GPS III Hvor er vi? Og hvor skal vi hen?

For 15 år siden gik den første GPS-aktiverede mobiltelefon på markedet. Det floppede, men den formfaktor, det banebrydede, ved at kombinere kommunikationsudstyr i næsten militær klasse med et forbrugerapparat har været hos os.

Du kan ikke dreje et hjørne, uden at din telefon eller dit ur eller dine sko fortæller dig, hvor du skal hen, fordi de ved nøjagtigt, hvor du er. Men dette var ikke altid tilfældet.

En kort historie om GPS

Vi tager GPS for givet som en 'vare', en storslået gave fra Reagan-Era Star Wars Cold War MADness, som lejlighedsvis lærer gymnasierne om relativitet. Den deprimerende kendsgerning er, at GPS (eller GNSS, som det blev klassificeret på det tidspunkt) kun blev gjort tilgængeligt for offentligheden efter en uhyggeligt velkendt flyselskabskatastrofe.

I 1983 - kun fem år efter den første NAVSTAR-satellit blev lanceret - blev Korea Air Lines Flight 007 skudt ned efter krydsning i sovjetisk luftrum på grund af pilotnavigationsfejl. Den globale reaktion på tabet af de 269 sjæle ombord var vred, men spændt med den kolde krigspolitik, og præsident Ronald Reagan meddelte, at GPS ville blive stillet til rådighed for verden gratis for at forhindre en sådan tragedie.

Det globale positioneringssystem blev oprindeligt designet ud fra et militært behov for at koordinere tropp- og håndværksbevægelse i ukendte områder (såsom Den Persiske Golf, hvor GPS først blev brugt i teater i Operation Desert Storm) samt detekteringssystemet for nuklear detonation ( NUDET).

De 'selektive' positioneringsår

På grund af dets brug af flere satellitter med ekstremt nøjagtige ure, havde GPS en positionsnøjagtighed på ca. 10 m lige fra starten. Forsvarsdepartementet introducerede imidlertid forsætlige positionsfejl i de civile bånd, hvori man frygter, at teknologien ville blive brugt mod dem. Dette, som ofte sker, kom tilbage næsten øjeblikkeligt.

Selv under den første operationelle brug af GPS i Desert Storm kørte det begrænsede antal dyre, energi sultne, tunge GPS-modtagerenheder mange medlemmer af de væbnede, der blev tvunget til at fange 'billige', lette og næsten allestedsnærværende ubegrænsede civile modtagere, som faktisk var ubrugelige i feltet på grund af disse forsætlige fejl. Dette var et så anerkendt problem, at fejlindføringssystemet (kaldet Selektiv Tilgængelighed eller bare SA) blev slukket over hele verdenen for resten af ​​Golfkrigen ('90 -'91).

I løbet af 90'erne pressede militære, erhvervs- og civile organer på, at SA skulle fjernes, med folk lige fra lastbilsfirmaer til FAA og argumenterede for, at den falske støj i signalet begrænsede nytten og tilpasningen af ​​GPS i deres respektive områder. Disse fejl blev slået fra 'permanent' i 2000 af præsident Bill Clinton.

Imidlertid lanceres en ny generation af satellitter, der lover en stor stigning i ikke kun nøjagtigheden, men også tilgængeligheden af ​​GPS. Denne pakke med 30 nye satellitter, der er udpeget som GPS-blok III eller blot GPS III, erstatter den aldrende blok II og de allerede defekte blok I'er. Af 64 blokerede I / II-fugle, der blev lanceret, forbliver 33 operationelle, hvor den ældste er Navstar IIA-01, i en 23 år gammel alder.

Årsagerne til, at disse satellitter er en massiv forbedring, er mere komplicerede end “det er hurtigere at låse på og mere nøjagtigt”. Her er hvorfor.

Sådan fungerer GPS

GPS fungerer som et rent transmissionssystem; det kræver ikke nogen dataforbindelse for at fortælle din position (selvom de fleste apps har brug for en dataforbindelse Syge af din GPS-apps dataforbindelse, der flager ud? Prøv 3 Opdaterede offline kort [Android] Syge af din GPS-app's dataforbindelse Flaking Out? Prøv 3 Opdaterede offline kort [Android] For ikke længe siden dækkede Chris tre af de bedste offline GPS-apps, der er tilgængelige på Android. Siden da har mange andre GPS-apps frigivet eller modtaget større opdateringer. Sammenlign disse nytilkomne positivt med dem, der er gennemgået af… for kortlægningen -side). Din telefon eller SatNav taler ikke med satellitten 12.500 miles væk, den lytter bare på en bestemt frekvens for bestemte koder.

Din telefon lytter til en bestemt kanal eller 'bånd' med hver satellit, der udsender sin egen personlige tidskode baseret på sit eget atomur, der flyder op i kredsløb. Da hver satellit er en anden afstand væk fra dig, når du modtager disse 'kryds', vil de imidlertid være ude af synkronisering. Din GPS-enhed forsøger derefter at synkronisere hver strøm til et internt ur, så den kan finde ud af, hvor langt hver satellit er fra din placering.

Så du er X, Y og Z miles væk fra tre satellitter. Disse er mindst 12.500 miles over dit hoved og rejser 14.000 miles i timen, og du har ingen idé om, hvor de er, eller hvor de skal hen. Dette er ikke meget nyttigt, før vi tilføjer den tidskode, som hver satellit udsender, som indeholder meget mere information end bare tiden.

Jeg ved, hvor jeg er, men hvor er du?

For at finde ud af, hvor vi er baseret på satellittenes "kryds", har vi brug for en ekstra smule information, der allerede er transmitteret i tidskoden, hvad der kaldes en 'Almanac'. Dette indeholder oplysninger om hver satellits aktuelle baneegenskaber. Så din telefon bygger et lille model-planetarium baseret på tid, der er nøjagtig ned til et par nanosekunder. Det fungerer, hvor satellitterne er i rummet, og hvor du er i forhold til satellitterne. Hvordan GPS fungerer [MakeUseOf Explains] How GPS Works [MakeUseOf Explains] Som en ivrig gamer er jeg overrasket over sammenhængen mellem GPS-lignende funktioner i moderne videospil og spredning af GPS-teknologi i det verdslige liv. Da jeg var barn var papirkort og kartografi…. Boom. Den nærmeste Starbucks er 12,6 meter væk.

Nu bliver det interessant; det er kun et 'band' eller en kanal. Der var oprindeligt tre kanaler; to (L1 / L2) blev anvendt til henholdsvis erhvervelse og positionering. Disse blev brugt i forbrugerapplikationer, men hvis du havde en bestemt krypteringskode (ofte kaldet Guldkoden), fik du højere nøjagtighed, kun militære signaler.

Endelig er L3-båndet forbeholdt Nuclear Detonation Detections, der overvåger kloden for infrarøde begivenheder med høj energi og mest bruges til at håndhæve nukleare testforbud-traktater. Men de nye versioner af GPS-standarden leveres med spændende nye funktioner.

Hvad er nyt i GPS III?

I de senere Block II- og nye Block III-systemer øges antallet af tilgængelige bånd til 5. L4 er tilbage som et forskningsbånd, mens L5 inkluderer Safety-Of-Life (SoL Data og Pilot signaler), hvilket er et ekstremt pålidelig version af GPS til brugere inden for luftfart, maritim brug og 'søgning og redning'.

I de nye systemer bruges metoden til at overlejre data i det samme signal ved hjælp af en guldkode (CDMA) også til at producere ekstra signaler til civile og militære kun kanaler (henholdsvis L2C og M-kode), der gør to meget seje ting hver for sig.

L2C-koden er begge 250 gange så 'detekterbar' (hvilket ikke er det samme som 'stærkere') og fungerer på et andet bånd end det, der normalt bruges af civil GPS. Da vi nu har adgang til to bånd, kan vi sammenligne dem i realtid for at kompensere for atmosfærisk interferens, hvilket betyder, at forbrugere endelig vil være i stand til at få pålidelig indendørs positionering (inden for grund) .

M-koden er den store billetpost, der berettiger de nye ændringer til, hvordan GPS fungerer. De to store fremskridt i denne henseende er retning og anti-jamming. I stedet for det normale system med 'hele jordudsendelse', vil de nye Block III-satellitter både have Hele Jorden og M-Code-antenner, hvilket giver tropper 100x stærkere modtagelse inden i bjælkens kegle, som vil være (bare) flere hundrede kilometer et kors.

I forbindelse med denne magtpumpe vil M-kodesignaler også omfatte en række fejlkorrektion, anti-jamming, anti-spoofing og datatransmissionsteknikker til bekæmpelse af lokale GPS-afslagssystemer og sikre, at tropper altid har de bedst tilgængelige positionsdata, uanset af vejr, placering eller fjende.

På toppen af ​​dette er der de sædvanlige opgraderinger, der kommer, når du køber et nyt stykke sæt; hurtigere Rubidium-ur giver mere nøjagtig timing og bedre modtagerpositionering. I mellemtiden vil bedre solcellepaneler give mere strøm til stærkere antenner, hvilket betyder mere strøm i den modtagende ende.

Så har du de sædvanlige tilføjelser, når regeringer bliver involveret i ting; NASA har bedt om at holde fast på et par laser-reflektorer (spejle) for at give bedre jordovervågning af kredsløb, og Luftforsvaret lobbyer for at tilføje ekstra Search and Rescue (SAR) kapacitet oven på de eksisterende SoL-datakanaler. Dette er en del af en global standard for SAR-systemer, der involverer 37 lande, og vil ikke kun give øjeblikkelig nødsignaldetektion og placering, men også muligheden for at sende korte meddelelser tilbage til modtageren.

Er det op i luften?

Mange af disse fremskridt er ikke kun afhængige af opdaterede satellitter, men også af opdaterede jordstationer, der tidligere blev kaldt “Operationelle kontrolsegmenter”(OCS). Disse jordstationer er steder overalt i verden og koordinerer orbitalstier, dækningstæthed og søgnings- og rednings- / nukleare detektionsfunktioner for GPS-netværket, såvel som med jævne mellemrum korrigering af den irriterende særlige relativitetstidsudvidelse. De nye versioner af disse jordstationer (OCX) muliggør de fleste af disse fremskridt såvel som muliggør interoperabilitet mellem amerikanske og europæiske GNSS-systemer (PS, dette er grunden til, at GPS suger, hvis du er i Europa sammenlignet med USA; vi har mindre fugle over vores hoveder).

Desværre er det netop disse fantastiske nye systemer, der holder tilbage med frigivelsen af ​​GPS III. Forsvarsentreprenør Lockheed Martin er blevet kontraheret med at bygge den første af satellitterne, men er blevet forsinket af nye L2C-styrings- og navigationscomputere fra Exelis; mens Raytheon er indgået kontrakt med at bygge OCX'erne, som har oplevet betydelige budgetoverskridelser.

Resume og spekulation

Fordelene ved det nye Block III-system, herunder nogle af bitene på den aktuelt lancerede Block II, kan opsummeres som:

• Nedsat erhvervelsestid
• Øget indendørs modtagelse
• Forøget nøjagtighed og bevægelsesfølsomhed
• Område med bredere dækning
• Øget nøjagtighed for militære indsættelsesscenarier ved hjælp af en fokuseret stråle
• Forøgede anti-jamming-muligheder (det er ikke klart, om dette gælder både civile og militære signaler, men jeg er optimistisk)
• Forøget interoperabilitet med Europas 'Galileo-positioneringssystem
• Nedsat søg-og-redning-responstid og bedre global dækning med en vis beskedkapacitet, hvilket kunne have forhindret tabet af MH370

Med forsinkelser i både satellitsystemer og jordstyresegmenter er det usandsynligt, at vi vil se de fulde slutbrugerfordele ved disse systemer indtil sidst i 2015 / midten af ​​2016. Når de først går op, har de imidlertid en foreslået levetid på 15 år, så hvor skal vi hen efter det?

USA er ikke længere den eneste spiller i Global Navigation. Rusland har haft GLONASS siden midten af ​​90'erne, og i de sidste 5 år er både Kinas BeiDou og Europas GALILEO-systemer kommet online. Sidst men ikke mindst er det indiske regionale navigationssatellitsystem (IRNASS) planlagt til at blive live inden for de næste par år.

Disse har alle forskellige regionale fokus, så det store spørgsmål bliver, hvem der først vil samarbejde? Vil det være modtagerproducenter eller globale regeringer? Eller vil vi vende tilbage til de dage, hvor globale rejsende skal have en mobiltelefon til hvert kontinent?

Med de nye udvidelser til GPS har USA vist en vilje til at arbejde med det europæiske system, ligesom Rusland har gjort ved at sørge for interoperabilitet mellem sikkerhed og liv med både GPS og GALILEO. Skyen er ved at blive travlt, og med denne hastighed vil der være mindst 120 satellitter på himlen, der giver positionering til 'nogen'. Hvis alt går godt, kan os fattige forbrugere måske endda være i stand til at bruge de fleste af dem og få os til en nøjagtighed på nogle få tommer, selv indendørs. Det betyder, at FAA's krav til autopiloter til præcisionstilnærmelse til fly (antydning og droner) opfyldes, såvel som at muliggøre meget mere nøjagtig sporopsporing for selvkørende biler. Sådan kommer vi til en verden fyldt med førerløse biler. Sådan gør vi Jeg kommer til en verden fyldt med førerløse biler Kørsel er en kedelig, farlig og krævende opgave. Kunne det en dag blive automatiseret af Googles førerløse bilteknologi? .

Føj dette til fremskridtene inden for wearables 6 Kommende bærbare enheder sammenlignet: Hvad er varmt og hvad der ikke er 6 Kommende bærbare enheder sammenlignet: Hvad der er varmt og hvad der ikke præsenterer jeg for dig seks af de mere interessante og nyttige bærbare tech-enheder enten på markedet, eller snart indtast det. og IoT Hvad er Internettet af ting & hvordan vil det påvirke vores fremtid [MakeUseOf Explains] Hvad er Internet of Things & Hvordan vil det påvirke vores fremtid [MakeUseOf Explains] Det ser ud til, at der er nye buzzwords dukker op og dør af med hver dag, der går forbi os, og "Internettet af ting" er bare tilfældigvis en af ​​de nyere ideer, som… enheder (hvor skræmmende der måske er hvorfor tingenes internet er det største sikkerhed mareridt Hvorfor tingenes internet er det største Security Nightmare En dag kommer du hjem fra arbejde for at opdage, at dit sky-aktiverede sikkerhedssystem til hjemmet er blevet brudt. Hvordan kunne dette ske? Med Internet of Things (IoT) kunne du finde ud af den hårde måde.), Og vi ' ser på en fremtid med små enheder, der ved, hvor de er, og som kan tale med hinanden. Smart-tegnebøger, intelligente dørklokker, der kun 'chime', hvis nogen er i huset, nøgleringe, tasker, alle disse ting, der kan tale med din mobiltelefon og sige, hvor de er med en nøjagtighed på et par centimeter (så kan jeg endelig finde ud af hvor jeg forlod mine nøgler ...).

Dette er bare nogle af mine tanker om, hvor denne teknologi vil føre os, men hvad er din historie? Hvad kunne du gøre med positionsbevidste enheder? Bør vi være bange?

Og som altid, spørgsmål eller noget, jeg har skummet lidt for langt over, spørg i kommentarerne.

Billedkreditter: Historikrotte: Operation Desert Storm - The Ground War; Mashup of Two pieces af DonkeyHotey, frigivet (og frigivet) under CC-SA-2.0, Canada Search and Rescue af Bmpower på engelsk Wikipedia (eget arbejde); Trilateration 2D af Javiersanp via Wikimedia Commons (eget arbejde GFDL eller CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), GPS-kontrolsegmentkort licenseret under det offentlige domæne via GPS.gov; Debris-GEO1280 af NASA Orbital Debris Program Office, licenseret under offentlig ejendom, via Wikimedia Commons