцию, сдерживание и функционирование во время таких атак.
• Поддерживает более громкие возможности и возможности управления и контроля почти в реальном времени.

14 сентября 2011 г. ВВС США объявили о завершении предварительного анализа проекта GPS OCX и подтвердили, что программа OCX готова к следующему этапу разработки. Программа GPS OCX пропустила важные этапы и перенесла ее запуск на 2021 год, на 5 лет позже первоначального срока. По данным Счетной палаты правительства, в 2019 году крайний срок до 2021 года выглядел шатким.

Реализация проекта по-прежнему откладывалась в 2023 году, и его первоначальный сметный бюджет (по состоянию на июнь 2023 года) превысил 73%. В конце 2023 года Фрэнк Калвелли, помощник министра ВВС по космическим приобретениям и интеграции, заявил, что проект, по оценкам, будет запущен где-то летом 2024 года.

Сегмент пользователя

Дополнительная информация: GPS-навигатор.

GPS-приемники бывают самых разных форматов: от устройств, встроенных в автомобили, телефоны и часы, до специализированных устройств, подобных этому.

Первое портативное устройство GPS-съемки, Leica WM 101, выставлено в Ирландском национальном музее науки в Мейнуте.

Сегмент пользователей (США) состоит из сотен тысяч военных пользователей США и их союзников безопасной службы точного позиционирования GPS, а также десятков миллионов гражданских, коммерческих и научных пользователей службы стандартного позиционирования. Как правило, GPS-приемники состоят из антенны, настроенной на частоты, передаваемые спутниками, приемников-процессоров и высокостабильных часов (часто кварцевого генератора ). Они также могут включать в себя дисплей для предоставления пользователю информации о местоположении и скорости.

Приемники GPS могут иметь вход для дифференциальных поправок в формате RTCM SC-104. Обычно это порт RS-232 со скоростью 4800 бит/с. На самом деле данные передаются с гораздо меньшей скоростью, что ограничивает точность сигнала, отправляемого с использованием RTCM. Приемники с внутренними приемниками DGPS могут превосходить те, которые используют внешние данные RTCM. По состоянию на 2006 год Даже недорогие устройства обычно включают в себя приемники глобальной системы расширения (WAAS).

Типичный GPS-приемник со встроенной антенной

Многие GPS-приемники могут передавать данные о местоположении на ПК или другое устройство по протоколу NMEA 0183 . Хотя этот протокол официально определен Национальной ассоциацией морской электроники (NMEA), ссылки на этот протокол были собраны из общедоступных записей, что позволяет инструментам с открытым исходным кодом, таким как gpsd, читать протокол, не нарушая законов об интеллектуальной собственности. Существуют также другие проприетарные протоколы, такие как протоколы SiRF и MTK . Приемники могут взаимодействовать с другими устройствами, используя такие методы, как последовательное соединение, USB или Bluetooth .

Приложения

Основная статья: Приложения ГНСС

Хотя изначально GPS был военным проектом, он считается технологией двойного назначения , что означает, что он также имеет важное гражданское применение.

GPS стала широко распространенным и полезным инструментом для торговли, научных целей, отслеживания и наблюдения. Точное время GPS облегчает повседневные действия, такие как банковские операции, операции с мобильными телефонами и даже контроль электросетей, обеспечивая хорошо синхронизированное ручное переключение.

Гражданский

Эта антенна установлена ​​на крыше хижины, где проводится научный эксперимент, требующий точного времени.

Многие гражданские приложения используют один или несколько из трех основных компонентов GPS: абсолютное местоположение, относительное движение и передачу времени.

• Любительское радио : синхронизация часов необходима для нескольких цифровых режимов, таких как FT8 , FT4 и JS8; также используется с APRS для отчетов о местоположении; часто имеет решающее значение при обеспечении связи в чрезвычайных ситуациях и при стихийных бедствиях.
• Атмосфера : изучение задержек в тропосфере (восстановление содержания водяного пара) и задержек в ионосфере (восстановление количества свободных электронов). Восстановление смещений земной поверхности вследствие нагрузки атмосферным давлением.
• Астрономия : данные как позиционной, так и часовой синхронизации используются в астрометрии и небесной механике , а также в точном определении орбиты. GPS также используется как в любительской астрономии с использованием небольших телескопов, так и в профессиональных обсерваториях для поиска внесолнечных планет .
• Автоматизированное транспортное средство : применение местоположения и маршрутов для легковых и грузовых автомобилей, чтобы они могли работать без водителя-человека.
• Картография : как гражданские, так и военные картографы широко используют GPS.
• Сотовая телефония : синхронизация часов обеспечивает передачу времени, что имеет решающее значение для синхронизации его кодов расширения с другими базовыми станциями для облегчения передачи обслуживания между ячейками и поддержки гибридного определения местоположения GPS/сотовой связи для мобильных экстренных вызовов и других приложений. Первые телефоны со встроенным GPS были выпущены в конце 1990-х годов. США В 2002 году Федеральная комиссия по связи (FCC) санкционировала эту функцию либо в трубке, либо в вышках (для использования в триангуляции), чтобы службы экстренной помощи могли обнаружить звонивших в службу экстренной помощи. Сторонние разработчики программного обеспечения позже получили доступ к API-интерфейсам GPS от Nextel при запуске, за ним последовали Sprint в 2006 году и вскоре после этого Verizon .
• Синхронизация часов : точность сигналов времени GPS (±10 нс) уступает только атомным часам, на которых они основаны, и используется в таких приложениях, как GPS-дисциплинированные генераторы .
• Помощь при стихийных бедствиях / экстренные службы : многие службы экстренной помощи зависят от GPS для определения местоположения и времени.
• с GPS Радиозонды и сбрасываемые зонды : измеряют и рассчитывают атмосферное давление, скорость и направление ветра на высоте до 27 км (89 000 футов) от поверхности Земли.
• Радиозатмение для целей науки о погоде и атмосфере.
• Отслеживание автопарка : используется для идентификации, обнаружения и ведения отчетов о контактах с одним или несколькими транспортными средствами автопарка в режиме реального времени.
• Геодезия : определение параметров ориентации Земли, включая суточное и субсуточное движение полюсов, и изменчивость продолжительности дня, Центр масс Земли - движение геоцентра, и параметры гравитационного поля низкой степени.
• Геозенс : системы слежения за транспортными средствами , системы слежения за людьми и системы слежения за домашними животными используют GPS для обнаружения устройств, которые прикреплены к человеку, транспортному средству или домашнему животному или переносятся им. Приложение может обеспечивать непрерывное отслеживание и отправлять уведомления, если цель покидает обозначенную (или «огороженную») зону.
• Геотегирование : применяет координаты местоположения к цифровым объектам, таким как фотографии (в данных Exif ) и другим документам, например, для создания наложений на карты с помощью таких устройств, как Nikon GP-1.
• GPS-отслеживание самолетов
• GPS для горнодобывающей промышленности : использование RTK GPS значительно улучшило некоторые операции по добыче полезных ископаемых, такие как бурение, лопата, отслеживание транспортных средств и геодезия. RTK GPS обеспечивает точность позиционирования на уровне сантиметра.
• Анализ данных GPS : можно объединить данные GPS от нескольких пользователей, чтобы понять модели движения, общие траектории и интересные места. Данные GPS сегодня используются в транспортной и аварийной инженерии для прогнозирования мобильности в обычных ситуациях и ситуациях эвакуации (например, ураганах, лесных пожарах, землетрясениях).
• GPS-туры : местоположение определяет, какой контент отображать; например, информация о приближающейся достопримечательности.
• Психическое здоровье : отслеживание психического здоровья и коммуникабельности.
• Навигация : навигаторы ценят точные цифровые измерения скорости и ориентации, а также точные положения в реальном времени с поддержкой коррекции орбиты и часов.
• Определение орбиты низкоорбитальных спутников с установленным на борту GPS-приемником, например GOCE , ГРЕЙС , Джейсон-1 , Джейсон-2 , TerraSAR-X , TanDEM-X , ЧЕМПИОН , Страж-3 , и некоторые кубсаты, например CubETH .
• Векторные измерения : GPS обеспечивает высокоточную временную метку измерений энергосистемы, что позволяет вычислять вектора .
• Отдых : например, геокешинг , геодашинг , рисование GPS , разметка маршрутов и другие виды мобильных игр с определением местоположения, такие как Pokémon Go .
• Системы отсчета : реализация и уплотнение наземных систем отсчета. в рамках Глобальной системы геодезических наблюдений. Совместное размещение в космосе спутниковой лазерной локации и микроволновые наблюдения для получения глобальных геодезических параметров.
• Робототехника : автономные роботы с автоматической навигацией, использующие датчики GPS, которые вычисляют широту, долготу, время, скорость и курс.
• Спорт : используется в футболе и регби для контроля и анализа тренировочной нагрузки.
• Геодезия : геодезисты используют абсолютные местоположения для создания карт и определения границ собственности.
• Тектоника : GPS позволяет осуществлять прямое измерение разломов при землетрясениях . Между землетрясениями GPS можно использовать для измерения земной коры . движения и деформации для оценки накопления сейсмической деформации для создания сейсмической опасности . карт
• Телематика : технология GPS, интегрированная с компьютерами и технологиями мобильной связи в автомобильных навигационных системах .

на

Правительство США контролирует экспорт некоторых гражданских приемников. Все приемники GPS, способные работать на высоте более 60 000 футов (18 км) над уровнем моря и на скорости 1 000 узлов (500 м/с; 2 000 км/ч; 1 000 миль в час), или спроектированные или модифицированные для использования с беспилотными ракетами и самолетами, классифицируются как боеприпасы. (оружие) — что означает, что для них требуются экспортные лицензии Государственного департамента . Это правило применимо даже к чисто гражданским подразделениям, которые получают только частоту L1 и код C/A (грубый/приобретение).

Отключение работы сверх этих пределов освобождает ствольную коробку от классификации как боеприпаса. Интерпретации поставщиков различаются. Правило касается работы как на заданной высоте, так и на заданной скорости, но некоторые приемники перестают работать даже в неподвижном состоянии. Это вызвало проблемы с запуском некоторых любительских радиозондов, которые регулярно достигают 30 км (100 000 футов).

Эти ограничения применяются только к единицам или компонентам, экспортируемым из США. Растет торговля различными компонентами, включая устройства GPS из других стран. Они продаются без ITAR .

Военный

Радиостанция AN/PRC-119F SINCGARS, для которой требуется точное время, обеспечиваемое внешней системой GPS, чтобы обеспечить возможность скачкообразной перестройки частоты с другими радиостанциями.

Прикрепление комплекта GPS-наведения к неуправляемой бомбе , март 2003 г.

M982 Excalibur с GPS-наведением Артиллерийский снаряд

По состоянию на 2009 год военные приложения GPS включают:

• Навигация. Солдаты используют GPS для поиска целей даже в темноте или на незнакомой территории, а также для координации движения войск и снабжения. В вооруженных силах США командиры используют Digital Assistant командира , а нижние чины используют Digital Assistant солдата .
• Координация радиочасов со скачкообразной перестройкой частоты. Военные радиосистемы, использующие режимы скачкообразной перестройки частоты , такие как SINCGARS и HAVEQUICK , требуют, чтобы все радиостанции в сети имели одинаковый входной сигнал времени на свои внутренние часы (+/-4 секунды в случае SINCGARS) для находиться на правильной частоте в данный момент времени. Военные GPS-приемники, такие как прецизионный легкий GPS-приемник (PLGR) и усовершенствованный GPS-приемник обороны (DAGR), используются радистами в радиосети для правильного ввода точного времени на внутренние часы радиостанции. Более современные военные радиостанции имеют внутренние GPS-приемники, которые автоматически синхронизируют внутренние часы.
• Отслеживание целей: различные системы военного вооружения используют GPS для отслеживания потенциальных наземных и воздушных целей, прежде чем пометить их как враждебные. Эти системы вооружения передают координаты цели высокоточным боеприпасам, что позволяет им точно поражать цели. Военные самолеты, особенно летательные аппараты класса «воздух-земля» , используют GPS для поиска целей.
• Наведение ракет и снарядов: GPS позволяет точно наводить на цель различное боевое оружие, включая межконтинентальные баллистические ракеты , крылатые ракеты , высокоточные боеприпасы и артиллерийские снаряды . Встроенные GPS-приемники, способные выдерживать ускорение до 12 000 g. или около 118 км/с ² (260 000 миль в час / с) были разработаны для использования в 155-миллиметровых (6,1 дюйма) гаубичных снарядах.
• Поиск и спасение.
• Разведка: движением патруля можно управлять более тщательно.
• Спутники GPS несут набор детекторов ядерного взрыва, состоящий из оптического датчика, называемого бхангметром , рентгеновского датчика, дозиметра и датчика электромагнитного импульса (ЭМИ) (W-сенсор), которые составляют большую часть территории Соединенных Штатов. Система обнаружения ядерного взрыва . Генерал Уильям Шелтон заявил, что будущие спутники могут отказаться от этой функции в целях экономии денег.

Навигация типа GPS была впервые использована на войне во время войны в Персидском заливе в 1991 году , до того, как GPS была полностью разработана в 1995 году, для помощи коалиционным силам в навигации и выполнении маневров во время войны. Война также продемонстрировала уязвимость GPS к помехам , когда иракские войска установили на вероятных целях устройства глушения, которые излучали радиопомехи, нарушая прием слабого сигнала GPS.

Уязвимость GPS к помехам представляет собой угрозу, которая продолжает расти по мере роста оборудования и опыта создания помех. Сообщалось, что сигналы GPS на протяжении многих лет глушились много раз в военных целях. Похоже, что Россия преследует несколько целей такого подхода, таких как запугивание соседей и одновременное подрыв доверия к их зависимости от американских систем, продвижение своей альтернативы ГЛОНАСС, срыв западных военных учений и защита активов от дронов. Китай использует помехи, чтобы отпугнуть американские самолеты наблюдения вблизи спорных островов Спратли . Северная Корея провела несколько крупных операций по подавлению помех вблизи своей границы с Южной Кореей и на море, что нарушило полеты, морские и рыболовные операции. Вооруженные силы Ирана нарушили работу GPS гражданского авиалайнера, рейса PS752 , когда тот сбил самолет.

Во время российско-украинской войны боеприпасы с GPS-наведением, предоставленные Украине странами НАТО, значительно чаще выходили из строя из-за российской радиоэлектронной борьбы. Эффективность поражения целей артиллерийскими снарядами «Эскалибур» снизилась с 70% до 6%, поскольку Россия адаптировала свои действия по радиоэлектронной борьбе.

Хронометраж

Дополнительные секунды

Хотя большинство часов определяют время по всемирному координированному времени (UTC), атомные часы на спутниках настроены на время GPS . Разница в том, что время GPS не корректируется в соответствии с вращением Земли, поэтому оно не содержит новых дополнительных секунд или других поправок, которые периодически добавляются к UTC. Время GPS было установлено в соответствии с UTC в 1980 году, но с тех пор оно отклонилось. Отсутствие поправок означает, что время GPS остается с постоянным смещением относительно Международного атомного времени (TAI) (TAI – GPS = 19 секунд). В бортовые часы вносятся периодические поправки, чтобы обеспечить их синхронизацию с наземными часами.

Сообщение GPS-навигации включает разницу между временем GPS и временем UTC. По состоянию на январь 2017 года Время GPS на 18 секунд опережает время UTC из-за дополнительной секунды, добавленной к UTC 31 декабря 2016 года. Приемники вычитают это смещение из времени GPS для расчета UTC и значений конкретного часового пояса. Новые устройства GPS могут не показывать правильное время UTC до тех пор, пока не получат сообщение о смещении UTC. Поле смещения GPS-UTC может содержать 255 дополнительных секунд (восемь бит).

Точность

Время GPS теоретически имеет точность около 14 наносекунд из-за отклонения часов относительно международного атомного времени , которое испытывают атомные часы в передатчиках GPS. Большинство приемников теряют некоторую точность в интерпретации сигналов и имеют точность лишь около 100 наносекунд.

Релятивистские поправки

GPS реализует две основные поправки к своим сигналам времени для релятивистских эффектов: одну для относительной скорости спутника и приемника, используя специальную теорию относительности, и одну для разницы в гравитационном потенциале между спутником и приемником, используя общую теорию относительности. Ускорение спутника также можно рассчитать независимо как поправку, в зависимости от цели, но обычно эффект уже учитывается в первых двух поправках.

Формат

Дополнительная информация: смена номера недели GPS.

В отличие от формата года, месяца и дня в григорианском календаре , дата GPS выражается в виде номера недели и числа секунд в неделе. Номер недели передается в виде десятибитного поля в навигационных сообщениях C/A и P(Y), поэтому он снова становится нулевым каждые 1024 недели (19,6 года). Нулевая неделя GPS началась в 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) 6 января 1980 г., а номер недели снова стал нулевым в 23:59:47 UTC 21 августа 1999 г. (00 :00:19 ТАИ, 22 августа 1999 г.). Это произошло во второй раз в 23:59:42 UTC 6 апреля 2019 года. Чтобы определить текущую дату по григорианскому календарю, GPS-приемнику необходимо предоставить приблизительную дату (с точностью до 3584 дней), чтобы правильно преобразовать сигнал даты GPS. Чтобы решить эту проблему в будущем, в модернизированном сообщении гражданской навигации GPS (CNAV) будет использоваться 13-битное поле, которое повторяется только каждые 8 ​​192 недели (157 лет), то есть до 2137 года (157 лет после нулевой недели GPS).

Общение

Основная статья: GPS-сигналы

Навигационные сигналы, передаваемые спутниками GPS, кодируют различную информацию, включая положение спутников, состояние внутренних часов и работоспособность сети. Эти сигналы передаются на двух отдельных несущих частотах, общих для всех спутников в сети. Используются две разные кодировки: общедоступная кодировка, обеспечивающая навигацию с более низким разрешением, и зашифрованная кодировка, используемая военными США.

Формат сообщения

Формат GPS-сообщения

Подрамники	Описание
1	Спутниковые часы, соотношение времени по GPS
2–3	Эфемериды (точная орбита спутника)
4–5	Компонент альманаха (обзор спутниковой сети, исправление ошибок)

Каждый спутник GPS непрерывно передает навигационное сообщение на частотах L1 (C/A и P/Y) и L2 (P/Y) со скоростью 50 бит в секунду (см. скорость передачи данных ). Каждое полное сообщение занимает 750 секунд ( 12 + 1 ⁄ минуты) для завершения. Структура сообщения имеет базовый формат кадра длиной 1500 бит, состоящего из пяти подкадров, причем каждый подкадр имеет длину 300 бит (6 секунд). Подкадры 4 и 5 перекоммутируются по 25 раз каждый, так что для полного сообщения данных требуется передача 25 полных кадров. Каждый подкадр состоит из десяти слов длиной 30 бит каждое. Таким образом, если 300 бит в подкадре умножить на 5 подкадров в кадре на 25 кадров в сообщении, длина каждого сообщения составит 37 500 бит. При скорости передачи 50 бит/с это дает 750 секунд для передачи всего сообщения альманаха (GPS) . Каждый 30-секундный кадр начинается ровно на той минуте или полминуты, которые указывают атомные часы на каждом спутнике.

Первый подкадр каждого кадра кодирует номер недели и время внутри недели. а также данные о исправности спутника. Второй и третий подкадры содержат эфемериды – точную орбиту спутника. Четвертый и пятый подкадры содержат альманах , который содержит приблизительную информацию об орбите и состоянии максимум 32 спутников в группировке, а также данные, связанные с коррекцией ошибок. Таким образом, чтобы получить точное местоположение спутника из этого переданного сообщения, приемник должен демодулировать сообщение от каждого спутника, который он включает в свое решение, в течение 18–30 секунд. Чтобы собрать все переданные альманахи, получатель должен демодулировать сообщение в течение 732–750 секунд или 12 + 1/2 ​ минуты .

Все спутники вещают на одних и тех же частотах, кодируя сигналы с использованием уникального множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), чтобы приемники могли отличать отдельные спутники друг от друга. В системе используются два различных типа кодирования CDMA: код грубого обнаружения (C/A), доступный широкой публике, и точный код (P(Y)), который зашифрован таким образом, что только военные США и другие Страны НАТО, которым был предоставлен доступ к коду шифрования, могут получить к нему доступ.

Эфемериды обновляются каждые 2 часа и достаточно стабильны в течение 4 часов, с возможностью обновления каждые 6 часов или дольше в неноминальных условиях. Альманах обновляется обычно каждые 24 часа. Кроме того, данные за несколько последующих недель загружаются в случае обновлений передачи, которые задерживают загрузку данных.

Спутниковые частоты

Обзор частоты GPS

Группа	Частота	Описание
Л1	1575,42 МГц	Коды грубого обнаружения (C/A) и кодированные точные (P(Y)), а также гражданские ( L1C ) и военные (M) коды L1 на спутниках Block III и более новых.
Л2	1227,60 МГц	Код P(Y), а также коды L2C и военные коды на спутниках Block IIR-M и более новых.
Л3	1381,05 МГц	Используется для обнаружения ядерного взрыва (NUDET).
Л4	1379,913 МГц	Изучается на дополнительную ионосферную коррекцию.
Л5	1176,45 МГц	Используется в качестве гражданского сигнала безопасности жизни (SoL) на спутниках Block IIF и более новых.

Все спутники вещают на одних и тех же двух частотах: 1,57542 ГГц (сигнал L1) и 1,2276 ГГц (сигнал L2). Спутниковая сеть использует технологию расширения спектра CDMA. где данные сообщения с низкой скоростью передачи данных кодируются с помощью высокоскоростной псевдослучайной последовательности (PRN), которая различна для каждого спутника. Получатель должен знать коды PRN для каждого спутника, чтобы восстановить фактические данные сообщения. Код C/A для гражданского использования передает данные со скоростью 1,023 миллиона чипов в секунду, тогда как код P для военного использования США передает со скоростью 10,23 миллиона чипов в секунду. Фактическая внутренняя опорная частота спутников составляет 10,22999999543 МГц для компенсации релятивистских эффектов . которые заставляют наблюдателей на Земле воспринимать иную привязку времени по сравнению с передатчиками на орбите. Несущая L1 модулируется как кодами C/A, так и P, тогда как несущая L2 модулируется только кодом P. Код P может быть зашифрован как так называемый код P(Y), который доступен только для военной техники с соответствующим ключом дешифрования. Коды C/A и P(Y) сообщают пользователю точное время суток.

Сигнал L3 на частоте 1,38105 ГГц используется для передачи данных со спутников на наземные станции. Эти данные используются системой обнаружения ядерных детонаций США (NUDET) (USNDS) для обнаружения, определения местоположения и сообщения о ядерных взрывах (NUDET) в атмосфере Земли и ближнем космосе. Одним из способов применения является обеспечение соблюдения договоров о запрещении ядерных испытаний.

Полоса L4 на частоте 1,379913 ГГц изучается для дополнительной ионосферной коррекции.

Полоса частот L5 на частоте 1,17645 ГГц была добавлена ​​в процессе модернизации GPS . Эта частота попадает в защищенный на международном уровне диапазон для воздушной навигации, обещающий незначительные помехи или их полное отсутствие при любых обстоятельствах. Первый спутник Block IIF, передающий этот сигнал, был запущен в мае 2010 года. 5 февраля 2016 года был запущен 12-й и последний спутник Block IIF. L5 состоит из двух компонентов несущей, которые находятся в квадратуре по фазе друг с другом. Каждый компонент несущей представляет собой двухфазный ключ (BPSK), модулированный отдельной последовательностью битов. «L5, третий гражданский сигнал GPS, в конечном итоге будет поддерживать приложения безопасности жизни в авиации и обеспечит повышенную доступность и точность».

был предоставлен условный отказ В 2011 году компании LightSquared от предоставления услуг наземного широкополосного доступа в диапазоне L1. Хотя LightSquared подала заявку на лицензию на работу в диапазоне 1525–1559 еще в 2003 году и была вынесена на общественное обсуждение, FCC попросила LightSquared сформировать исследовательскую группу с сообществом GPS для тестирования GPS-приемников и выявления проблем, которые могут возникают из-за большей мощности сигнала наземной сети LightSquared. Сообщество GPS не возражало против приложений LightSquared (ранее MSV и SkyTerra) до ноября 2010 года, когда LightSquared подала заявку на изменение своего разрешения на использование вспомогательного наземного компонента (ATC). Эта заявка (SAT-MOD-20101118-00239) представляла собой запрос на передачу на несколько порядков большей мощности в той же полосе частот для наземных базовых станций, по сути перепрофилируя то, что должно было быть «тихим районом» для сигналов из космоса, как эквивалент сотовой сети. Тестирование, проведенное в первой половине 2011 года, показало, что влияние диапазона нижних 10 МГц на устройства GPS минимально (затрагивается менее 1% от общего числа устройств GPS). Верхние 10 МГц, предназначенные для использования LightSquared, могут оказывать некоторое влияние на устройства GPS. Есть некоторые опасения, что это может серьезно ухудшить сигнал GPS для многих потребительских целей. Журнал Aviation Week сообщает, что последние испытания (июнь 2011 г.) подтверждают «значительные помехи» GPS системой LightSquared.

Демодуляция и декодирование

Демодуляция и декодирование спутниковых сигналов GPS с использованием грубого кода/приобретения золотого кода

Поскольку все спутниковые сигналы модулируются на одной и той же несущей частоте L1, после демодуляции сигналы необходимо разделить. Это делается путем присвоения каждому спутнику уникальной двоичной последовательности , известной как код Голда . Сигналы декодируются после демодуляции с использованием добавления кодов Голда, соответствующих спутникам, контролируемым приемником.

Если информация альманаха была получена ранее, приемник выбирает спутники для прослушивания по их PRN, уникальным номерам в диапазоне от 1 до 32. Если информация альманаха отсутствует в памяти, приемник входит в режим поиска до тех пор, пока не будет получена блокировка. на одном из спутников. Для получения захвата необходимо, чтобы от приемника до спутника была беспрепятственная прямая видимость. Затем приемник может получить альманах и определить спутники, которые ему следует прослушивать. Обнаружив сигнал каждого спутника, он идентифицирует его по отдельному шаблону кода C/A. Перед первой оценкой положения может возникнуть задержка до 30 секунд из-за необходимости чтения данных эфемерид.

Обработка навигационного сообщения позволяет определить время передачи и положение спутника в этот момент. Для получения дополнительной информации см. «Демодуляция и декодирование», «Дополнительно» .

Уравнения навигации

Дополнительная информация: расчет позиционирования GNSS.

См. Также: Псевдодиапазон

Постановка задачи

Приемник использует сообщения, полученные от спутников, для определения положения спутников и времени отправки. Компоненты , y и z положения спутника и отправленного времени ( s ) обозначаются как [ xi _, yi _, zi _, si _x ], где нижний индекс i обозначает спутник и имеет значение 1, 2, . .., n , где n ≥ 4. Когда время приема сообщения, указанное часами бортового приемника, ${\tilde {t}}_{i}$, истинное время приема $t_{i}={\tilde {t}}_{i}-b$, где b — отклонение часов приемника от гораздо более точных часов GPS, используемых спутниками. Смещение часов приемника одинаково для всех принимаемых спутниковых сигналов (при условии, что все спутниковые часы идеально синхронизированы). Время прохождения сообщения составляет ${\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}$, где s _i — спутниковое время. Предполагая, что сообщение передается со скоростью света c , пройденное расстояние равно $\left({\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}\right)c$.

Для n спутников должны удовлетворяться следующие уравнения:

$d_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}\right)c,\;i=1,2,\dots ,n$

где d _i — геометрическое расстояние или дальность между приемником и спутником i (значения без индексов — это компоненты x, y и z положения приемника):

$d_{i}={\sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2}}}$

Определение псевдодальностей как $p_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-s_{i}\right)c$, мы видим, что это предвзятые версии истинного диапазона:

$p_{i}=d_{i}+bc,\;i=1,2,...,n$ .

Поскольку в уравнениях есть четыре неизвестных [ x, y, z, b ] — три компонента положения GPS-приемника и смещения часов — для попытки решения этих уравнений необходимы сигналы как минимум от четырех спутников. Их можно решить алгебраическими или численными методами. Существование и уникальность решений GPS обсуждаются Абеллом и Чаффи. Когда n больше четырех, эта система переопределена и метод подгонки необходимо использовать .

Величина ошибок в результатах варьируется в зависимости от местоположения принимаемых спутников на небе, поскольку определенные конфигурации (когда принимаемые спутники находятся близко друг к другу на небе) вызывают большие ошибки. Приёмники обычно вычисляют текущую оценку ошибки в вычисленной позиции. Это делается путем умножения основного разрешения приемника на величины, называемые коэффициентами геометрического размытия положения (GDOP), рассчитываемые на основе относительных направлений неба используемых спутников. Местоположение приемника выражается в определенной системе координат, например широте и долготе, с использованием WGS 84 геодезической системы координат или системы, зависящей от страны.

интерпретация

Уравнения GPS могут быть решены численными и аналитическими методами. Геометрические интерпретации могут улучшить понимание этих методов решения.

Сферы

Двумерный декартовский сценарий мультилатерации (трилатерации) истинного диапазона

Измеренные диапазоны, называемые псевдодальностями, содержат ошибки часов. В упрощенной идеализации, в которой диапазоны синхронизированы, эти истинные диапазоны представляют собой радиусы сфер, каждая из которых сосредоточена на одном из передающих спутников. Тогда решение положения приемника находится на пересечении поверхностей этих сфер; см. трилатерацию (в более общем смысле, мультилатерацию истинного диапазона). Требуются сигналы как минимум от трех спутников, и их три сферы обычно пересекаются в двух точках. Одна из точек — это местоположение приемника, а другая быстро перемещается при последовательных измерениях и обычно не находится на поверхности Земли.

На практике, помимо смещения часов, существует множество источников неточностей, включая случайные ошибки, а также потенциальную потерю точности из-за вычитания близких друг к другу чисел, если центры сфер расположены относительно близко друг к другу. Это означает, что положение, рассчитанное только по трем спутникам, вряд ли будет достаточно точным. Данные с большего количества спутников могут помочь из-за тенденции к нейтрализации случайных ошибок, а также из-за большего разброса между центрами сфер. Но в то же время другие сферы вообще не будут пересекаться в одной точке. Таким образом, ближайшее пересечение вычисляется, как правило, с помощью метода наименьших квадратов. Чем больше сигналов доступно, тем точнее будет аппроксимация.

Гиперболоиды

Местоположение трех спутников (обозначенных как «станции» A, B, C) известно. Истинное время, необходимое радиосигналу для прохождения от каждого спутника до приемника, неизвестно, но известны истинные различия во времени. Затем каждая разница во времени помещает приемник на ветвь гиперболы, ориентированную на спутники. Приемник тогда располагается на одном из двух перекрестков.

псевдодальность между приемником и спутником i и псевдодальность между приемником и спутником j Если вычесть , p _i - p _j , общее смещение часов приемника ( b ) уравновешивается, что приводит к разнице расстояний d _i - d _j . Геометрическое место точек, имеющих постоянную разницу расстояний до двух точек (здесь, двух спутников), представляет собой гиперболу на плоскости и гиперболоид вращения (точнее, двуполостный гиперболоид ) в трехмерном пространстве (см. Мультилатерация ). Таким образом, по результатам четырех измерений псевдодальностей приемник можно разместить на пересечении поверхностей трех гиперболоидов, каждый с фокусами на паре спутников. При наличии дополнительных спутников многочисленные пересечения не обязательно уникальны, и вместо этого ищется наиболее подходящее решение.

Вписанная сфера

Меньший круг ( красный ), вписанный и касающийся других окружностей ( черный ), которые не обязательно должны касаться друг друга

Положение приемника можно интерпретировать как центр вписанной сферы (внутренней сферы) радиуса bc , определяемого смещением часов приемника b (масштабируемым скоростью света c ). Расположение внутрисферы таково, что она соприкасается с другими сферами. Описывающие сферы центрированы на спутниках GPS, радиусы которых равны измеренным псевдодальностьм p _i . Эта конфигурация отличается от описанной выше, в которой радиусы сфер представляли собой несмещенные или геометрические диапазоны d _i .

Гиперконусы

Часы в приемнике обычно не такого качества, как часы на спутниках, и не будут точно синхронизированы с ними. Это создает псевдодальности с большими различиями по сравнению с истинными расстояниями до спутников. Поэтому на практике разница во времени между часами приемника и временем спутника определяется как неизвестное смещение часов b . Затем уравнения решаются одновременно для положения приемника и смещения тактового сигнала. Пространство решений [ x, y, z, b ] можно рассматривать как четырехмерное пространство-время , и необходимы сигналы как минимум от четырех спутников. В этом случае каждое из уравнений описывает гиперконус (или сферический конус), с острием, расположенным на спутнике, и основанием в виде сферы вокруг спутника. Приемник находится на пересечении четырех и более таких гиперконусов.

Методы решения

Наименьшие квадраты

Если доступно более четырех спутников, в расчете могут использоваться четыре лучших или более четырех одновременно (вплоть до всех видимых спутников), в зависимости от количества каналов приемника, возможностей обработки и геометрического снижения точности (GDOP).

Использование более четырех предполагает переопределенную систему уравнений без единственного решения; такая система может быть решена методом наименьших квадратов или методом взвешенных наименьших квадратов.

$\left({\hat {x}},{\hat {y}},{\hat {z}},{\hat {b}}\right)={\underset {\left(x,y,z,b\right)}{\arg \min }}\sum _{i}\left({\sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2}}}+bc-p_{i}\right)^{2}$

Итеративный

Как уравнения для четырех спутников, так и уравнения наименьших квадратов для более четырех спутников являются нелинейными и требуют специальных методов решения. Распространенный подход заключается в итерации линеаризованной формы уравнений, такой как алгоритм Гаусса – Ньютона .

Первоначально GPS была разработана с учетом использования численного метода наименьших квадратов, т. е. до того, как были найдены решения в замкнутой форме.

Закрытая форма

Одно решение приведенной выше системы уравнений в замкнутой форме было разработано С. Бэнкрофтом. Его свойства хорошо известны; в частности, сторонники утверждают, что он превосходит с низким ВВП . итеративные методы наименьших квадратов в ситуациях

Метод Бэнкрофта является алгебраическим, а не численным, и может использоваться для четырех и более спутников. При использовании четырех спутников ключевыми этапами являются обращение матрицы 4х4 и решение квадратного уравнения с одной переменной. Метод Бэнкрофта дает одно или два решения для неизвестных величин. Когда их два (обычно так), только один является разумным решением для околоземного пространства.

Когда приемник использует для решения более четырех спутников, Бэнкрофт использует обобщенное обратное (т. е. псевдообратное) для поиска решения. Было доказано, что итерационные методы, такие как подход алгоритма Гаусса – Ньютона для решения переопределенных нелинейных задач наименьших квадратов, обычно обеспечивают более точные решения.

Лейк и др. (2015) утверждает, что «решение Бэнкрофта (1985) является очень ранним, если не первым, решением в закрытой форме». Позже были опубликованы и другие решения в закрытой форме: хотя их принятие на практике неясно.

Источники ошибок и анализ

Основная статья: Анализ ошибок глобальной системы позиционирования

Анализ ошибок GPS исследует источники ошибок в результатах GPS и ожидаемый размер этих ошибок. GPS корректирует ошибки часов приемника и другие эффекты, но некоторые остаточные ошибки остаются неисправленными. Источники ошибок включают измерения времени прибытия сигнала, численные расчеты, атмосферные эффекты (ионосферные/тропосферные задержки), данные эфемерид и часов, многолучевые сигналы, а также естественные и искусственные помехи. Величина остаточных ошибок от этих источников зависит от геометрического снижения точности. Искусственные ошибки могут возникать в результате постановки помех устройствам и представлять угрозу для кораблей и самолетов. или из-за преднамеренного ухудшения сигнала из-за избирательной доступности, которая ограничивала точность до ≈ 6–12 м (20–40 футов), но была отключена с 1 мая 2000 года.

Повышение точности и съемка

Этот раздел представляет собой отрывок из усовершенствования GNSS . [ редактировать ]

Улучшение GNSS относится к методам, используемым для повышения точности информации о местоположении, предоставляемой глобальной системой позиционирования или другими глобальными навигационными спутниковыми системами в целом, сетью спутников, используемых для навигации.

Методы повышения точности основаны на интеграции внешней информации в процесс расчета. Существует множество таких систем, и они обычно называются или описываются в зависимости от того, как датчик GPS получает информацию. Некоторые системы передают дополнительную информацию об источниках ошибок (например, дрейф часов, эфемериды или ионосферная задержка ), другие обеспечивают прямые измерения того, насколько сигнал был отключен в прошлом, а третья группа предоставляет дополнительную навигационную информацию или информацию о транспортном средстве, которую необходимо интегрировать. в процесс расчета.

вопросы спектра, касающиеся GPS

В Соединенных Штатах приемники GPS регулируются правилами Федеральной комиссии по связи (FCC), часть 15 . Как указано в руководствах к устройствам с поддержкой GPS, продаваемым в США, как устройство, соответствующее Части 15, оно «должно принимать любые получаемые помехи, включая помехи, которые могут вызвать нежелательную работу». Что касается, в частности, устройств GPS, FCC заявляет, что производители приемников GPS «должны использовать приемники, которые разумно дискриминируют прием сигналов за пределами выделенного им спектра». В течение последних 30 лет приемники GPS работали в диапазоне мобильной спутниковой службы и без каких-либо проблем дискриминировали прием мобильных спутниковых служб, таких как Inmarsat.

Спектр, выделенный для использования GPS L1 FCC, составляет от 1559 до 1610 МГц, в то время как спектр, выделенный для использования в режиме «спутник-земля», принадлежащий Lightsquared, является диапазоном мобильной спутниковой службы. С 1996 года FCC разрешила лицензировать использование спектра, соседнего с диапазоном GPS от 1525 до 1559 МГц, компании Вирджинии LightSquared из . 1 марта 2001 года FCC получила заявку от предшественника LightSquared, Motient Services, на использование выделенных им частот для интегрированной спутниково-наземной службы. В 2002 году Совет отрасли GPS США заключил соглашение о внеполосных излучениях (OOBE) с LightSquared, чтобы предотвратить передачу сигналов наземных станций LightSquared в соседний диапазон GPS от 1559 до 1610 МГц. В 2004 году FCC приняла соглашение OOBE, разрешив LightSquared развернуть вспомогательную наземную сеть для своей спутниковой системы, известную как вспомогательные компоненты башни (ATC): «Мы разрешим MSS ATC при условии, что добавленный наземный компонент остается вспомогательным к основному предложению MSS. Мы не намерены и не позволим, чтобы наземный компонент стал отдельной услугой». Это разрешение было рассмотрено и одобрено Межведомственным консультативным комитетом по радио США, в который входят Министерство сельского хозяйства США , Космические силы США, Армия США, Береговая охрана США , Федеральное управление гражданской авиации , Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). (НАСА), Департамент США по внутренних дел и Министерство транспорта США .

В январе 2011 года FCC условно разрешила оптовым клиентам LightSquared, таким как Best Buy , Sharp и C Spire , приобретать у LightSquared только интегрированные наземные спутниковые услуги и перепродавать эту интегрированную услугу на устройствах, оборудованных только для используйте наземный сигнал, используя выделенные LightSquared частоты от 1525 до 1559 МГц. В декабре 2010 года производители GPS-приемников выразили Федеральной комиссии связи США обеспокоенность тем, что сигнал LightSquared будет мешать работе GPS-приемников. хотя политические соображения FCC, приведшие к принятию приказа от января 2011 года, не касались каких-либо предлагаемых изменений максимального количества наземных станций LightSquared или максимальной мощности, на которой эти станции могли работать. Приказ от января 2011 года ставит окончательное разрешение в зависимость от исследований проблем помех GPS, проводимых рабочей группой под руководством LightSquared при участии отрасли GPS и федерального агентства. 14 февраля 2012 года FCC инициировала процедуру отмены постановления LightSquared об условном отказе на основании заключения NTIA о том, что в настоящее время не существует практического способа уменьшить потенциальные помехи GPS.

Производители GPS-приемников разрабатывают GPS-приемники для использования спектра за пределами выделенного GPS диапазона. В некоторых случаях приемники GPS рассчитаны на использование спектра до 400 МГц в любом направлении от частоты L1 1575,42 МГц, поскольку мобильные спутниковые службы в этих регионах ведут вещание из космоса на землю и на уровнях мощности, соизмеримых с мобильными спутниковыми службами. . В соответствии с правилами Части 15 FCC, на GPS-приемники не распространяется гарантия защиты от сигналов за пределами выделенного GPS спектра. Вот почему GPS работает рядом с диапазоном мобильной спутниковой службы, а также почему диапазон мобильной спутниковой службы работает рядом с GPS. Симбиотическая взаимосвязь распределения спектра гарантирует, что пользователи обоих диапазонов могут работать совместно и свободно.

В феврале 2003 года FCC приняла правила, которые позволили лицензиатам мобильной спутниковой службы (MSS), таким как LightSquared, построить небольшое количество вспомогательных наземных вышек в своем лицензированном спектре, чтобы «способствовать более эффективному использованию наземного беспроводного спектра». В этих правилах 2003 года FCC заявила: «Предварительно ожидается, что наземная [коммерческая служба мобильной радиосвязи ('CMRS')] и MSS ATC будут иметь разные цены, покрытие, прием и распространение продуктов; поэтому эти две услуги выглядят в лучшем случае являться несовершенными заменителями друг друга, работающими преимущественно в разных сегментах рынка... МСС УВД вряд ли будет напрямую конкурировать с наземными CMRS за одну и ту же клиентскую базу...". В 2004 году FCC уточнила, что наземные вышки будут вспомогательными, отметив: «Мы разрешим MSS ATC при условии, что добавленный наземный компонент останется вспомогательным по отношению к основному предложению MSS. Мы не намерены и не будем позвольте наземному компоненту стать отдельной услугой». В июле 2010 года FCC заявила, что ожидает, что LightSquared будет использовать свои полномочия для предложения интегрированной спутниково-наземной услуги для «предоставления услуг мобильной широкополосной связи, аналогичных тем, которые предоставляются наземными провайдерами мобильной связи, и усиления конкуренции в секторе мобильной широкополосной связи». Производители GPS-приемников утверждают, что лицензированный спектр LightSquared от 1525 до 1559 МГц никогда не предполагался для использования для высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа на основании постановлений FCC ATC 2003 и 2004 годов, в которых ясно указано, что вспомогательный компонент башни (ATC) фактически будет , вспомогательный по отношению к основному спутниковому компоненту. Чтобы заручиться общественной поддержкой усилий по продолжению разрешения FCC 2004 года на вспомогательный наземный компонент LightSquared вместо простой наземной службы LTE в диапазоне мобильной спутниковой службы, производитель GPS-приемников Trimble Navigation Ltd. сформировал «Коалицию за спасение нашего GPS».

FCC и LightSquared публично обязались решить проблему помех GPS, прежде чем сети будет разрешено работать. По словам Криса Дэнси из Ассоциации владельцев самолетов и пилотов , пилоты авиакомпаний, системы которых будут затронуты, «могут сбиться с курса и даже не осознавать этого». Проблемы могут также повлиять на модернизацию Федеральным управлением гражданской авиации системы управления воздушным движением , руководство Министерства обороны США и местные службы экстренной помощи , включая службу 911 .

14 февраля 2012 года Федеральная комиссия связи приняла решение запретить создание запланированной национальной широкополосной сети LightSquared после того, как Национальное управление по телекоммуникациям и информации (NTIA), федеральное агентство, которое координирует использование спектра военными и другими федеральными правительственными организациями, проинформировало ее о том, что «существует в настоящее время нет практического способа смягчить потенциальное вмешательство». LightSquared оспаривает действия FCC.

Подобные системы

Основная статья: Спутниковая навигация

Кликабельное изображение, показывающее средневысотные орбиты вокруг Земли . от нижней околоземной орбиты до самой низкой высокой околоземной орбиты ( геостационарной орбиты и орбиты ее кладбища , находящейся на одной девятой орбитального расстояния Луны ), с радиационными поясами Ван Аллена и Землей в масштабе.

После внедрения GPS в США другие страны также разработали свои собственные системы спутниковой навигации. Эти системы включают в себя:

• Российская глобальная навигационная спутниковая система ( ГЛОНАСС ) была разработана одновременно с GPS, но до середины 2000-х годов страдала от неполного покрытия земного шара. Прием ГЛОНАСС в дополнение к GPS может быть объединен в приемнике, что позволяет использовать дополнительные спутники для более быстрого определения местоположения и повышения точности с точностью до двух метров (6,6 футов).

• Китайская навигационная спутниковая система BeiDou начала глобальное обслуживание в 2018 году и завершила свое полное развертывание в 2020 году.

• — Навигационная спутниковая система Galileo глобальная система, разрабатываемая Европейским Союзом и другими странами-партнерами, начала работу в 2016 году. и, как ожидается, будет полностью развернут к 2020 году.

• Японская спутниковая система «Квази-Зенит» (QZSS) представляет собой спутниковую дополняющую систему GPS для повышения точности GPS в Азии и Океании, а запуск спутниковой навигации, независимой от GPS, запланирован на 2023 год.

• Индийская региональная навигационная спутниковая система , развернутая Индией.

См. также

• Список спутников GPS
• спутниковые блоки GPS
• GPS-сигналы
• Программное обеспечение спутниковой навигации
• GPS/ИНС
• GPS-спуфинг
• Система внутреннего позиционирования
• Локальная система расширения
• Локальная система позиционирования
• Военное изобретение
• Отслеживание мобильного телефона
• Навигационный парадокс
• Уведомление для пользователей Navstar
• S-GPS
• Геостационарный спутник-зонд

Дальнейшее чтение

• «Введение в пользовательское оборудование NAVSTAR GPS» (PDF) . Береговая охрана США. Сентябрь 1996 г. Архивировано из оригинала (PDF) 21 октября 2013 г. . Проверено 22 августа 2008 г.
• Паркинсон; Спилкер (1996). Глобальная система позиционирования . Американский институт аэронавтики и астронавтики. ISBN  978-1-56347-106-3 .
• Джаизки Мендизабал; Рок Беренгер; Хуан Мелендес (2009). GPS и Галилео . МакГроу Хилл. ISBN  978-0-07-159869-9 .
• Натаниэль Боудич (2002). Американский практический навигатор - Глава 11 Спутниковая навигация   . Правительство Соединенных Штатов.
• Открытый курс по системе глобального позиционирования от Массачусетского технологического института , 2012 г.
• Грег Милнер (2016). Pinpoint: Как GPS меняет технологии, культуру и наше мышление . WW Нортон. ISBN  978-0-393-08912-7 .

Внешние ссылки

• Часто задаваемые вопросы по GPS ФАУ
• GPS.gov – веб-сайт общего образования, созданный правительством США.