Система глобального позиционирования ( GPS ), первоначально Navstar GPS , [2] представляет собой спутниковую радионавигационную систему, принадлежащую правительству США и управляемую Космическими силами США . [3] Это одна из глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), которая предоставляет информацию о геолокации и времени GPS-приемнику в любой точке Земли или вблизи нее, где есть беспрепятственная прямая видимость для четырех или более спутников GPS. [4] Он 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. Он предоставляет возможности критического позиционирования военным, гражданским и коммерческим пользователям по всему миру. Хотя правительство Соединенных Штатов создало, контролирует и обслуживает систему GPS, к ней свободно доступен каждый, у кого есть GPS-приемник. [5]
Проект GPS был начат Министерством обороны США в 1973 году. Первый прототип космического корабля был запущен в 1978 году, а полная группировка из 24 спутников вступила в эксплуатацию в 1993 году. Первоначально использование было ограничено военными США, но гражданское использование было разрешено с 1980-е годы после указа президента Рональда Рейгана после катастрофы рейса 007 Korean Air Lines . [6] Достижения в области технологий и новые требования к существующей системе в настоящее время привели к усилиям по модернизации GPS и внедрению следующего поколения спутников GPS Block IIIA и системы оперативного управления следующего поколения (OCX) [7] , которая была одобрена США . Конгресс в 2000 году.
С начала 1990-х годов точность позиционирования GPS была снижена правительством США с использованием технологии под названием « Выборочная доступность» , которая могла выборочно ухудшить или запретить доступ к системе в любое время, [8] как это произошло с индийскими военными в 1999 году во время Каргильской войны. Война . В результате несколько организаций за пределами США, включая Россию , Китай , Индию , Японию и Европейский Союз , разработали или разрабатывают свои собственные глобальные или региональные спутниковые навигационные системы. Выборочная доступность была прекращена 1 мая 2000 года в соответствии с законопроектом, подписанным президентом Биллом Клинтоном . [9]
Когда функция выборочной доступности была прекращена, точность GPS составляла около 5 метров (16 футов). Приемники GPS , использующие диапазон L5, имеют гораздо более высокую точность - 30 сантиметров (12 дюймов), в то время как приемники для высокотехнологичных приложений, таких как инженерное дело и топографическая съемка, имеют точность в пределах 2 см ( 3/4 дюйма ) и могут даже обеспечить суб- точность до миллиметра при длительных измерениях. [9] [10] [11] Потребительские устройства, такие как смартфоны, могут иметь точность до 4,9 м (16 футов) или выше при использовании со вспомогательными службами, такими как позиционирование по Wi-Fi . [12]
По состоянию на июль 2023 года [обновлять]18 спутников GPS транслируют сигналы L5, которые считаются предоперационными, а затем будут транслироваться полным набором из 24 спутников в 2027 году. [13]
Проект GPS был запущен в США в 1973 году, чтобы преодолеть ограничения предыдущих навигационных систем, [14] объединив идеи нескольких предшественников, включая секретные инженерно-проектные исследования 1960-х годов. Министерство обороны США разработало систему, которая первоначально использовала 24 спутника для использования военными США, и стала полностью работоспособной в 1995 году. Гражданское использование было разрешено с 1980-х годов. Его изобретение приписывают Роджеру Л. Истону из Военно-морской исследовательской лаборатории , Ивану А. Геттингу из Аэрокосмической корпорации и Брэдфорду Паркинсону из Лаборатории прикладной физики . [15] Работа Глэдис Уэст по созданию математической геодезической модели Земли считается важной в развитии вычислительных методов определения положения спутников с точностью, необходимой для GPS. [16] [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 провести тест общей теории относительности — обнаружить замедление времени в сильном гравитационном поле с помощью 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 на Земле. Конструкция GPS компенсирует эту разницу; потому что без этого в расчетных координатах GPS будут накапливаться ошибки до 10 километров в день (6 миль в день). [18]
Когда Советский Союз запустил свой первый искусственный спутник ( «Спутник-1 ») в 1957 году, два американских физики, Уильям Гайер и Джордж Вайффенбах, из Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джонса Хопкинса решили контролировать его 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 UNIVAC для выполнения необходимых тяжелых расчетов.
В начале следующего года Фрэнк МакКлюр, заместитель директора APL, попросил Гайера и Вайффенбаха исследовать обратную задачу: определение местоположения пользователя по данным спутника. (В то время военно-морской флот разрабатывал ракету «Полярис» , запускаемую с подводных лодок, которая требовала от них знания местоположения подводной лодки.) Это побудило их и APL разработать систему TRANSIT . [20] В 1959 году ARPA (переименованная в DARPA в 1972 году) также играла роль в TRANSIT. [21] [22] [23]
Впервые TRANSIT был успешно испытан в 1960 году. [24] Он использовал группировку из пяти спутников и мог обеспечивать навигационное определение 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 первой в мире радионавигационной системой стала наземная навигационная система OMEGA , основанная на фазовом сравнении передачи сигналов от пар станций [25] . Ограничения этих систем привели к необходимости создания более универсального навигационного решения с большей точностью.
Хотя существовали широкие потребности в точной навигации в военном и гражданском секторах, почти ни одна из них не рассматривалась как оправдание миллиардов долларов, которые потребовались бы на исследования, разработку, развертывание и эксплуатацию группировки навигационных спутников. Во время гонки вооружений «холодной войны » ядерная угроза существованию Соединённых Штатов была единственной необходимостью, которая, по мнению Конгресса Соединённых Штатов, оправдывала эти затраты. Именно этот сдерживающий эффект и послужил причиной финансирования GPS. Это также причина сверхсекретности того времени. Ядерная триада состояла из баллистических ракет подводных лодок (БРПЛ) ВМС США, стратегических бомбардировщиков ВВС США (ВВС США) и межконтинентальных баллистических ракет (МБР). Точное определение позиции запуска БРПЛ, которое считалось жизненно важным для политики ядерного сдерживания , повышало силу .
Точная навигация позволит подводным лодкам США с баллистическими ракетами точно определять свое положение до запуска своих БРПЛ. [26] ВВС США, располагающие двумя третями ядерной триады, также предъявляли требования к более точной и надежной навигационной системе. ВМС США и ВВС США параллельно разрабатывали собственные технологии для решения, по сути, одной и той же проблемы.
Для повышения живучести МБР было предложено использовать мобильные пусковые платформы (сравнимы 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 (мобильная система точного управления межконтинентальными баллистическими ракетами), которая по сути представляла собой трехмерный ЛОРАН. Последующее исследование «Проект 57» было проведено в 1963 году, и «именно в этом исследовании родилась концепция GPS». В том же году эта концепция получила развитие как проект 621B, который обладал «многими характеристиками, которые вы сейчас видите в GPS» [27] и обещал повышенную точность для бомбардировщиков ВВС, а также межконтинентальных баллистических ракет.
Обновления из системы Navy TRANSIT были слишком медленными для высоких скоростей работы ВВС. Лаборатория военно-морских исследований (NRL) продолжала совершенствовать свои спутники синхронизации (временной навигации), первый из которых был запущен в 1967 году, второй — в 1969 году, третий в 1974 году вывел на орбиту первые атомные часы , а четвертый — в 1977 году. [28] ]
Еще один важный предшественник GPS пришел из другого подразделения вооруженных сил США. В 1964 году армия Соединенных Штатов вывела на орбиту свой первый спутник последовательного сопоставления дальности ( SECOR ), используемый для геодезической съемки. [29] Система SECOR включала в себя три наземных передатчика в известных местах, которые будут передавать сигналы на спутниковый транспондер на орбите. Четвертая наземная станция, находящаяся в неопределенном положении, сможет затем использовать эти сигналы для точного определения своего местоположения. Последний спутник SECOR был запущен в 1969 году. [30]
Благодаря этим параллельным разработкам в 1960-х годах стало понятно, что превосходную систему можно разработать путем синтеза лучших технологий 621B, Transit, Timation и SECOR в мультисервисной программе. Необходимо было устранить ошибки орбитального положения спутников, вызванные, среди прочего, изменениями гравитационного поля и рефракции радара. Группа, возглавляемая Гарольдом Л. Джури из аэрокосмического подразделения Pan Am во Флориде с 1970 по 1973 год, использовала для этого ассимиляцию данных в реальном времени и рекурсивную оценку, уменьшая систематические и остаточные ошибки до управляемого уровня, чтобы обеспечить точную навигацию. [31]
Во время выходных, посвященных Дню труда в 1973 году, на встрече около двенадцати офицеров в Пентагоне обсуждался вопрос создания оборонной навигационной спутниковой системы (DNSS) . Именно на этой встрече был создан настоящий синтез, который стал НГМ. Позже в том же году программа DNSS получила название «Навстар». [32] Navstar часто ошибочно считают аббревиатурой «Навигационная система, использующая время и дальность», но офис Объединенной программы GPS никогда не считал ее таковой (TRW, возможно, когда-то выступала за другую навигационную систему, в которой использовалась бы эта аббревиатура). [33] Поскольку отдельные спутники ассоциировались с названием «Навстар» (как и в случае с предшественниками «Транзит» и «Тимейшн»), для идентификации созвездия спутников «Навстар» использовалось более полное название — « Навстар-GPS» . [34] В период с 1978 по 1985 год было запущено десять прототипов спутников « Блок I » (дополнительный блок был уничтожен 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 ученым-космонавтом Элизабет Эссекс-Коэн в AFGRL в 1974 году. Она занималась искривлением путей радиоволн ( атмосферной рефракции ), проходящих через ионосферу от спутников NavSTAR. [37]
После того, как рейс 007 Korean Air Lines , Боинг 747 с 269 людьми, был сбит советским самолетом-перехватчиком после отклонения в запрещенном воздушном пространстве из-за навигационных ошибок, [38] в районе Сахалина и островов Монерон , президент Рональд Рейган издал директиву сделать GPS бесплатно доступной для гражданского использования, как только она будет достаточно развита, как общее благо. [39] Первый спутник Block II был запущен 14 февраля 1989 года, [40] а 24-й спутник был запущен в 1994 году. Стоимость программы GPS на данный момент не включает стоимость пользовательского оборудования, но включает затраты на запусков спутников оценивается в 5 миллиардов долларов США (что эквивалентно 10 миллиардам долларов США в 2022 году). [41]
Первоначально сигнал самого высокого качества был зарезервирован для использования в военных целях, а сигнал, доступный для гражданского использования, намеренно ухудшался в соответствии с политикой, известной как выборочная доступность . Ситуация изменилась 1 мая 2000 года, когда президент Билл Клинтон подписал политическую директиву об отключении выборочной доступности, чтобы обеспечить гражданским лицам ту же точность, которая была предоставлена военным. Директива была предложена министром обороны США Уильямом Перри в связи с повсеместным ростом услуг дифференциальной GPS со стороны частного сектора для повышения точности гражданских целей. Более того, американские военные разрабатывали технологии, позволяющие лишить потенциальных противников услуг GPS на региональной основе. [42] Выборочная доступность была удалена из архитектуры GPS, начиная с GPS-III.
С момента ее развертывания в США было реализовано несколько улучшений службы GPS, включая новые сигналы для гражданского использования, а также повышенную точность и целостность для всех пользователей, сохраняя при этом совместимость с существующим оборудованием GPS. Модернизация спутниковой системы является постоянной инициативой Министерства обороны США посредством серии приобретений спутников для удовлетворения растущих потребностей военных, гражданского населения и коммерческого рынка.
По состоянию на начало 2015 года высококачественные GPS-приемники службы стандартного позиционирования (SPS) обеспечивали горизонтальную точность лучше, чем 3,5 метра (11 футов) [9] , хотя на эту точность могут влиять многие факторы, такие как качество приемника и антенны, а также атмосферные проблемы.
GPS принадлежит и управляется правительством США как национальный ресурс. Министерство обороны является управляющим GPS. Межведомственный исполнительный совет GPS (IGEB) курировал вопросы политики GPS с 1996 по 2004 год. После этого указом президента в 2004 году был создан Национальный исполнительный комитет по космическому позиционированию, навигации и синхронизации для консультирования и координации федеральных департаментов и агентств по вопросам, касающимся GPS и связанные с ним системы. [43] Исполнительный комитет совместно возглавляют заместители министра обороны и транспорта. В его состав входят должностные лица эквивалентного уровня из Государственного департамента, Министерства торговли и внутренней безопасности, Объединенного комитета начальников штабов и НАСА . Компоненты исполнительного аппарата президента участвуют в исполнительном комитете в качестве наблюдателей, а председатель Федеральной комиссии по связи участвует в качестве связующего звена.
По закону Министерство обороны США обязано «поддерживать стандартную службу позиционирования (как определено в федеральном плане радионавигации и спецификации сигналов стандартной службы позиционирования), которая будет доступна на постоянной, всемирной основе», и «разрабатывать меры по предотвращению враждебное использование GPS и ее дополнений без неоправданного нарушения или ухудшения гражданского использования».
10 февраля 1993 года Национальная ассоциация аэронавтики выбрала команду GPS победителями трофея Роберта Дж. Кольера 1992 года , самой престижной авиационной награды США. В эту команду входят исследователи из Военно-морской исследовательской лаборатории, ВВС США, Аэрокосмической корпорации , Rockwell International Corporation и компании IBM Federal Systems. Эта награда присуждается им «за наиболее значительное достижение в области безопасной и эффективной навигации и наблюдения за воздушными и космическими аппаратами с момента внедрения радионавигации 50 лет назад».
Два разработчика GPS получили премию Чарльза Старка Дрейпера Национальной инженерной академии за 2003 год:
Разработчик GPS Роджер Л. Истон получил Национальную медаль технологий 13 февраля 2006 года. [66]
Фрэнсис X. Кейн (полковник ВВС США в отставке) был введен в Зал славы пионеров космической и ракетной техники ВВС США на авиабазе Лэкленд в Сан-Антонио, штат Техас, 2 марта 2010 г. за его роль в разработке космических технологий и инженерных разработках. Концепция проектирования ГНС выполнена в рамках проекта 621Б.
В 1998 году технология GPS была занесена в Зал славы космических технологий Космического фонда . [67]
4 октября 2011 года Международная астронавтическая федерация (IAF) вручила Глобальной системе позиционирования (GPS) награду в честь 60-летия, номинированную 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 построении международного сотрудничества на благо человечества. [68]
6 декабря 2018 года Глэдис Уэст была введена в Зал славы пионеров космической и ракетной техники ВВС в знак признания ее работы над чрезвычайно точной геодезической моделью Земли, которая в конечном итоге использовалась для определения орбиты созвездия GPS. [69]
12 февраля 2019 года четыре члена-основателя проекта были награждены Премией королевы Елизаветы в области инженерии, а председатель совета по награждению заявил: «Инженерия — это основа цивилизации; другой основы не существует; она заставляет вещи происходить. И это именно то, что сделали сегодняшние лауреаты – они добились результатов. Они в значительной степени переписали инфраструктуру нашего мира». [70]
Спутники GPS несут очень стабильные атомные часы , которые синхронизированы друг с другом и с эталонными атомными часами на наземных станциях управления; любое отклонение часов на борту спутников от эталонного времени, поддерживаемого на наземных станциях, регулярно корректируется. [71] Поскольку скорость радиоволн ( скорость света ) [72] постоянна и не зависит от скорости спутника, временная задержка между тем, когда спутник передает сигнал, и наземной станцией получает его, пропорциональна расстоянию от спутника. на наземную станцию. Благодаря информации о расстоянии, собранной с нескольких наземных станций, координаты местоположения любого спутника в любое время могут быть рассчитаны с большой точностью.
Каждый спутник GPS хранит точную запись своего положения и времени и непрерывно передает эти данные. На основе данных, полученных от нескольких спутников GPS , GPS-приемник конечного пользователя может рассчитать свое собственное четырехмерное положение в пространстве-времени ; Однако, как минимум, четыре спутника должны находиться в поле зрения приемника, чтобы он мог вычислить четыре неизвестных величины (три координаты положения и отклонение собственных часов от спутникового времени). [73]
Каждый спутник GPS постоянно передает сигнал ( несущую волну с модуляцией ), который включает в себя:
Концептуально приемник измеряет TOA (по собственным часам) четырех спутниковых сигналов. Из TOA и TOT приемник формирует четыре значения времени полета (TOF), которые (с учетом скорости света) примерно эквивалентны дальностям между приемником и спутником 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 на основе 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 решения, ориентированного на Землю, обычно преобразуется в широту , долготу и высоту относительно эллипсоидальной модели Земли. Затем высоту можно преобразовать в высоту относительно геоида , которая по сути является средним уровнем моря. Эти координаты могут отображаться, например, на движущейся карте , или записываться или использоваться какой-либо другой системой, например системой наведения транспортного средства.
Хотя концептуальные разности времени прибытия (TDOA) обычно не формируются явно при обработке приемника, они определяют геометрию измерения. Каждый TDOA соответствует гиперболоиду вращения (см. Мультилатерация ). Линия, соединяющая два задействованных спутника (и ее продолжения), образует ось гиперболоида. Приемник расположен в точке пересечения трех гиперболоидов. [74] [75]
Иногда неправильно говорят, что местоположение пользователя находится на пересечении трёх сфер. Хотя это проще визуализировать, это имеет место только в том случае, если приемник имеет часы, синхронизированные с часами спутника (т. е. приемник измеряет истинную дальность до спутников, а не разницу дальностей). Пользователь, имеющий часы, синхронизированные со спутниками, получает заметные преимущества в производительности. Прежде всего, для расчета местоположения необходимы только три спутника. Если бы неотъемлемой частью концепции GPS было то, что всем пользователям необходимо было иметь при себе синхронизированные часы, можно было бы развернуть меньшее количество спутников, но стоимость и сложность пользовательского оборудования увеличились бы.
Приведенное выше описание представляет собой ситуацию 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 приемников обычно расположены близко 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 (а) улучшить точность положения и времени приемника, (б) отклонить неверные измерения и (в) 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 близко к случайной ошибке измерения положения. Устройства GPS могут использовать измерения доплеровского сдвига полученных сигналов для точного расчета скорости. [76] 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 положение приемника, а также разницу между временем, отображаемым на бортовых часах приемника, и истинным временем суток, тем самым устраняя необходимость в более точных и, возможно, непрактичных часах на основе приемника. . Приложения для GPS, такие как передача времени , синхронизация сигналов светофора и синхронизация базовых станций сотовых телефонов , используют эту дешевую и очень точную синхронизацию. Некоторые приложения GPS используют это время для отображения или, за исключением базовых расчетов положения, не используют его вообще.
Хотя для нормальной работы требуется четыре спутника, в особых случаях их может быть меньше. 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, счисление пути , инерциальная навигация или включение информации от компьютера автомобиля, чтобы определить (возможно, ухудшенное) местоположение, когда видно менее четырех спутников. [77] [78] [79]
Текущая GPS состоит из трех основных сегментов. Это космический сегмент, сегмент управления и пользовательский сегмент. [52] Космические силы США разрабатывают, обслуживают и управляют сегментами космического пространства и управления. 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. [80]
Космический сегмент (КС) состоит из 24–32 спутников или космических аппаратов (КА), находящихся 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 космических аппарата, по восемь каждый на трех приблизительно круговых орбитах [81] , но затем это было изменено на шесть орбитальных плоскостей по четыре спутника в каждой. [82] Шесть плоскостей орбиты имеют наклон примерно 55° (наклон относительно экватора Земли ) и разделены прямым восхождением восходящего узла на 60° (угол вдоль экватора от контрольной точки до пересечения орбиты). [83] Орбитальный период составляет половину звездных суток , т. е . 11 часов 58 минут, так что спутники каждый день проходят над одними и теми же местами [84] или почти одними и теми же местами [85] . Орбиты расположены так, что как минимум шесть спутников всегда находятся в пределах прямой видимости со всей поверхности Земли (см. анимацию справа). [86] Результатом достижения этой цели является то, что четыре спутника расположены на каждой орбите неравномерно (90°). В общих чертах, угловая разница между спутниками на каждой орбите составляет 30 °, 105 °, 120 ° и 105 ° друг от друга, что в сумме составляет 360 °. [87]
На орбите на высоте примерно 20 200 км (12 600 миль); радиус орбиты примерно 26 600 км (16 500 миль), [88] каждый космический корабль совершает два полных оборота за каждый звездный день , повторяя один и тот же наземный маршрут каждый день. [89] Это было очень полезно во время разработки, поскольку даже при наличии всего четырех спутников правильное выравнивание означает, что все четыре спутника видны из одной точки в течение нескольких часов каждый день. В военных операциях повторение наземного маршрута может использоваться для обеспечения хорошего покрытия в зонах боевых действий.
По состоянию на февраль 2019 года [update][ 90] в группировке GPS насчитывается 31 спутник , 27 из которых используются в данный момент, а остальные выделены в резерв. 32-й был запущен в эксплуатацию 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 частей. Дополнительные спутники повышают точность вычислений GPS-приемника, обеспечивая избыточные измерения. С увеличением количества спутников группировка была изменена на неравномерную. Было показано, что такое расположение повышает точность, но также повышает надежность и доступность системы по сравнению с единой системой при выходе из строя нескольких спутников. [91] Благодаря расширенной группировке девять спутников обычно видны в любое время из любой точки Земли с чистым горизонтом, что обеспечивает значительную избыточность по сравнению с минимум четырьмя спутниками, необходимыми для позиции.
Сегмент управления (CS) состоит из:
MCS также может получить доступ к наземным антеннам спутниковой сети управления (SCN) (для дополнительных возможностей управления и контроля) и станциям мониторинга NGA ( Национальное агентство геопространственной разведки ). Траектории полета спутников отслеживаются специальными 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. , Австралия и Вашингтон, округ Колумбия. [92] Информация об отслеживании отправляется в MCS на базе космических сил Шривер в 25 км (16 миль) к юго-востоку от Колорадо-Спрингс, которая находится в ведении 2-й эскадрильи космических операций (2 SOPS) Космических сил США. Затем 2 SOPS регулярно связываются с каждым спутником GPS с навигационными обновлениями, используя выделенные или общие (AFSCN) наземные антенны (выделенные наземные антенны GPS расположены в Кваджалейне , острове Вознесения , Диего-Гарсии 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 с помощью фильтра Калмана , который использует данные наземных станций мониторинга, информацию о космической погоде и различные другие входные данные. [93]
Когда орбита спутника корректируется, он помечается как неработоспособный , поэтому приемники его не используют. После маневра инженеры отслеживают новую орбиту с земли, загружают новые эфемериды и снова отмечают исправность спутника.
Сегмент управления операциями (OCS) в настоящее время служит сегментом управления записью. Он обеспечивает эксплуатационные возможности, которые поддерживают пользователей GPS и поддерживают работоспособность и производительность GPS в пределах технических характеристик.
OCS успешно заменила устаревший мейнфрейм 1970-х годов на базе ВВС Шривер в сентябре 2007 года. После установки система помогла обеспечить модернизацию и обеспечить основу для новой архитектуры безопасности, которая поддерживала вооруженные силы США.
OCS будет продолжать оставаться зарегистрированной наземной системой управления до тех пор, пока новый сегмент, система управления операциями GPS следующего поколения [7] (OCX), не будет полностью разработан и функционален. Министерство обороны США заявило, что новые возможности, предоставляемые OCX, станут краеугольным камнем для революционного изменения возможностей GPS, позволяя Космическим силам США значительно улучшить оперативные услуги GPS для боевых сил США, гражданских партнеров и множества внутренних и международных пользователей. [94] [95] Программа GPS OCX также позволит сократить затраты, сроки и технические риски. Он предназначен для обеспечения 50% [96] экономии затрат на поддержание работоспособности за счет эффективной архитектуры программного обеспечения и логистики, ориентированной на производительность. Кроме того, ожидается, что GPS OCX будет стоить на миллионы меньше, чем стоимость модернизации OCS, но при этом обеспечит в четыре раза больше возможностей.
Программа GPS OCX представляет собой важнейшую часть модернизации GPS и обеспечивает значительные улучшения в обеспечении информации по сравнению с текущей программой GPS OCS.
14 сентября 2011 г. [97] ВВС США объявили о завершении предварительного анализа проекта GPS OCX и подтвердили, что программа OCX готова к следующему этапу разработки. Программа GPS OCX пропустила важные этапы и перенесла ее запуск на 2021 год, на 5 лет позже первоначального срока. По данным Счетной палаты правительства, в 2019 году крайний срок до 2021 года выглядел шатким. [98]
Реализация проекта по-прежнему откладывалась в 2023 году, и его первоначальный сметный бюджет (по состоянию на июнь 2023 года) превысил 73%. [99] [100] В конце 2023 года Фрэнк Калвелли, помощник министра ВВС по космическим приобретениям и интеграции, заявил, что проект, по оценкам, будет запущен где-то летом 2024 года. [101]
Сегмент пользователей (США) состоит из сотен тысяч американских и союзных военных пользователей защищенной службы точного позиционирования GPS, а также десятков миллионов гражданских, коммерческих и научных пользователей службы стандартного позиционирования. Как правило, 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.
Приемники GPS могут иметь вход для дифференциальных поправок в формате RTCM SC-104. Обычно это порт RS-232 со скоростью 4800 бит/с. На самом деле данные передаются с гораздо меньшей скоростью, что ограничивает точность сигнала, отправляемого с использованием RTCM. [ нужна ссылка ] Приемники с внутренними приемниками DGPS могут превзойти те, которые используют внешние данные RTCM. [ нужна цитата ] По состоянию на 2006 год [update]даже недорогие устройства обычно включают в себя приемники глобальной системы расширения (WAAS).
Многие GPS-приемники могут передавать данные о местоположении на ПК или другое устройство по протоколу NMEA 0183 . Хотя этот протокол официально определен Национальной ассоциацией морской электроники (NMEA), [102] ссылки на этот протокол были собраны из общедоступных отчетов, что позволяет инструментам с открытым исходным кодом, таким как gpsd , читать протокол, не нарушая законов об интеллектуальной собственности. [ необходимы разъяснения ] 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 .
Хотя изначально GPS был военным проектом, он считается технологией двойного назначения , что означает, что он также имеет важное гражданское применение.
GPS стала широко распространенным и полезным инструментом для торговли, научных целей, отслеживания и наблюдения. Точное время GPS облегчает повседневную деятельность, такую как банковские операции, операции с мобильными телефонами и даже контроль электросетей, обеспечивая хорошо синхронизированное ручное переключение. [80]
Многие гражданские приложения используют один или несколько из трех основных компонентов GPS: абсолютное местоположение, относительное движение 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 1 000 узлов (500 м/с; 2 000 км/ч; 1 000 миль в час), или спроектированные или модифицированные для использования с беспилотными ракетами и самолетами, классифицируются как боеприпасы. (оружие) — что означает, что для них требуются экспортные лицензии Государственного департамента . [126] Это правило применимо даже к чисто гражданским подразделениям, которые получают только частоту L1 и код C/A (грубый/приобретение).
Отключение работы сверх этих пределов освобождает ствольную коробку от классификации как боеприпаса. Интерпретации поставщиков различаются. Правило касается работы как на заданной высоте, так и на заданной скорости, но некоторые приемники перестают работать даже в неподвижном состоянии. Это вызвало проблемы с запуском некоторых любительских радиозондов, которые регулярно достигают 30 км (100 000 футов).
Эти ограничения применяются только к единицам или компонентам, экспортируемым из США. Растет торговля различными компонентами, включая устройства GPS из других стран. Они продаются без ITAR .
_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:
Навигация типа GPS была впервые использована на войне во время войны в Персидском заливе в 1991 году , до того, как GPS была полностью разработана в 1995 году, для помощи коалиционным силам в навигации и выполнении маневров во время войны. Война также продемонстрировала уязвимость GPS к помехам , когда иракские войска установили на вероятных целях устройства глушения, которые излучали радиопомехи, нарушая прием слабого сигнала GPS. [133]
Уязвимость GPS к помехам представляет собой угрозу, которая продолжает расти по мере роста оборудования и опыта создания помех. [134] [135] Сообщалось, что сигналы GPS на протяжении многих лет глушились много раз в военных целях. Похоже, что Россия преследует несколько целей такого подхода, таких как запугивание соседей и одновременное подрыв доверия к их зависимости от американских систем, продвижение своей альтернативы ГЛОНАСС, срыв западных военных учений и защита активов от дронов. [136] Китай использует помехи, чтобы отпугнуть американские самолеты наблюдения вблизи спорных островов Спратли . [137] Северная Корея провела несколько крупных операций по подавлению помех вблизи своей границы с Южной Кореей и на море, что нарушило полеты, морские и рыболовные операции. [138] Вооруженные силы Ирана вывели из строя систему GPS гражданского авиалайнера, рейса PS752 , когда тот сбил самолет. [139] [140]
Хотя большинство часов определяют время по всемирному координированному времени (UTC), атомные часы на спутниках настроены на время GPS . Разница в том, что время GPS не корректируется в соответствии с вращением Земли, поэтому оно не содержит новых 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 оно отклонилось. Отсутствие поправок означает, что время GPS остается с постоянным смещением относительно Международного атомного времени (TAI) (TAI – GPS = 19 секунд). В бортовые часы вносятся периодические поправки, чтобы обеспечить их синхронизацию с наземными часами. [78] : Раздел 1.2.2.
Сообщение GPS-навигации включает разницу между временем GPS и временем UTC. По состоянию на январь 2017 года [update]время GPS на 18 секунд опережает время UTC из-за дополнительной секунды, добавленной к UTC 31 декабря 2016 года. [141] Приемники вычитают это смещение из времени GPS для расчета времени UTC и конкретных значений часового пояса. Новые устройства GPS могут не показывать правильное время UTC до тех пор, пока не получат сообщение о смещении UTC. Поле смещения GPS-UTC может содержать 255 дополнительных секунд (восемь бит).
Время GPS теоретически имеет точность около 14 наносекунд из-за отклонения часов относительно международного атомного времени , которое испытывают атомные часы в передатчиках GPS. [142] Большинство приемников теряют некоторую точность в интерпретации сигналов и имеют точность лишь около 100 наносекунд. [143] [144]
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 можно рассчитать независимо как поправку, в зависимости от цели, но обычно эффект уже учитывается в первых двух поправках. [145] [146]
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 десятибитового поля в навигационных сообщениях C/A и P(Y), поэтому он 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., а номер недели снова стал нулевым впервые в 23:59:47 UTC 21 августа 1999 г. (00 :00:19 ТАИ, 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-приемнику необходимо предоставить приблизительную дату (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 повторяется только каждые 8 192 недели (157 лет), то есть до 2137 года (157 лет после нулевой недели GPS).
Навигационные сигналы, передаваемые спутниками GPS, кодируют различную информацию, включая положение спутников, состояние внутренних часов и работоспособность 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. [ нужна цитата ]
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 ⁄ минуты ) для завершения. Структура сообщения имеет базовый формат кадра длиной 1500 бит, состоящего из пяти подкадров, причем каждый подкадр имеет длину 300 бит (6 секунд). Подкадры 4 и 5 перекоммутируются по 25 раз каждый, так что для полного сообщения данных требуется передача 25 полных кадров. Каждый подкадр состоит из десяти слов длиной 30 бит каждое. Таким образом, если 300 бит в подкадре умножить на 5 подкадров в кадре на 25 кадров в сообщении, длина каждого сообщения составит 37 500 бит. При скорости передачи 50 бит/с это дает 750 секунд для передачи всего сообщения альманаха (GPS) . Каждый 30-секундный кадр начинается ровно на той минуте или полминуты, которые указывают атомные часы на каждом спутнике. [147]
Первый подкадр каждого кадра кодирует номер недели и время внутри недели [148] , а также данные о состоянии спутника. Второй и третий подкадры содержат эфемериды – точную орбиту спутника. Четвертый и пятый подкадры содержат альманах , который содержит приблизительную информацию об орбите и состоянии максимум 32 спутников в группировке, а также данные, связанные с коррекцией 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, получатель должен демодулировать сообщение в течение 732–750 секунд или 12+1 ⁄ минуты . [149]
Все спутники вещают на одних и тех же частотах, кодируя сигналы с использованием уникального множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), чтобы приемники могли отличать отдельные спутники друг от друга. В системе используются два различных типа кодирования CDMA: код грубого обнаружения (C/A), доступный широкой публике, и точный код (P(Y)), который зашифрован таким образом, что только военные США и другие Страны НАТО, которым был предоставлен доступ к коду шифрования, могут получить к нему доступ. [150]
Эфемериды обновляются каждые 2 часа и достаточно стабильны 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 последующих недель загружаются в случае обновлений передачи, которые задерживают загрузку данных. [ нужна цитата ]
Все спутники вещают на одних и тех же двух частотах: 1,57542 ГГц (сигнал L1) и 1,2276 ГГц (сигнал L2). Спутниковая сеть использует метод расширения спектра CDMA [151] :607 , при котором данные сообщения с низкой скоростью передачи данных кодируются с помощью высокоскоростной псевдослучайной последовательности (PRN), которая различна для каждого спутника. Получатель 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 использования в военных целях США передает со скоростью 10,23 миллиона чипов в секунду. Фактическая внутренняя опорная частота спутников составляет 10,22999999543 МГц для компенсации релятивистских эффектов [152] [153] , из-за которых наблюдатели на Земле воспринимают другую привязку времени по сравнению с передатчиками на орбите. Несущая L1 модулируется как C/A, так и P-кодами, тогда как несущая L2 модулируется только P-кодом. [87] Код P может быть зашифрован как так называемый код P(Y), который доступен только для военной техники с соответствующим ключом дешифрования. Коды 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 детонаций США (NUDET) (USNDS) для обнаружения, определения местоположения и сообщения о ядерных взрывах (NUDET) в атмосфере Земли и ближнем космосе. [154] Одним из способов применения является обеспечение соблюдения договоров о запрещении ядерных испытаний.
Полоса L4 на частоте 1,379913 ГГц изучается для дополнительной ионосферной коррекции. [151] : 607
Полоса частот L5 на частоте 1,17645 ГГц была добавлена в процессе модернизации GPS . Эта частота попадает в защищенный на международном уровне диапазон для воздушной навигации, обещающий незначительные помехи или их полное отсутствие при любых обстоятельствах. Первый спутник Block IIF, передающий этот сигнал, был запущен в мае 2010 года. [155] 5 февраля 2016 года был запущен 12-й и последний спутник Block IIF. [156] L5 состоит из двух компонентов несущей, которые находятся в квадратуре по фазе друг с другом. Каждый компонент несущей представляет собой двухфазный ключ (BPSK), модулированный отдельной последовательностью битов. «L5, третий гражданский сигнал GPS, в конечном итоге будет поддерживать приложения безопасности жизни в авиации и обеспечит повышенную доступность и точность». [157]
В 2011 году компании LightSquared был предоставлен условный отказ от предоставления услуг наземного широкополосного доступа в диапазоне L1. Хотя LightSquared подала заявку на лицензию на работу в диапазоне 1525–1559 еще в 2003 году и была вынесена на общественное обсуждение, FCC попросила LightSquared сформировать исследовательскую группу с сообществом GPS для тестирования GPS-приемников и выявления проблем, которые могут возникают из-за большей мощности сигнала наземной сети LightSquared. Сообщество GPS не возражало против приложений LightSquared (ранее MSV и SkyTerra) до ноября 2010 года, когда LightSquared подала заявку на изменение своего разрешения на использование вспомогательного наземного компонента (ATC). Эта заявка (SAT-MOD-20101118-00239) представляла собой запрос на подачу на несколько порядков большей мощности в той же полосе частот для наземных базовых станций, по сути перепрофилируя то, что должно было быть «тихим районом» для сигналов из космоса, как эквивалент сотовой сети. Тестирование, проведенное в первой половине 2011 года, показало, что влияние диапазона нижних 10 МГц на устройства GPS минимально (затрагивается менее 1% от общего числа устройств GPS). Верхние 10 МГц, предназначенные для использования LightSquared, могут оказывать некоторое влияние на устройства GPS. Существует некоторая обеспокоенность тем, что это может серьезно ухудшить сигнал GPS для многих потребительских целей. [158] [159] Журнал Aviation Week сообщает, что последние испытания (июнь 2011 г.) подтверждают «значительные помехи» GPS системой LightSquared. [160]
Поскольку все спутниковые сигналы модулируются на одной и той же несущей частоте L1, после демодуляции сигналы необходимо разделить. 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. [161] [162]
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 входит в режим поиска до тех пор, пока не будет получена блокировка. на одном из спутников. Для получения захвата необходимо, чтобы от приемника до спутника была беспрепятственная прямая видимость. Затем приемник может получить альманах и определить спутники, которые ему следует прослушивать. Обнаружив сигнал каждого спутника, он идентифицирует его по отдельному шаблону кода C/A. Перед первой оценкой положения может возникнуть задержка до 30 секунд из-за необходимости чтения данных эфемерид.
Обработка навигационного сообщения позволяет определить время передачи и положение спутника в этот момент. Для получения дополнительной информации см. «Демодуляция и декодирование», «Дополнительно» .
Приемник использует сообщения, полученные от спутников, для определения положения спутников и времени отправки. Компоненты x, y и z положения спутника и отправленного времени ( s ) обозначаются как [ xi , yi , zi , si ] , где нижний индекс i обозначает спутник и имеет значение 1, 2, . .., n , где n ≥ 4. Когда время приема сообщения, указанное часами бортового 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 принимаемых спутниковых сигналов (при условии, что все спутниковые часы идеально синхронизированы). Время прохождения сообщения равно , где s i — спутниковое время. Если предположить, что сообщение передается со скоростью света c , то пройденное расстояние равно .
Для n спутников должны удовлетворяться следующие уравнения:
где d i — геометрическое расстояние или дальность между приемником и спутником i (значения без индексов — это компоненты x, y и z положения приемника):
Определив псевдодиапазоны как , мы видим, что они являются смещенными версиями истинного диапазона:
Поскольку в уравнениях есть четыре неизвестных [ x, y, z, b ] — три компонента положения GPS-приемника и смещения 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. [74] Когда n больше четырех, эта система переопределена и необходимо использовать метод подгонки .
Величина ошибок в результатах варьируется в зависимости от местоположения принимаемых спутников на небе, поскольку определенные конфигурации (когда принимаемые спутники находятся близко друг к другу на небе) вызывают большие ошибки. Приёмники обычно рассчитывают текущую оценку ошибки в вычисленной позиции. Это делается путем умножения основного разрешения приемника на величины, называемые коэффициентами геометрического размытия положения (GDOP), рассчитываемые на основе относительных направлений неба используемых спутников. [165] Местоположение приемника выражается в конкретной системе координат, такой как широта и долгота, с использованием геодезической системы координат WGS 84 или системы, зависящей от страны. [166]
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 дальности синхронизированы, эти истинные дальности представляют собой радиусы сфер, каждая из которых сосредоточена на одном из передающих спутников. Тогда решение положения приемника 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. [167] 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 неточностей, включая случайные ошибки, а также потенциальную потерю точности из-за вычитания близких друг к другу чисел, если центры сфер расположены 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 нейтрализации случайных ошибок, а также из-за большего разброса между центрами сфер. Но в то же время другие сферы вообще не будут пересекаться в одной точке. Таким образом, ближайшее пересечение вычисляется, как правило, с помощью метода наименьших квадратов. Чем больше сигналов доступно, тем точнее будет аппроксимация.
Если вычесть псевдодальность между приемником и спутником i и псевдодальность между приемником и спутником j , p i - p j , общее смещение часов приемника ( b ) уравновешивается, что приводит к разнице расстояний d i - d j . Геометрическое место точек, имеющих постоянную разницу расстояний до двух точек (здесь — двух спутников), — это гипербола на плоскости и гиперболоид вращения (точнее, двуполостный гиперболоид ) в трёхмерном пространстве (см. Мультилатерация ). Таким образом, по результатам четырех измерений псевдодальностей приемник можно разместить на пересечении поверхностей трех гиперболоидов, каждый с фокусами на паре спутников. При наличии дополнительных спутников многочисленные пересечения не обязательно уникальны, и вместо этого ищется наиболее подходящее решение. [74] [75] [168] [169] [170] [171]
Положение приемника можно интерпретировать как центр вписанной сферы (внутренней сферы) радиуса bc , определяемого смещением часов приемника b (масштабируемым скоростью света c ). Расположение внутрисферы таково, что она соприкасается с другими сферами. Описывающие сферы центрированы на спутниках GPS, радиусы которых равны измеренным псевдодальностьм p i . Эта конфигурация отличается от описанной выше, в которой радиусы сфер представляли собой несмещенные или геометрические диапазоны d i . [170] : 36–37 [172]
Часы в приемнике обычно не такого качества, как 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 тактового сигнала. 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) [173] с острием, расположенным на спутнике, а основанием — сферой вокруг спутника. Приемник находится на пересечении четырех и более таких гиперконусов.
Если доступно более четырех спутников, в расчете могут использоваться 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 предполагает переопределенную систему уравнений без единственного решения; такая система может быть решена методом наименьших квадратов или методом взвешенных наименьших квадратов. [163]
Как уравнения для четырех спутников, так и уравнения наименьших квадратов для более четырех спутников являются нелинейными и требуют специальных методов решения. Распространенный подход заключается в итерации линеаризованной формы уравнений, такой как алгоритм Гаусса – Ньютона .
Первоначально GPS была разработана с учетом использования численного метода наименьших квадратов, т. е. до того, как были найдены решения в замкнутой форме.
Одно решение приведенной выше системы уравнений в замкнутой форме было разработано С. Бэнкрофтом. [164] [174] Его свойства хорошо известны; [74] [75] [175] в частности, сторонники утверждают, что он превосходит итеративные методы наименьших квадратов в ситуациях с низким GDOP . [174]
Метод Бэнкрофта является алгебраическим, а не численным, и может использоваться для четырех и более спутников. При использовании четырех спутников ключевыми этапами являются обращение матрицы 4х4 и решение квадратного уравнения с одной переменной. Метод Бэнкрофта дает одно или два решения для неизвестных величин. Когда их два (обычно так), только один является разумным решением для околоземного пространства. [164]
Когда приемник использует для решения более четырех спутников, Бэнкрофт использует обобщенное обратное (т. е. псевдообратное) для поиска решения. Было доказано, что итерационные методы, такие как подход алгоритма Гаусса – Ньютона для решения переопределенных нелинейных задач наименьших квадратов, обычно обеспечивают более точные решения. [176]
Лейк и др. (2015) утверждает, что «решение Бэнкрофта (1985) является очень ранним, если не первым, решением в закрытой форме». [177] Впоследствии были опубликованы и другие решения в закрытой форме, [178] [179] , хотя их применение на практике неясно.
Анализ ошибок GPS исследует источники ошибок в результатах GPS и ожидаемый размер этих ошибок. GPS корректирует 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), данные эфемерид и 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 помех и угрожать кораблям и самолетам [180] или из-за преднамеренного ухудшения качества сигнала из-за избирательной доступности, которая ограничивала точность до ≈ 6–12 м (20–40 футов), но была отключена с 1 мая 2000 г. [181] [ 182]
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 повышения точности основаны на интеграции внешней информации в процесс расчета. Существует множество таких систем, и они обычно называются или описываются в зависимости от того, как датчик GPS получает информацию. Некоторые системы передают дополнительную информацию об источниках ошибок (например, дрейф часов, эфемериды или ионосферная задержка ), другие обеспечивают прямые измерения того, насколько сигнал был отключен в прошлом, а третья группа предоставляет дополнительную навигационную информацию или информацию о транспортном средстве, которую необходимо интегрировать. в процесс расчета.В Соединенных Штатах приемники GPS регулируются правилами Федеральной комиссии по связи (FCC), часть 15 . Как указано в руководствах к устройствам с поддержкой GPS, продаваемым в США, как устройство, соответствующее Части 15, оно «должно принимать любые получаемые помехи, включая помехи, которые могут вызвать нежелательную работу». [183] Что касается, в частности, устройств GPS, FCC заявляет, что производители приемников GPS «должны использовать приемники, которые разумно дискриминируют прием сигналов за пределами выделенного им спектра». [184] В течение последних 30 лет GPS-приемники работали в диапазоне мобильной спутниковой службы и без каких-либо проблем дискриминировали прием мобильных спутниковых служб, таких как Инмарсат.
Спектр, выделенный для использования GPS L1 FCC, составляет от 1559 до 1610 МГц, в то время как спектр, выделенный для использования в режиме «спутник-земля», принадлежащий Lightsquared, является диапазоном мобильной спутниковой службы. [185] С 1996 года Федеральная комиссия по связи разрешила компании LightSquared из Вирджинии лицензировать использование спектра, соседнего с диапазоном GPS от 1525 до 1559 МГц . 1 марта 2001 года FCC получила заявку от предшественника LightSquared, Motient Services, на использование выделенных им частот для интегрированной спутниково-наземной службы. [186] В 2002 году Совет индустрии GPS США заключил соглашение о внеполосных излучениях (OOBE) с LightSquared, чтобы предотвратить передачу сигналов наземных станций LightSquared в соседний диапазон GPS от 1559 до 1610 МГц. [187] В 2004 году FCC приняла соглашение OOBE, разрешив LightSquared развернуть вспомогательную наземную сеть для своей спутниковой системы, известную как вспомогательные компоненты башни (ATC): «Мы разрешим MSS ATC при условии, что обеспечить, чтобы добавленный наземный компонент оставался вспомогательным к основному предложению MSS. Мы не намерены и не позволим, чтобы наземный компонент стал отдельной услугой». [188] Это разрешение было рассмотрено и одобрено Межведомственным консультативным комитетом по радио 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), США. Министерство внутренних дел и Министерство транспорта США . [189]
В январе 2011 года FCC условно разрешила оптовым клиентам LightSquared, таким как Best Buy , Sharp и C Spire , приобретать у LightSquared только интегрированные наземные спутниковые услуги и перепродавать эти интегрированные услуги на устройствах, оборудованных только для используйте наземный сигнал, используя выделенные LightSquared частоты от 1525 до 1559 МГц. [190] В декабре 2010 года производители GPS-приемников выразили Федеральной комиссии по связи обеспокоенность тем, что сигнал LightSquared будет создавать помехи устройствам-приемникам GPS [158] , хотя политические соображения FCC, приведшие к постановлению в январе 2011 года, не касались каких-либо предлагаемых изменений максимального количества наземных станций LightSquared или максимальную мощность, на которой эти станции могут работать. Приказ от января 2011 года ставит окончательное разрешение в зависимость от исследований проблем помех GPS, проводимых рабочей группой под руководством LightSquared при участии отрасли GPS и федерального агентства. 14 февраля 2012 г. FCC инициировала процедуру отмены Приказа об условном отказе LightSquared на основании заключения NTIA о том, что в настоящее время не существует практического способа уменьшить потенциальные помехи GPS.
Производители GPS-приемников разрабатывают GPS-приемники для использования спектра за пределами выделенного GPS диапазона. В некоторых случаях приемники GPS рассчитаны на использование спектра до 400 МГц в любом направлении от частоты L1 1575,42 МГц, поскольку мобильные спутниковые службы в этих регионах ведут вещание из космоса на землю и на уровнях мощности, соизмеримых с мобильными спутниковыми службами. . [191] В соответствии с правилами Федеральной комиссии по связи (FCC), часть 15, на GPS-приемники не распространяется гарантия защиты от сигналов за пределами выделенного GPS спектра. [184] 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 обоих диапазонов 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 своем лицензированном спектре, чтобы «способствовать более эффективному использованию спектра наземной беспроводной связи». [192] В этих правилах 2003 года FCC заявила: «Предварительно ожидается, что наземные [Коммерческие службы мобильной радиосвязи («CMRS»)] и MSS ATC будут иметь разные цены, зону покрытия, приемку и распространение продукции; следовательно, две службы в лучшем случае кажутся несовершенными заменителями друг друга, которые будут работать преимущественно в разных сегментах рынка... MSS ATC вряд ли будет напрямую конкурировать с наземной CMRS за одну и ту же клиентскую базу...». В 2004 году FCC уточнила, что наземные вышки будут вспомогательными, отметив: «Мы разрешим MSS ATC при условии, что добавленный наземный компонент останется вспомогательным по отношению к основному предложению MSS. Мы не намерены и не будем позвольте наземному компоненту стать отдельной услугой». [188] В июле 2010 года FCC заявила, что ожидает, что LightSquared будет использовать свои полномочия для предложения интегрированной спутниково-наземной услуги для «предоставления услуг мобильной широкополосной связи, аналогичных тем, которые предоставляются наземными провайдерами мобильной связи, и усиления конкуренции в секторе мобильной широкополосной связи». [193] Производители GPS-приемников утверждают, что лицензированный диапазон LightSquared от 1525 до 1559 МГц никогда не предполагался для использования для высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа, основываясь на постановлениях FCC ATC 2003 и 2004 годов, в которых ясно указано, что вспомогательный компонент башни (ATC) будет По сути, это вспомогательный компонент основного спутникового компонента. [194] Чтобы заручиться общественной поддержкой усилий по продлению в 2004 году разрешения FCC на использование вспомогательного наземного компонента LightSquared вместо простой наземной службы LTE в диапазоне мобильной спутниковой службы, производитель GPS-приемников Trimble Navigation Ltd. сформировал «Коалицию за спасение наших стран». GPS". [195]
FCC и LightSquared публично обязались решить проблему помех GPS, прежде чем сети будет разрешено работать. [196] [197] По словам Криса Дэнси из Ассоциации владельцев самолетов и пилотов , пилоты авиакомпаний, системы которых будут затронуты, «могут сбиться с курса и даже не осознавать этого». [198] Проблемы могут также повлиять на модернизацию Федеральным управлением гражданской авиации системы управления воздушным движением , рекомендации Министерства обороны США и местные службы экстренной помощи, включая службу 911 . [198]
14 февраля 2012 года Федеральная комиссия по связи (FCC) приняла решение запретить создание запланированной национальной широкополосной сети LightSquared после того, как Национальное управление по телекоммуникациям и информации (NTIA), федеральное агентство, которое координирует использование спектра военными и другими федеральными правительственными организациями, проинформировало ее о том, что «существует в настоящее время нет практического способа смягчить потенциальное вмешательство». [199] [200] LightSquared оспаривает действия FCC. [ нужно обновить ]
После внедрения GPS в США другие страны также разработали свои собственные системы спутниковой навигации. Эти системы включают в себя:
Выборочная доступность закончилась через несколько минут после полуночи по восточному времени после окончания 1 мая 2000 года. Изменение произошло одновременно во всей спутниковой группировке.
