спутниковая система навигации

Глобальная система позиционирования (GPS)

Страна / страны происхождения	Соединенные Штаты
Оператор (ы)	Космические силы США
Тип	Военный, гражданский
Положение дел	Оперативный
Покрытие	Глобальный
Точность	500–30 см (16–0,98 футов)
Размер созвездия
Всего спутников	33
Спутники на орбите	31 год
Первый запуск	Февраль 1978 г . ; 43 года назад (1978-02)
Всего запусков	72
Орбитальные характеристики
Режим (ы)	6 самолетов MEO
Орбитальная высота	20180 км (12,540 миль)

Геодезия
Основы Геодезия Геодинамика Геоматика История
Концепции Географическое расстояние Геоид Фигура Земли ( радиус Земли и окружность Земли ) Геодезические данные Геодезический Географическая система координат Горизонтальное представление положения Широта  / Долгота Проекция карты Справочный эллипсоид Спутниковая геодезия Система пространственной привязки Пространственные отношения
Технологии Global Nav. Сидел. Системы (GNSS) Global Pos. Система (GPS) ГЛОНАСС (Россия) BeiDou (BDS) (Китай) Галилео (Европа) NAVIC (Индия) Квази-Зенит Сб. Sys. (QZSS) (Япония) Дискретная глобальная сетка и геокодирование
Стандарты (история) НГВД 29 Датум уровня моря 1929 г. OSGB36 Картографическая служба Великобритании, 1936 г. СК-42 Система Координат 1942 года ED50 Европейский датум 1950 г. SAD69 Южноамериканский датум 1969 г. GRS 80 Геодезическая справочная система 1980 г. ISO 6709 Координаты географической точки. 1983 г. NAD 83 Североамериканский датум 1983 г. WGS 84 Мировая геодезическая система 1984 НАВД 88 Северная Америка, вертикальная система отсчета 1988 г. ETRS89 Европейское наземное оборудование Ref. Sys. 1989 г. GCJ-02 Китайский запутанный датум 2002 Geo URI Интернет-ссылка на точку 2010 Международная наземная система отсчета Идентификатор системы пространственной привязки (SRID) Универсальная поперечная проекция Меркатора (UTM)
v т е

Система глобального позиционирования ( GPS ), первоначально Navstar GPS , ^[1] является спутниковая радионавигационная система принадлежит правительству Соединенных Штатов и управляется Космическими войсками Соединенных Штатов . ^[2] Это одна из глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), которая предоставляет информацию о геолокации и времени на приемник GPS в любом месте на Земле или рядом с ней, где есть прямая видимость для четырех или более спутников GPS. ^[3] Препятствия, такие как горы и здания, блокируют относительно слабыеСигналы GPS .

GPS не требует от пользователя передачи каких-либо данных, и он работает независимо от телефонного или интернет-приема, хотя эти технологии могут повысить полезность информации о местоположении GPS. GPS предоставляет важные возможности позиционирования военным, гражданским и коммерческим пользователям по всему миру. Правительство Соединенных Штатов создало систему, поддерживает ее и делает ее доступной для всех, у кого есть GPS-приемник . ^[4]

Проект GPS был начат Министерством обороны США в 1973 году, когда первый прототип космического корабля был запущен в 1978 году, а полная группировка из 24 спутников была запущена в 1993 году. Первоначально использование GPS было ограничено военными США, а использование в гражданских целях было разрешено с 1980-х годов. в соответствии с указом президента Рональда Рейгана . ^[5] Развитие технологий и новые требования к существующей системе привели к усилиям по модернизации GPS и внедрению следующего поколения спутников GPS Block IIIA и системы оперативного управления следующего поколения (OCX). ^[6] Объявления вице-президента Эла Гора и Белого домав 1998 г. инициировал эти изменения. В 2000 году Конгресс США санкционировал модернизацию GPS III .

В течение 1990-х качество GPS было снижено правительством США в рамках программы под названием «Выборочная доступность»; это было прекращено 1 мая 2000 года законом, подписанным президентом Биллом Клинтоном . ^[7]

Служба GPS предоставляется правительством США, которое может выборочно отказать в доступе к системе, как это произошло с индийскими военными в 1999 году во время Каргильской войны , или в любой момент снизить качество службы. ^[8] В результате несколько стран разработали или находятся в процессе создания других глобальных или региональных систем спутниковой навигации. Российская глобальная навигационная спутниковая система ( ГЛОНАСС ) была разработана одновременно с GPS, но до середины 2000-х годов страдала от неполного покрытия земного шара. ^[9] ГЛОНАСС может быть добавлен к устройствам GPS, делая доступным больше спутников и позволяя определять положение быстрее и точнее с точностью до двух метров (6,6 футов). ^[10] КитайНавигационная спутниковая система BeiDou начала оказывать глобальные услуги в 2018 году и завершила свое полное развертывание в 2020 году. ^[11] Существуют также система определения местоположения Европейского союза Galileo и индийская NavIC . Японская спутниковая система Quasi-Zenith (QZSS) - это спутниковая система дополнений GPS для повышения точности GPS в Азии и Океании , при этом спутниковая навигация не зависит от GPS, запланированная на 2023 год. ^[12]

Когда выборочная доступность была отменена в 2000 году, точность GPS была около пяти метров (16 футов). Последний этап повышения точности использует полосу L5 и теперь полностью развернут. Приемники GPS, выпущенные в 2018 году и использующие диапазон L5, могут иметь гораздо более высокую точность, определяя местоположение с точностью до 30 сантиметров или 11,8 дюймов. ^{[13] [14]}

История [ править ]

Проект GPS был запущен в США в 1973 году, чтобы преодолеть ограничения предыдущих навигационных систем ^[15], объединяя идеи нескольких предшественников, включая секретные исследования инженерного дизайна 1960-х годов. Департамент обороны США разработал систему, которая первоначально используется 24 спутников. Первоначально он был разработан для использования в вооруженных силах США и стал полностью готовым к эксплуатации в 1995 году. Использование в гражданских целях было разрешено с 1980-х годов. Роджер Л. Истон из Лаборатории военно-морских исследований , Иван А. Геттинг из Аэрокосмической корпорации и Брэдфорд Паркинсон из Лаборатории прикладной физикиприписывают его изобретение. ^[16] Работа Глэдис Вест считается инструментом в разработке вычислительных методов для определения местоположения спутников с точностью, необходимой для GPS. ^[17]

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 проверку общей теории относительности - обнаружение замедления времени в сильном гравитационном поле с помощью точных атомных часов, размещенных на орбите внутри искусственных спутников. Специальная и общая теория относительности предсказывают, что часы спутников GPS, по наблюдениям земных наблюдателей, будут работать на 38 микросекунд в день быстрее, чем часы на Земле. Расчетные координаты GPS быстро ошиблись бы, увеличиваясь до 10 километров в день (6 миль / день). Это было исправлено в конструкции GPS. ^[18]

Предшественники [ править ]

Когда Советский Союз запустил первый искусственный спутник ( Спутник 1 ) в 1957 году, два американских физиков, Уильям Guier и Джордж Weiffenbach, в Университете Джонса Хопкинса «s Лаборатории прикладной физики (APL) решил контролировать свои радиопередачи. ^[19] 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 их UNIVAC для выполнения необходимых тяжелых расчетов.

В начале следующего года Фрэнк МакКлюр, заместитель директора APL, попросил Гиера и Вайффенбаха исследовать обратную задачу - определить местоположение пользователя с учетом местоположения спутника. (В то время военно-морские силы разрабатывали ракету Polaris, запускаемую с подводных лодок , что требовало от них знания местоположения подводной лодки.) Это привело их и APL к разработке системы TRANSIT . ^[20] В 1959 году ARPA (переименованная в DARPA в 1972 году) также играла роль в TRANSIT. ^{[21] [22] [23]}

TRANSIT был впервые успешно испытан в 1960 году. ^[24] Он использовал группировку из пяти спутников и мог обеспечивать навигационные данные 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 наземная навигационная система OMEGA , основанная на сравнении фаз передачи сигналов от пар станций ^[25], стала первой мировой радионавигационной системой. Ограничения этих систем привели к необходимости более универсального навигационного решения с большей точностью.

Хотя в военном и гражданском секторах существовала широкая потребность в точной навигации, почти ни одна из них не рассматривалась как оправдание миллиардов долларов, которые потребуются для исследования, разработки, развертывания и эксплуатации группировки навигационных спутников. Во время гонки вооружений " холодной войны " ядерная угроза существованию Соединенных Штатов была той единственной потребностью, которая оправдала эту цену с точки зрения Конгресса Соединенных Штатов. Этот сдерживающий эффект стал причиной финансирования GPS. Это также причина сверхсекретности в то время. Ядерная триада состояла из Соединенных Штатов военно - морского флота подводных лодок баллистических ракет (БРПЛ) вместе с ВВС США (USAF) стратегических бомбардировщикови межконтинентальные баллистические ракеты (МБР). Считавшееся жизненно важным для позиции ядерного сдерживания , точное определение стартовой позиции БРПЛ было умножением сил .

Точная навигация позволила бы подводным лодкам Соединенных Штатов с баллистическими ракетами точно определять свое местоположение до того, как они запустят свои БРПЛ. ^[26] ВВС США с двумя третями ядерной триады также предъявляли требования к более точной и надежной системе навигации. ВМС США и ВВС США параллельно разрабатывали свои собственные технологии для решения, по сути, одной и той же проблемы.

Для повышения живучести межконтинентальных баллистических ракет предлагалось использовать мобильные пусковые платформы (сопоставимые с советскими SS-24 и SS-25 ), поэтому необходимость фиксировать стартовую позицию была схожа с ситуацией с БРПЛ.

В 1960 году ВВС предложили радионавигационную систему под названием MOSAIC (мобильная система для точного управления межконтинентальными баллистическими ракетами), которая по сути представляла собой трехмерный LORAN . Последующее исследование, Проект 57, было проведено в 1963 году, и именно «в этом исследовании родилась концепция GPS». В том же году концепция была реализована как проект 621B, который имел «многие из атрибутов, которые вы сейчас видите в GPS» ^[27] и обещал повышенную точность для бомбардировщиков ВВС, а также межконтинентальных баллистических ракет.

Обновления системы Navy TRANSIT были слишком медленными для высоких скоростей работы ВВС. Научно - исследовательская лаборатория ВМС (NRL) продолжала заигрывая со своим Timation спутников (время навигации), первым запущен в 1967 году, второй запущен в 1969 году, с третьим в 1974 году несла первые атомные часы на орбиту и четвертую запущенных в 1977 году ^{[28 ]}

Другой важный предшественник GPS пришел из другой ветви вооруженных сил США. В 1964 году армия Соединенных Штатов вывела на орбиту свой первый спутник последовательной сортировки дальности ( SECOR ), используемый для геодезической съемки. ^[29] Система SECOR включает в себя три наземных передатчика в известных местах, которые будут посылать сигналы на спутниковый ретранслятор на орбите. Четвертая наземная станция, находящаяся в неопределенном месте, могла бы затем использовать эти сигналы для точного определения своего местоположения. Последний спутник SECOR был запущен в 1969 году ^[30].

Развитие [ править ]

Благодаря этим параллельным разработкам в 1960-х годах стало понятно, что можно разработать превосходную систему, синтезируя лучшие технологии из 621B, Transit, Timation и SECOR в мультисервисной программе. Ошибки орбитального положения спутника, вызванные, среди прочего, вариациями гравитационного поля и радиолокационной рефракции. Команда, возглавляемая Гарольдом Л. Джури из аэрокосмического подразделения Pan Am во Флориде с 1970 по 1973 год, использовала ассимиляцию данных в реальном времени и рекурсивную оценку, чтобы сделать это, уменьшив систематические и остаточные ошибки до управляемого уровня для обеспечения точной навигации. ^[31]

Во время Дня Труда в 1973 году на встрече около двенадцати офицеров в Пентагоне обсуждалось создание оборонной навигационной спутниковой системы (DNSS) . Именно на этой встрече был создан настоящий синтез, который стал GPS. Позже в том же году программа DNSS получила название Navstar. ^[32] Navstar часто ошибочно считается аббревиатурой от «NAVigation System Using Timing and Ranging», но никогда не считался таковым Управлением совместной программы GPS (TRW, возможно, когда-то выступал за другую навигационную систему, которая использовала бы этот акроним). ^[33]Поскольку отдельные спутники были связаны с названием Navstar (как и с предшественниками Transit и Timation), для идентификации созвездия спутников Navstar использовалось более полное имя, Navstar-GPS . ^[34] Десять прототипов спутников " Блок I " были запущены в период с 1978 по 1985 год (дополнительный блок был разрушен в результате неудачного запуска). ^[35]

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. ^[36] Следует отметить работу, проделанную австралийским космическим ученым Элизабет Эссекс-Коэн в AFGRL в 1974 году. Она занималась искривлением траекторий радиоволн ( атмосферная рефракция ), пересекающих ионосферу со спутников NavSTAR. ^[37]

После того, как Korean Air Lines Flight 007 , Boeing 747 проведение 269 человек, был сбит в 1983 году после того, как сбивается в СССР запрещено воздушное пространство , ^[38] в районе Сахалина и Монерон островов , президент Рональд Рейган издал директиву решений GPS свободно доступны для гражданское использование, когда оно было достаточно развито, как общее благо. ^[39] Первый спутник Block II был запущен 14 февраля 1989 г. ^[40]и 24-й спутник был запущен в 1994 году. Стоимость программы GPS на тот момент, не включая стоимость пользовательского оборудования, но включая стоимость запусков спутников, была оценена в 5 миллиардов долларов США (долларов США на тот момент). ^[41]

Первоначально сигнал самого высокого качества был зарезервирован для использования в военных целях, а сигнал, доступный для использования в гражданских целях, был намеренно ухудшен в соответствии с политикой, известной как выборочная доступность . Ситуация изменилась после того, как президент Билл Клинтон подписал 1 мая 2000 года директиву об отключении выборочной доступности, чтобы обеспечить гражданским лицам такую ​​же точность, как и военным. Директива была предложена министром обороны США Уильямом Перри в связи с повсеместным ростом дифференцированных услуг GPS в частном секторе для повышения точности гражданских сигналов. Более того, американские военные активно разрабатывали технологии, чтобы отказать в услугах GPS потенциальным противникам на региональной основе. ^[42]

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

По состоянию на начало 2015 года высококачественные GPS-приемники стандартной службы позиционирования (SPS) , соответствующие требованиям FAA , обеспечивали горизонтальную точность лучше 3,5 метров (11 футов) ^[43], хотя на эту точность могут влиять многие факторы, такие как качество приемника и проблемы с атмосферой. .

GPS принадлежит и управляется правительством США как национальный ресурс. Министерство обороны является распорядителем GPS. Исполнительный совет Межведомственного GPS (IGEB) Курировал GPS Вопросы политики с 1996 по 2004 году После этого, Национальная космического позиционирование на основе, навигация и Исполнительный комитет Timing были созданы в соответствии с директивой Президента РФ в 2004 году для консультирования и координации федеральных ведомств и учреждений по вопросам , касающихся GPS и связанные с ними системы. ^[44] Исполнительный комитет возглавляют совместно заместители министра обороны и транспорта. В его состав входят должностные лица аналогичного уровня из Государственного департамента, Министерства торговли и внутренней безопасности, Объединенного комитета начальников штабов и НАСА.. Компоненты исполнительного аппарата президента участвуют в качестве наблюдателей в исполнительном комитете, а председатель FCC участвует в качестве связующего звена.

По закону министерство обороны США обязано «поддерживать стандартную службу определения местоположения (как определено в федеральном плане радионавигации и спецификации сигнала стандартной службы определения местоположения), которая будет доступна на постоянной основе во всем мире», и «разработать меры по предотвращать враждебное использование GPS и его дополнений, не нарушая и не унижая использования в гражданских целях ".

Хронология и модернизация [ править ]

• В 1972 году Центральная испытательная база инерциального наведения ВВС США (Holloman AFB) провела опытно-конструкторские летные испытания четырех прототипов GPS-приемников в Y-конфигурации над ракетным полигоном Уайт-Сэндс с использованием наземных псевдоспутников. ^[49]
• В 1978 году был запущен первый экспериментальный спутник GPS Block-I. ^[35]
• В 1983 году после того, как советский самолет-перехватчик сбил гражданский авиалайнер KAL 007, который из-за навигационных ошибок попал в запрещенное воздушное пространство , в результате чего погибли все 269 человек на борту, президент США Рональд Рейган объявил, что GPS станет доступным для использования в гражданских целях после его завершения. ^{[50] [51],} хотя ранее он был опубликован [в журнале Navigation], и что код CA (Coarse / Acquisition code) будет доступен для гражданских пользователей. ^{[ необходима цитата ]}
• К 1985 году было запущено еще десять экспериментальных спутников Block-I для проверки концепции.
• Начиная с 1988 года, управление этими спутниками было передано из Onizuka AFS, Калифорния, во 2-ю эскадрилью управления спутниками (2SCS), расположенную на базе ВВС Falcon в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо. ^{[52] [53]}
• 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. ^[54]
• В 1991 году проект по созданию миниатюрного GPS-приемника успешно завершился, заменив предыдущие военные приемники весом 16 кг (35 фунтов) на портативный приемник весом 1,25 кг (2,8 фунта). ^[22]
• В 1992 году 2-е космическое крыло, которое первоначально управляло системой, было деактивировано и заменено 50-м космическим крылом .
  Эмблема 50-го космического крыла
• К декабрю 1993 года система GPS достигла первоначальных эксплуатационных возможностей (IOC), имея полную группировку (24 спутника) и предоставляя стандартную службу определения местоположения (SPS). ^[55]
• Полный оперативный потенциал (FOC) был объявлен Космическим командованием ВВС (AFSPC) в апреле 1995 года, что означает полную доступность военной службы точного позиционирования (PPS). ^[55]
• В 1996 году, признавая важность GPS как для гражданских, так и для военных пользователей, президент США Билл Клинтон издал директиву ^[56], объявив GPS системой двойного назначения и учредив Межведомственный исполнительный совет GPS для управления ею как национальным достоянием.
• В 1998 году вице-президент США Эл Гор объявил о планах обновить GPS двумя новыми гражданскими сигналами для повышения точности и надежности пользователей, особенно в отношении безопасности полетов, 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 не ухудшенный сигнал во всем мире.
• В 2004 году правительство Соединенных Штатов подписало соглашение с Европейским сообществом об установлении сотрудничества 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 хронометражу. ^[57]
• В ноябре 2004 года Qualcomm объявила об успешных тестах GPS с поддержкой для мобильных телефонов . ^[58]
• В 2005 году был запущен первый модернизированный спутник GPS, который начал передавать второй гражданский сигнал (L2C) для повышения производительности пользователей. ^[59]
• 14 сентября 2007 г. устаревшая система управления наземным сегментом на базе мэйнфреймов была переведена на новый план развития архитектуры. ^[60]
• 19 мая 2009 года Счетная палата правительства США выпустила отчет, в котором предупреждает, что некоторые спутники GPS могут выйти из строя уже в 2010 году. ^[61]
• 21 мая 2009 года Космическое командование ВВС развеяло опасения по поводу отказа GPS, заявив: «Есть лишь небольшой риск, что мы не продолжим превышать наши стандарты производительности». ^[62]
• 11 января 2010 г. обновление наземных систем управления привело к несовместимости программного обеспечения с 8 000–10 000 военных приемников, производимых подразделением Trimble Navigation Limited в Саннивейл, Калифорния ^[63].
• 25 февраля 2010 г. ^[64] ВВС США заключили контракт на разработку системы оперативного управления GPS следующего поколения (OCX) для повышения точности и доступности сигналов GPS-навигации и использования ее в качестве важной части модернизации GPS.

Награды [ править ]

10 февраля 1993 года Национальная ассоциация аэронавтики выбрала команду GPS победителями конкурса Robert J. Collier Trophy 1992 года , самой престижной авиационной награды США. Эта команда объединяет исследователей из Лаборатории морских исследований , ВВС США, Аэрокосмической корпорации , Rockwell International Corporation и IBM Federal Systems Company. Цитирование отличием их «по наиболее значимым для развития эффективной и безопасной навигации и наблюдения за воздушным и космическим аппаратом с момента введения радио навигации 50 лет назад.»

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

• Иван Геттинг , почетный президент Аэрокосмической корпорации и инженер Массачусетского технологического института , заложил основу для GPS, усовершенствовав наземную радиосистему времен Второй мировой войны под названием LORAN ( Lo ng-range R adio A id to N avigation). ).
• 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 служил 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 г. ^[65]

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

В 1998 году технология GPS была занесена в Зал славы космических технологий Космического фонда . ^[66]

4 октября 2011 года Международная астронавтическая федерация (IAF) вручила Глобальной системе позиционирования (GPS) награду в честь 60-летия, назначенную 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 налаживании международного сотрудничества на благо человечества. ^[67]

Глэдис Уэст была занесена в Зал славы пионеров космической и ракетной техники ВВС в 2018 году за признание ее вычислительной работы, которая привела к прорыву в технологии GPS. ^[68]

12 февраля 2019 года четыре члена-учредителя проекта были награждены Премией Королевы Елизаветы в области инженерии, а председатель наградного совета заявил: «Инженерное дело - это основа цивилизации; другого фундамента нет; он делает вещи реальностью. И это точно. то, что сделали сегодняшние Лауреаты, - они сделали вещи реальностью. Они существенно переписали инфраструктуру нашего мира ». ^[69]

Основная концепция [ править ]

Основы [ править ]

Приемник GPS вычисляет свое собственное положение и время на основе данных, полученных от нескольких спутников GPS . Каждый спутник имеет точную запись своего местоположения и времени и передает эти данные на приемник.

На спутниках установлены очень стабильные атомные часы , которые синхронизированы друг с другом и с наземными часами. Любое отклонение от времени, поддерживаемое на земле, корректируется ежедневно. Таким же образом местоположение спутников известно с большой точностью. В приемниках GPS тоже есть часы, но они менее стабильны и менее точны.

Поскольку скорость радиоволн постоянна и не зависит от скорости спутника, временная задержка между передачей сигнала спутником и его приемом пропорциональна расстоянию от спутника до приемника. Как минимум, четыре спутника должны находиться в поле зрения приемника, чтобы он мог вычислить четыре неизвестных величины (три координаты положения и отклонение часов от времени спутника).

Более подробное описание [ править ]

Каждый спутник GPS постоянно передает сигнал ( несущая с модуляцией ), который включает:

• Псевдослучайных код (последовательность единиц и нулей) , которые , как известно приемнику. Путем согласования по времени версии кода, созданной приемником, и версии кода, измеренной приемником, время прибытия (TOA) определенной точки в кодовой последовательности, называемой эпохой, может быть найдено на шкале времени часов приемника.
• Сообщение, которое включает время передачи (TOT) периода кода (в шкале времени GPS) и положение спутника в это время

По сути, приемник измеряет TOA (по своим часам) четырех спутниковых сигналов. Из TOA и TOT приемник формирует четыре значения времени пролета (TOF), которые (с учетом скорости света) приблизительно эквивалентны дальности действия приемник-спутник 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 от 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 приемника по центру Земли обычно преобразуется в широту , долготу и высоту относительно эллипсоидальной модели Земли. Затем высоту можно дополнительно преобразовать в высоту относительно геоида , которая по существу является средним уровнем моря . Эти координаты могут отображаться, например, на отображении движущейся карты , или записываться или использоваться какой-либо другой системой, такой как система наведения транспортного средства.

Пользовательская спутниковая геометрия [ править ]

Хотя концептуальные разницы во времени прихода (TDOA) обычно не формируются явно при обработке приемника, они определяют геометрию измерения. Каждому TDOA соответствует гиперболоид вращения (см. Мультитерация ). Линия, соединяющая два задействованных спутника (и ее продолжения), образует ось гиперболоида. Приемник находится в точке пересечения трех гиперболоидов. ^{[70] [71]}

Иногда неправильно говорят, что местоположение пользователя находится на пересечении трех сфер. Хотя это проще визуализировать, это возможно только в том случае, если у приемника есть часы, синхронизированные с часами спутников (т. Е. Приемник измеряет истинные расстояния до спутников, а не разницу диапазонов). Есть заметные преимущества в производительности для пользователя, имеющего часы, синхронизированные со спутниками. Прежде всего, необходимо всего три спутника для вычисления решения о местоположении. Если бы важной частью концепции GPS было то, что все пользователи должны были бы иметь синхронизированные часы, можно было бы развернуть меньшее количество спутников, но стоимость и сложность пользовательского оборудования увеличились бы.

Приемник в непрерывном режиме [ править ]

Приведенное выше описание представляет ситуацию запуска приемника. У большинства приемников есть алгоритм отслеживания , иногда называемый трекером , который объединяет наборы спутниковых измерений, собранных в разное время - по сути, используя тот факт, что последовательные положения приемников обычно находятся близко друг к другу. После обработки набора измерений трекер предсказывает местоположение приемника, соответствующее следующему набору спутниковых измерений. Когда новые измерения собраны, приемник использует схему взвешивания, чтобы объединить новые измерения с предсказанием трекера. В общем, трекер может (а) улучшить точность положения приемника и времени, (б) отклонить неверные измерения и (в) оценить скорость и направление приемника.

Недостатком устройства слежения 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 местоположения, падает ниже или близко к случайной ошибке измерения местоположения. Устройства GPS могут использовать измерения доплеровского сдвига полученных сигналов для точного вычисления скорости. ^[72] Более совершенные навигационные системы используют дополнительные датчики, такие как компас или инерциальную навигационную систему, в дополнение к GPS.

Ненавигационные приложения [ править ]

Для точной навигации GPS требуется, чтобы были видны четыре или более спутников. Решение навигационных уравнений дает положение приемника вместе с разницей между временем, поддерживаемым бортовыми часами приемника, и истинным временем дня, тем самым устраняя необходимость в более точных и, возможно, непрактичных часах на основе приемника. . Такие приложения для GPS, как передача времени, синхронизация сигналов трафика и синхронизация базовых станций сотовых телефонов , используют эту дешевую и высокоточную синхронизацию. Некоторые приложения GPS используют это время для отображения или, кроме базовых расчетов местоположения, вообще не используют его.

Хотя для нормальной работы требуется четыре спутника, в особых случаях требуется меньше. Если одна переменная уже известна, приемник может определить свое положение, используя только три спутника. Например, корабль или самолет могут иметь известную высоту. Некоторые приемники GPS могут использовать дополнительные подсказки или предположения, такие как повторное использование последней известной высоты , точный счет , инерциальная навигация или включение информации с бортового компьютера, чтобы дать (возможно, ухудшенное) положение, когда видны менее четырех спутников. ^{[73] [74] [75]}

Структура [ править ]

Текущий GPS состоит из трех основных сегментов. Это космический сегмент, контрольный сегмент и пользовательский сегмент. ^[76] Космические Силы США разрабатывают, поддерживают и управляют пространства и управления сегментами. Спутники GPS передают сигналы из космоса, и каждый приемник GPS использует эти сигналы для вычисления своего трехмерного местоположения (широты, долготы и высоты) и текущего времени. ^[77]

Космический сегмент [ править ]

Космический сегмент (SS) состоит из 24–32 спутников или космических аппаратов (SV), находящихся на средней околоземной орбите , а также включает адаптеры полезной нагрузки к ускорителям, необходимым для их вывода на орбиту. Дизайн GPS - первоначально названный в течение 24 КТС, восемь в каждой из трех приблизительно круговых орбит , ^[78] , но это было изменено до шести орбитальных плоскостей с четырех спутников в каждой. ^[79] Шесть орбитальных плоскостей имеют приблизительно 55 ° наклон (наклон относительно Земли экватора ) и отделены друг от друга 60 ° восхождений от восходящего узла (угол вдоль экватора от опорной точки до пересечения орбиты). ^[80]Орбитальный период составляет одну половины сидерического дня , то есть, 11 часов и 58 минут , так что спутники проходят через одни и то же место ^[81] или почти то же место ^[82] каждый день. Орбиты расположены таким образом, что по крайней мере шесть спутников всегда находятся в пределах прямой видимости со всех концов поверхности Земли (см. Анимацию справа). ^[83] Результатом этой цели является то, что четыре спутника не разнесены равномерно (90 °) на каждой орбите. В общем, угловая разница между спутниками на каждой орбите составляет 30 °, 105 °, 120 ° и 105 ° друг от друга, что в сумме составляет 360 °. ^[84]

На орбите на высоте около 20 200 км (12 600 миль); орбитальный радиус приблизительно 26 600 км (16 500 миль), ^[85] каждый КА совершает две полные орбиты за каждый звездный день , повторяя один и тот же наземный путь каждый день. ^[86] Это было очень полезно во время разработки, потому что даже с четырьмя спутниками правильное выравнивание означает, что все четыре спутника видны с одной точки в течение нескольких часов каждый день. В военных действиях повторение наземного пути может использоваться для обеспечения хорошего покрытия в зонах боевых действий.

По состоянию на февраль 2019 ^[update]года ^[87] в созвездии GPS 31 спутник , 27 из которых используются в данный момент, а остальные выделены в качестве резервных. 32-й был запущен в 2018 году. По состоянию на июль 2019 ^[update]года последний все еще находится в стадии оценки. Еще больше выведенных из эксплуатации спутников находятся на орбите и доступны в качестве запасных. Дополнительные спутники (более 24) повышают точность вычислений GPS-приемника, обеспечивая избыточные измерения. С увеличением количества спутников группировка изменилась на неравномерную. Было показано, что такое расположение улучшает точность, но также повышает надежность и доступность системы по сравнению с единой системой, когда несколько спутников выходят из строя. ^[88] С расширенной группировкой девять спутников обычно видны из любой точки на земле в любой момент времени, обеспечивая значительную избыточность минимум четырех спутников, необходимых для позиции.

Контрольный сегмент [ править ]

Контрольный сегмент (CS) состоит из:

1. главный пост управления (MCS),
2. альтернативный главный пульт управления,
3. четыре специальные наземные антенны и
4. шесть специализированных станций мониторинга.

MCS может также получить доступ к наземным антеннам сети управления спутниками ВВС США (AFSCN) (для дополнительных возможностей управления и контроля) и станциям наблюдения NGA ( Национальное агентство геопространственной разведки ). Маршруты полета спутников отслеживаются специальными станциями мониторинга космических сил США на Гавайях , атолле Кваджалейн , острове Вознесения , Диего-Гарсия , Колорадо-Спрингс, Колорадо и на мысе Канаверал , а также совместно используемыми станциями мониторинга NGA, работающими в Англии, Аргентине, Эквадоре, Бахрейне. , Австралия и Вашингтон, округ Колумбия. ^[89] Информация об отслеживании отправляется в MCS на авиабазе Шривер.25 км (16 миль) к восточному восточному времени от Колорадо-Спрингс, который управляется 2-й эскадрильей космических операций (2 SOPS) Космических сил США. Затем 2 SOPS связываются с каждым спутником GPS на регулярной основе с обновлением навигационной информации, используя выделенные или общие (AFSCN) наземные антенны (специальные наземные антенны GPS расположены в Кваджалейне , острове Вознесения , Диего-Гарсия и на мысе Канаверал ). Эти обновления синхронизируют атомные часы на борту спутников с точностью до нескольких наносекунд друг от друга и корректируют эфемериды внутренней орбитальной модели каждого спутника. Обновления создаются фильтром Калмана.который использует входные данные с наземных станций мониторинга, информацию о космической погоде и различные другие входные данные. ^[90]

Спутниковые маневры неточны по стандартам GPS, поэтому для изменения орбиты спутника его необходимо пометить как неисправный , чтобы приемники не использовали его. После маневра спутника инженеры отслеживают новую орбиту с земли, загружают новые эфемериды и снова отмечают работоспособность спутника.

Сегмент управления операциями (OCS) в настоящее время служит сегментом управления записи. Он обеспечивает эксплуатационные возможности, которые поддерживают пользователей GPS, и поддерживает работу GPS в пределах технических характеристик.

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

OCS будет и впредь оставаться регистрирующей наземной системой управления до тех пор, пока новый сегмент, Система управления операциями GPS следующего поколения ^[6] (OCX), не будет полностью разработан и функционирует. Новые возможности, предоставляемые OCX, станут краеугольным камнем для революционного изменения возможностей GPS, позволяя ^[91] Космическим силам США значительно улучшить эксплуатационные услуги GPS для боевых сил США, гражданских партнеров и множества внутренних и международных пользователей. Программа GPS OCX также снизит стоимость, сроки и технические риски. Он рассчитан на обеспечение 50% ^[92]экономия затрат на поддержание жизнеспособности за счет эффективной программной архитектуры и логистики, ориентированной на результат Кроме того, ожидается, что GPS OCX будет стоить на миллионы меньше, чем стоимость обновления OCS, при этом обеспечивая в четыре раза больше возможностей.

Программа GPS OCX представляет собой важную часть модернизации GPS и обеспечивает значительные улучшения качества информации по сравнению с текущей программой GPS OCS.

• OCX будет иметь возможность контролировать и управлять устаревшими спутниками GPS, а также спутниками GPS III следующего поколения, обеспечивая при этом полный спектр военных сигналов.
• Создан на основе гибкой архитектуры, которая может быстро адаптироваться к меняющимся потребностям сегодняшних и будущих пользователей GPS, обеспечивая немедленный доступ к данным GPS и состоянию созвездия через безопасную, точную и надежную информацию.
• Предоставляет бойцу более надежную, действенную и прогнозирующую информацию для повышения ситуационной осведомленности.
• Включает новые модернизированные сигналы (L1C, L2C и L5) и имеет возможность M-кода, что не может сделать устаревшая система.
• Обеспечивает значительные улучшения в области защиты информации по сравнению с текущей программой, включая обнаружение и предотвращение кибератак, а также изоляцию, сдерживание и работу во время таких атак.
• Поддерживает большие возможности и возможности управления и контроля в режиме реального времени.

14 сентября 2011 г. ^[93] ВВС США объявили о завершении предварительного обзора проекта GPS OCX и подтвердили, что программа OCX готова к следующему этапу разработки.

Программа GPS OCX пропустила важные вехи и переносит ее запуск на 2021 год, на 5 лет позже первоначального срока. По данным Счетной палаты, даже этот новый срок выглядит шатким. ^[94]

Сегмент пользователя [ править ]

Сегмент пользователей (США) состоит из сотен тысяч американских и союзных военных пользователей безопасной службы точного определения местоположения GPS и десятков миллионов гражданских, коммерческих и научных пользователей службы стандартного позиционирования (см. Устройства навигации GPS ). В общем, приемники GPS 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. Приемник часто описывается количеством каналов: это означает, сколько спутников он может контролировать одновременно. Первоначально ограниченный четырьмя или пятью, это число постепенно увеличивалось, так что с 2007 года^[update]приемники обычно имеют от 12 до 20 каналов. Хотя производителей приемников много, почти все они используют один из выпускаемых для этой цели чипсетов. ^{[ необходима цитата ]}

Приемники GPS могут включать в себя вход для дифференциальных поправок с использованием формата RTCM SC-104. Обычно это порт RS-232 со скоростью 4800 бит / с. Фактически данные отправляются с гораздо меньшей скоростью, что ограничивает точность сигнала, отправляемого с использованием RTCM. ^{[ необходима цитата ]} Приемники с внутренними приемниками DGPS могут превосходить приемники, использующие внешние данные RTCM. ^{[ необходима цитата ]} Начиная с 2006 года ^[update], даже недорогие устройства обычно включают в себя приемники Wide Area Augmentation System (WAAS).

Многие приемники GPS могут передавать данные о местоположении на ПК или другое устройство, используя протокол NMEA 0183 . Хотя этот протокол официально определен Национальной ассоциацией морской электроники (NMEA), ^[95] ссылки на этот протокол были собраны из общедоступных источников, что позволяет инструментам с открытым исходным кодом, таким как gpsd, читать протокол без нарушения законов об интеллектуальной собственности . ^{[ требуется пояснение ]} Существуют и 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 [ править ]

Хотя изначально GPS был военным проектом, он считается технологией двойного назначения , а это означает, что он также имеет важные гражданские применения.

GPS стал широко распространенным и полезным инструментом для коммерции, научных исследований, отслеживания и наблюдения. Точное время GPS облегчает повседневные действия, такие как банковские операции, операции с мобильными телефонами и даже управление электросетями, обеспечивая хорошо синхронизированное переключение. ^[77]

Гражданское [ править ]

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

• Атмосфера : изучение задержек в тропосфере (восстановление содержания водяного пара) и ионосферных задержек (восстановление количества свободных электронов). ^[96] Восстановление смещений земной поверхности из-за нагрузки атмосферным давлением. ^[97]
• Астрономия : данные позиционной и временной синхронизации используются в астрометрии и небесной механике, а также в точном определении орбиты. ^[98] GPS также используется как в любительской астрономии с небольшими телескопами, так и в профессиональных обсерваториях для поиска внесолнечных планет .
• Автоматизированное транспортное средство : определение местоположения и маршрутов для легковых и грузовых автомобилей для работы без участия человека-водителя.
• 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 Федеральная комиссия по связи (FCC) поручила функцию в любом телефоне или в башнях (для использования в триангуляции) в 2002 году , так аварийные службы могли найти 911 абонентов. Сторонние разработчики программного обеспечения позже получили доступ к API GPS от Nextel после запуска, за которым последовали Sprint в 2006 году и Verizon. вскоре после этого.
• Синхронизация часов : точность сигналов времени GPS (± 10 нс) ^[99] уступает только атомным часам, на которых они основаны, и используется в таких приложениях, как дисциплинированные генераторы GPS .
• Помощь при бедствиях / экстренные службы : многие службы экстренной помощи зависят от GPS для определения местоположения и времени.
• Радиозонды и сбрасываемые зонды с GPS: измеряйте и вычисляйте атмосферное давление, скорость и направление ветра на расстоянии до 27 км (89 000 футов) от поверхности Земли.
• Радиозатмение для приложений, связанных с погодой и атмосферой. ^[100]
• Отслеживание автопарка : используется для идентификации, определения местоположения и ведения отчетов о контактах с одним или несколькими транспортными средствами парка в режиме реального времени.
• Геодезия : определение параметров ориентации Земли, включая суточное и субсуточное полярное движение, ^[101] и изменчивость продолжительности дня, ^[102] центр масс Земли - движение геоцентра, ^[103] и поле силы тяжести с низким градусом. параметры. ^[104]
• Geofencing : транспортное средство отслеживания системы , системы слежения человека и домашних животных слежения системы используют GPS для обнаружения устройств, подключенных или переносимых человеком, транспортным средством или домашним животным. Приложение может обеспечивать непрерывное отслеживание и отправлять уведомления, если цель покидает обозначенную (или «огороженную») зону. ^[105]
• Геотегирование : применяет координаты местоположения к цифровым объектам, таким как фотографии (в данных Exif ) и другим документам, для таких целей, как создание наложений карты с помощью таких устройств, как Nikon GP-1.
• GPS слежение за самолетом
• GPS для горнодобывающей промышленности : использование RTK GPS позволило значительно улучшить некоторые горнодобывающие операции, такие как бурение, экскавация, отслеживание транспортных средств и геодезия. RTK GPS обеспечивает точность позиционирования на сантиметровом уровне.
• Анализ данных GPS : можно агрегировать данные GPS от нескольких пользователей, чтобы понять закономерности движения, общие траектории и интересные места. ^[106]
• GPS-туры : местоположение определяет, какой контент отображать; например, информация о приближающейся достопримечательности.
• Навигация : навигаторы оценивают точные цифровые измерения скорости и ориентации, а также точное положение в реальном времени с поддержкой коррекции орбиты и часов. ^[107]
• Орбиты определение низкоорбитальных спутников с приемником GPS установлен на борту, таких , как GOCE , ^[108] GRACE , Jason-1 , Jason-2 , TerraSAR-X , Тандем-X , CHAMP , Дозорные-3 , ^[109] и некоторые спутниками Cubesat , например, CubETH .
• Фазорные измерения : GPS обеспечивает высокоточную временную метку измерений энергосистемы, что дает возможность вычислять фазоры .
• Отдых : например, Геокэшинг , Geodashing , GPS рисования , Waymarking и другие виды местоположения на основе мобильных игр , таких как Покемон Go .
• Системы отсчета : реализация и уплотнение наземных систем отсчета ^[110] в рамках Глобальной системы геодезических наблюдений. Совместное размещение в пространстве спутниковой лазерной локации ^[111] и микроволновых наблюдений ^[112] для получения глобальных геодезических параметров. ^{[113] [114]}
• Робототехника : самонавигационные автономные роботы, использующие датчики GPS, которые вычисляют широту, долготу, время, скорость и направление.
• Спорт : используется в футболе и регби для контроля и анализа тренировочной нагрузки. ^[115]
• Геодезия : геодезисты используют абсолютные местоположения для создания карт и определения границ собственности.
• Тектоника : GPS позволяет выполнять прямое измерение движения разломов при землетрясениях . Между землетрясениями GPS можно использовать для измерения движения и деформации земной коры ^[116], чтобы оценить накопление сейсмической деформации для создания карт сейсмической опасности .
• Телематика : технология GPS, интегрированная с компьютерами и технологиями мобильной связи в автомобильных навигационных системах .

Ограничения на использование в гражданских целях [ править ]

Правительство США контролирует экспорт некоторых гражданских приемников. Все приемники GPS, способные работать на высоте более 60000 футов (18 км) над уровнем моря и скорости 1000 узлов (500 м / с; 2000 км / ч; 1000 миль в час), либо разработанные или модифицированные для использования с беспилотными ракетами и самолетами, классифицируются как боеприпасы. (оружие) - что означает, что они требуют экспортных лицензий Государственного департамента . ^[117]

Это правило применяется даже к чисто гражданским частям, которые получают только частоту L1 и код C / A (грубый / прием).

Отключение операции сверх этих пределов освобождает приемник от классификации в качестве боеприпаса. Вендоры различаются между собой. Правило касается работы как на заданной высоте, так и на скорости, но некоторые приемники перестают работать даже в неподвижном состоянии. Это вызвало проблемы с некоторыми любительскими запусками воздушных шаров, которые регулярно достигают 30 км (100 000 футов).

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

Военные [ править ]

По состоянию на 2009 год военные GPS-приложения включают:

• Навигация: солдаты используют GPS, чтобы находить цели даже в темноте или на незнакомой территории, а также координировать движение войск и снабжения. В вооруженных силах США командиры используют цифровой помощник командира, а нижние чины - цифровой помощник солдата . ^[118]
• Отслеживание целей: различные системы военного оружия используют GPS для отслеживания потенциальных наземных и воздушных целей, прежде чем пометить их как враждебные. ^{[ необходима цитата ]} Эти системы оружия передают координаты цели высокоточным боеприпасам, чтобы они могли точно поражать цели. Военные самолеты, особенно в ролях " воздух-земля" , используют GPS для поиска целей.
• Ракетные и снаряд руководство: GPS обеспечивают точное нацеливание различных военных оружия , включая МБР , крылатые ракеты , высокоточные боеприпасы и артиллерийские снаряды . Встроенные приемники GPS, способные выдерживать ускорение в 12 000 g или около 118 км / с ² (260 000 миль / с), были разработаны для использования в 155-миллиметровых (6,1 дюйма) гаубичных снарядах. ^[119]
• Поиск и спасение.
• Разведка: движение патрулей можно контролировать более тщательно.
• Спутники GPS оснащены набором детекторов ядерной детонации, состоящим из оптического датчика, называемого бхангметром , датчика рентгеновского излучения, дозиметра и датчика электромагнитных импульсов (EMP) (W-датчик), которые составляют большую часть Соединенных Штатов. Система обнаружения ядерной детонации . ^{[120] [121]} Генерал Уильям Шелтон заявил, что будущие спутники могут отказаться от этой функции для экономии денег. ^[122]

Навигация типа GPS была впервые использована во время войны в Персидском заливе 1991 года , до того, как GPS была полностью разработана в 1995 году, чтобы помочь силам коалиции ориентироваться и выполнять маневры во время войны. Война также продемонстрировала уязвимость GPS к помехам , когда иракские войска установили устройства для создания помех на вероятных целях, которые испускали радиопомехи, нарушая прием слабого сигнала GPS. ^[123]

Уязвимость GPS к помехам - это угроза, которая продолжает расти по мере роста оборудования и опыта создания помех. ^{[124] [125]} Сообщалось, что на протяжении многих лет сигналы GPS многократно подавлялись в военных целях. У России, похоже, есть несколько целей для такого поведения, таких как запугивание соседей при подрыве уверенности в их зависимости от американских систем, продвижение их альтернативы ГЛОНАСС, срыв западных военных учений и защита активов от дронов. ^[126] Китай использует радиопомехи, чтобы удержать американские разведывательные самолеты возле спорных островов Спратли . ^[127] Северная Кореяпровела несколько крупных операций по постановке помех вблизи своей границы с Южной Кореей и на шельфе, нарушив полеты, судоходство и рыболовство. ^[128]

Хронометраж [ редактировать ]

Високосные секунды [ править ]

В то время как большинство часов получают время из всемирного координированного времени (UTC), атомные часы на спутниках установлены на время GPS (GPST; см. Страницу Военно- морской обсерватории США ). Разница в том, что время GPS не корректируется для соответствия вращению Земли, поэтому оно не содержит 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 изменилось. Отсутствие поправок означает, что время GPS остается с постоянным отклонением от Международного атомного времени (TAI) (TAI - GPS = 19 секунд). В бортовые часы периодически вносятся поправки, чтобы они синхронизировались с наземными часами. ^[129]

Сообщение GPS-навигации включает разницу между временем GPS и временем UTC. По состоянию на январь 2017 года ^[update]время GPS на 18 секунд опережает UTC из-за дополнительной секунды, добавленной к UTC 31 декабря 2016 года. ^[130] Приемники вычитают это смещение из времени GPS для расчета значений UTC и конкретных часовых поясов. Новые устройства GPS могут не показывать правильное время UTC до получения сообщения смещения UTC. Поле смещения GPS-UTC может содержать 255 дополнительных секунд (восемь бит).

Точность [ править ]

Время GPS теоретически имеет точность около 14 наносекунд из-за дрейфа часов, который испытывают атомные часы в передатчиках GPS, относительно международного атомного времени . ^[131] Большинство приемников теряют точность при интерпретации сигналов и имеют точность только до 100 наносекунд. ^{[132] [133]}

Форматировать [ редактировать ]

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 десятичных битов.в навигационных сообщениях C / A и P (Y), и поэтому оно 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., и номер недели снова стал нулевым впервые в 23:59:47 UTC 21 августа 1999 г. (00 : 00: 19 TAI 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-приемник должен быть снабжен приблизительной датой (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 будет повторяться только каждые 8192 недели (157 лет), таким образом, действуя до 2137 года (157 лет после нулевой недели GPS).

Связь [ править ]

Навигационные сигналы, передаваемые спутниками GPS, кодируют различную информацию, включая положение спутников, состояние внутренних часов и состояние 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 [ править ]

Формат сообщения GPS

Подрамники	Описание
1	Спутниковые часы, соотношение времени GPS
2–3	Эфемериды (точная спутниковая орбита)
4–5	Компонент альманаха (синопсис 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. Битрейт ). Каждое сообщение о завершении занимает 750 секунд ( 12 ¹ ⁄ ₂ минуты) до завершения. Структура сообщения имеет базовый формат: кадр длиной 1500 бит, состоящий из пяти подкадров, каждый из которых имеет длину 300 бит (6 секунд). Подкадры 4 и 5 подкоммутируются по 25 раз каждый, так что полное сообщение данных требует передачи 25 полных кадров. Каждый подкадр состоит из десяти слов по 30 бит каждое. Таким образом, при 300 битах в подкадре, умноженном на 5 подкадров в кадре, умноженном на 25 кадров в сообщении, каждое сообщение имеет длину 37 500 бит. При скорости передачи 50 бит / с это дает 750 секунд для передачи всего сообщения альманаха (GPS) . Каждый 30-секундный кадр начинается точно с минуты или полминуты, как показывают атомные часы на каждом спутнике. ^[134]

Первый подкадр каждого кадра кодирует номер недели и время в течение недели ^[135], а также данные о состоянии спутника. Второй и третий субкадры содержат эфемериды - точную орбиту спутника. Четвертый и пятый подкадры содержат альманах , который содержит приблизительную информацию об орбите и состоянии до 32 спутников в группировке, а также данные, относящиеся к исправлению 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. Для того, чтобы собрать весь переданный альманах, приемник должен демодулировать сообщение для 732 до 750 секунд или 12 ¹ ⁄ ₂ минуты. ^[136]

Все спутники вещают на одних и тех же частотах, кодируя сигналы с использованием уникального множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), чтобы приемники могли различать отдельные спутники друг от друга. Система использует два различных типа кодирования CDMA: код грубого / сбора данных (C / A), доступный широкой публике, и точный код (P (Y)), который зашифрован так, что только военные США и другие Страны НАТО, которым был предоставлен доступ к коду шифрования, могут получить к нему доступ. ^[137]

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

Спутниковые частоты [ править ]

Обзор частоты GPS ^{[138] : 607}

Группа	Частота	Описание
L1	1575,42 МГц	Коды грубого обнаружения (C / A) и зашифрованные прецизионные (P (Y)) коды, а также коды L1 для гражданских ( L1C ) и военных (M) на будущих спутниках Block III.
L2	1227,60 МГц	Код P (Y), а также коды L2C и военные коды на спутниках Block IIR-M и более новых.
L3	1381.05 МГц	Используется для обнаружения ядерной детонации (NUDET).
L4	1379,913 МГц	Изучается на предмет дополнительной ионосферной коррекции.
L5	1176,45 МГц	Предлагается для использования в качестве сигнала гражданской безопасности (SoL).

Все спутники вещают на одних и тех же двух частотах: 1,57542 ГГц (сигнал L1) и 1,2276 ГГц (сигнал L2). В спутниковой сети используется метод расширения спектра CDMA ^{[138] : 607, в} котором данные сообщения с низкой скоростью передачи данных кодируются высокоскоростной псевдослучайной (PRN) последовательностью, которая различна для каждого спутника. Приемник 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 P-код для использования в военных целях в США передает со скоростью 10,23 миллиона чипов в секунду. Фактическая внутренняя опорная частота спутников составляет 10,22999999543 МГц для компенсации релятивистских эффектов ^{[139] [140]}которые заставляют наблюдателей на Земле воспринимать временную привязку по-другому по сравнению с передатчиками на орбите. Несущая L1 модулируется кодами C / A и P, в то время как несущая L2 модулируется только кодом P. ^[84] P-код может быть зашифрован как так называемый P (Y) -код, доступный только для военной техники с правильным ключом дешифрования. Оба кода C / A и P (Y) сообщают пользователю точное время дня.

Сигнал L3 на частоте 1,38 · 105 ГГц используется для передачи данных со спутников на наземные станции. Эти данные используются Системой обнаружения ядерных взрывов США (NUDET) (USNDS) для обнаружения, определения местоположения и сообщения о ядерных детонациях (NUDET) в атмосфере Земли и в ближнем космосе. ^[141] Одно из направлений использования - обеспечение соблюдения договоров о запрещении ядерных испытаний.

Полоса L4 на частоте 1,379913 ГГц изучается для дополнительной ионосферной коррекции. ^{[138] : 607}

Полоса частот L5 на 1,17645 ГГц была добавлена ​​в процессе модернизации GPS . Эта частота попадает в международно защищенный диапазон для воздушной навигации, обещая незначительные помехи или их отсутствие при любых обстоятельствах. Первый спутник Block IIF, обеспечивающий этот сигнал, был запущен в мае 2010 года. ^[142] 5 февраля 2016 года был запущен 12-й и последний спутник Block IIF. ^[143] L5 состоит из двух компонентов несущей, которые находятся в квадратуре по фазе друг с другом. Каждый компонент несущей представляет собой двухфазную клавишу сдвига (BPSK), модулированную отдельной последовательностью битов. «L5, третий гражданский сигнал GPS, в конечном итоге будет поддерживать приложения для обеспечения безопасности жизни в авиации и обеспечивать повышенную доступность и точность». ^[144]

В 2011 году LightSquared был предоставлен условный отказ.для работы наземной широкополосной службы в диапазоне L1. Хотя LightSquared подала заявку на получение лицензии на работу в диапазоне 1525–1559 еще в 2003 году и была представлена ​​для общественного обсуждения, FCC попросила LightSquared сформировать исследовательскую группу с сообществом GPS для тестирования приемников GPS и выявления проблем, которые могут возникают из-за большей мощности сигнала от наземной сети LightSquared. Сообщество GPS не возражало против приложений LightSquared (ранее MSV и SkyTerra) до ноября 2010 года, когда LightSquared подал заявку на изменение своего разрешения на использование вспомогательного наземного компонента (ATC). Эта заявка (SAT-MOD-20101118-00239) представляла собой запрос на увеличение мощности на несколько порядков в той же полосе частот для наземных базовых станций, по существу перепрофилировав то, что должно было бытьтихое соседство »для сигналов из космоса в качестве эквивалента сотовой сети. Тестирование в первой половине 2011 года продемонстрировало, что влияние нижних 10 МГц спектра минимально для устройств GPS (менее 1% всех устройств GPS являются 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 пользователей.Есть опасения, что это может серьезно ухудшить сигнал GPS для многих потребителей.Есть опасения, что это может серьезно ухудшить сигнал GPS для многих потребителей.^{[145] [146]} Журнал Aviation Week сообщает, что последнее тестирование (июнь 2011 г.) подтвердило «значительное глушение» GPS системой LightSquared. ^[147]

Демодуляция и декодирование [ править ]

Поскольку все спутниковые сигналы модулируются на одной и той же несущей частоте L1, сигналы должны быть разделены после демодуляции. 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. ^{[148] [149]}

Если информация альманаха была получена ранее, приемник выбирает спутники для прослушивания по их PRN, уникальным номерам в диапазоне от 1 до 32. Если информации альманаха нет в памяти, приемник входит в режим поиска, пока не будет получена блокировка. на одном из спутников. Для обеспечения захвата необходимо, чтобы приемник был беспрепятственно виден со спутника. Затем приемник может получить альманах и определить спутники, которые он должен слушать. Когда он обнаруживает сигнал каждого спутника, он идентифицирует его по отдельному шаблону кода C / A. Перед первой оценкой местоположения может быть задержка до 30 секунд из-за необходимости считывать эфемеридные данные.

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

Уравнения навигации [ править ]

Описание проблемы [ править ]

Приемник использует сообщения, полученные от спутников, для определения местоположения спутников и отправленного времени. В х, у, и Z компоненты позиции спутника и время , передаваемое ( ы ) обозначены как [ х _я , у _я , г _я , с _я ] где индекс я обозначает спутник и имеет значение 1, 2,. .., n , где n  ≥ 4. Когда время приема сообщения, указанное встроенными часами приемника, равно t̃ _i , истинное время приема равно t _i = t̃ _i - b , гдеb - смещение часов приемника от более точных часов GPS, используемых спутниками. Смещение часов приемника одинаково для всех принимаемых спутниковых сигналов (при условии, что часы спутников все идеально синхронизированы). Время передачи сообщения t̃ _i - b - s _i , где s _i - спутниковое время. Если предположить , что сообщение пройденное на скорости света , с , расстояние , пройденное это ( т _я - б - ев _I ) гр .

Для n спутников должны удовлетворяться следующие уравнения:

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

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

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

Определяя псевдодальности как , мы видим, что они являются предвзятыми версиями истинного диапазона:${\displaystyle p_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-s_{i}\right)c}$

${\displaystyle p_{i}=d_{i}+bc,\;i=1,2,...,n}$. ^{[150] [151]}

Поскольку уравнения имеют четыре неизвестных [ x, y, z, b ] - три компонента положения приемника GPS и смещения часов, - для решения этих уравнений необходимы сигналы по крайней мере от четырех спутников. Их можно решить алгебраическими или численными методами. Существование и уникальность решений GPS обсуждают Абелл и Чаффи. ^[70] Когда n больше четырех, эта система переопределена, и необходимо использовать метод подбора .

Количество ошибок в результатах зависит от местоположения принимаемых спутников в небе, поскольку определенные конфигурации (когда принимаемые спутники находятся близко друг к другу в небе) вызывают большие ошибки. Приемники обычно вычисляют текущую оценку ошибки в рассчитанном местоположении. Это делается путем умножения базового разрешения приемника на величины, называемые коэффициентами геометрического разбавления местоположения (GDOP), рассчитываемые на основе относительных направлений неба используемых спутников. ^[152] Местоположение приемника выражается в определенной системе координат, такой как широта и долгота с использованием геодезической системы координат WGS 84 или системы, специфичной для страны. ^[153]

Геометрическая интерпретация [ править ]

Уравнения GPS могут быть решены численными и аналитическими методами. Геометрическая интерпретация может улучшить понимание этих методов решения.

Сферы [ править ]

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. Решение для положения приемника тогда 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. ^[154] 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 неточности, включая случайные ошибки, а также возможность потери точности из-за вычитания чисел, близких друг к другу, если центры сфер находятся относительно близко друг к другу. Это означает, что местоположение, рассчитанное только по трем спутникам, вряд ли будет достаточно точным. Данные от большего количества спутников могут помочь из-за тенденции к нейтрализации случайных ошибок, а также за счет увеличения разброса между центрами сфер. Но в то же время больше сфер обычно не пересекаются в одной точке. Следовательно, ближайшее пересечение рассчитывается, как правило, методом наименьших квадратов. Чем больше сигналов доступно, тем лучше будет приближение.

Гиперболоиды [ править ]

Если псевдодальность между приемником и спутником i и псевдодальность между приемником и спутником j вычесть, p _i - p _j , общее смещение часов приемника ( b ) компенсируется, что приводит к разнице расстояний d _i - d _j . Географическое место точек, имеющих постоянную разницу в расстоянии до двух точек (в данном случае двух спутников), представляет собой гиперболу на плоскости и гиперболоид вращения (более конкретно, двулистный гиперболоид ) в трехмерном пространстве (см. Мультитерация). Таким образом, по результатам четырех измерений псевдодальности приемник может быть размещен на пересечении поверхностей трех гиперболоидов, каждый с фокусами на паре спутников. С дополнительными спутниками множественные пересечения не обязательно уникальны, и вместо этого ищется наиболее подходящее решение. ^{[70] [71] [155] [156] [157] [158]}

Расписанная сфера [ править ]

Положение приемника можно интерпретировать как центр вписанной сферы (insphere) радиуса bc , задаваемого смещением часов приемника b (масштабируемым по скорости света c ). Расположение вдохновения таково, что оно касается других сфер (см. Проблема Apollonius # Applications ). В ограничивающую сферы сосредоточены на GPS - спутников, радиусы которых равны измеренной псевдодальности р _я . Эта конфигурация отличается от описанной в разделе # Сферы , в которой радиусы сфер были несмещенными или геометрическими диапазонами d _i . ^{[157] : 36–37[159]}

Гиперконусы [ править ]

Часы в приемнике обычно не того же качества, что и 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 часов. 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), ^[160]с куспидом, расположенным на спутнике, а основанием - сферой вокруг спутника. Приемник находится на пересечении четырех или более таких гиперконусов.

Способы решения [ править ]

Наименьшие квадраты [ править ]

Когда доступно более четырех спутников, в расчетах можно использовать четыре лучших или более четырех одновременно (до всех видимых спутников), в зависимости от количества каналов приемника, возможностей обработки и геометрического снижения точности (GDOP).

Использование более четырех требует переопределения системы уравнений без единственного решения; такая система может быть решена методом наименьших квадратов или взвешенных наименьших квадратов. ^[150]

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

Итеративный [ править ]

Оба уравнения для четырех спутников или уравнения наименьших квадратов для более чем четырех являются нелинейными и требуют специальных методов решения. Общий подход заключается в повторении линеаризованной формы уравнений, такой как алгоритм Гаусса – Ньютона .

Первоначально система GPS была разработана с использованием численного метода наименьших квадратов, т. Е. До того, как были найдены решения в замкнутой форме.

Закрытая форма [ править ]

Одно решение в замкнутой форме указанной выше системы уравнений было разработано С. Бэнкрофтом. ^{[151] [161]} Его свойства хорошо известны; ^{[70] [71] [162],} в частности, сторонники утверждают, что он лучше в ситуациях с низким GDOP по сравнению с итеративными методами наименьших квадратов. ^[161]

Метод Бэнкрофта является алгебраическим, а не числовым, и может использоваться для четырех или более спутников. Когда используются четыре спутника, ключевыми шагами являются обращение матрицы 4x4 и решение квадратного уравнения с одной переменной. Метод Бэнкрофта дает одно или два решения для неизвестных величин. Когда их два (как правило, так), только один является разумным околоземным решением. ^[151]

Когда приемник использует более четырех спутников для решения, Бэнкрофт использует обобщенную инверсию (т. Е. Псевдообратную), чтобы найти решение. Было показано, что итерационные методы, такие как подход алгоритма Гаусса – Ньютона для решения переопределенных нелинейных задач наименьших квадратов (NLLS), обычно обеспечивают более точные решения. ^[163]

Leick et al. (2015) заявляет, что «решение Бэнкрофта (1985) является очень ранним, если не первым, решением в замкнутой форме». ^[164] Другие решения в закрытой форме были опубликованы позже, ^{[165] [166],} хотя их применение на практике неясно.

Источники ошибок и анализ [ править ]

Анализ ошибок GPS исследует источники ошибок в результатах GPS и ожидаемый размер этих ошибок. GPS вносит поправки на ошибки часов приемника и другие эффекты, но некоторые остаточные ошибки остаются неисправленными. Источники ошибок включают измерения времени прихода сигнала, численные расчеты, атмосферные эффекты (ионосферные / тропосферные задержки), эфемериды и данные часов, многолучевые сигналы, а также естественные и искусственные помехи. Величина остаточных ошибок от этих источников зависит от геометрического снижения точности. Искусственные ошибки могут возникать из-за устройств создания помех и создавать угрозу для кораблей и самолетов ^[167] или из-за преднамеренного ухудшения качества сигнала из-за избирательной доступности, которая ограничивает точность до ≈ 6–12 м (20–40 футов), но была отключена с 1 мая 2000 г. . ^[168][169]

Повышение точности и съемка [ править ]

Эта статья дублирует тематику других статей , в частности, улучшения GNSS . Пожалуйста , обсудить этот вопрос на странице обсуждения и редактировать его в соответствии с Википедии Руководство стиля . ( Ноябрь 2013 г. )

Дополнение [ править ]

Включение внешней информации в процесс расчета может существенно повысить точность. Такие системы дополнения обычно называются или описываются в зависимости от того, как поступает информация. Некоторые системы передают дополнительную информацию об ошибках (например, дрейф часов, эфемерные данные или ионосферную задержку ), другие характеризуют предшествующие ошибки, а третья группа предоставляет дополнительную навигационную информацию или информацию о транспортном средстве.

Примеры систем функционального дополнения включают в себя глобальную систему расширения (WAAS), европейскую геостационарную навигационную службу наложения (EGNOS), дифференциальную GPS (DGPS), инерциальные навигационные системы (INS) и вспомогательную GPS . Стандартная точность около 15 метров (49 футов) может быть увеличена до 3–5 метров (9,8–16,4 футов) с помощью DGPS и примерно до 3 метров (9,8 футов) с помощью WAAS. ^[170]

Точный мониторинг [ править ]

Точность можно повысить за счет точного мониторинга и измерения существующих сигналов GPS дополнительными или альтернативными способами.

Самая большая остающаяся ошибка - это обычно непредсказуемая задержка в ионосфере . Космический аппарат передает параметры модели ионосферы, но некоторые ошибки остаются. Это одна из причин, по которой космический аппарат GPS осуществляет передачу как минимум на двух частотах, L1 и L2. Ионосферная задержка является четко определенной функцией частоты и общего содержания электронов (TEC) на трассе, поэтому измерение разницы во времени прихода между частотами определяет TEC и, следовательно, точную ионосферную задержку на каждой частоте.

Военные приемники могут декодировать код P (Y), передаваемый как на L1, так и на L2. Без ключей дешифрования все еще можно использовать бескодовую технику для сравнения кодов P (Y) на L1 и L2, чтобы получить большую часть той же информации об ошибках. Этот метод медленный, поэтому в настоящее время он доступен только на специализированном геодезическом оборудовании. В будущем ожидается передача дополнительных гражданских кодов на частотах L2 и L5 (см. Модернизация GPS ). После этого все пользователи смогут выполнять двухчастотные измерения и напрямую вычислять ошибки ионосферной задержки.

Вторая форма точного мониторинга называется улучшением фазы несущей (CPGPS). Это исправляет ошибку, которая возникает из-за того, что импульсный переход PRN не является мгновенным, и, таким образом, операция корреляции (согласования последовательности спутник-приемник) является несовершенной. CPGPS использует несущую волну L1, которая имеет период из , который составляет около одной тысячной С / А код Голда битового периода , чтобы действовать в качестве дополнительного тактового сигнала${\displaystyle {\frac {1\,\mathrm {s} }{1575.42\times 10^{6}}}=0.63475\,\mathrm {ns} \approx 1\,\mathrm {ns} \ }$${\displaystyle {\frac {1\,\mathrm {s} }{1023\times 10^{3}}}=977.5\,\mathrm {ns} \approx 1000\,\mathrm {ns} \ }$и разрешить неопределенность. Ошибка разности фаз в обычном GPS составляет 2–3 метра (7–10 футов) неоднозначности. CPGPS, работающий с точностью до 1% от идеального перехода, снижает эту ошибку до 3 сантиметров (1,2 дюйма) неоднозначности. Устраняя этот источник ошибок, CPGPS в сочетании с DGPS обычно обеспечивает абсолютную точность 20–30 сантиметров (8–12 дюймов).

Относительное кинематическое позиционирование (RKP) - третья альтернатива точной системе позиционирования на основе GPS. В этом подходе определение сигнала дальности может быть разрешено с точностью менее 10 сантиметров (4 дюйма). Это выполняется путем определения количества циклов, в течение которых сигнал передается и принимается приемником, с использованием комбинации данных коррекции дифференциального GPS (DGPS), передачи информации о фазе сигнала GPS и методов разрешения неоднозначности с помощью статистических тестов - возможно, с обработкой в ​​реальном -время ( кинематическое позиционирование в реальном времени , RTK).

Отслеживание фазы несущей (съемка) [ править ]

Другой метод, который используется в геодезических приложениях, - это отслеживание фазы несущей. Период несущей частоты, умноженный на скорость света, дает длину волны, которая составляет около 0,19 м (7,5 дюйма) для несущей L1. Точность в пределах 1% длины волны при обнаружении переднего фронта снижает этот компонент ошибки псевдодальности до всего 2 мм (0,079 дюйма). Для сравнения: 3 м (9,8 фута) для кода C / A и 0,3 м (11,8 дюйма) для кода P.

Точность до двух миллиметров (0,079 дюйма) требует измерения общей фазы - количества волн, умноженного на длину волны, плюс дробная длина волны, для чего требуются специально оборудованные приемники. Этот метод имеет множество применений при съемке. Он достаточно точен для отслеживания в реальном времени очень медленных движений тектонических плит , обычно 0–100 мм (0–4 дюйма) в год.

Тройное дифференцирование с последующим численным нахождением корня и математический метод, называемый наименьшими квадратами, позволяет оценить положение одного приемника с учетом положения другого. Сначала вычислите разницу между спутниками, затем между приемниками и, наконец, между эпохами. Другие порядки получения различий также действительны. Подробное обсуждение ошибок опускается.

Полная фаза спутниковой несущей может быть измерена с неоднозначностью относительно количества циклов. Пусть обозначают фазы несущей спутника J , измеренного приемником I в момент времени . Эти обозначения показывают значение индексов i, j и k. Приемник ( r ), спутник ( s ) и время ( t ) идут в алфавитном порядке в качестве аргументов и для уравновешивания удобочитаемости и краткости, пусть будет краткое сокращение. Также мы определяем три функции:${\displaystyle \ \phi (r_{i},s_{j},t_{k})}$${\displaystyle \ \ t_{k}}$${\displaystyle \ \phi }$${\displaystyle \ \phi _{i,j,k}=\phi (r_{i},s_{j},t_{k})}$${\displaystyle \ \Delta ^{r},\Delta ^{s},\Delta ^{t}}$, которые возвращают различия между приемниками, спутниками и временными точками соответственно. Каждая функция имеет переменные с тремя нижними индексами в качестве аргументов. Эти три функции определены ниже. Если - функция трех целочисленных аргументов, i, j и k, то это действительный аргумент для функций:, со значениями, определенными как${\displaystyle \ \alpha _{i,j,k}}$${\displaystyle \ \Delta ^{r},\Delta ^{s},\Delta ^{t}}$

${\displaystyle \ \Delta ^{r}(\alpha _{i,j,k})=\alpha _{i+1,j,k}-\alpha _{i,j,k}}$,

${\displaystyle \ \Delta ^{s}(\alpha _{i,j,k})=\alpha _{i,j+1,k}-\alpha _{i,j,k}}$, и

${\displaystyle \ \Delta ^{t}(\alpha _{i,j,k})=\alpha _{i,j,k+1}-\alpha _{i,j,k}}$ .

Также, если допустимые аргументы для трех функций, а a и b являются константами, тогда допустимый аргумент со значениями, определенными как${\displaystyle \ \alpha _{i,j,k}\ and\ \beta _{l,m,n}}$${\displaystyle \ (a\ \alpha _{i,j,k}+b\ \beta _{l,m,n})}$

${\displaystyle \ \Delta ^{r}(a\ \alpha _{i,j,k}+b\ \beta _{l,m,n})=a\ \Delta ^{r}(\alpha _{i,j,k})+b\ \Delta ^{r}(\beta _{l,m,n})}$,

${\displaystyle \ \Delta ^{s}(a\ \alpha _{i,j,k}+b\ \beta _{l,m,n})=a\ \Delta ^{s}(\alpha _{i,j,k})+b\ \Delta ^{s}(\beta _{l,m,n})}$, и

${\displaystyle \ \Delta ^{t}(a\ \alpha _{i,j,k}+b\ \beta _{l,m,n})=a\ \Delta ^{t}(\alpha _{i,j,k})+b\ \Delta ^{t}(\beta _{l,m,n})}$ .

Ошибки часов приемника могут быть приблизительно устранены путем сравнения фаз, измеренных со спутника 1, с фазами со спутника 2 в ту же эпоху. ^[171] Это различие обозначено как${\displaystyle \ \Delta ^{s}(\phi _{1,1,1})=\phi _{1,2,1}-\phi _{1,1,1}}$

Двойная разность ^[172] вычисляет разницу между спутниками приемника 1 и приемником 2. Это приблизительно устраняет ошибки спутниковых часов. Это двойное отличие:

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta ^{r}(\Delta ^{s}(\phi _{1,1,1}))\,&=\,\Delta ^{r}(\phi _{1,2,1}-\phi _{1,1,1})&=\,\Delta ^{r}(\phi _{1,2,1})-\Delta ^{r}(\phi _{1,1,1})&=\,(\phi _{2,2,1}-\phi _{1,2,1})-(\phi _{2,1,1}-\phi _{1,1,1})\end{aligned}}}$

Тройная разность ^[173] вычитает разность приемника из времени 1 из разницы во времени 2. Это устраняет неоднозначность, связанную с целым числом длин волн в фазе несущей, при условии, что эта неоднозначность не изменяется со временем. Таким образом, результат тройной разности устраняет практически все ошибки смещения тактового сигнала и целочисленную неоднозначность. Значительно уменьшены атмосферные задержки и ошибки спутниковых эфемерид. Это тройное различие:

${\displaystyle \ \Delta ^{t}(\Delta ^{r}(\Delta ^{s}(\phi _{1,1,1})))}$

Результаты тройной разности можно использовать для оценки неизвестных переменных. Например, если положение приемника 1 известно, но положение приемника 2 неизвестно, можно оценить положение приемника 2, используя числовой корень и метод наименьших квадратов. Результаты тройной разницы для трех независимых временных пар могут быть достаточными для решения трех компонентов положения приемника 2. Для этого может потребоваться числовая процедура. ^{[174] [175]}Для использования такого численного метода требуется приближение положения приемника 2. Это начальное значение, вероятно, может быть получено из навигационного сообщения и пересечения сферических поверхностей. Такая разумная оценка может быть ключом к успешному поиску многомерного корня. Итерация по трем временным парам и довольно хорошему начальному значению дает один наблюдаемый результат тройной разницы для положения приемника 2. Обработка дополнительных временных пар может повысить точность, переопределив ответ с помощью нескольких решений. Метод наименьших квадратов позволяет оценить переопределенную систему. Метод наименьших квадратов определяет положение приемника 2, которое наилучшим образом соответствует наблюдаемым результатам тройной разности для положений приемника 2 в соответствии с критерием минимизации суммы квадратов.

Вопросы регулирования спектра, касающиеся приемников GPS [ править ]

В США приемники GPS регулируются в соответствии с правилами Части 15 Федеральной комиссии по связи (FCC) . Как указано в руководствах к устройствам с поддержкой GPS, продаваемым в США, как устройство Части 15, оно «должно принимать любые принимаемые помехи, включая помехи, которые могут вызвать нежелательную работу». ^[176] В отношении устройств GPS, в частности, FCC заявляет, что производители приемников GPS «должны использовать приемники, которые в разумных пределах различают прием сигналов за пределами выделенного им спектра». ^[177] В течение последних 30 лет приемники GPS работали рядом с диапазоном мобильной спутниковой службы и без каких-либо проблем дискриминировали прием мобильных спутниковых служб, таких как Inmarsat.

Спектр, выделенный FCC для использования GPS L1, составляет от 1559 до 1610 МГц, в то время как спектр, выделенный для использования «спутник-земля», принадлежащий Lightsquared, является диапазоном мобильной спутниковой службы. ^[178] С 1996 года FCC разрешила лицензионное использование спектра, соседнего с диапазоном GPS от 1525 до 1559 МГц, компании LightSquared из Вирджинии . 1 марта 2001 года FCC получила заявку от Motient Services, предшественницы LightSquared , на использование выделенных им частот для интегрированной спутниково-наземной службы. ^[179]В 2002 году Совет индустрии GPS США пришел к соглашению о внеполосном излучении (OOBE) с LightSquared, чтобы предотвратить передачу наземных станций LightSquared передачи в соседний диапазон GPS от 1559 до 1610 МГц. ^[180] В 2004 году FCC приняла соглашение OOBE в своем разрешении для LightSquared развернуть вспомогательную наземную сеть для своей спутниковой системы - известную как вспомогательные компоненты вышки (ATC) - «Мы разрешим MSS ATC на условиях, которые обеспечить, чтобы добавленный наземный компонент оставался вспомогательным по отношению к основному предложению MSS. Мы не намерены и не позволим, чтобы наземный компонент стал автономной услугой ". ^[181]Это разрешение было рассмотрено и одобрено Консультативным комитетом США Межведомственной радио, который включает в себя от Департамента сельского хозяйства США , космической силы США , армии США , береговой охраны США , Федеральное управление гражданской авиации , Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства , интерьер , и Министерства транспорта США . ^[182]

В январе 2011 года FCC условно разрешила оптовым клиентам LightSquared, таким как Best Buy , Sharp и C Spire, приобретать только интегрированную наземную спутниковую услугу у LightSquared и перепродавать эту интегрированную услугу на устройствах, оборудованных только для использовать наземный сигнал, используя выделенные LightSquared частоты от 1525 до 1559 МГц. ^[183] В декабре 2010 года производители приемников GPS выразили озабоченность Федеральной комиссии по связи, что сигнал LightSquared будет мешать работе приемников GPS ^[184]хотя политические соображения FCC, приведшие к постановлению в январе 2011 года, не относились к каким-либо предлагаемым изменениям максимального количества наземных станций LightSquared или максимальной мощности, на которой эти станции могут работать. Приказ от января 2011 года ставит окончательное разрешение в зависимость от исследований проблем, связанных с помехами от GPS, проведенных рабочей группой под руководством LightSquared при участии представителей отрасли GPS и Федерального агентства. 14 февраля 2012 года FCC инициировала процедуру отмены предписания LightSquared об условном отказе от прав на основании заключения NTIA о том, что в настоящее время не существует практического способа уменьшить потенциальные помехи GPS.

Производители приемников GPS разрабатывают приемники GPS для использования спектра за пределами выделенного GPS диапазона. В некоторых случаях приемники GPS предназначены для использования спектра до 400 МГц в любом направлении от частоты L1 1575,42 МГц, поскольку мобильные спутниковые службы в этих регионах осуществляют вещание из космоса на землю и на уровнях мощности, соизмеримых с мобильными спутниковыми службами. . ^[185] В соответствии с правилами Части 15 FCC, приемники GPS не имеют гарантии защиты от сигналов за пределами выделенного GPS спектра. ^[177] 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 обеих полос 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 их лицензированном спектре, чтобы «способствовать более эффективному использованию спектра наземной беспроводной связи». ^[186]В этих правилах 2003 года FCC заявила: «Предварительно ожидается, что наземная [коммерческая мобильная радиослужба (« CMRS »)] и MSS ATC будут иметь разные цены, покрытие, приемку и распространение продукции; поэтому появляются две услуги: в лучшем случае, чтобы быть несовершенными заменителями друг друга, которые работали бы преимущественно в разных сегментах рынка ... MSS ATC вряд ли будет напрямую конкурировать с наземным CMRS за ту же клиентскую базу ... ". В 2004 году FCC пояснила, что наземные вышки будут вспомогательными, отметив, что «мы разрешим MSS ATC на условиях, которые гарантируют, что добавленный наземный компонент останется вспомогательным по отношению к основному предложению MSS. Мы не собираемся и не будем разрешить, чтобы наземный компонент стал автономной службой ". ^[181]В июле 2010 года FCC заявила, что ожидает, что LightSquared воспользуется своими полномочиями, чтобы предложить интегрированные спутниково-наземные услуги для «предоставления услуг мобильной широкополосной связи, аналогичных тем, которые предоставляются поставщиками наземной мобильной связи, и усиления конкуренции в секторе мобильной широкополосной связи». ^[187] Производители GPS-приемников утверждали, что лицензированный спектр LightSquared от 1525 до 1559 МГц никогда не рассматривался как используемый для высокоскоростной беспроводной широкополосной связи на основании постановлений FCC ATC 2003 и 2004, в которых четко разъяснялось, что вспомогательный компонент вышки (ATC) будет , по сути, вспомогательная по отношению к основному спутниковому компоненту. ^[188]Чтобы заручиться общественной поддержкой усилий по продолжению в 2004 году разрешения FCC на вспомогательный наземный компонент LightSquared по сравнению с простой наземной службой LTE в диапазоне мобильной спутниковой службы, производитель GPS-приемников Trimble Navigation Ltd. сформировал «Коалицию за спасение нашего GPS». ^[189]

FCC и LightSquared публично обязались решить проблему помех GPS, прежде чем сеть будет разрешена для работы. ^{[190] [191]} Согласно Крису Дэнси из Ассоциации владельцев самолетов и пилотов , пилоты авиакомпаний с типом систем, которые могут быть затронуты, «могут сбиться с курса и даже не осознавать этого». ^[192] Проблемы также могут повлиять на модернизацию Федерального управления гражданской авиации системы управления воздушным движением , руководство Министерства обороны США и местные службы экстренной помощи, включая службу 911 . ^[192]

14 февраля 2012 года Федеральная комиссия по связи США (FCC) перешла на запрет запланированной национальной широкополосной сети LightSquared после того, как была проинформирована Национальным управлением по телекоммуникациям и информации (NTIA), федеральным агентством, которое координирует использование спектра для военных и других федеральных органов власти. сущности, что «в настоящее время нет практического способа уменьшить потенциальные помехи». ^{[193] [194]} LightSquared оспаривает действия FCC.

Другие системы [ править ]

Другие известные спутниковые навигационные системы, которые используются или находятся на различной стадии разработки, включают:

• Beidou - система, развернутая и управляемая Китайской Народной Республикой , начало глобальных услуг в 2019 году. ^{[195] [196]}
• Galileo - глобальная система, разрабатываемая Европейским союзом и другими странами-партнерами, которая начала работу в 2016 году ^[197] и, как ожидается, будет полностью развернута к 2020 году.
• ГЛОНАСС - Россия глобальная навигационная система «s. Работает по всему миру.
• NavIC - региональная навигационная система, разработанная Индийской организацией космических исследований .
• Michibiki - региональная навигационная система, доступная в регионах Азии и Океании , с упором на Японию .

См. Также [ править ]

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]