GPS III Где мы? И куда мы идем?

Пятнадцать лет назад на рынке появился первый мобильный телефон с поддержкой GPS. Он потерпел неудачу, но форм-фактор, которым он стал первым, сочетая коммуникационное оборудование почти военного уровня с потребительским устройством, остался с нами.

Вы не можете свернуть за угол, если ваш телефон, часы или обувь не сообщат вам, куда идти, потому что они точно знают, где вы находитесь. Но это не всегда так.

Краткая история GPS

Мы считаем GPS само собой разумеющимся, как «товар», великий подарок от MADness времен холодной войны в эпоху Звездных войн Рейгана, который иногда учит школьников относительно теории относительности. Удручающим фактом является то, что GPS (или GNSS, как оно было классифицировано в то время) было доступно только для общественности после жутко знакомой авиакатастрофы.

В 1983 году, всего через пять лет после запуска первого спутника NAVSTAR, рейс 007 Korea Air Lines был сбит после пересечения с советским воздушным пространством из-за ошибки навигации пилота. Глобальный ответ на потерю 269 душ на борту был мучительным, но с оттенком политики холодной войны, и президент Рональд Рейган объявил, что GPS будет предоставлен миру бесплатно, чтобы предотвратить такую ​​трагедию.

Глобальная система позиционирования была изначально разработана с учетом военной необходимости координировать передвижение войск и судов в неизвестных областях (таких как Персидский залив, где GPS впервые использовался в театре в операции «Буря в пустыне»), а также системы обнаружения ядерного детонации ( нудеть).

«Выборочные» годы позиционирования

Благодаря использованию нескольких спутников с чрезвычайно точными часами, GPS имел точность позиционирования около 10 м с самого начала. Однако министерство обороны внесло преднамеренные ошибки в позиционирование гражданских группировок, сославшись на опасения, что технология будет использована против них. Это, как часто бывает, сработало почти мгновенно.

Даже во время первого использования GPS в Desert Storm из-за ограниченного числа дорогих, энергоемких и тяжелых GPS-приемников многие члены вооруженных сил были вынуждены скупать «дешевые», легкие и почти вездесущие гражданские приемники, которые были практически бесполезны. в поле из-за этих преднамеренных ошибок. Это была такая признанная проблема, что система вставки ошибок (называемая выборочной доступностью или просто SA) была отключена во всем мире на оставшуюся часть войны в Персидском заливе ('90 -91).

В течение 90-х годов военные, корпоративные и гражданские органы требовали удаления SA, причем люди, начиная от компаний-перевозчиков и заканчивая FAA, утверждали, что паразитный шум в сигнале ограничивал полезность и адаптацию GPS в соответствующих областях. Эти ошибки были отключены «навсегда» в 2000 году президентом Биллом Клинтоном.

Однако запускаются спутники нового поколения, которые обещают значительное повышение не только точности, но и доступности GPS. Этот набор из 30 новых спутников, обозначенный как GPS Block III или просто GPS III, заменит устаревший Block II и уже не существующий Block I. Из 64 запущенных птиц Block I / II 33 остаются в рабочем состоянии, самым старым из которых является Navstar IIA-01, в возрасте 23 лет..

Причины, по которым эти спутники являются массовым улучшением, более сложны, чем “быстрее зафиксировать и точнее”. Вот почему.

Как работает GPS

GPS работает как чисто вещательная система; он не требует подключения к данным для определения вашей позиции (хотя большинству приложений потребуется подключение для передачи данных Из-за прекращения подключения к данным вашего приложения GPS? Попробуйте 3 Обновленные автономные карты [Android] изрядно из-за отключения подключения к данным вашего приложения GPS? Попробуйте 3 Обновленные автономные карты [Android] Не так давно Крис рассказал о трех лучших автономных приложениях GPS, доступных на Android. С тех пор многие другие приложения GPS выпустили или получили серьезные обновления. Сравнивают ли эти новички те, которые были рассмотрены… для сопоставления? -боковая сторона). Ваш телефон или SatNav не разговаривает со спутником на расстоянии 12500 миль, он просто прослушивает на определенной частоте определенные коды.

Ваш телефон прослушивает определенный канал или «полосу», где каждый спутник передает свой собственный временной код, основанный на его собственных атомных часах, всплывающих на орбите. Однако, поскольку каждый спутник находится на разном расстоянии от вас, когда вы получите эти «галочки», они будут немного не синхронизированы. Затем ваше устройство GPS пытается синхронизировать каждый поток с внутренними часами, чтобы можно было определить расстояние до каждого спутника от вашего местоположения..

Итак, вы X, Y и Z миль от трех спутников. Это как минимум 12 500 миль над вашей головой, и они движутся со скоростью 14 000 миль в час, и вы не представляете, где они и куда они идут. Это не очень полезно, пока мы не добавим временной код, который вещает каждый спутник, который содержит гораздо больше информации, чем просто время.

Я знаю где я но ты где?

Чтобы понять, где мы базируемся на «тиках» спутников, нам нужен дополнительный бит информации, который уже передан во временном коде, который называется «Альманах». Он содержит информацию о текущих характеристиках орбиты каждого спутника. Таким образом, ваш телефон строит небольшую модель-планетарий, основанную на времени, с точностью до нескольких наносекунд. Он работает там, где спутники находятся в космосе, и где вы находитесь относительно спутников. Как работает GPS [MakeUseOf Объясняет] Как работает GPS [MakeUseOf Объясняет] Как заядлый геймер, я удивлен соотношением между GPS-подобными функциями в современные видеоигры и распространение технологии GPS в мирской жизни. Когда я был ребенком, бумажные карты и картография были… Boom. Ближайший Starbucks находится в 12,6 метрах.

Теперь это становится интересным; это всего лишь одна «группа» или канал. Первоначально было три канала; два (L1 / L2) использовались для получения и позиционирования соответственно. Они использовались в потребительских приложениях, но если у вас был определенный код шифрования (обычно называемый кодом Gold), вы получили более высокую точность, только военные сигналы.

Наконец, полоса L3 зарезервирована для Обнаружения Ядерного Детонации, который контролирует земной шар на наличие высокоэнергетических инфракрасных событий и в основном используется для обеспечения соблюдения договоров о запрещении ядерных испытаний. Но новые версии стандарта GPS поставляются с захватывающими новыми функциями.

Что нового в GPS III?

В более поздних блоках II и новых системах блока III количество доступных полос увеличено до 5. L4 остается в качестве исследовательской полосы, тогда как L5 включает в себя Safety-Of-Life (данные SoL и пилотные сигналы), который является чрезвычайно надежная версия GPS для авиационных, морских и поисковых систем..

В новых системах метод наложения данных на один и тот же сигнал с использованием кода Голда (CDMA) также используется для получения дополнительных сигналов для гражданских и военных каналов (L2C и M-Code соответственно), которые выполняют две очень крутые вещи отдельно.

Код L2C в 250 раз «обнаруживаем» (что не то же самое, что «более сильный») и работает в диапазоне, отличном от того, который обычно используется гражданским GPS. Поскольку теперь у нас есть доступ к двум полосам, мы можем сравнивать их в режиме реального времени, чтобы компенсировать атмосферные помехи, что означает, что потребители, наконец, смогут получить надежное позиционирование в помещении (в пределах разумного) .

М-код - это большой билет, оправдывающий новые изменения в работе GPS. Два больших достижения в этом отношении - это направленность и противодействие помехам. Вместо обычной системы «передачи по всей Земле», новые спутники блока III будут иметь антенны как по всей Земле, так и по направлению M-кода, что обеспечит прием войск в 100 раз сильнее в пределах конуса луча, который будет (всего) несколько сотен километров. через.

Относящиеся к этой силовой помпе, сигналы М-кода будут также включать в себя серию методов исправления ошибок, защиты от помех и спуфинга и передачи данных для борьбы с локальными системами отказа GPS и обеспечения того, чтобы войска всегда имели наилучшие доступные данные о местоположении, независимо от погоды, местоположения или врага.

Вдобавок к этому, есть обычные улучшения, которые приходят, когда вы покупаете новую часть комплекта; более быстрые часы из рубидия дают более точную синхронизацию и лучшее позиционирование приемника. Между тем, более качественные солнечные панели обеспечат большую мощность для более сильных антенн, что означает большую мощность на приемном конце.

Тогда у вас есть обычные дополнения, когда правительства вмешиваются в дела; НАСА попросило прикрепить несколько лазерных ретро-отражателей (зеркал) для обеспечения лучшего слежения за орбитами, и ВВС лоббируют добавить дополнительные возможности поиска и спасания (SAR) поверх существующих каналов данных SoL. Это является частью глобального стандарта для систем SAR, охватывающего 37 стран, и обеспечит не только мгновенное обнаружение и определение местоположения аварийного сигнала, но и возможность отправлять короткие сообщения обратно получателю..

Это в воздухе?

Многие из этих достижений опираются не только на обновленные спутники, но и на обновленные наземные станции, которые ранее назывались “Сегменты оперативного контроля”(OCS). Эти наземные станции расположены по всему миру и координируют траектории орбиты, плотность покрытия и возможности поиска и спасания / обнаружения ядер для сети GPS, а также периодически корректируют это удручающее специальное замедление времени относительности. Новые версии этих наземных станций (OCX) поддерживают большинство из этих достижений, а также обеспечивают совместимость между системами GNSS США и Европы (PS именно поэтому GPS отстой, если вы находитесь в Европе по сравнению с США; у нас меньше птицы над нашими головами).

К сожалению, именно эти удивительные новые системы сдерживают выпуск GPS III. Подрядчик по обороне Lockheed Martin получил контракт на постройку первого из спутников, но был задержан новыми компьютерами управления и навигации L2C от Exelis; в то время как Raytheon был заключен контракт на создание OCXs, которые испытали значительные перерасходы бюджета.

Резюме и спекуляция

Преимущества новой системы блока III, включая некоторые биты в запущенном в настоящее время блоке II, можно суммировать как:

• Уменьшенное Время Приобретения
• Увеличение внутреннего приема
• Повышенная точность и чувствительность к движению
• Более широкая зона покрытия
• Повышенная точность сценариев военного развертывания с использованием сфокусированного луча
• Расширенные возможности защиты от помех (неясно, относится ли это к гражданским и военным сигналам, но я настроен оптимистично)
• Повышенная совместимость с европейской системой позиционирования GALILEO
• Уменьшенное время отклика поиска и спасения и лучшее глобальное покрытие с некоторыми возможностями обмена сообщениями, которые могли бы предотвратить потерю MH370

Из-за задержек как в спутниковых системах, так и в сегментах наземного управления маловероятно, что мы увидим все преимущества этих систем для конечного пользователя до конца 2015 года / середины 2016 года. Однако, как только они начнут расти, у них будет предложенный срок службы 15 лет, так куда мы пойдем после этого?

США больше не единственный игрок в глобальной навигации. Россия имеет ГЛОНАСС с середины 90-х годов, и за последние 5 лет в Китае появились системы BeiDou Китая и Европы GALILEO. Наконец, что не менее важно, Индийская региональная навигационная спутниковая система (IRNASS) планируется запустить в ближайшие несколько лет.

Все они имеют разную региональную направленность, поэтому возникает большой вопрос: кто будет сотрудничать первым? Это будут производители-получатели или мировые правительства? Или мы вернемся к временам, когда путешественникам по всему миру приходилось иметь мобильный телефон для каждого континента?

С помощью новых расширений GPS США продемонстрировали готовность работать с европейской системой, как и Россия, предоставив возможность обеспечения безопасности жизни как с GPS, так и с GALILEO. Небеса становятся занятыми, и в этом случае в небе будет как минимум 120 спутников, обеспечивающих определение местоположения кому-то. Если все пойдет хорошо, мы, бедные потребители, можем даже использовать большинство из них, что приведет нас к точности в несколько дюймов, даже в помещении. Это означает удовлетворение требований ФАУ к автопилотам точного захода на посадку для самолетов (подсказки и дроны), а также обеспечение гораздо более точного определения полосы движения для автомобилей с автоматическим управлением. Вот как мы доберемся до мира, заполненного машинами без водителя Вот как мы Вы попадете в мир, полный автомобилей без водителя Вождение - это утомительное, опасное и требовательное занятие. Может ли он когда-нибудь быть автоматизирован с помощью технологии безглючного автомобиля Google?? .

Добавьте это к достижениям в области носимых устройств 6 Сравнение предстоящих носимых устройств: что нового и что нет 6 Сравнение будущих носимых устройств: что нового и что нет Я представляю вам шесть наиболее интересных и полезных носимых технических устройств, представленных на рынке или в ближайшее время введите это. и IoT Что такое Интернет вещей и как это повлияет на наше будущее [MakeUseOf Объясняет] Что такое Интернет вещей и как это повлияет на наше будущее [MakeUseOf Объясняет] Похоже, что появляются новые модные слова, вспыхивающие и угасающие с каждым день, который проходит мимо нас, и «Интернет вещей» как раз является одной из самых недавних идей о том, что… устройства (какими бы пугающими они ни были, почему Интернет вещей - самый большой кошмар безопасности Почему Интернет вещей - самый большой Кошмар безопасности Однажды, когда вы приходите домой с работы, вы обнаруживаете, что ваша облачная система домашней безопасности была взломана. Как это могло произойти? С Интернетом вещей (IoT) вы могли бы найти трудный путь.), И мы " Вы смотрите на будущее маленьких устройств, которые знают, где они находятся и могут общаться друг с другом. Умные кошельки, интеллектуальные дверные звонки, которые «звонят», только если кто-то находится в доме, брелоки, сумки, все эти вещи, которые могут разговаривать с вашим мобильным телефоном и говорить, где они находятся с точностью до нескольких дюймов (Тогда я мог бы, наконец, узнать где я оставил свои ключи…).

Это лишь некоторые из моих мыслей о том, куда эта технология приведет нас, но какова ваша история? Что вы могли бы сделать с устройствами, определяющими положение? Должны ли мы бояться?

И как всегда, любые вопросы или что-то, что я просмотрел слишком далеко, задавайте в комментариях.

Изображение предоставлено: History Rat: Operation Desert Storm - The Ground War; Части Mashup of Two от DonkeyHotey, выпущенные (и переизданные) в рамках CC-SA-2.0, Канада Search and Rescue by Bmpower из английской Википедии (собственная работа); Трилатерация 2D от Javiersanp через Wikimedia Commons (собственная работа GFDL или CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), Карта сегмента управления GPS, лицензированная в открытом доступе через GPS.gov; Debris-GEO1280 от Офиса программы орбитального мусора НАСА, лицензируемого как общественное достояние, через Wikimedia Commons