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

For femten år siden gikk den første GPS-aktiverte mobiltelefonen på markedet. Det fløt, men formfaktoren den pionerer, har kombinert kommunikasjonsutstyr i nærheten av militær klasse med en forbrukerinnretning hos oss.

Du kan ikke slå et hjørne uten telefonen eller klokken din eller skoene dine forteller deg hvor du skal gå fordi de vet nøyaktig hvor du er. Men dette var ikke alltid tilfelle.

En kort historie om GPS

Vi tar GPS for gitt som en "vare", en stor gave fra Reagan-Era Star Wars Cold War MADness som av og til lærer videregående skoler om relativitet. Den nedslående faktum er at GPS (eller GNSS som den ble klassifisert på den tiden) bare ble gjort tilgjengelig for publikum etter en uhyggelig kjent flyselskaps katastrofe.

I 1983 - bare fem år etter at den første NAVSTAR-satellitten ble lansert - ble Korea Air Lines Flight 007 skutt ned etter å ha krysset inn i sovjetisk luftrom på grunn av pilotnavigasjonsfeil. Det globale svaret på tapet av de 269 sjelene ombord var angrepet, men det var tydelig med Cold War Politics, og president Ronald Reagan kunngjorde at GPS ville bli gjort tilgjengelig for verden gratis for å hindre en slik tragedie.

Global Positioning System ble opprinnelig utformet av et militært behov for å koordinere tropp og håndverkbevegelse i ukjente områder (som Persisk Golf, hvor GPS ble brukt først i teater i Operation Desert Storm), samt Nuclear Detonation Detection System (Nuclear Detonation Detection System) NUDET).

Selektive posisjoneringsår

På grunn av bruk av flere satellitter med ekstremt nøyaktige klokker, hadde GPS en posisjoneringsnøyaktighet på rundt 10 meter fra starten. Forsvarsdepartementet introduserte imidlertid forsettlige posisjoneringsfeil inn i sivilbandene, og citerte frykt for at teknologien ville bli brukt mot dem. Dette, som ofte skjer, bakfødte nesten umiddelbart.

Selv under den første operasjonelle bruken av GPS i Desert Storm dro det begrensede antallet dyre, energisvette, tunge GPS-mottakerenheter mange medlemmer av den væpnede tvunget til å snakke opp "billig", lys og nesten allestedsnærværende sivile mottakere som var effektivt ubrukelige i feltet på grunn av disse forsettlige feilene. Dette var et anerkjent problem at feilinnføringssystemet (kalt Selective Availability eller bare SA) ble slått av hele verden for resten av Gulf-krigen ('90 -'91).

Gjennom 90-tallet presset militære, bedrifts- og sivile organer for at SA skulle bli fjernet, med folk som spenner fra trucking-firmaer til FAA, og hevdet at den uklarheten i signalet var begrenset bruken og tilpasningen av GPS i sine respektive områder. Disse feilene ble slått av permanent i 2000 av president Bill Clinton.

Imidlertid blir en ny generasjon satellitter lansert, som lover en stor økning til ikke bare nøyaktigheten, men også tilgjengeligheten av GPS. Utpekt som GPS-blokk III, eller bare GPS III, vil denne pakken med 30 nye satellitter erstatte den aldrende blokk II, og den allerede avsluttede blokk I. Av 64 Block I / II fugler lansert, 33 forblir i drift, den eldste var Navstar IIA-01, i en stor gammel 23 år gammel.

Årsakene til at disse satellittene er en stor forbedring er mer komplisert enn “det er raskere å låse på og mer nøyaktig”. Her er hvorfor.

Hvordan GPS fungerer

GPS fungerer som et rent kringkastingssystem; det krever ingen datatilkobling for å fortelle posisjonen din (selv om de fleste apper trenger en dataforbindelse. Syk av GPS-appens dataforbindelse flakket ut? Prøv 3 Oppdaterte Offline Maps [Android] Syk av GPS-appens dataforbindelse Flak ut? Prøv 3 Oppdatert frakoblet kart [Android] Ikke lenge siden tok Chris tre av de beste offline GPS-appene som er tilgjengelige på Android. Siden da har mange andre GPS-apper utgitt eller mottatt store oppdateringer. Sammenlign disse nykommerne med de som er vurdert av ... Les mer for kartleggingssiden). Telefonen din eller SatNav snakker ikke til satellitten 12.500 miles unna, den lytter bare på en bestemt frekvens for bestemte koder.

Telefonen lytter til en bestemt kanal, eller "band" med hver satellitt-kringkasting, den har sin egen personlige tidskode basert på sin egen atomur som flyter opp i bane. Men siden hver satellitt er en annen avstand fra deg, når du mottar disse "flåttene", blir de litt synkroniserte. GPS-enheten forsøker deretter å synkronisere hver strøm til en intern klokke, slik at det kan finne ut hvor langt hver satellitt er fra posisjonen din.

Så, du er X, Y og Z miles unna tre satellitter. Disse er minst 12.500 miles over hodet ditt, og reiser på 14.000 miles i timen, og du har ingen anelse om hvor de er eller hvor de skal. Dette er ikke enormt nyttig før vi legger til tidskoden som hver satellittsending, som inneholder mye mer informasjon enn bare tiden.

Jeg vet hvor jeg er, men hvor er du?

For å finne ut hvor vi er basert på satellittene "flått", trenger vi en ekstra bit informasjon som allerede er overført i tidskoden, det som kalles en 'Almanak'. Dette inneholder informasjon om hver satellitts nåværende baneegenskaper. Så telefonen bygger et lite modell-planetarium basert på tid som er nøyaktig ned til noen nanosekunder. Det går ut hvor satellittene er i rommet, og hvor du er i forhold til satellittene. Hvordan GPS fungerer [MakeUseOf Forklarer] Hvordan GPS fungerer. [MakeUseOf Forklarer] Som en ivrig gamer, er jeg overrasket over sammenhengen mellom GPS-lignende funksjoner i moderne videospill og spredning av GPS-teknologi i det verdslige livet. Da jeg var barn, ble kart og kartografi ... Les mer. Boom. Den nærmeste Starbucks ligger 12,6 meter unna.

Nå blir det interessant; det er bare ett "band" eller kanal. Det var opprinnelig tre kanaler; to (L1 / L2) ble brukt til oppkjøp og posisjonering henholdsvis. Disse ble brukt i forbrukerprogrammer, men hvis du hadde en bestemt krypteringskode (vanligvis kalt Gold-koden), fikk du høyere nøyaktighet, militære bare signaler.

Til slutt er L3-båndet reservert for Nuclear Detonation Detections, som overvåker kloden for høy energi infrarøde hendelser, og brukes for det meste til å håndheve nukleære testforbudsfordrag. Men de nye versjonene av GPS-standarden kommer med spennende nye funksjoner.

Hva er nytt i GPS III?

I de senere Block II og New Block III-systemene økes antallet tilgjengelige tilgjengelige bånd til 5. L4 er igjen som et forskningsbånd, mens L5 inkluderer sikkerhetsrelaterte (SoL Data og Pilotsignaler), noe som er ekstremt pålitelig versjon av GPS for fly, maritim og 'søk og redning' brukere.

I de nye systemene brukes også metoden for overlagring av data i samme signal ved hjelp av en Gold Code (CDMA) til å produsere ekstra signaler for henholdsvis sivile og militære kanaler (henholdsvis L2C og M-Code) som gjør to veldig kule ting hver for seg.

L2C-koden er begge 250 ganger så "detekterbare" (som ikke er den samme som "sterkere") og opererer på et annet bånd fra det som normalt brukes av sivil GPS. Siden vi nå har tilgang til to bånd, kan vi sammenligne dem i sanntid for å kompensere for atmosfærisk forstyrrelse, noe som betyr at forbrukerne endelig vil kunne få pålitelig innendørs posisjonering (innenfor grunn) .

M-koden er det store billettelementet som rettferdiggjør de nye endringene i hvordan GPS fungerer. De to store fremskrittene i denne forbindelse er retningsbestemt og anti-jamming. I stedet for det vanlige systemet for "hel jordutsendelse", vil de nye blokk III-satellittene ha både hel jord og retningsmessige M-kodenantenner, noe som gir tropper 100x sterkere mottak innenfor strålenes konus, som vil være (bare) flere hundre kilometer på tvers.

I tilknytning til denne kraftpumpen vil M-Code-signaler også inkludere en serie feilkorreksjon, anti-jamming, anti-spoofing og data kringkastingsteknikker for å bekjempe lokale GPS-benektningssystemer og sikre at troppene alltid har de beste tilgjengelige stillingsdataene, uansett av vær, plassering eller fiende.

På toppen av dette er det de vanlige oppgraderingene som kommer når du kjøper et nytt stykke kit; raskere Rubidium klokker gir mer nøyaktig timing og bedre mottaker posisjonering. I mellomtiden vil bedre solpaneler gi mer kraft til sterkere antenner, noe som betyr mer kraft i mottakeren.

Da har du de vanlige tilleggene når regjeringer blir involvert i ting; NASA har bedt om å holde fast på noen få retroreflektorer (speil) for å gi bedre sporbaner for baner, og Luftvåpenet lobbyer for å legge til ekstra søk og redning (SAR) -kapasitet på toppen av eksisterende SoL-datakanaler. Dette er en del av en global standard for SAR-systemer som involverer 37 land, og vil ikke bare gi øyeblikkelig nødsignal deteksjon og plassering, men også muligheten til å sende korte meldinger tilbake til mottakeren.

Er det oppe i luften?

Mange av disse fremskrittene stammer ikke bare fra oppdaterte satellitter, men også på oppdaterte bakkestasjoner, tidligere kalt “Operasjonelle kontrollsegmenter”(OCS). Disse grunnstasjonene er steder over hele verden og koordinerer banen, dekningstetthet og søk og redning / kjernedeteksjonsfunksjoner for GPS-nettverket, samt periodisk korrigering for den irriterende spesielle relativitetstidsutvidelsen. De nye versjonene av disse grunnstasjonene (OCX) muliggjør de fleste av disse fremskrittene, så vel som muliggjør interoperabilitet mellom amerikanske og europeiske GNSS-systemer (PS, det er derfor GPS suger hvis du er i Europa sammenlignet med USA, vi har mindre fugler over hodene våre).

Dessverre er det akkurat disse fantastiske nye systemene som holder tilbake utgivelsen av GPS III. Forsvarsentreprenøren Lockheed Martin har blitt kontrakt om å bygge den første av satellittene, men har blitt forsinket av nye L2C-styrings- og navigasjonsdatorer fra Exelis. mens Raytheon har blitt kontrakt for å bygge OCX, som har opplevd betydelige budsjettoverskridelser.

Oppsummering og spekulasjon

Fordelene ved det nye Block III-systemet, inkludert noen av brikkene på den nåværende Lansert II, kan oppsummeres som:

• Redusert oppkjøpstid
• Økt innendørs mottak
• Økt nøyaktighet og bevegelsesfølsomhet
• Bredere dekningsområde
• Økt nøyaktighet for militære distribusjonsscenarier ved hjelp av en fokusert stråle
• Økt anti-jamming evner (det er ikke klart om dette gjelder både sivile og militære signaler, men jeg er optimistisk)
• Økt interoperabilitet med Europas posisjoneringssystem for Galileo
• Redusert søk-og-redningstid og bedre global dekning med noen meldingsfunksjoner, noe som kunne ha forhindret tap av MH370

Med forsinkelser i både satellittsystemene og bakkenes kontrollsegmenter, er det usannsynlig at vi skal se de endelige sluttbrukerfordelene til disse systemene fram til slutten av 2015 / midten av 2016. Men når de går opp, har de et foreslått liv av 15 år, så hvor går vi etter det?

USA er ikke lenger den eneste aktøren i Global Navigation. Russland har hatt GLONASS siden midten av 90-tallet, og i løpet av de siste 5 årene har både Kinas BeiDou og Europas Galileo-systemer kommet online. Sist men ikke minst, er det indiske regionale navigasjonssatellitten (IRNASS) planlagt å gå i løpet av de neste årene.

Disse har alle forskjellige regionale fokuser, så det store spørsmålet blir, hvem vil samarbeide først? Vil det være mottakere eller globale regjeringer? Eller vil vi gå tilbake til dager med globale reisende å måtte ha en mobiltelefon for hvert kontinent?

Med de nye utvidelsene til GPS har USA vist seg villig til å jobbe med det europeiske systemet, og det har Russland ved å levere interoperabilitet for sikkerhet med både GPS og Galileo. Himmelen blir opptatt, og i denne hastigheten kommer det til å være minst 120 satellitter i himmelen som gir posisjonering til "noen". Hvis alt går bra, kan vi fattige forbrukere til og med kunne bruke de fleste av dem, få oss til en nøyaktighet på noen få tommer, selv innendørs. Det betyr å tilfredsstille FAAs krav til presisjonsmetode autopiloter for fly (hint og droner), samt muliggjøre mye mer nøyaktig lane-deteksjon for selvkjørende biler. Her er hvordan vi kommer til en verden fylt med førervarebiler. Slik er vi kommer til en verden fylt med førervarebiler Kjøring er en kjedelig, farlig og krevende oppgave. Kan det en dag bli automatisert av Googles billøse bilteknologi? Les mer .

Legg til dette i fremskritt i slitasjeutstyr 6 Kommende slitesterkt utstyr Sammenlignet: Hva er varmt og hva som ikke er 6 Kommende slitesterkt utstyr Sammenlignet: Hva er varmt og hva jeg ikke presenterer for deg seks av de mer interessante og nyttige slitesterke teknologiene, enten på markedet, eller snart til skriv inn det. Les mer og hva er internett av ting og hvordan vil det påvirke vår fremtid [MakeUseOf Forklarer] Hva er internett av ting og hvordan vil det påvirke vår fremtid [MakeUseOf Forklarer] Det ser ut til at det er nye buzzwords som dukker opp og dør av med hver dag som passerer oss forbi, og "Internett av ting" skjer bare for å være en av de nyere ideene som ... Les mer enheter (men skummelt det kan være Hvorfor Internett av ting er det største sikkerhetsmardrittet Hvorfor Internett av Ting er det største sikkerhetsmardrittet En dag kommer du hjem fra jobb for å oppdage at ditt skytsikrede hjemmesikkerhetssystem har blitt brutt. Hvordan kan dette skje? Med Internett av Ting (IoT) kan du finne ut av den harde måten. Mer), og vi ser på en fremtid for små enheter som vet hvor de er og kan snakke med hverandre. Smart-lommebøker, intelligente dørklokkene som bare 'klarte' hvis noen er i huset, nøkkelringer, vesker, alle disse tingene som kan snakke med mobiltelefonen din og si hvor de er med en nøyaktighet på noen få inches (så kan jeg endelig finne ut hvor jeg forlot tastene mine ...).

Dette er bare noen av mine tanker om hvor denne teknologien tar oss, men hva er historien din? Hva kan du gjøre med posisjonsbeviste enheter? Skal vi være redd?

Og som alltid har noen spørsmål eller noe jeg har skummet litt for langt over, spør i kommentarene.

Bildekreditter: Historisk rotte: Operation Desert Storm - The Ground War; Mashup of Two pieces av DonkeyHotey, utgitt (og re-released) under CC-SA-2.0, Canada Search and Rescue by Bmpower på engelsk Wikipedia (eget arbeid); Trilaterasjon 2D av Javiersanp via Wikimedia Commons (eget arbeid GFDL eller CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), GPS Control Segment Map lisensiert under offentlig domene via GPS.gov; Debris-GEO1280 av NASA Orbital Debris Program Office, lisensiert under offentlig domene, via Wikimedia Commons

Utforsk mer om: Astronomi, GPS.