Содержание
Пятнадцать лет назад на рынке появился первый мобильный телефон с поддержкой GPS. Он потерпел неудачу, но форм-фактор, который он впервые применил, сочетая оборудование связи почти военного уровня с потребительским устройством, остался с нами.
Вы не можете свернуть за угол, если ваш телефон, часы или обувь не укажут вам, куда идти, потому что они точно знают, где вы находитесь. Но это не всегда так.
Краткая история GPS
Мы считаем GPS само собой разумеющимся, как «товар», великий подарок от MADness времен холодной войны в эпоху звездных войн Рейгана, который иногда учит школьников относительно теории относительности. Удручающим фактом является то, что GPS (или GNSS, как оно было классифицировано в то время) было доступно только для публики после жутко знакомой авиакатастрофы.
В 1983 году, всего через пять лет после запуска первого спутника NAVSTAR, рейс 007 Korea Air Lines был сбит после пересечения с советским воздушным пространством из-за ошибки навигации пилота. Глобальная реакция на потерю 269 душ на борту была мучительной, но с оттенком политики холодной войны, и президент Рональд Рейган объявил, что GPS будет предоставлен миру бесплатно, чтобы предотвратить такую трагедию.
Система глобального позиционирования изначально была разработана с учетом военной необходимости координировать передвижение войск и судов в неизвестных областях (например, в Персидском заливе, где GPS впервые использовался в театре в операции «Буря в пустыне»), а также в системе обнаружения ядерного детонации ( нудеть).
«Выборочные» годы позиционирования
Благодаря использованию нескольких спутников с чрезвычайно точными часами, GPS имел точность позиционирования около 10 м с самого начала. Тем не менее, министерство обороны внесло преднамеренные ошибки в позиционирование гражданских группировок, сославшись на опасения, что технология будет использована против них. Это, как часто бывает, сработало почти мгновенно.
Даже во время первого использования GPS в Desert Storm из-за ограниченного количества дорогих, энергоемких и тяжелых GPS-приемников многие члены вооруженных сил были вынуждены скупать «дешевые», легкие и почти вездесущие гражданские приемники, которые были практически бесполезны. в поле из-за этих преднамеренных ошибок. Это была настолько признанная проблема, что система вставки ошибок (называемая выборочной доступностью или просто SA) была отключена во всем мире на оставшуюся часть войны в Персидском заливе (90–91).
В течение 90-х годов военные, корпоративные и гражданские органы требовали удаления SA, причем люди, начиная от компаний-перевозчиков и заканчивая FAA, утверждали, что ложный шум в сигнале ограничивал полезность и адаптацию GPS в соответствующих областях. Эти ошибки были отключены «навсегда» в 2000 году президентом Биллом Клинтоном.
Тем не менее, запускаются спутники нового поколения, которые обещают значительное повышение не только точности, но и доступности GPS. Этот набор из 30 новых спутников, обозначенный как GPS Block III или просто GPS III, заменит устаревший Блок II и уже не существующий Блок I. Из 64 запущенных птиц блока I / II 33 остаются в рабочем состоянии, самым старым из которых является Navstar IIA-01 в возрасте 23 лет.
Причины, по которым эти спутники являются значительным улучшением, более сложны, чем «они быстрее фиксируются и точнее». Вот почему
Как работает GPS
GPS работает как чисто вещательная система; он не требует подключения к данным для определения вашей позиции (хотя большинству приложений требуется подключение к данным
для картографической стороны). Ваш телефон или SatNav не разговаривает со спутником на расстоянии 12500 миль, он просто прослушивает на определенной частоте определенные коды.
Ваш телефон прослушивает определенный канал или «полосу», где каждый спутник передает свой собственный временной код, основанный на собственных атомных часах, всплывающих на орбите. Однако, так как каждый спутник находится на разном расстоянии от вас, когда вы получите эти «галочки», они будут немного не синхронизированы. Затем ваше устройство GPS пытается синхронизировать каждый поток с внутренними часами, чтобы можно было определить, насколько далеко каждый спутник находится от вашего местоположения.
Итак, вы на расстоянии X, Y и Z от трех спутников. Это по крайней мере 12 500 миль над вашей головой, и они движутся со скоростью 14 000 миль в час, и вы не знаете, где они и куда они идут. Это не очень полезно, пока мы не добавим временной код, который вещает каждый спутник, который содержит гораздо больше информации, чем просто время.
Я знаю, где я, но где ты?
Чтобы понять, где мы базируемся на «галочках» спутников, нам нужен дополнительный бит информации, который уже передан во временном коде, который называется «Альманах». Он содержит информацию о текущих характеристиках орбиты каждого спутника. Таким образом, ваш телефон строит небольшую модель-планетарий, основанный на времени, с точностью до нескольких наносекунд. Он определяет, где спутники находятся в космосе, и где вы находитесь относительно спутников.
, Boom. Ближайший Starbucks находится в 12,6 метрах.
Теперь это становится интересным; это всего лишь одна «полоса» или канал. Первоначально было три канала; два (L1 / L2) были использованы для получения и позиционирования соответственно. Они использовались в потребительских приложениях, но если у вас был определенный код шифрования (обычно называемый кодом Gold), вы получили более высокую точность, только военные сигналы.
Наконец, полоса L3 зарезервирована для Обнаружения Ядерного Детонации, которая контролирует земной шар на наличие высокоэнергетических инфракрасных событий и в основном используется для обеспечения соблюдения договоров о запрещении ядерных испытаний. Но новые версии стандарта GPS поставляются с захватывающими новыми функциями.
Что нового в GPS III?
В более поздних блоках II и новых системах блока III количество доступных полос увеличено до 5. L4 остается в качестве исследовательской полосы, тогда как L5 включает в себя Safety-Of-Life (данные SoL и пилотные сигналы), который является чрезвычайно надежная версия GPS для авиационных, морских и поисковых и спасательных служб.
В новых системах метод наложения данных на один и тот же сигнал с использованием кода Голда (CDMA) также используется для создания дополнительных сигналов для гражданских и военных каналов (L2C и M-Code соответственно), которые выполняют две очень крутые вещи отдельно ,
Код L2C в 250 раз «обнаруживаем» (что не совпадает с «более сильным») и работает в другом диапазоне, нежели тот, который обычно используется в гражданском GPS. Поскольку теперь у нас есть доступ к двум полосам, мы можем сравнивать их в режиме реального времени, чтобы компенсировать атмосферные помехи, что означает, что потребители, наконец, смогут получить надежное позиционирование в помещении (в пределах разумного).
М-код — это большой билет, оправдывающий новые изменения в работе GPS. Два больших достижения в этом отношении — это направленность и противодействие помехам. Вместо обычной системы «передачи по всей Земле», новые спутники блока III будут иметь антенны как по всей Земле, так и по направлению M-кода, обеспечивая войскам прием в 100 раз более сильный в пределах конуса луча, который будет (всего) несколько сотен километров. в поперечнике.
Относящиеся к этой силовой помпе, сигналы М-кода также будут включать в себя серию методов исправления ошибок, защиты от помех и спуфинга и трансляции данных для борьбы с локальными системами отказа GPS и обеспечения того, чтобы войска всегда имели наилучшие доступные данные о местоположении, независимо от погоды, местоположения или врага.
Вдобавок к этому, есть обычные обновления, которые приходят, когда вы покупаете новую часть комплекта; более быстрые рубидиевые часы дают более точную синхронизацию и лучшее позиционирование приемника. Между тем, лучшие солнечные панели обеспечат большую мощность для более сильных антенн, что означает больше энергии на приемном конце.
Тогда вы получаете обычные дополнения, когда правительства вмешиваются в дела; НАСА попросило прикрепить несколько лазерных ретро-отражателей (зеркал), чтобы обеспечить лучшее слежение за орбитами, и ВВС лоббируют добавить дополнительные возможности поиска и спасания (SAR) поверх существующих каналов данных SoL. Это является частью глобального стандарта для систем SAR, охватывающего 37 стран, и обеспечит не только мгновенное обнаружение и определение местоположения аварийного сигнала, но и возможность отправки коротких сообщений обратно получателю.
Это в воздухе?
Многие из этих достижений опираются не только на обновленные спутники, но и на обновленные наземные станции, ранее называвшиеся «Сегменты оперативного контроля» (OCS). Эти наземные станции расположены по всему миру и координируют траектории орбиты, плотность покрытия и возможности поиска и спасания / обнаружения ядер для сети GPS, а также периодически корректируют это удручающее специальное замедление относительности. Новые версии этих наземных станций (OCX) поддерживают большинство из этих достижений, а также обеспечивают совместимость между системами GNSS США и Европы (PS именно поэтому GPS отстой, если вы находитесь в Европе по сравнению с США; у нас меньше птицы над нашими головами).
К сожалению, именно эти удивительные новые системы сдерживают выпуск GPS III. Подрядчик по обороне Lockheed Martin получил контракт на постройку первого из спутников, но был задержан новыми компьютерами управления и навигации L2C от Exelis; в то время как у Raytheon был заключен контракт на создание OCX, которые испытали значительный перерасход бюджета.
Резюме и спекуляция
Преимущества новой системы блока III, включая некоторые биты в запущенном в настоящий момент блоке II, можно суммировать как:
- Уменьшенное Время Приобретения
- Увеличение внутреннего приема
- Повышенная точность и чувствительность к движению
- Более широкая зона покрытия
- Повышенная точность сценариев военного развертывания с использованием сфокусированного луча
- Расширенные возможности защиты от помех (неясно, относится ли это к гражданским и военным сигналам, но я настроен оптимистично)
- Повышенная совместимость с европейской системой позиционирования GALILEO
- Уменьшенное время отклика поиска и спасения и лучшее глобальное покрытие с некоторыми возможностями обмена сообщениями, которые могли бы предотвратить потерю MH370
Из-за задержек как в спутниковых системах, так и в сегментах наземного управления маловероятно, что мы увидим все преимущества этих систем для конечного пользователя до конца 2015 г. — середины 2016 г. Однако, как только они начнут расти, у них будет предложенный срок службы. 15 лет, так куда мы пойдем после этого?
США больше не единственный игрок в глобальной навигации. Россия имеет ГЛОНАСС с середины 90-х годов, и за последние 5 лет в Китае появились системы BeiDou Китая и Европы GALILEO. Наконец, что не менее важно, Индийская региональная навигационная спутниковая система (IRNASS) должна быть запущена в ближайшие несколько лет.
Все они имеют разную региональную направленность, поэтому возникает большой вопрос: кто будет сотрудничать первым? Это будут производители-получатели или мировые правительства? Или мы вернемся к тем временам, когда путешественникам по всему миру приходилось иметь мобильный телефон для каждого континента?
С помощью новых расширений GPS США продемонстрировали готовность работать с европейской системой, как и Россия, предоставив возможность обеспечения безопасности жизни как с GPS, так и с GALILEO. Небо становится занятым, и в этом случае в небе будет по крайней мере 120 спутников, обеспечивающих позиционирование «кому-то». Если все пойдет хорошо, мы, бедные потребители, можем даже использовать большинство из них, что приведет нас к точности в несколько дюймов, даже в помещении. Это означает удовлетворение требований FAA в отношении точных автопилотов для захода на посадку для самолетов (подсказки и дроны), а также обеспечение гораздо более точного определения полосы движения для автомобилей с автоматическим управлением.
,
Добавьте это к достижениям в носимых
и IoT
устройства (как бы страшно это ни было
), и мы смотрим в будущее небольших устройств, которые знают, где они находятся, и могут общаться друг с другом. Умные кошельки, интеллектуальные дверные звонки, которые «звонят», только если кто-то находится в доме, брелоки, сумки, все эти вещи, которые могут разговаривать с вашим мобильным телефоном и говорить, где они находятся с точностью до нескольких дюймов (Тогда я, наконец, могу узнать где я оставил свои ключи…).
Это лишь некоторые из моих мыслей о том, куда эта технология приведет нас, но какова ваша история? Что вы могли бы сделать с устройствами, определяющими положение? Должны ли мы бояться?
И как всегда, любые вопросы или что-то, что я просмотрел слишком далеко, задайте в комментариях.
Изображения предоставлены: History Rat: Operation Desert Storm — The Ground War; Части Mashup of Two от DonkeyHotey, выпущенные (и переизданные) в рамках CC-SA-2.0, Канада Search and Rescue by Bmpower из английской Википедии (собственная работа); Трилатерация 2D от Javiersanp через Wikimedia Commons (собственная работа GFDL или CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), Карта сегмента управления GPS, лицензированная как общественное достояние через GPS.gov; Debris-GEO1280 от Офиса программы орбитального мусора НАСА, лицензируемого как общественное достояние, через Wikimedia Commons
