GPS III Waar zijn we? En waar gaan we naartoe?

Vijftien jaar geleden ging de eerste mobiele gsm op de markt. Het flopte, maar de vormfactor die het pionierde, het combineren van bijna-militaire communicatieapparatuur met een consumentenapparaat is bij ons gebleven.

Je kunt geen hoek omdraaien zonder je telefoon of je horloge of schoenen die je vertellen waar je moet zijn, omdat ze precies weten waar je bent. Maar dit was niet altijd het geval.

Een korte geschiedenis van de GPS

We nemen GPS als vanzelfsprekend als 'commodity', een groot geschenk van Reagan-Era Star Wars Cold War MADness dat af en toe middelbare scholieren over relativiteitstheorie leert. Het deprimerende feit is dat GPS (of GNSS zoals het destijds was geclassificeerd) pas beschikbaar was voor het publiek na een griezelig bekende vliegtuigramp.

In 1983 - slechts vijf jaar na de lancering van de eerste NAVSTAR-satelliet - werd Korea Air Lines Flight 007 neergeschoten na het oversteken van het Sovjetluchtruim door een pilootnavigatiefout. De wereldwijde reactie op het verlies van de 269 zielen aan boord was gekweld maar getint met de Koude Oorlogspolitiek, en President Ronald Reagan kondigde aan dat GPS gratis ter beschikking zou worden gesteld aan de wereld om een ​​dergelijke tragedie te voorkomen.

Het Global Positioning System is oorspronkelijk ontworpen vanuit een militaire behoefte om troepen- en vaartuigenbewegingen te coördineren in onbekende gebieden (zoals de Perzische Golf, waar GPS voor het eerst werd gebruikt in het theater in Operatie Desert Storm), evenals het detectiesysteem voor nucleaire detonatie ( NUDET).

De 'selectieve' positioneringsjaren

Vanwege het gebruik van meerdere satellieten met extreem nauwkeurige klokken, had GPS een positioneringsnauwkeurigheid van ongeveer 10 m vanaf het begin. Het ministerie van Defensie introduceerde echter opzettelijke fouten in de positionering in de Civilian-bands, daarbij verwijzend naar de vrees dat de technologie tegen hen zou worden gebruikt. Dit gebeurde, zoals zo vaak gebeurt, vrijwel onmiddellijk.

Zelfs tijdens het eerste operationele gebruik van GPS in Desert Storm, drong het beperkte aantal dure, energie-hongerige, zware GPS-ontvangers ertoe dat veel leden van de gewapende groep gedwongen werden om 'goedkope', lichte en bijna alomtegenwoordige civiele ontvangers te grijpen die eigenlijk nutteloos waren in het veld als gevolg van deze opzettelijke fouten. Dit was zo'n erkend probleem dat het fout-invoegsysteem (selectieve beschikbaarheid of alleen SA genoemd) wereldwijd werd uitgeschakeld voor de rest van de Golfoorlog ('90 -'91).

Gedurende de jaren negentig drongen militaire, bedrijfs- en civiele instanties erop aan SA te verwijderen, waarbij mensen variërend van vrachtwagenbedrijven tot de FAA stelden dat de stoorgeluiden in het signaal het nut en de aanpassing van GPS in hun respectieve gebieden beperkten. Deze fouten werden in 2000 'permanent' uitgeschakeld door president Bill Clinton.

Er wordt echter een nieuwe generatie satellieten gelanceerd, die een grote toename beloven, niet alleen de nauwkeurigheid, maar ook de beschikbaarheid van GPS. Aangewezen als GPS Block III, of gewoon GPS III, zal deze suite van 30 nieuwe satellieten de verouderende Block II's en de reeds ter ziele gegane Block I's vervangen. Van 64 gelanceerde I / II-duiven blijven er 33 operationeel, waarvan de oudste Navstar IIA-01 is, op een grote 23-jarige leeftijd.

De redenen waarom deze satellieten een enorme verbetering zijn, zijn ingewikkelder dan “het is sneller om aan te sluiten en nauwkeuriger”. Dit is waarom.

Hoe GPS werkt

GPS werkt als een zuiver uitzendsysteem; er is geen gegevensverbinding nodig om uw positie te bepalen (hoewel de meeste apps een gegevensverbinding nodig hebben Sick Of Your GPS App's Data Connection Flaking Out? Probeer 3 bijgewerkte offline kaarten [Android] Ziek van de gegevensverbinding van uw GPS-app eruit flappen? Probeer 3 Geüpdatete offline-kaarten [Android] Nog niet zo lang geleden behandelde Chris drie van de beste offline GPS-apps die beschikbaar zijn op Android. Sindsdien hebben veel andere GPS-apps belangrijke updates uitgebracht of ontvangen. Stemmen deze nieuwkomers gunstig af bij de reviews van ... Lees meer voor de mapping-kant). Uw telefoon of SatNav praat niet tegen de satelliet op 12.500 mijl afstand, hij luistert alleen naar een bepaalde frequentie voor bepaalde codes.

Je telefoon luistert naar een bepaald kanaal, of 'band' bij elke satelliet die zijn eigen persoonlijke tijdcode uitzendt op basis van zijn eigen atoomklok die in een baan om de aarde zweeft. Omdat elke satelliet zich echter op een andere afstand van u bevindt, zullen deze bij het ontvangen van deze 'ticks' enigszins uit de pas lopen. Uw GPS-apparaat probeert vervolgens elke stream te synchroniseren met een interne klok, zodat het kan berekenen hoe ver elke satelliet van uw locatie is verwijderd.

U bent dus X, Y en Z mijl verwijderd van drie satellieten. Deze zijn minstens 12.500 mijlen boven je hoofd en reizen met 14.000 mijl per uur, en je hebt geen idee waar ze zijn of waar ze naartoe gaan. Dit is niet echt nuttig totdat we de tijdcode toevoegen die elke satelliet uitzendt, die veel meer informatie bevat dan alleen de tijd.

Ik weet waar ik ben maar waar ben je?

Om uit te vinden waar we zijn gebaseerd op de tikken van de satellieten, hebben we een extra beetje informatie nodig dat al in de tijdcode is verzonden, wat een 'Almanak' wordt genoemd. Dit bevat informatie over de huidige baankenmerken van elke satelliet. Dus je telefoon bouwt een klein model-planetarium gebaseerd op tijd die tot op enkele nanoseconden nauwkeurig is. Het gaat uit waar de satellieten zich in de ruimte bevinden, en waar u ten opzichte van de satellieten bent. Hoe GPS werkt [MakeUseOf legt uit] Hoe GPS werkt [MakeUseOf Explains] Als een fervent gamer, ben ik verrast door de correlatie tussen GPS-achtige functies in moderne videogames en de verspreiding van GPS-technologie in het alledaagse leven. Toen ik klein was, waren papieren kaarten en cartografie ... Lees meer. Boom. De dichtstbijzijnde Starbucks is 12,6 meter verderop.

Nu wordt het interessant; dat is slechts één 'band' of kanaal. Er waren oorspronkelijk drie kanalen; twee (L1 / L2) werden respectievelijk gebruikt voor acquisitie en positionering. Deze werden gebruikt in consumententoepassingen, maar als u een bepaalde coderingscode had (gewoonlijk de Gold-code genoemd), kreeg u een hogere nauwkeurigheid, alleen militaire signalen.

Ten slotte is de L3-band gereserveerd voor nucleaire detonatiedetecties, die de hele wereld controleert op infraroodgebeurtenissen met hoge energie en die meestal wordt gebruikt voor het afdwingen van nucleaire testverbodverdragen. Maar de nieuwe versies van de GPS-standaard worden geleverd met spannende nieuwe functies.

Wat is er nieuw in GPS III?

In de latere Block II- en nieuwe Block III-systemen wordt het aantal beschikbare banden verhoogd tot 5. L4 wordt achtergelaten als onderzoeksgroep, terwijl L5 de Safety-Of-Life (SoL-gegevens en testsignalen) bevat, wat een extreem betrouwbare versie van GPS voor gebruikers van luchtvaart-, zee- en 'zoek- en reddingsacties'.

In de nieuwe systemen wordt de methode van het overlappen van gegevens in hetzelfde signaal met behulp van een Gold-code (CDMA) ook gebruikt voor het produceren van extra signalen voor civiele en militaire kanalen (respectievelijk L2C en M-code) die twee zeer coole dingen afzonderlijk doen.

De L2C-code is zowel 250 keer als 'detecteerbaar' (wat niet hetzelfde is als 'sterker') en werkt op een andere band dan degene die normaal wordt gebruikt door civiele GPS. Omdat we nu toegang hebben tot twee banden, kunnen we ze in realtime vergelijken om te compenseren voor atmosferische interferentie, wat betekent dat consumenten eindelijk een betrouwbare indoor-positionering kunnen krijgen (binnen redelijke grenzen) .

De M-code is het grote ticketartikel dat de nieuwe wijzigingen aan de werking van GPS rechtvaardigt. De twee grote vorderingen in dit opzicht zijn directionaliteit en anti-jammen. In plaats van het normale systeem van 'whole earth broadcast' zullen de nieuwe Block III-satellieten zowel Whole Earth als Directional M-Code antennes hebben, waardoor troepen 100x sterker worden ontvangen binnen de kegel van de straal, wat (slechts) enkele honderden kilometers zal zijn aan de overkant.

Met betrekking tot deze power-pomp bevatten M-codesignalen ook een reeks foutcorrectie-, anti-jamming-, antispoofing- en gegevensuitzendingstechnieken om lokale GPS-weigeringssystemen te bestrijden en ervoor te zorgen dat troepen altijd over de best beschikbare positiegegevens beschikken, ongeacht van weer, locatie of vijand.

Bovendien zijn er de gebruikelijke upgrades die je krijgt als je een nieuw pakket koopt; snellere Rubidium-klokken geven een nauwkeurigere timing en een betere positionering van de ontvanger. Ondertussen zullen betere zonnepanelen meer vermogen leveren aan sterkere antennes, wat meer kracht aan de ontvangende kant betekent.

Dan heb je de gebruikelijke toevoegingen wanneer overheden betrokken raken bij dingen; NASA heeft gevraagd om een ​​paar laserretroflectoren (spiegels) vast te houden om grondvolgsystemen beter te volgen en de luchtmacht lobbyt om extra Search and Rescue (SAR) -mogelijkheden toe te voegen bovenop de bestaande SoL-gegevenskanalen. Dit maakt deel uit van een wereldwijde standaard voor SAR-systemen met 37 landen en biedt niet alleen onmiddellijke detectie en locatie van noodsignalen, maar ook de mogelijkheid om korte berichten terug te sturen naar de ontvanger.

Is het in de lucht?

Veel van deze ontwikkelingen zijn niet alleen afhankelijk van bijgewerkte satellieten, maar ook van bijgewerkte Ground Stations, voorheen genoemd “Operationele besturingssegmenten”(OCS). Deze grondstations zijn plaatsen over de hele wereld en coördineren orbitale paden, dekkingsdichtheid en zoek- en reddingsmogelijkheden / nucleaire detectiemogelijkheden voor het GPS-netwerk, evenals periodiek corrigeren voor die vervelende speciale relativiteitstijdsdilatatie. De nieuwe versies van deze grondstations (OCX) maken de meeste van deze voordelen mogelijk en maken de interoperabiliteit tussen Amerikaanse en Europese GNSS-systemen mogelijk (PS is dat de reden waarom GPS zuigt als je in Europa bent in vergelijking met de VS, we hebben minder vogels boven onze hoofden).

Helaas zijn het juist deze geweldige nieuwe systemen die de release van GPS III tegenhouden. Defensie-aannemer Lockheed Martin is gecontracteerd om de eerste van de satellieten te bouwen, maar is vertraagd door nieuwe L2C-beheer- en navigatiecomputers van Exelis; terwijl Raytheon is gecontracteerd om de OCX's te bouwen, die aanzienlijke budgetoverschrijdingen hebben meegemaakt.

Samenvatting en speculatie

De voordelen van het nieuwe Block III-systeem, waaronder enkele van de momenteel gelanceerde Block II, kunnen worden samengevat als:

• Verkorte acquisitietijd
• Verhoogde binnenontvangst
• Verhoogde nauwkeurigheid en bewegingsgevoeligheid
• Groter dekkingsgebied
• Verhoogde nauwkeurigheid voor militaire inzetscenario's met behulp van een gerichte straal
• Verhoogde Anti-Jamming-mogelijkheden (het is niet duidelijk of dit van toepassing is op zowel civiele als militaire signalen, maar ik ben optimistisch)
• Verbeterde interoperabiliteit met het Europese positioneringssysteem GALILEO
• Verlaagde zoek-en-reddingsreactietijd en betere wereldwijde dekking met enkele berichtmogelijkheden, waardoor het verlies van MH370 kon worden voorkomen

Met vertragingen in zowel de satellietsystemen als de grondcontrolesegmenten is het onwaarschijnlijk dat we de volledige voordelen van deze systemen voor eindgebruikers tot eind 2015 / medio 2016 zullen zien. Zodra ze echter stijgen, hebben ze een voorgesteld leven van 15 jaar, dus waar gaan we daarna heen?

De VS is niet langer de enige speler in Wereldwijde navigatie. Rusland heeft GLONASS sinds het midden van de jaren 90 en in de afgelopen 5 jaar zijn de BeiDou en de GALILEO-systemen van China online gekomen. Last but not least is het Indiase regionale satellietnavigatiesysteem (IRNASS) gepland om in de komende jaren live te gaan.

Deze hebben allemaal verschillende regionale focussen, dus de grote vraag wordt, wie zal eerst samenwerken? Zullen het ontvangersmakers of wereldwijde regeringen zijn? Of gaan we terug naar de dagen van wereldwijde reizigers die voor elk continent een mobiele telefoon nodig hebben?

Met de nieuwe uitbreidingen van GPS hebben de VS blijk gegeven van hun bereidheid om met het Europese systeem te werken, net als Rusland door interoperabiliteit op het gebied van veiligheid van leven te bieden met zowel GPS als GALILEO. De lucht is druk aan het worden, en in dit tempo zullen er minstens 120 satellieten in de lucht zijn die plaats bieden aan 'iemand'. Als alles goed gaat, kunnen arme consumenten zelfs de meeste van hen gebruiken, waardoor we een paar centimeter nauwkeurig worden, zelfs binnenshuis. Dat betekent voldoen aan de vereisten van de FAA voor automatische piloten met precisiebenadering voor vliegtuigen (hint en drones) en voor een veel nauwkeurigere rijstrookdetectie voor zelfrijdende auto's. Hier laten we zien hoe we naar een wereld gaan waar automobilisten zonder bestuurder rijden Krijg een wereld vol met auto's zonder bestuurder Autorijden is een vervelend, gevaarlijk en veeleisend karwei. Kan het ooit worden geautomatiseerd door de bestuurderloze autotechnologie van Google? Lees verder .

Voeg dit toe aan de vooruitgang in wearables 6 Aankomende draagbare apparaten in vergelijking met: Wat is Hot en wat niet? 6 Aankomende draagbare apparaten vergeleken: What's Hot en What's Not I present to you zes van de interessantere en handigere draagbare tech-apparaten die op de markt zijn, of binnenkort voer het in. Lees meer en IoT Wat is het internet der dingen en hoe zal het onze toekomst beïnvloeden [MakeUseOf Explains] Wat is het internet der dingen en hoe zal het onze toekomst beïnvloeden [MakeUseOf Explains] Het lijkt erop dat er nieuwe modewoorden opduiken en afsterven met elke dag die voorbijgaat, en "the Internet of Things" is toevallig een van de meer recente ideeën die ... Lees Meer apparaten (hoe eng dat ook zou kunnen zijn. Waarom het internet der dingen de grootste veiligheid is Nachtmerrie Waarom het internet van Things Is The Biggest Security Nightmare Op een dag kom je thuis van je werk om te ontdekken dat je cloud-enabled huisbeveiligingssysteem is geschonden. "Hoe kon dit gebeuren? Met Internet of Things (IoT), kon je de harde manier achterhalen. Meer) en we kijken naar een toekomst van kleine apparaten die weten waar ze zijn en met elkaar kunnen praten. Smart-Wallets, Intelligente deurbellen die alleen 'chime' als iemand in huis is, sleutelhangers, tassen, al deze dingen die met je mobiel kunnen praten en zeggen waar ze zijn met een nauwkeurigheid van een paar centimeter (dan kan ik er eindelijk achter komen waar ik mijn sleutels achterliet ...).

Dit zijn slechts enkele van mijn gedachten over waar deze technologie ons naartoe zal brengen, maar wat is uw verhaal? Wat zou je kunnen doen met positiebewuste apparaten? Moeten we bang zijn?

En zoals altijd, vragen of iets waar ik een beetje te ver overheen heb gevlogen, vraag het in de comments.

Afbeelding credits: Geschiedenis Rat: Operatie Desert Storm - The Ground War; Mashup van twee stukken door DonkeyHotey, uitgebracht (en opnieuw uitgegeven) onder CC-SA-2.0, Canada Search and Rescue door Bmpower op Engelse Wikipedia (eigen werk); Trilateratie 2D door Javiersanp via Wikimedia Commons (eigen werk GFDL of CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), GPS-besturingssegmentkaart gelicentieerd onder publiek domein via GPS.gov; Debris-GEO1280 door NASA Orbital Debris Program Office, gelicentieerd onder het publieke domein, via Wikimedia Commons

Ontdek meer over: Astronomie, GPS.