GPS III Wo sind wir? Und wohin gehen wir?

Vor 15 Jahren ging das erste GPS-fähige Mobiltelefon auf den Markt. Es floppte, aber der Formfaktor, für den es Pionierarbeit geleistet hatte, war die Kombination von Kommunikationsgeräten in der Nähe militärischer Grade mit einem Verbrauchergerät.

Sie können nicht um eine Ecke biegen, ohne dass Ihr Telefon oder Ihre Uhr oder Ihre Schuhe Ihnen sagen, wohin sie gehen sollen, da sie genau wissen, wo Sie sich gerade befinden. Dies war jedoch nicht immer der Fall.

Eine kurze Geschichte des GPS

Wir halten das GPS für selbstverständlich, ein großes Geschenk von Star Wars Cold War MADness aus Reagan-Era, das gelegentlich Highschoolern die Relativitätstheorie beibringt. Die bedrückende Tatsache ist, dass GPS (oder GNSS, wie es damals eingestuft wurde) nur nach einer unheimlich bekannten Flugunfallkatastrophe der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurde.

Im Jahr 1983 - nur fünf Jahre nach dem Start des ersten Satelliten NAVSTAR - wurde der Flug 007 von Korea Air Lines nach einem Überflug in den sowjetischen Luftraum aufgrund eines Navigationsfehlers abgeschossen. Die weltweite Reaktion auf den Verlust der 269 Seelen an Bord war schmerzhaft, aber mit der Politik des Kalten Krieges verbunden, und Präsident Ronald Reagan kündigte an, dass der Welt GPS kostenlos zur Verfügung gestellt würde, um eine solche Tragödie zu verhindern.

Das Global Positioning System wurde ursprünglich aus einer militärischen Notwendigkeit zur Koordination von Truppen- und Schiffsbewegungen in unbekannten Gebieten (wie dem Persischen Golf, wo GPS zum ersten Mal in der Operation Desert Storm im Einsatz war) sowie dem Detektionssystem für nukleare Detonation ( NUDET).

Die 'selektiven' Positionierungsjahre

Aufgrund der Verwendung mehrerer Satelliten mit extrem genauen Uhren hatte das GPS von Anfang an eine Positionierungsgenauigkeit von etwa 10 Metern. Das Verteidigungsministerium führte jedoch absichtliche Positionierungsfehler in die zivilen Gruppen ein und äußerte die Befürchtung, dass die Technologie gegen sie eingesetzt würde. Dies ist, wie so oft, fast sofort nach hinten los.

Selbst während des ersten Einsatzes von GPS in Desert Storm trieb die begrenzte Anzahl teurer, energiehungriger, schwerer GPS-Empfängereinheiten viele bewaffnete Angehörige dazu, "billige", leichte und fast allgegenwärtige zivile Empfänger anzuschaffen, die praktisch unbrauchbar waren im Feld aufgrund dieser absichtlichen Fehler. Dies war ein so anerkanntes Problem, dass das Fehlereinfügungssystem (Selective Availability oder nur SA genannt) für den Rest des Golfkriegs ('90 -'91) weltweit abgeschaltet wurde..

In den 90er Jahren drängten militärische, korporative und zivile Körperschaften auf die Entfernung von SA. Die Menschen reichten von Speditionen bis zur FAA und argumentierten, dass das Störgeräusch im Signal die Nützlichkeit und Anpassung von GPS in ihren jeweiligen Bereichen einschränkte. Diese Fehler wurden im Jahr 2000 von Präsident Bill Clinton "dauerhaft" deaktiviert.

Es wird jedoch eine neue Generation von Satelliten auf den Markt gebracht, die nicht nur die Genauigkeit, sondern auch die Verfügbarkeit von GPS erheblich steigern. Als GPS-Block III oder einfach als GPS III bezeichnet, wird diese Serie von 30 neuen Satelliten den alternden Block II und den bereits aufgelösten Block I ersetzen. Von 64 in Betrieb genommenen Block I / II-Vögeln sind 33 noch in Betrieb, wobei Navstar IIA-01 mit 23 Jahren das älteste ist.

Die Gründe, warum diese Satelliten eine massive Verbesserung darstellen, sind komplizierter als “Es ist schneller zu erfassen und genauer”. Hier ist der Grund.

Wie funktioniert GPS?

GPS arbeitet als reines Rundfunksystem. Es ist keine Datenverbindung erforderlich, um Ihre Position mitzuteilen (obwohl die meisten Apps eine Datenverbindung benötigen. Datenverbindung der GPS-App wird abgeschaltet? Versuchen Sie 3 aktualisierte Offline-Karten. [Android] Datenverbindung der GPS-App, die abblättert? Versuchen Sie es 3 Aktualisierte Offline-Karten [Android] Vor nicht allzu langer Zeit hat Chris drei der besten offline-GPS-Apps für Android auf den neuesten Stand gebracht. Seitdem haben viele andere GPS-Apps große Aktualisierungen veröffentlicht oder erhalten. Vergleichen Sie diese Neuankömmlinge mit den von… Read More for die Mapping-Seite). Ihr Telefon oder SatNav kommuniziert nicht mit dem Satelliten in einer Entfernung von 12.500 Meilen, es wird nur auf einer bestimmten Frequenz nach bestimmten Codes gesucht.

Ihr Telefon hört auf einen bestimmten Kanal oder "Band", wobei jeder Satellit seinen persönlichen Zeitcode sendet, der auf seiner eigenen Atomuhr basiert, die in der Umlaufbahn schwebt. Da jedoch jeder Satellit eine andere Entfernung von Ihnen hat, werden diese, wenn Sie diese "Ticks" erhalten, etwas nicht synchron sein. Ihr GPS-Gerät versucht dann, jeden Stream mit einer internen Uhr zu synchronisieren, um herauszufinden, wie weit die einzelnen Satelliten von Ihrem Standort entfernt sind.

Sie sind also X, Y und Z Meilen von drei Satelliten entfernt. Diese liegen mindestens 12.500 Meilen über Ihrem Kopf und sind bei 14.000 Meilen pro Stunde unterwegs, und Sie wissen nicht, wo sie sich befinden oder wohin sie gehen. Dies ist nicht sehr hilfreich, wenn wir nicht den Zeitcode hinzufügen, den jeder Satellit ausstrahlt, der viel mehr Informationen als nur die Uhrzeit enthält.

Ich weiß wo ich bin, aber wo bist du?

Um herauszufinden, wo wir uns auf die "Ticks" der Satelliten stützen, benötigen wir ein zusätzliches Informationsstück, das bereits im Zeitcode übertragen wird, was als "Almanach" bezeichnet wird. Diese enthält Informationen zu den aktuellen Umlaufbahncharakteristiken der einzelnen Satelliten. So baut Ihr Telefon ein kleines Modellplanetarium auf, dessen Zeit bis auf wenige Nanosekunden genau ist. Es funktioniert, wo sich die Satelliten im Weltraum befinden und wo Sie relativ zu den Satelliten sind. Funktionsweise von GPS [MakeUseOf erklärt] Funktionsweise von GPS [MakeUseOf erklärt] Als begeisterter Spieler bin ich überrascht, dass GPS-ähnliche Funktionen miteinander zusammenhängen moderne Videospiele und die Verbreitung von GPS-Technologie im irdischen Leben. Als ich ein Kind war, waren Papierkarten und Kartografie… Lesen Sie mehr. Boom. Der nächste Starbucks liegt 12,6 m entfernt.

Jetzt wird es interessant; das ist nur eine "Band" oder ein Kanal. Es gab ursprünglich drei Kanäle; zwei (L1 / L2) wurden für die Erfassung bzw. Positionierung verwendet. Diese wurden in Consumer-Anwendungen verwendet. Wenn Sie jedoch einen bestimmten Verschlüsselungscode (allgemein als Gold-Code bezeichnet) haben, erhalten Sie eine höhere Genauigkeit und nur militärische Signale.

Schließlich ist das L3-Band für Detektionen der nuklearen Detonation reserviert, die den Globus auf hochenergetische Infrarotereignisse überwachen und hauptsächlich zur Durchsetzung von Atomtest-Verbotsabkommen verwendet werden. Die neuen Versionen des GPS-Standards verfügen jedoch über aufregende neue Funktionen.

Was ist neu in GPS III??

In den späteren Block II- und neuen Block III-Systemen wird die Anzahl der verfügbaren Bänder auf 5 erhöht. L4 bleibt als Forschungsband übrig, während L5 die Safety-Of-Life-Signale (SoL-Daten- und Pilotsignale) enthält, was extrem ist Zuverlässige GPS-Version für Benutzer in der Luft- und Seefahrt sowie für die Suche und Rettung.

In den neuen Systemen wird die Methode der Überlagerung von Daten im gleichen Signal unter Verwendung eines Gold-Codes (CDMA) auch verwendet, um zusätzliche Signale für zivile und militärische Kanäle (L2C bzw. M-Code) zu erzeugen, die zwei sehr coole Dinge getrennt ausführen.

Der L2C-Code ist sowohl 250-mal als "erkennbar" (was nicht das Gleiche wie "stärker" ist) und arbeitet auf einem anderen Band als das normalerweise von zivilen GPS-Geräten verwendete. Da wir jetzt auf zwei Bänder zugreifen können, können wir sie in Echtzeit vergleichen, um atmosphärische Störungen zu kompensieren. Dies bedeutet, dass die Verbraucher endlich in der Lage sind, innerhalb eines angemessenen Rahmens eine zuverlässige Positionierung in Innenräumen zu erhalten. .

Der M-Code ist das große Ticket, das die neuen Änderungen an der Funktionsweise von GPS begründet. Die zwei großen Fortschritte in dieser Hinsicht sind Richtwirkung und Entstörung. Die neuen Block-III-Satelliten verfügen nicht über das normale System der "gesamten Erdfunkübertragung", sondern sie verfügen sowohl über vollständige Erde als auch über richtungsabhängige M-Code-Antennen, so dass Truppen innerhalb des Strahlkegels, der (nur) einige hundert Kilometer betragen wird, einen 100-fach stärkeren Empfang erhalten über.

In Verbindung mit dieser Kraftpumpe enthalten die M-Code-Signale außerdem eine Reihe von Fehlerkorrektur-, Anti-Jamming-, Anti-Spoofing- und Daten-Broadcasting-Techniken, um lokale GPS-Ablehnungssysteme zu bekämpfen und sicherzustellen, dass Truppen immer die besten verfügbaren Positionsdaten haben von Wetter, Ort oder Feind.

Darüber hinaus gibt es die üblichen Upgrades, wenn Sie ein neues Kit kaufen. Schnellere Rubidium-Uhren sorgen für ein genaueres Timing und eine bessere Empfängerpositionierung. In der Zwischenzeit liefern bessere Sonnenkollektoren stärkere Antennen mit mehr Leistung, was auf der Empfängerseite mehr Leistung bedeutet.

Dann haben Sie die üblichen Ergänzungen, wenn Regierungen sich in Sachen engagieren. Die NASA hat gebeten, einige Laser-Retroreflektoren (Spiegel) anzubringen, um die Umlaufbahnen der Erde besser verfolgen zu können. Die Luftwaffe setzt sich dafür ein, zusätzlich zu den vorhandenen SoL-Datenkanälen zusätzliche Such- und Rettungsfunktionen (SAR) hinzuzufügen. Dies ist Teil eines globalen Standards für SAR-Systeme in 37 Ländern und ermöglicht nicht nur die sofortige Erkennung und Ortung von Notsignalen, sondern auch die Möglichkeit, Kurzmitteilungen an den Empfänger zu senden.

Ist es in der Luft??

Viele dieser Fortschritte basieren nicht nur auf aktualisierten Satelliten, sondern auch auf aktualisierten Bodenstationen, die zuvor aufgerufen wurden “Betriebssteuerungssegmente”(OCS). Diese Bodenstationen sind Orte auf der ganzen Welt und koordinieren Umlaufbahnen, Abdeckungsdichte sowie Such- und Rettungs- / Nukleardetektionsfunktionen für das GPS-Netzwerk und korrigieren diese pesky spezielle Relativitätszeitverlängerung regelmäßig. Die neuen Versionen dieser Bodenstationen (OCX) ermöglichen die meisten dieser Verbesserungen und ermöglichen die Interoperabilität zwischen US- und europäischen GNSS-Systemen (PS. Deshalb ist GPS im Vergleich zu den USA ein Nachteil, wenn Sie in Europa sind. Wir haben weniger Vögel über unseren Köpfen).

Leider sind es genau diese großartigen neuen Systeme, die die Veröffentlichung von GPS III behindern. Der Verteidigungsunternehmer Lockheed Martin wurde mit dem Bau der ersten Satelliten beauftragt, wurde jedoch durch neue L2C-Management- und Navigationscomputer von Exelis verzögert. Raytheon wurde mit dem Bau der OCXs beauftragt, die erhebliche Budgetüberschreitungen erlebt haben.

Zusammenfassung und Spekulation

Die Vorteile des neuen Block III-Systems, einschließlich einiger Bits des aktuell gestarteten Blocks II, lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Reduzierte Erfassungszeit
• Erhöhter Innenempfang
• Erhöhte Genauigkeit und Bewegungsempfindlichkeit
• Breiteres Abdeckungsgebiet
• Erhöhte Genauigkeit für militärische Einsatzszenarien mit fokussiertem Strahl
• Verbesserte Anti-Jamming-Fähigkeiten (es ist nicht klar, ob dies für zivile und militärische Signale zutrifft, aber ich bin optimistisch)
• Verbesserte Interoperabilität mit dem europäischen Positionierungssystem GALILEO
• Verringerte Antwortzeiten bei Suchen und Rettung und bessere globale Abdeckung durch einige Messaging-Funktionen, die den Verlust von MH370 hätte verhindern können

Mit Verzögerungen sowohl bei den Satellitensystemen als auch bei den Bodenkontrollsegmenten ist es unwahrscheinlich, dass wir die vollen Vorteile dieser Systeme für Endbenutzer bis Ende 2015 / Mitte 2016 sehen werden. Sobald sie jedoch erreicht sind, haben sie eine geplante Lebensdauer von 15 Jahren, wohin gehen wir danach??

Die USA sind nicht mehr der einzige Spieler in der globalen Navigation. In Russland gibt es seit Mitte der 90er Jahre GLONASS. In den letzten 5 Jahren sind sowohl Chinas BeiDou-Systeme als auch Europas GALILEO-Systeme online gegangen. Nicht zuletzt ist geplant, dass das regionale regionale Satellitennavigationssystem (IRNASS) in den nächsten Jahren live geht.

Diese haben alle unterschiedliche regionale Schwerpunkte, also stellt sich die große Frage, wer zuerst zusammenarbeitet. Wird es Empfänger sein oder globale Regierungen? Oder kehren wir zu den Tagen zurück, in denen Reisende weltweit ein Mobiltelefon für jeden Kontinent haben müssen?

Mit den neuen GPS-Erweiterungen haben die USA ihre Bereitschaft gezeigt, mit dem europäischen System zusammenzuarbeiten, ebenso wie Russland, indem es die Interoperabilität von Safety-of-Life sowohl mit GPS als auch mit Galileo bietet. Der Himmel wird beschäftigt und bei diesem Tempo werden mindestens 120 Satelliten am Himmel sein, die "jemandem" die Positionierung ermöglichen. Wenn alles gut geht, können wir armen Konsumenten vielleicht sogar die meisten von ihnen verwenden, was uns sogar in Innenräumen auf eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern bringt. Dies bedeutet, dass die FAA die Anforderungen der FAA an präzise heranfahrende Autopiloten für Flugzeuge (Hinweis und Drohnen) erfüllt und eine weitaus genauere Spurerkennung für selbstfahrende Autos ermöglicht. So kommen wir zu einer Welt ohne fahrerlose Autos Hier ist, wie wir Kommen Sie in eine Welt voller fahrerloser Autos. Fahren ist eine langwierige, gefährliche und anspruchsvolle Aufgabe. Könnte es eines Tages durch die fahrerlose Autotechnologie von Google automatisiert werden? Weiterlesen .

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Dies sind nur einige meiner Gedanken darüber, wohin uns diese Technologie führen wird, aber wie lautet Ihre Geschichte? Was können Sie mit positionsbestimmenden Geräten machen? Sollten wir Angst haben??

Und wie immer, irgendwelche Fragen oder etwas, die ich ein bisschen zu weit gegangen bin, fragen Sie in den Kommentaren.

Bildnachweise: Geschichte Rat: Operation Desert Storm - The Ground War; Mashup of Two pieces von DonkeyHotey, veröffentlicht (und erneut veröffentlicht) unter CC-SA-2.0, Canada Search and Rescue von Bmpower in der Wikipedia auf Englisch (eigene Arbeit); Trilateration 2D von Javiersanp über Wikimedia Commons (eigenes Werk GFDL oder CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), GPS-Steuerungssegmentkarte unter freiem Himmel über GPS.gov lizenziert; Debris-GEO1280 vom Orbital Debris Program Office der NASA, als gemeinfrei lizenziert, über Wikimedia Commons

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