Глобальная система позиционирования ( GPS ), первоначально Navstar GPS , [2] является спутниковой радионавигационной системой, принадлежащей правительству США и эксплуатируемой Космическими силами США . [3] Это одна из глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), которая предоставляет геолокационную и временную информацию приемнику GPS в любой точке Земли или около нее, где есть беспрепятственная прямая видимость четырех или более спутников GPS. [4] Она не требует от пользователя передачи каких-либо данных и работает независимо от любого телефонного или интернет-приема, хотя эти технологии могут повысить полезность информации о местоположении GPS. Она предоставляет критически важные возможности позиционирования военным, гражданским и коммерческим пользователям по всему миру. Хотя правительство США создало, контролирует и поддерживает систему GPS, она свободно доступна любому, у кого есть приемник GPS. [5]
Проект GPS был начат Министерством обороны США в 1973 году. Первый прототип космического аппарата был запущен в 1978 году, а полная группировка из 24 спутников была введена в эксплуатацию в 1993 году.
После того, как рейс 007 авиакомпании Korean Air Lines был сбит, когда он по ошибке вошел в советское воздушное пространство, президент Рональд Рейган объявил, что система GPS будет доступна для гражданского использования с 16 сентября 1983 года; [6] однако изначально это гражданское использование было ограничено средней точностью в 100 метров (330 футов) из-за использования селективной доступности (SA) — преднамеренной ошибки, вносимой в данные GPS (которую военные приемники могли исправить).
По мере роста использования гражданского GPS росло давление с целью устранения этой ошибки. Система SA была временно отключена во время войны в Персидском заливе , поскольку нехватка военных GPS-устройств привела к тому, что многие американские солдаты использовали гражданские GPS-устройства, отправленные из дома. В 1990-х годах дифференциальные GPS- системы Береговой охраны США , Федерального управления гражданской авиации и аналогичных агентств в других странах начали транслировать локальные поправки GPS, уменьшая эффект как ухудшения SA, так и атмосферных эффектов (которые военные приемники также исправляли). Американские военные также разработали методы для выполнения локального глушения GPS, что означало, что возможность глобального ухудшения системы больше не была нужна. В результате президент Билл Клинтон подписал законопроект, предписывающий отключить селективную доступность 1 мая 2000 года; [7] а в 2007 году правительство США объявило, что следующее поколение спутников GPS вообще не будет включать эту функцию.
Достижения в области технологий и новые требования к существующей системе теперь привели к усилиям по модернизации GPS и внедрению следующего поколения спутников GPS Block III и системы оперативного управления следующего поколения (OCX) [8] , которая была разрешена Конгрессом США в 2000 году. Когда Selective Availability была прекращена, точность GPS составляла около 5 метров (16 футов). GPS-приемники, которые используют диапазон L5, имеют гораздо более высокую точность в 30 сантиметров (12 дюймов), в то время как те, которые используются в высокопроизводительных приложениях, таких как инженерия и топографическая съемка, имеют точность в пределах 2 см ( 3 ⁄ 4 дюйма) и могут даже обеспечивать субмиллиметровую точность при долгосрочных измерениях. [7] [9] [10] Потребительские устройства, такие как смартфоны, могут иметь точность до 4,9 м (16 футов) или лучше при использовании со вспомогательными услугами, такими как позиционирование Wi-Fi . [11]
По состоянию на июль 2023 года [update]18 спутников GPS транслируют сигналы L5, которые считаются предэксплуатационными до начала трансляции полным составом из 24 спутников в 2027 году. [12]
Проект GPS был запущен в Соединенных Штатах в 1973 году для преодоления ограничений предыдущих навигационных систем, [13] объединив идеи нескольких предшественников, включая секретные инженерные проектные исследования 1960-х годов. Министерство обороны США разработало систему, которая изначально использовала 24 спутника, для использования военными США и стала полностью работоспособной в 1993 году. Гражданское использование было разрешено с 1980-х годов. Роджеру Л. Истону из Военно-морской исследовательской лаборатории , Ивану А. Геттингу из Аэрокосмической корпорации и Брэдфорду Паркинсону из Лаборатории прикладной физики приписывают ее изобретение. [14] Работа Глэдис Уэст по созданию математической геодезической модели Земли считается важной в разработке вычислительных методов для определения положения спутников с точностью, необходимой для GPS. [15] [16]
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 тест общей теории относительности — обнаружение замедления времени в сильном гравитационном поле с использованием точных атомных часов, размещенных на орбите внутри искусственных спутников. Специальная и общая теории относительности предсказали, что часы на спутниках GPS, наблюдаемые на Земле, идут на 38 микросекунд быстрее в день, чем часы на Земле. Конструкция GPS корректирует эту разницу; потому что без этого GPS вычисляла бы позиции с ошибками до 10 километров в день (6 миль/день). [17]
Когда Советский Союз запустил свой первый искусственный спутник ( Спутник-1 ) в 1957 году, два американских физика, Уильям Гайер и Джордж Вайффенбах, в Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джонса Хопкинса решили следить за его радиопередачами. [18] В течение нескольких часов они поняли, что благодаря эффекту Доплера они могут точно определить, где находится спутник на своей орбите. Директор APL предоставил им доступ к своему UNIVAC для выполнения необходимых сложных расчетов.
В начале следующего года Фрэнк МакКлур, заместитель директора APL, попросил Гайера и Вайффенбаха исследовать обратную задачу: точно определить местоположение пользователя, зная местоположение спутника. (В то время ВМС разрабатывали ракету Polaris , запускаемую с подводной лодки , для чего им требовалось знать местоположение подводной лодки.) Это привело их и APL к разработке системы TRANSIT . [19] В 1959 году ARPA (переименованная в DARPA в 1972 году) также сыграла свою роль в TRANSIT. [20] [21] [22]
TRANSIT впервые был успешно испытан в 1960 году. [23] Он использовал созвездие из пяти спутников и мог обеспечивать навигационное определение местоположения 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 фазовом сравнении сигналов, передаваемых парами станций, [24] стала первой всемирной радионавигационной системой. Ограничения этих систем обусловили необходимость в более универсальном навигационном решении с большей точностью.
Хотя существовала широкая потребность в точной навигации в военном и гражданском секторах, почти ни одна из них не рассматривалась как оправдание миллиардов долларов, которые потребовались бы для исследований, разработки, развертывания и эксплуатации созвездия навигационных спутников. Во время гонки вооружений Холодной войны ядерная угроза существованию Соединенных Штатов была единственной потребностью, которая оправдывала эти затраты с точки зрения Конгресса Соединенных Штатов. Этот сдерживающий эффект и был причиной финансирования GPS. [ необходима цитата ] Это также причина сверхсекретности в то время. Ядерная триада состояла из баллистических ракет подводных лодок ВМС США (БРПЛ) вместе со стратегическими бомбардировщиками и межконтинентальными баллистическими ракетами (МБР ) ВВС США . Точное определение позиции запуска БРПЛ, считающееся жизненно важным для позиции ядерного сдерживания , было фактором умножения силы .
Точная навигация позволила бы американским подводным лодкам с баллистическими ракетами точно определять свои позиции до запуска БРПЛ. [25] ВВС США, имея две трети ядерной триады, также имели потребность в более точной и надежной навигационной системе. ВМС США и ВВС США параллельно разрабатывали собственные технологии для решения по сути той же проблемы.
Для повышения живучести МБР предлагалось использовать мобильные стартовые платформы (сравнимые с советскими СС-24 и СС-25 ), поэтому необходимость фиксации стартовой позиции имела сходство с ситуацией с БРПЛ.
В 1960 году ВВС предложили радионавигационную систему под названием MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control), которая по сути была 3-D LORAN. Последующее исследование, Project 57, было выполнено в 1963 году, и именно «в этом исследовании родилась концепция GPS». В том же году концепция была продолжена как Project 621B, которая имела «многие атрибуты, которые вы сейчас видите в GPS» [26] и обещала повышенную точность для бомбардировщиков ВВС, а также для МБР.
Обновления от системы Navy TRANSIT были слишком медленными для высоких скоростей работы ВВС. Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) продолжала добиваться успехов со своими спутниками Timation (Time Navigation), первый из которых был запущен в 1967 году, второй — в 1969 году, третий — в 1974 году, выведший на орбиту первые атомные часы , а четвертый — в 1977 году. [27]
Другой важный предшественник GPS появился в другом подразделении вооруженных сил США. В 1964 году армия США вывела на орбиту свой первый спутник последовательного сопоставления дальности ( SECOR ), использовавшийся для геодезической съемки. [28] Система SECOR включала три наземных передатчика в известных местах, которые отправляли сигналы на спутниковый ретранслятор на орбите. Четвертая наземная станция в неопределенном месте могла затем использовать эти сигналы для точного определения своего местоположения. Последний спутник SECOR был запущен в 1969 году. [29]
С этими параллельными разработками в 1960-х годах стало понятно, что можно разработать превосходную систему, синтезировав лучшие технологии из 621B, Transit, Timation и SECOR в многофункциональной программе. Необходимо было устранить ошибки орбитального положения спутников, вызванные изменениями в гравитационном поле и рефракцией радара среди прочего. Группа под руководством Гарольда Л. Джури из Pan Am Aerospace Division во Флориде с 1970 по 1973 год использовала для этого ассимиляцию данных в реальном времени и рекурсивную оценку, что позволило снизить систематические и остаточные ошибки до управляемого уровня, что позволило осуществлять точную навигацию. [30]
В выходные, посвященные Дню труда в 1973 году, на встрече примерно двенадцати военных офицеров в Пентагоне обсуждалось создание Спутниковой системы оборонной навигации (DNSS) . Именно на этой встрече был создан настоящий синтез, который стал GPS. Позже в том же году программа DNSS была названа Navstar. [31] Navstar часто ошибочно считается аббревиатурой от «NAVigation System using Timing And Ranging», но никогда не рассматривалась как таковая Объединенным программным офисом GPS (TRW, возможно, когда-то выступала за другую навигационную систему, которая использовала эту аббревиатуру). [32] Поскольку отдельные спутники были связаны с названием Navstar (как и с предшественниками Transit и Timation), для обозначения созвездия спутников Navstar использовалось более полное название — Navstar-GPS . [33] Десять прототипов спутников « Block I » были запущены между 1978 и 1985 годами (еще один спутник был уничтожен в результате неудачного запуска). [34]
Влияние ионосферы на радиопередачу исследовалось в геофизической лаборатории Исследовательской лаборатории ВВС в Кембридже , переименованной в Геофизическую исследовательскую лабораторию ВВС (AFGRL) в 1974 году. AFGRL разработала модель Клобучара для вычисления ионосферных поправок к местоположению GPS. [35] Следует отметить работу, проделанную австралийским космическим ученым Элизабет Эссекс-Коэн в AFGRL в 1974 году. Она занималась искривлением путей радиоволн ( атмосферная рефракция ), пересекающих ионосферу от спутников NavSTAR. [36]
После того, как рейс 007 авиакомпании Korean Air Lines , Boeing 747 на борту которого находились 269 человек, был сбит советским самолетом-перехватчиком после отклонения от маршрута в запрещённом воздушном пространстве из-за навигационных ошибок [37] в районе островов Сахалин и Монерон , президент Рональд Рейган издал директиву, согласно которой GPS будет свободно доступен для гражданского использования, как только он будет достаточно развит, как общее благо. [38] Первый спутник Block II был запущен 14 февраля 1989 года [39] , а 24-й спутник был запущен в 1994 году. Стоимость программы GPS на тот момент, не включая стоимость пользовательского оборудования, но включая стоимость запусков спутников, оценивалась в 5 миллиардов долларов США (что эквивалентно 10 миллиардам долларов в 2023 году). [40]
Первоначально сигнал самого высокого качества был зарезервирован для военного использования, а сигнал, доступный для гражданского использования, был намеренно ухудшен в политике, известной как Выборочная доступность . Это изменилось 1 мая 2000 года, когда президент Билл Клинтон подписал директиву о политике отключения Выборочной доступности, чтобы предоставить гражданским лицам ту же точность, которая была предоставлена военным. Директива была предложена министром обороны США Уильямом Перри в связи с широким распространением дифференциальных услуг GPS частной промышленностью для повышения гражданской точности. Более того, американские военные разрабатывали технологии, чтобы лишить потенциальных противников обслуживания GPS на региональной основе. [41] Выборочная доступность была удалена из архитектуры GPS, начиная с GPS-III.
С момента развертывания, США внедрили несколько усовершенствований в службу GPS, включая новые сигналы для гражданского использования и повышенную точность и целостность для всех пользователей, при этом сохраняя совместимость с существующим оборудованием GPS. Модернизация спутниковой системы была постоянной инициативой Министерства обороны США посредством серии приобретений спутников для удовлетворения растущих потребностей военных, гражданских лиц и коммерческого рынка.
По состоянию на начало 2015 года высококачественные GPS-приемники стандартной службы позиционирования (SPS) обеспечивали горизонтальную точность лучше 3,5 метров (11 футов) [7] , хотя на эту точность могут влиять многие факторы, такие как качество приемника и антенны, а также атмосферные условия.
GPS принадлежит правительству США и управляется им как национальным ресурсом. Министерство обороны является управляющим GPS. Межведомственный исполнительный совет GPS (IGEB) курировал вопросы политики GPS с 1996 по 2004 год. После этого в 2004 году президентской директивой был создан Национальный исполнительный комитет по космическому позиционированию, навигации и времени для консультирования и координации федеральных департаментов и агентств по вопросам, касающимся GPS и связанных с ним систем. [42] Исполнительный комитет возглавляется совместно заместителями министра обороны и министра транспорта. В его состав входят должностные лица эквивалентного уровня из Государственного департамента, Министерства торговли и Министерства внутренней безопасности, Объединенного комитета начальников штабов и NASA . Компоненты исполнительного аппарата президента участвуют в качестве наблюдателей в исполнительном комитете, а председатель FCC участвует в качестве связующего звена.
Министерство обороны США обязано по закону «поддерживать стандартную службу позиционирования (как определено в федеральном плане радионавигации и спецификации сигнала стандартной службы позиционирования), которая будет доступна на постоянной основе во всем мире», а также «разрабатывать меры по предотвращению враждебного использования GPS и ее дополнений без неоправданного нарушения или ухудшения гражданского использования».
10 февраля 1993 года Национальная ассоциация аэронавтики выбрала команду GPS в качестве победителей премии Robert J. Collier Trophy 1992 года — самой престижной авиационной награды США. В эту команду вошли исследователи из Военно-морской исследовательской лаборатории, ВВС США, Aerospace Corporation , Rockwell International Corporation и IBM Federal Systems Company. Награда присуждается им «за наиболее значимые разработки в области безопасной и эффективной навигации и наблюдения за воздушными и космическими аппаратами с момента появления радионавигации 50 лет назад».
Двое разработчиков GPS получили премию имени Чарльза Старка Дрейпера Национальной инженерной академии за 2003 год:
Разработчик GPS Роджер Л. Истон получил Национальную медаль за технологии 13 февраля 2006 года. [65]
Фрэнсис Икс. Кейн (полковник ВВС США в отставке) был включен в Зал славы пионеров космонавтики и ракетостроения ВВС США на авиабазе Лэкленд, Сан-Антонио, штат Техас, 2 марта 2010 года за его роль в развитии космических технологий и инженерной концепции проектирования GPS, реализованной в рамках проекта 621B.
В 1998 году технология GPS была включена в Зал славы космических технологий Космического фонда . [66]
4 октября 2011 года Международная астронавтическая федерация (IAF) наградила Глобальную систему позиционирования (GPS) своей 60-летней наградой, номинированной членом IAF, Американским институтом аэронавтики и астронавтики (AIAA). Комитет по почестям и наградам IAF признал уникальность программы GPS и образцовую роль, которую она сыграла в построении международного сотрудничества на благо человечества. [67]
6 декабря 2018 года Глэдис Уэст была включена в Зал славы пионеров космонавтики и ракет ВВС в знак признания ее работы над чрезвычайно точной геодезической моделью Земли, которая в конечном итоге была использована для определения орбиты созвездия GPS. [68]
12 февраля 2019 года четырем основателям проекта была присуждена премия королевы Елизаветы за инженерные науки, а председатель комиссии по присуждению наград заявил: «Инженерное дело — это основа цивилизации; другой основы не существует; оно заставляет вещи происходить. И это именно то, что сделали сегодняшние лауреаты — они заставили вещи происходить. Они в значительной степени переписали инфраструктуру нашего мира». [69]
Спутники GPS несут очень стабильные атомные часы , которые синхронизированы друг с другом и с опорными атомными часами на наземных станциях управления; любой дрейф часов на борту спутников от опорного времени, поддерживаемого на наземных станциях, регулярно корректируется. [70] Поскольку скорость радиоволн ( скорость света ) [71] постоянна и не зависит от скорости спутника, задержка времени между тем, когда спутник передает сигнал, и тем, когда наземная станция его получает, пропорциональна расстоянию от спутника до наземной станции. С помощью информации о расстоянии, собранной с нескольких наземных станций, координаты местоположения любого спутника в любое время могут быть рассчитаны с большой точностью.
Каждый спутник GPS несет точную запись своего собственного положения и времени и непрерывно передает эти данные. На основе данных, полученных от нескольких спутников GPS , приемник GPS конечного пользователя может вычислить свое собственное четырехмерное положение в пространстве-времени ; Однако, как минимум, четыре спутника должны быть в поле зрения приемника, чтобы он мог вычислить четыре неизвестные величины (три координаты положения и отклонение собственных часов от времени спутника). [72]
Каждый спутник GPS непрерывно передает сигнал ( несущую волну с модуляцией ), который включает в себя:
Концептуально 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 приемника-спутника плюс разница во времени между приемником и спутниками GPS, умноженная на скорость света, которые называются псевдодальностями. Затем приемник вычисляет свое трехмерное положение и отклонение часов из четырех TOF.
На практике положение приемника (в трехмерной декартовой системе координат с началом в центре Земли) и смещение часов приемника относительно времени GPS вычисляются одновременно с использованием навигационных уравнений для обработки TOF.
Местоположение решения приемника, центрированного на Земле, обычно преобразуется в широту , долготу и высоту относительно эллипсоидальной модели Земли. Затем высота может быть дополнительно преобразована в высоту относительно геоида , который по сути является средним уровнем моря. Эти координаты могут отображаться, например, на дисплее движущейся карты , или записываться или использоваться какой-либо другой системой, например, системой наведения транспортного средства.
Хотя обычно они не формируются явно в процессе обработки приемника, концептуальные разности времени прибытия (TDOA) определяют геометрию измерения. Каждый TDOA соответствует гиперболоиду вращения (см. Мультилатерация ). Линия, соединяющая два задействованных спутника (и ее расширения), образует ось гиперболоида. Приемник расположен в точке пересечения трех гиперболоидов. [73] [74]
Иногда неправильно говорят, что местоположение пользователя находится на пересечении трех сфер. Хотя это проще визуализировать, это имеет место только в том случае, если у приемника есть часы, синхронизированные с часами спутника (т. е. приемник измеряет истинные расстояния до спутников, а не разницу в расстояниях). Существуют заметные преимущества производительности для пользователя, имеющего часы, синхронизированные со спутниками. Прежде всего, для вычисления решения о местоположении требуется всего три спутника. Если бы это было неотъемлемой частью концепции GPS, то можно было бы развернуть меньшее количество спутников, но стоимость и сложность пользовательского оборудования возросли бы.
Описание выше является репрезентативным для ситуации запуска приемника. Большинство приемников имеют алгоритм отслеживания , иногда называемый трекером , который объединяет наборы спутниковых измерений, собранных в разное время, — по сути, используя тот факт, что последовательные положения приемника обычно близки друг к другу. После обработки набора измерений трекер прогнозирует местоположение приемника, соответствующее следующему набору спутниковых измерений. Когда собираются новые измерения, приемник использует схему взвешивания для объединения новых измерений с прогнозом трекера. В общем, трекер может (a) улучшить точность положения и времени приемника, (b) отклонить плохие измерения и (c) оценить скорость и направление приемника.
Недостатком трекера 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 положения, падает ниже или около случайной погрешности измерения положения. Устройства GPS могут использовать измерения доплеровского сдвига полученных сигналов для точного вычисления скорости. [75] Более продвинутые навигационные системы используют дополнительные датчики, такие как компас или инерциальная навигационная система, в дополнение к GPS.
Для точной навигации GPS требуется наличие четырех или более спутников. Решение навигационных уравнений дает местоположение приемника вместе с разницей между временем, отсчитываемым бортовыми часами приемника, и истинным временем суток, тем самым устраняя необходимость в более точных и, возможно, непрактичных часах на базе приемника. Такие приложения для GPS, как передача времени , синхронизация сигналов дорожного движения и синхронизация базовых станций сотовой связи , используют это дешевое и высокоточное время. Некоторые приложения GPS используют это время для отображения или, за исключением основных расчетов положения, не используют его вообще.
Хотя для нормальной работы требуется четыре спутника, в особых случаях применяется меньшее количество. Если одна переменная уже известна, приемник может определить ее положение, используя только три спутника. Например, корабль в открытом океане обычно имеет известную высоту, близкую к 0 м , а высота самолета может быть известна. [a] Некоторые приемники GPS могут использовать дополнительные подсказки или предположения, такие как повторное использование последней известной высоты, точный расчет , инерциальная навигация или включение информации с бортового компьютера, чтобы дать (возможно, ухудшенное) положение, когда видно менее четырех спутников. [76] [77] [78]
Текущая GPS состоит из трех основных сегментов. Это космический сегмент, сегмент управления и пользовательский сегмент. [51] Космические силы США разрабатывают , поддерживают и эксплуатируют космический и контрольный сегменты. Спутники GPS передают сигналы из космоса, и каждый приемник GPS использует эти сигналы для расчета своего трехмерного местоположения (широта, долгота и высота) и текущего времени. [79]
Космический сегмент (КС) состоит из 24–32 спутников, или космических аппаратов (КА), на средней околоземной орбите , а также включает в себя адаптеры полезной нагрузки для ускорителей, необходимые для их запуска на орбиту. Первоначально конструкция GPS предусматривала 24 КА, по восемь на трех приблизительно круговых орбитах , [80] но это было изменено до шести орбитальных плоскостей с четырьмя спутниками в каждой. [81] Шесть орбитальных плоскостей имеют наклон приблизительно 55° (наклон относительно экватора Земли ) и разделены 60° прямого восхождения восходящего узла (угол вдоль экватора от точки отсчета до пересечения орбиты). [82] Орбитальный период составляет половину звездных суток , т. е . 11 часов и 58 минут, так что спутники проходят над одними и теми же местами [83] или почти над одними и теми же местами [84] каждый день. Орбиты расположены таким образом, что по крайней мере шесть спутников всегда находятся в пределах прямой видимости из любой точки на поверхности Земли (см. анимацию справа). [85] Результатом этой цели является то, что четыре спутника неравномерно разнесены (90°) друг от друга в пределах каждой орбиты. В общих чертах, угловая разница между спутниками на каждой орбите составляет 30°, 105°, 120° и 105° друг от друга, что в сумме составляет 360°. [86]
Находясь на орбите на высоте приблизительно 20 200 км (12 600 миль); радиус орбиты приблизительно 26 600 км (16 500 миль), [87] каждый SV совершает два полных оборота каждые звездные сутки , повторяя один и тот же наземный трек каждый день. [88] Это было очень полезно во время разработки, потому что даже при наличии всего четырех спутников правильное выравнивание означает, что все четыре видны из одного места в течение нескольких часов каждый день. Для военных операций повтор наземного трека может использоваться для обеспечения хорошего покрытия в зонах боевых действий.
По состоянию на февраль 2019 года [update][ 89] в созвездии GPS имеется 31 спутник , 27 из которых используются в данный момент времени, а остальные выделены в качестве резервных. 32-й был запущен в 2018 году, но по состоянию на июль 2019 года все еще находится на стадии оценки. Еще больше выведенных из эксплуатации спутников находятся на орбите и доступны в качестве запасных. Дополнительные спутники повышают точность расчетов приемника GPS, предоставляя избыточные измерения. С увеличением числа спутников созвездие было изменено на неравномерное расположение. Было показано, что такое расположение повышает точность, но также повышает надежность и доступность системы по сравнению с однородной системой, когда несколько спутников выходят из строя. [90] С расширенным созвездием девять спутников обычно видны в любое время из любой точки на Земле с чистым горизонтом, что обеспечивает значительную избыточность по сравнению с минимальными четырьмя спутниками, необходимыми для позиции.
Сегмент управления (CS) состоит из:
MCS также может получить доступ к наземным антеннам Satellite Control Network (SCN) (для дополнительных возможностей управления и контроля) и станциям мониторинга NGA ( Национальное агентство геопространственной разведки ). Траектории полета спутников отслеживаются специализированными станциями мониторинга Космических сил США на Гавайях, атолле Кваджалейн , острове Вознесения , Диего-Гарсия , Колорадо-Спрингс, Колорадо и мысе Канаверал , а также общими станциями мониторинга NGA, работающими в Англии, Аргентине, Эквадоре, Бахрейне, Австралии и Вашингтоне, округ Колумбия. [91] Информация об отслеживании отправляется в MCS на Космической силовой базе Шривер в 25 км (16 миль) к востоку-юго-востоку от Колорадо-Спрингс, которая управляется 2-й эскадрильей космических операций (2 SOPS) Космических сил США. Затем 2 SOPS регулярно связывается с каждым спутником GPS с навигационным обновлением, используя выделенные или общие (AFSCN) наземные антенны (выделенные наземные антенны GPS расположены на Кваджалейне , острове Вознесения , Диего-Гарсия и 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. [92]
Когда орбита спутника корректируется, спутник помечается как нездоровый , поэтому приемники его не используют. После маневра инженеры отслеживают новую орбиту с земли, загружают новые эфемериды и снова помечают спутник как здоровый.
Сегмент управления работой (OCS) в настоящее время служит в качестве сегмента управления записью. Он обеспечивает операционную возможность, которая поддерживает пользователей GPS и поддерживает работоспособность и производительность GPS в пределах спецификации.
В сентябре 2007 года OCS успешно заменил устаревший мэйнфрейм 1970-х годов на авиабазе Шривер. После установки система помогла провести модернизацию и заложила основу для новой архитектуры безопасности, которая поддерживала вооруженные силы США.
OCS продолжит оставаться наземной системой управления до тех пор, пока новый сегмент, Система управления операциями GPS следующего поколения [8] (OCX), не будет полностью разработан и функционален. Министерство обороны США заявило, что новые возможности, предоставляемые OCX, станут краеугольным камнем для революционного изменения возможностей миссии GPS, что позволит Космическим силам США значительно улучшить оперативные услуги GPS для боевых сил США, гражданских партнеров и множества внутренних и международных пользователей. [93] [94] Программа GPS OCX также снизит стоимость, график и технический риск. Она разработана для обеспечения 50% [95] экономии затрат на поддержание за счет эффективной архитектуры программного обеспечения и логистики на основе производительности. Кроме того, ожидается, что GPS OCX будет стоить на миллионы меньше, чем стоимость модернизации OCS, при этом обеспечивая в четыре раза больше возможностей.
Программа GPS OCX представляет собой важнейшую часть модернизации GPS и обеспечивает значительные улучшения в обеспечении безопасности информации по сравнению с текущей программой GPS OCS.
14 сентября 2011 года [96] ВВС США объявили о завершении предварительного обзора проекта GPS OCX и подтвердили, что программа OCX готова к следующему этапу разработки. Программа GPS OCX пропустила основные этапы и перенесла свой запуск на 2021 год, на 5 лет позже первоначального срока. По данным Счетной палаты правительства в 2019 году, срок 2021 года выглядел шатким. [97]
Проект оставался отложенным в 2023 году и (по состоянию на июнь 2023 года) на 73% превышал первоначальный предполагаемый бюджет. [98] [99] В конце 2023 года Фрэнк Калвелли, помощник министра ВВС по космическим приобретениям и интеграции, заявил, что, по оценкам, проект будет запущен в эксплуатацию где-то летом 2024 года. [100]
Сегмент пользователей (США) состоит из сотен тысяч пользователей защищенной службы точного позиционирования GPS в США и союзных странах, а также десятков миллионов гражданских, коммерческих и научных пользователей службы стандартного позиционирования. В общем, приемники GPS состоят из антенны, настроенной на частоты, передаваемые спутниками, процессоров приемника и высокостабильных часов (часто кварцевого генератора ) . Они также могут включать дисплей для предоставления пользователю информации о местоположении и скорости.
Приемники GPS могут включать вход для дифференциальных поправок, используя формат RTCM SC-104. Обычно это порт RS-232 со скоростью 4800 бит/с. Фактически данные отправляются с гораздо более низкой скоростью, что ограничивает точность сигнала, отправляемого с использованием RTCM. [ необходима цитата ] Приемники с внутренними приемниками DGPS могут превосходить те, которые используют внешние данные RTCM. [ необходима цитата ] По состоянию на 2006 год [update]даже недорогие устройства обычно включают приемники Wide Area Augmentation System (WAAS).
Многие GPS-приемники могут передавать данные о местоположении на ПК или другое устройство с помощью протокола NMEA 0183. Хотя этот протокол официально определен Национальной ассоциацией морской электроники (NMEA), [101] ссылки на этот протокол были собраны из общедоступных записей, что позволяет инструментам с открытым исходным кодом, таким как gpsd, читать протокол, не нарушая законы об интеллектуальной собственности. [ необходимо разъяснение ] Существуют также другие фирменные протоколы, такие как протоколы SiRF и MTK . Приемники могут взаимодействовать с другими устройствами с помощью таких методов, как последовательное соединение, USB или Bluetooth .
Хотя изначально GPS был военным проектом, его считают технологией двойного назначения , то есть она может иметь и важное гражданское применение.
GPS стал широко используемым и полезным инструментом для торговли, научных целей, отслеживания и наблюдения. Точное время GPS облегчает повседневные действия, такие как банковское дело, операции с мобильными телефонами и даже управление электросетями, позволяя хорошо синхронизированное переключение передач. [79]
Многие гражданские приложения используют один или несколько из трех основных компонентов GPS: абсолютное местоположение, относительное перемещение и передачу времени.
Правительство США контролирует экспорт некоторых гражданских приемников. Все приемники GPS, способные работать на высоте более 60 000 футов (18 км) над уровнем моря и на скорости 1000 узлов (500 м/с; 2000 км/ч; 1000 миль/ч), или разработанные или модифицированные для использования с беспилотными ракетами и самолетами, классифицируются как боеприпасы (оружие) — что означает, что они требуют экспортных лицензий Госдепартамента . [131] Это правило применяется даже к чисто гражданским устройствам, которые получают только частоту L1 и код C/A (Coarse/Acquisition).
Отключение работы выше этих пределов освобождает приемник от классификации как боеприпас. Интерпретации поставщиков различаются. Правило относится к работе как на целевой высоте, так и на целевой скорости, но некоторые приемники прекращают работу даже в неподвижном состоянии. Это вызвало проблемы с некоторыми запусками любительских радиошаров, которые регулярно достигают 30 км (100 000 футов).
Эти ограничения применяются только к единицам или компонентам, экспортируемым из США. Растет торговля различными компонентами, включая GPS-устройства из других стран. Они явно продаются как ITAR -free.
_bombs_in_the_forward_mess_decks.jpg/1280px-US_Navy_030319-N-4142G-020_Ordnance_handlers_assemble_Joint_Direct_Attack_Munition_(JDAM)_bombs_in_the_forward_mess_decks.jpg)
По состоянию на 2009 год военные приложения GPS включают в себя:
Навигация типа GPS впервые была использована в войне в Персидском заливе 1991 года , до того как GPS был полностью разработан в 1995 году, чтобы помочь коалиционным силам ориентироваться и выполнять маневры в войне. Война также продемонстрировала уязвимость GPS к глушению , когда иракские силы установили устройства глушения на вероятных целях, которые излучали радиошум, нарушая прием слабого сигнала GPS. [138]
Уязвимость GPS к глушению является угрозой, которая продолжает расти по мере роста оборудования для глушения и опыта. [139] [140] Сообщалось, что сигналы GPS глушились много раз на протяжении многих лет в военных целях. У России, похоже, есть несколько целей для этого подхода, таких как запугивание соседей, одновременно подрывая уверенность в их зависимости от американских систем, продвигая свою альтернативу ГЛОНАСС, нарушая западные военные учения и защищая активы от беспилотников. [141] Китай использует глушение, чтобы отпугнуть американские самолеты-разведчики вблизи спорных островов Спратли . [142] Северная Корея провела несколько крупных операций по глушению вблизи своей границы с Южной Кореей и в море, нарушая полеты, судоходство и рыболовные операции. [143] Иранские вооруженные силы нарушили работу GPS гражданского авиалайнера рейса PS752 , когда они сбили самолет. [144] [145]
В русско-украинской войне боеприпасы с GPS-наведением, предоставленные Украине странами НАТО, показали значительные показатели отказов в результате российской радиоэлектронной борьбы. Эффективность артиллерийских снарядов Excalibur при поражении целей снизилась с 70% до 6%, поскольку Россия адаптировала свои действия в области радиоэлектронной борьбы. [146]
В то время как большинство часов выводят свое время из всемирного координированного времени (UTC), атомные часы на спутниках установлены на время GPS . Разница в том, что время GPS не корректируется для соответствия вращению Земли, поэтому оно не содержит новых дополнительных секунд или других поправок, которые периодически добавляются к UTC. Время GPS было установлено для соответствия UTC в 1980 году, но с тех пор отклонилось. Отсутствие поправок означает, что время GPS остается с постоянным смещением относительно международного атомного времени (TAI) (TAI - GPS = 19 секунд). Периодические поправки вносятся в бортовые часы для их синхронизации с наземными часами. [77] : Раздел 1.2.2
Навигационное сообщение GPS включает разницу между временем GPS и UTC. По состоянию на январь 2017 года [update]время GPS опережает UTC на 18 секунд из-за високосной секунды, добавленной к UTC 31 декабря 2016 года. [147] 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 о смещении UTC. Поле смещения GPS-UTC может вмещать 255 високосных секунд (восемь бит).
Теоретически точность времени GPS составляет около 14 наносекунд из-за дрейфа часов относительно международного атомного времени , который испытывают атомные часы в передатчиках GPS. [148] Большинство приемников теряют некоторую точность в интерпретации сигналов и имеют точность только около 100 наносекунд. [149] [150]
GPS реализует две основные поправки к своим сигналам времени для релятивистских эффектов: одну для относительной скорости спутника и приемника, используя специальную теорию относительности, и одну для разницы в гравитационном потенциале между спутником и приемником, используя общую теорию относительности. Ускорение спутника также может быть вычислено независимо как поправка, в зависимости от цели, но обычно эффект уже рассматривается в первых двух поправках. [151] [152]
В отличие от формата года, месяца и дня григорианского календаря , дата GPS выражается как номер недели и номер секунды в неделе. Номер недели передается как десятибитное поле в навигационных сообщениях C/A и P(Y), и поэтому он снова становится нулевым каждые 1024 недели (19,6 лет). Нулевая неделя GPS началась в 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) 6 января 1980 года, а номер недели снова стал нулевым в первый раз в 23:59:47 UTC 21 августа 1999 года (00:00:19 TAI 22 августа 1999 года). Это произошло во второй раз в 23:59:42 UTC 6 апреля 2019 года. Для определения текущей григорианской даты приемник GPS должен быть снабжен приблизительной датой (с точностью до 3584 дней) для правильного перевода сигнала даты GPS. Чтобы решить эту проблему в будущем, модернизированное сообщение гражданской навигации GPS (CNAV) будет использовать 13-битное поле, которое повторяется только каждые 8192 недели (157 лет), таким образом, продолжаясь до 2137 года (157 лет после нулевой недели GPS).
Навигационные сигналы, передаваемые спутниками GPS, кодируют разнообразную информацию, включая положение спутников, состояние внутренних часов и работоспособность сети. Эти сигналы передаются на двух отдельных несущих частотах, которые являются общими для всех спутников в сети. Используются две различные кодировки: общедоступная кодировка, которая обеспечивает навигацию с более низким разрешением, и зашифрованная кодировка, используемая военными США. [153]
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 полное сообщение занимает 750 секунд ( 12+1 ⁄ 2 минуты) для завершения. Структура сообщения имеет базовый формат кадра длиной 1500 бит, состоящего из пяти подкадров, каждый из которых имеет длину 300 бит (6 секунд). Подкадры 4 и 5 подкоммутируются 25 раз каждый, так что полное сообщение данных требует передачи 25 полных кадров. Каждый подкадр состоит из десяти слов, каждое длиной 30 бит. Таким образом, при 300 бит в подкадре, умноженных на 5 подкадров в кадре, умноженных 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 в минуту или полминуты, как указано атомными часами на каждом спутнике. [154]
Первый подкадр каждого кадра кодирует номер недели и время в течение недели, [155] , а также данные о состоянии спутника. Второй и третий подкадры содержат эфемериды — точную орбиту спутника. Четвертый и пятый подкадры содержат альманах , который содержит грубую информацию об орбите и состоянии до 32 спутников в созвездии, а также данные, связанные с исправлением 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. Чтобы собрать все переданные альманахи, приемник должен демодулировать сообщение в течение 732–750 секунд или 12+1 ⁄ 2 минуты. [156]
Все спутники вещают на тех же частотах, кодируя сигналы с помощью уникального множественного доступа с кодовым разделением (CDMA), чтобы приемники могли отличать отдельные спутники друг от друга. Система использует два различных типа кодирования CDMA: код грубого/приобретения (C/A), который доступен 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. [157]
Эфемерида обновляется каждые 2 часа и достаточно стабильна в течение 4 часов, с возможностью обновления каждые 6 часов или дольше в неноминальных условиях. Альманах обновляется обычно каждые 24 часа. Кроме того, данные за несколько недель после этого загружаются в случае обновлений передачи, которые задерживают загрузку данных. [ необходима цитата ]
Все спутники вещают на тех же двух частотах, 1,57542 ГГц (сигнал L1) и 1,2276 ГГц (сигнал L2). Спутниковая сеть использует метод расширения спектра CDMA [158] : 607 , где данные сообщения с низкой скоростью кодируются с помощью высокоскоростной псевдослучайной (PRN) последовательности, которая отличается 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 код P для военного использования США передает со скоростью 10,23 миллиона чипов в секунду. Фактическая внутренняя ссылка спутников составляет 10,22999999543 МГц для компенсации релятивистских эффектов [159] [160] , которые заставляют наблюдателей на Земле воспринимать другую временную ссылку относительно передатчиков на орбите. Несущая L1 модулируется кодами C/A и P, тогда как несущая L2 модулируется только кодом P. [86] Код P может быть зашифрован как так называемый код P(Y), который доступен только для военного оборудования с соответствующим ключом дешифрования. Оба кода C/A и P(Y) сообщают пользователю точное время суток.
Сигнал L3 на частоте 1,38105 ГГц используется для передачи данных со спутников на наземные станции. Эти данные используются Системой обнаружения ядерных взрывов США (NUDET) (USNDS) для обнаружения, локализации и сообщения о ядерных взрывах (NUDET) в атмосфере Земли и ближнем космосе. [161] Одним из применений является обеспечение соблюдения договоров о запрете ядерных испытаний.
Диапазон L4 на частоте 1,379913 ГГц изучается для дополнительной ионосферной коррекции. [158] : 607
Частотный диапазон L5 на частоте 1,17645 ГГц был добавлен в процессе модернизации GPS . Эта частота попадает в защищенный на международном уровне диапазон для аэронавигационной связи, обещающий небольшие помехи или их отсутствие при любых обстоятельствах. Первый спутник Block IIF, который обеспечивает этот сигнал, был запущен в мае 2010 года. [162] 5 февраля 2016 года был запущен 12-й и последний спутник Block IIF. [163] L5 состоит из двух несущих компонентов, которые находятся в фазовой квадратуре друг с другом. Каждый несущий компонент представляет собой двухфазную ключевую модуляцию (BPSK), модулированную отдельной последовательностью битов. «L5, третий гражданский сигнал GPS, в конечном итоге будет поддерживать приложения безопасности человеческой жизни для авиации и обеспечивать улучшенную доступность и точность». [164]
В 2011 году LightSquared получил условное разрешение на эксплуатацию наземной широкополосной службы вблизи диапазона L1. Хотя LightSquared подала заявку на получение лицензии на работу в диапазоне 1525–1559 еще в 2003 году и она была вынесена на публичное обсуждение, FCC попросила LightSquared сформировать исследовательскую группу с сообществом GPS для тестирования приемников GPS и выявления проблем, которые могут возникнуть из-за большей мощности сигнала от наземной сети LightSquared. Сообщество GPS не возражало против заявок LightSquared (ранее MSV и SkyTerra) до ноября 2010 года, когда LightSquared подала заявку на изменение своего разрешения на вспомогательный наземный компонент (ATC). Эта заявка (SAT-MOD-20101118-00239) была равносильна запросу на запуск на несколько порядков большей мощности в том же диапазоне частот для наземных базовых станций, по сути, перепрофилируя то, что должно было быть «тихим районом» для сигналов из космоса, как эквивалент сотовой сети. Тестирование в первой половине 2011 года показало, что воздействие нижних 10 МГц спектра минимально для устройств GPS (затронуто менее 1% от общего числа устройств GPS). Верхние 10 МГц, предназначенные для использования LightSquared, могут оказать некоторое влияние на устройства GPS. Есть некоторые опасения, что это может серьезно ухудшить сигнал GPS для многих потребительских целей. [165] [166] Журнал Aviation Week сообщает, что последнее тестирование (июнь 2011 года) подтверждает «значительное глушение» GPS системой LightSquared. [167]
Поскольку все спутниковые сигналы модулируются на одной и той же несущей частоте L1, сигналы должны быть разделены после демодуляции. Это делается путем назначения каждому спутнику уникальной двоичной последовательности, известной как золотой код . Сигналы декодируются после демодуляции с использованием добавления золотых кодов, соответствующих спутникам, отслеживаемым приемником. [168] [169]
Если информация альманаха была получена ранее, приемник выбирает спутники для прослушивания по их PRN, уникальным номерам в диапазоне от 1 до 32. Если информация альманаха отсутствует в памяти, приемник переходит в режим поиска до тех пор, пока не будет получен захват на одном из спутников. Для получения захвата необходимо, чтобы была беспрепятственная линия видимости от приемника до спутника. Затем приемник может получить альманах и определить спутники, которые он должен прослушивать. Когда он обнаруживает сигнал каждого спутника, он идентифицирует его по его уникальному шаблону кода C/A. Может быть задержка до 30 секунд перед первой оценкой положения из-за необходимости считывания данных эфемерид.
Обработка навигационного сообщения позволяет определить время передачи и положение спутника в это время. Для получения дополнительной информации см. Demodulation and Decoding, Advanced .
Приемник использует сообщения, полученные со спутников, для определения положения спутников и времени отправки. Компоненты x, y и z положения спутника и время отправки ( s ) обозначаются как [ x i , y i , z i , s i ], где индекс i обозначает спутник и имеет значение 1, 2, ..., n , где n ≥ 4. Когда время приема сообщения, указанное бортовыми часами приемника, равно , истинное время приема равно , где b — смещение часов приемника от гораздо более точных часов GPS, используемых спутниками. Смещение часов приемника одинаково для всех полученных спутниковых сигналов (предполагая, что все спутниковые часы идеально синхронизированы). Время прохождения сообщения равно , где s i — время спутника. Предполагая, что сообщение передается со скоростью света , c , пройденное расстояние равно .
Для n спутников уравнения, которые необходимо удовлетворить, следующие:
где d i — геометрическое расстояние или дальность между приемником и спутником i (значения без индексов — это компоненты x, y и z положения приемника):
Определяя псевдодальности как , мы видим, что они являются смещенными версиями истинного диапазона:
Поскольку уравнения имеют четыре неизвестных [ x, y, z, b ] — три компонента положения приемника GPS и смещение часов — для попытки решения этих уравнений необходимы сигналы как минимум от четырех спутников. Их можно решить алгебраическими или численными методами. Существование и уникальность решений GPS обсуждаются Абеллом и Чаффи. [73] Когда n больше четырех, эта система переопределена и необходимо использовать метод подгонки .
Количество ошибок в результатах варьируется в зависимости 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 вычисленном положении. Это делается путем умножения базового разрешения приемника на величины, называемые коэффициентами геометрического разбавления положения (GDOP), вычисляемые из относительных направлений на небо используемых спутников. [172] Местоположение приемника выражается в определенной системе координат, такой как широта и долгота, с использованием геодезической системы отсчета WGS 84 или системы, специфичной для конкретной страны. [173]
Уравнения GPS могут быть решены численными и аналитическими методами. Геометрические интерпретации могут улучшить понимание этих методов решения.
Измеренные диапазоны, называемые псевдодальностями, содержат ошибки часов. В упрощенной идеализации, в которой диапазоны синхронизированы, эти истинные диапазоны представляют собой радиусы сфер, каждая из которых центрирована на одном из передающих спутников. Решение для положения приемника тогда находится на пересечении поверхностей этих сфер; см. трилатерацию (в более общем смысле, мультилатерацию истинной дальности). Требуются сигналы как минимум от трех спутников, и их три сферы обычно пересекаются в двух точках. [174] Одна из точек является местоположением приемника, а другая быстро перемещается в последовательных измерениях и обычно не находится на поверхности Земли.
На практике существует множество источников неточности, помимо смещения часов, включая случайные ошибки, а также потенциальную потерю точности из-за вычитания чисел, близких друг к другу, если центры сфер находятся относительно близко друг к другу. Это означает, что положение, рассчитанное только по трем спутникам, вряд ли будет достаточно точным. Данные с большего количества спутников могут помочь из-за тенденции к аннулированию случайных ошибок, а также за счет большего разброса между центрами сфер. Но в то же время большее количество сфер, как правило, не будет пересекаться в одной точке. Поэтому вычисляется близкое пересечение, как правило, с помощью наименьших квадратов. Чем больше доступно сигналов, тем лучше, вероятно, будет приближение.
Если псевдодальность между приемником и спутником i и псевдодальность между приемником и спутником j вычитаются, p i − p j , общее смещение часов приемника ( b ) отменяется, что приводит к разнице расстояний d i − d j . Геометрическое место точек, имеющих постоянную разницу в расстоянии до двух точек (в данном случае двух спутников), представляет собой гиперболу на плоскости и гиперболоид вращения (точнее, двухполостной гиперболоид ) в трехмерном пространстве (см. Мультилатерация ). Таким образом, из четырех измерений псевдодальности приемник может быть помещен на пересечение поверхностей трех гиперболоидов, каждый из которых имеет фокусы на паре спутников. С дополнительными спутниками множественные пересечения не обязательно являются уникальными, и вместо этого ищется наиболее подходящее решение. [73] [74] [175] [176] [177] [178]
Положение приемника можно интерпретировать как центр вписанной сферы (входящей сферы) радиуса bc , заданного смещением часов приемника b (масштабированным по скорости света c ). Положение входящей сферы таково, что она касается других сфер. Описывающие сферы центрированы на спутниках GPS, радиусы которых равны измеренным псевдодальностям p i . Эта конфигурация отличается от описанной выше, в которой радиусы сфер были несмещенными или геометрическими дальностями d i . [177] : 36–37 [179]
Часы в приемнике обычно не того же качества, что и часы 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) [180] с вершиной, расположенной на спутнике, и основанием в виде сферы вокруг спутника. Приемник находится на пересечении четырех или более таких гиперконусов.
При наличии более четырех спутников расчет может использовать четыре лучших или более четырех одновременно (вплоть до всех видимых спутников) в зависимости от количества каналов приемника, возможностей обработки и геометрического снижения точности (GDOP).
Использование более четырех приводит к переопределенной системе уравнений без единственного решения; такая система может быть решена методом наименьших квадратов или методом взвешенных наименьших квадратов. [170]
Оба уравнения для четырех спутников или уравнения наименьших квадратов для более чем четырех являются нелинейными и требуют специальных методов решения. Распространенный подход заключается в итерации на линеаризованной форме уравнений, такой как алгоритм Гаусса–Ньютона .
Первоначально GPS разрабатывался с использованием численного метода наименьших квадратов, т. е. до того, как были найдены решения в замкнутой форме.
Одно из решений в замкнутой форме для приведенного выше набора уравнений было разработано С. Банкрофтом. [171] [181] Его свойства хорошо известны; [73] [74] [182] в частности, сторонники утверждают, что оно превосходит итерационные методы наименьших квадратов в ситуациях с низким GDOP . [181]
Метод Банкрофта является алгебраическим, в отличие от числового, и может быть использован для четырех или более спутников. Когда используются четыре спутника, ключевыми шагами являются инверсия матрицы 4x4 и решение квадратного уравнения с одной переменной. Метод Банкрофта дает одно или два решения для неизвестных величин. Когда их два (обычно так), только одно является разумным решением в околоземном пространстве. [171]
Когда приемник использует более четырех спутников для решения, Банкрофт использует обобщенную обратную (т.е. псевдообратную) матрицу для поиска решения. Было показано, что итерационные методы, такие как подход алгоритма Гаусса-Ньютона для решения переопределенных нелинейных задач наименьших квадратов, как правило, обеспечивают более точные решения. [183]
Лейк и др. (2015) утверждают, что «решение Бэнкрофта (1985) является очень ранним, если не первым, решением в замкнутой форме». [184] Другие решения в замкнутой форме были опубликованы позже, [185] [186], хотя их принятие на практике неясно.
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 прибытия сигнала, численные расчеты, атмосферные эффекты (ионосферные/тропосферные задержки), эфемеридные и часовые данные, многолучевые сигналы, а также естественные и искусственные помехи. Величина остаточных ошибок от этих источников зависит от геометрического разбавления точности. Искусственные ошибки могут быть результатом помеховых устройств и угрожать кораблям и самолетам [187] или преднамеренного ухудшения сигнала из-за избирательной доступности, которая ограничивала точность до ≈ 6–12 м (20–40 футов), но была отключена с 1 мая 2000 года. [188] [189]
Улучшение GNSS относится к методам, используемым для повышения точности информации о местоположении, предоставляемой Глобальной системой позиционирования или другими глобальными навигационными спутниковыми системами в целом, сетью спутников, используемых для навигации.
Методы улучшения точности основаны на интеграции внешней информации в процесс расчета. Существует множество таких систем, и они, как правило, называются или описываются на основе того, как датчик GPS получает информацию. Некоторые системы передают дополнительную информацию об источниках ошибок (например, дрейф часов, эфемериды или ионосферная задержка ), другие предоставляют прямые измерения того, насколько сигнал был отключен в прошлом, в то время как третья группа предоставляет дополнительную навигационную или транспортную информацию для интеграции в процесс расчета.В Соединенных Штатах 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 Соединенных Штатах, как устройство Части 15, оно «должно принимать любые принимаемые помехи, включая помехи, которые могут вызвать нежелательную работу». [190] Что касается устройств GPS в частности, FCC заявляет, что производители приемников GPS «должны использовать приемники, которые разумно дискриминируют прием сигналов за пределами выделенного им спектра». [191] В течение последних 30 лет приемники GPS работали рядом с диапазоном мобильной спутниковой связи и дискриминировали прием мобильных спутниковых служб, таких как Inmarsat, без каких-либо проблем.
Спектр, выделенный FCC для использования GPS L1, составляет 1559–1610 МГц, в то время как спектр, выделенный для использования спутник-земля, принадлежит Lightsquared, — это диапазон мобильной спутниковой службы. [192] С 1996 года FCC разрешила лицензированное использование спектра, соседствующего с диапазоном GPS 1525–1559 МГц, компании LightSquared из Вирджинии . 1 марта 2001 года FCC получила заявку от предшественника LightSquared, Motient Services, на использование выделенных им частот для интегрированной спутниково-наземной службы. [193] В 2002 году Совет по промышленности GPS США заключил соглашение с LightSquared о внеполосных излучениях (OOBE), чтобы предотвратить передачу с наземных станций LightSquared в соседний диапазон GPS 1559–1610 МГц. [194] В 2004 году FCC приняла соглашение OOBE в своем разрешении для LightSquared на развертывание наземной сети, вспомогательной для их спутниковой системы, известной как вспомогательные компоненты башни (ATCs) — «Мы разрешим MSS ATC при условии, что добавленный наземный компонент останется вспомогательным по отношению к основному предложению MSS. Мы не намерены и не позволим, чтобы наземный компонент стал отдельной услугой». [195] Это разрешение было рассмотрено и одобрено Межведомственным консультативным комитетом по радиосвязи США, в который входят Министерство сельского хозяйства США , Космические силы США, Армия США, Береговая охрана США , Федеральное управление гражданской авиации , Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Министерство внутренних дел США и Министерство транспорта США . [196]
В январе 2011 года FCC условно разрешила оптовым клиентам LightSquared, таким как Best Buy , Sharp и C Spire , только приобретать интегрированную услугу спутникового и наземного базирования у LightSquared и перепродавать эту интегрированную услугу на устройствах, которые оборудованы только для использования наземного сигнала с использованием выделенных LightSquared частот от 1525 до 1559 МГц. [197] В декабре 2010 года производители GPS-приемников выразили FCC обеспокоенность тем, что сигнал LightSquared будет мешать работе GPS-приемников [165], хотя политические соображения FCC, предшествовавшие постановлению от января 2011 года, не касались каких-либо предлагаемых изменений максимального количества наземных станций LightSquared или максимальной мощности, на которой эти станции могут работать. Постановление от января 2011 года ставит окончательное разрешение в зависимость от исследований проблем помех GPS, проводимых рабочей группой под руководством LightSquared совместно с представителями отрасли GPS и федерального агентства. 14 февраля 2012 года Федеральная комиссия по связи (FCC) инициировала процедуру отмены условного отказа компании LightSquared на основании заключения NTIA о том, что в настоящее время не существует практического способа смягчить потенциальные помехи GPS.
Производители приемников GPS проектируют приемники GPS для использования спектра за пределами выделенного диапазона GPS. В некоторых случаях приемники GPS проектируются для использования до 400 МГц спектра в любом направлении частоты L1 1575,42 МГц, поскольку службы мобильной спутниковой связи в этих регионах вещают из космоса на землю и на уровнях мощности, соизмеримых с мобильными спутниковыми службами. [198] Как регламентируется в соответствии с правилами FCC Часть 15, приемники GPS не имеют гарантированной защиты от сигналов за пределами выделенного спектра GPS. [191] Вот почему GPS работает рядом с диапазоном мобильной спутниковой службы, а также почему диапазон мобильной спутниковой службы работает рядом с GPS. Симбиотическая связь распределения спектра гарантирует, что пользователи обоих диапазонов могут работать совместно и свободно.
В феврале 2003 года FCC приняла правила, которые позволили лицензиатам мобильной спутниковой связи (MSS), таким как LightSquared, построить небольшое количество вспомогательных наземных вышек в своем лицензированном спектре для «содействия более эффективному использованию наземного беспроводного спектра». [199] В этих правилах 2003 года FCC заявила: «В качестве предварительного вопроса наземная [коммерческая мобильная радиослужба (CMRS)] и MSS ATC, как ожидается, будут иметь разные цены, покрытие, принятие продукта и распространение; поэтому эти две службы, в лучшем случае, кажутся несовершенными заменителями друг друга, которые будут работать в преимущественно разных сегментах рынка... MSS ATC вряд ли будет напрямую конкурировать с наземной CMRS за ту же клиентскую базу...». В 2004 году FCC разъяснила, что наземные вышки будут вспомогательными, отметив: «Мы разрешим MSS ATC при условиях, которые гарантируют, что добавленный наземный компонент останется вспомогательным по отношению к основному предложению MSS. Мы не намерены и не позволим, чтобы наземный компонент стал отдельной услугой». [195] В июле 2010 года FCC заявила, что ожидает, что LightSquared воспользуется своими полномочиями для предложения интегрированной спутниково-наземной услуги для «предоставления услуг мобильной широкополосной связи, аналогичных тем, которые предоставляются наземными мобильными провайдерами, и повышения конкуренции в секторе мобильной широкополосной связи». [200] Производители GPS-приемников утверждают, что лицензированный спектр LightSquared от 1525 до 1559 МГц никогда не предполагался для использования для высокоскоростной беспроводной широкополосной связи на основе постановлений FCC ATC 2003 и 2004 годов, в которых четко указано, что компонент вспомогательной башни (ATC) будет, по сути, вспомогательным по отношению к основному спутниковому компоненту. [201] Чтобы заручиться общественной поддержкой усилий по продолжению авторизации FCC 2004 года вспомогательного наземного компонента LightSquared вместо простой наземной службы LTE в диапазоне мобильной спутниковой службы, производитель GPS-приемников Trimble Navigation Ltd. сформировал «Коалицию по спасению нашего GPS». [202]
FCC и LightSquared публично пообещали решить проблему помех GPS до того, как сети будет разрешено работать. [203] [204] По словам Криса Дэнси из Ассоциации владельцев и пилотов воздушных судов , пилоты авиакомпаний с такими системами, которые могут быть затронуты, «могут сбиться с курса и даже не осознать этого». [205] Проблемы также могут повлиять на обновление Федеральным управлением гражданской авиации системы управления воздушным движением , руководство Министерства обороны США и местные службы экстренной помощи , включая 911. [205]
14 февраля 2012 года Федеральная комиссия по связи США (FCC) приняла решение запретить LightSquared планируемую национальную широкополосную сеть после того, как Национальное управление по телекоммуникациям и информации (NTIA), федеральное агентство, которое координирует использование спектра для военных и других федеральных правительственных организаций, сообщило, что «в настоящее время нет практического способа смягчить потенциальные помехи». [206] [207] LightSquared оспаривает действия Федеральной комиссии по связи США (FCC). [ требуется обновление ]
После внедрения GPS в США другие страны также разработали свои собственные спутниковые навигационные системы. Эти системы включают:
Selective Availability ended a few minutes past midnight EDT after the end of May 1, 2000. The change occurred simultaneously across the entire satellite constellation.
