GPS III Var är vi? Och vart ska vi

För femton år sedan gick den första GPS-mobilen på marknaden. Det floppade, men den formfaktor som den pionierade, har kombinerat kommunikationsutrustning i närheten av militärkvalitet med en konsumentenhet med oss.

Du kan inte vrida ett hörn utan din telefon eller din klocka eller dina skor berättar var du ska gå för att de vet exakt var du är. Men det var inte alltid fallet.

En kort historia av GPS

Vi tar GPS för givet som en "commodity", en stor gåva från Reagan-Era Star Wars Cold War MADness som ibland lär gymnasier om relativitet. Det deprimerande faktumet är att GPS (eller GNSS som det klassificerades vid den tiden) endast var tillgängligt för allmänheten efter en kuslig känd flygkatastrof.

År 1983 - bara fem år efter den första NAVSTAR-satelliten lanserades - slogs Korea Air Lines Flight 007 ned efter att ha kollat ​​in i sovjetiskt luftrum på grund av pilotnavigeringsfel. Det globala svaret på förlusten av de 269 själarna ombord var angripen men präglade av Cold War Politics och president Ronald Reagan meddelade att GPS skulle ställas till världens ledighet för att förhindra en sådan tragedi.

Global Positioning System var ursprungligen utformat ur ett militärt behov för att samordna trupp- och hantverksrörelse i okända områden (till exempel Persiska viken, där GPS användes första gången i teatern i Operation Desert Storm), liksom det kärntekniska detonationsdetekteringssystemet ( NUDET).

De "Selektiva" positioneringsåren

På grund av användningen av flera satelliter med extremt korrekta klockor hade GPS en positionsnoggrannhet på cirka 10 meter från början. Försvarsdepartementet införde dock avsiktliga positioneringsfel i de civila band som citerar rädsla för att tekniken skulle användas mot dem. Detta, som ofta händer, återföddes nästan omedelbart.

Även vid den första operativa användningen av GPS i Desert Storm körde det begränsade antalet dyra, energi hungriga, tunga GPS-mottagare enheter många medlemmar av den väpnade att tvinga upp "billiga", ljusa och nästan allestädes närvarande civila mottagare som var effektivt värdelösa på fältet på grund av dessa avsiktliga fel. Detta var ett erkänt problem att felinsättningssystemet (kallat selektiv tillgänglighet eller bara SA) stängdes av hela världen för resten av Gulfkriget ('90 -'91).

Under 90-talet drev militära, företags- och civila organ för att SA skulle avlägsnas, med personer som sträckte sig från trucking-firmor till FAA och hävdade att det falska bullret i signalen begränsade användbarheten och anpassningen av GPS på sina respektive områden. Dessa fel var avstängd "permanent" år 2000 av president Bill Clinton.

Men en ny generation av satelliter lanseras, som lovar en stor ökning till inte bara noggrannheten, men också tillgången till GPS. Betecknad som GPS Block III, eller bara GPS III, kommer denna svit med 30 nya satelliter att ersätta den åldrande Block II-enheten och den redan slutna Block I-enheten. Av 64 Block I / II-fåglar lanserades 33 förblir operationella, den äldsta var Navstar IIA-01, vid en stor gammal 23-åring.

Anledningen till att dessa satelliter är en enorm förbättring är mer komplicerad än “det är snabbare att låsa på och mer exakt”. Här är varför.

Hur GPS fungerar

GPS fungerar som ett rent sändningssystem; Det krävs ingen dataanslutning för att berätta för din position (även om de flesta appar kommer att behöva en dataanslutning). Syk av din GPS Apps dataanslutning fläckar ut? Testa 3 uppdaterade offline-kartor [Android] 3 Uppdaterade offline-kartor [Android] Chris täckte tre av de bästa offline-GPS-apparna som finns tillgängliga på Android sedan länge sedan. Sedan dess har många andra GPS-appar släppts eller fått stora uppdateringar. Jämför dessa nykomlingar med dem som granskades av ... Läs mer för kartläggningssidan). Din telefon eller SatNav pratar inte med satelliten 12.500 mil bort, den lyssnar bara på en viss frekvens för vissa koder.

Din telefon lyssnar på en viss kanal, eller "band" med varje satellit-sändning, det är en egen personlig tidskod baserad på sin egen klocka som flyter upp i omloppsbana. Men eftersom varje satellit är ett annat avstånd från dig när du får dessa "ticks" kommer de att vara lite synkroniserade. Din GPS-enhet försöker sedan synkronisera varje ström till en intern klocka, så det kan utgöra hur långt varje satellit är från din plats.

Så, du är X, Y och Z miles bort från tre satelliter. Dessa är minst 12 500 miles ovanför ditt huvud och reser på 14 000 miles i timmen, och du har ingen aning om var de är eller var de går. Detta är inte massivt användbart tills vi lägger till den tidskod som varje satellit sänder, som innehåller mycket mer information än bara tiden.

Jag vet var jag är men var är du?

För att kunna reda på var vi är baserade på satelliterna "ticks" behöver vi en extra bit information som redan sänds i tidskoden, som kallas en "Almanacka". Detta innehåller information om varje satellits aktuella omloppsegenskaper. Så din telefon bygger en liten modell-planetarium baserat på tid som är korrekt ner till några nanosekunder. Det fungerar där satelliterna är i rymden och där du är i förhållande till satelliterna. Hur GPS fungerar [MakeUseOf Explains] Hur GPS fungerar [MakeUseOf Explains] Som en ivrig spelare är jag förvånad över sambandet mellan GPS-liknande funktioner i moderna videospel och spridning av GPS-teknik i vardagligt liv. När jag var barn var papperskartor och kartografi ... Läs mer. Bom. Närmaste Starbucks ligger 12,6 meter bort.

Nu blir det intressant; det är bara ett "band" eller kanal. Det fanns ursprungligen tre kanaler; två (L1 / L2) användes för förvärv och positionering respektive. Dessa användes i konsumentansökningar, men om du hade en viss krypteringskod (vanligtvis kallad Gold-koden) fick du högre noggrannhet, militära endast signaler.

Slutligen är L3-bandet reserverat för Nuclear Detonation Detections, som övervakar världen för infraröda händelser med hög energi och används oftast för att genomdriva fördrag om nukleär testförbud. Men de nya versionerna av GPS-standarden kommer med spännande nya funktioner.

Vad är nytt i GPS III?

I de senare Block II- och Block III-systemen ökar antalet tillgängliga banden till 5. L4 lämnas som forskningsband, medan L5 inkluderar Säkerhetsförmåga (SoL Data och Pilotsignaler), vilket är en extrem pålitlig version av GPS för användare inom luftfart, sjöfart och "sök och räddning".

I de nya systemen används också metoden för överlagring av data i samma signal med hjälp av en Gold-kod (CDMA) för att producera extra signaler för civila och militära bara kanaler (L2C respektive M-Code) som gör två väldigt coola saker separat.

L2C-koden är båda 250 gånger så "detectable" (som inte är densamma som "starkare") och fungerar på ett annat band än det som normalt används av civila GPS. Eftersom vi nu har tillgång till två band, kan vi jämföra dem i realtid för att kompensera för atmosfärstörning, vilket innebär att konsumenterna äntligen kan få tillförlitlig inomhuspositionering (inom förnuft) .

M-koden är det stora biljettobjektet som motiverar de nya förändringarna i hur GPS fungerar. De två stora framstegen i detta avseende är directionality och anti-jamming. I stället för det normala systemet för "hel jordutsändning" kommer de nya block III-satelliterna att ha både hel jord och riktande M-kod antenner, vilket ger trupperna 100x starkare mottagning inom strålens kona, vilket kommer att vara (bara) flera hundra kilometer tvärs över.

När det gäller denna kraftpump kommer M-Code-signalerna även att innehålla en serie felkorrigering, anti-jamming, anti-spoofing och data-sändningsteknik för att bekämpa lokala GPS-avkallningssystem och se till att trupperna alltid har bästa möjliga positionsdata, oavsett av väder, plats eller fiende.

Utöver detta finns det de vanliga uppgraderingarna som kommer när du köper en ny bit av kit. Snabbare Rubidiumklockor ger mer exakt timing och bättre mottagare positionering. Under tiden kommer bättre solpaneler att ge mer kraft till starkare antenner, vilket innebär mer kraft vid mottagaränden.

Då har du de vanliga tilläggen när regeringar blir involverade i saker; NASA har bett om att hålla fast på några retroreflektorer (speglar) för att ge bättre markspårning av banor, och flygvapnet lobbar för att lägga till extra SAR-kapacitet (SAR) ovanpå de befintliga SoL-datakanalerna. Det här är en del av en global standard för SAR-system som omfattar 37 länder och kommer inte bara att ge omedelbar nödsignaldetektering och plats, utan också möjligheten att skicka korta meddelanden till mottagaren.

Är det uppe i luften?

Många av dessa framsteg bygger inte bara på uppdaterade satelliter utan också på uppdaterade markstationer, som tidigare kallats “Operativa kontrollsegment”(OCS). Dessa markstationer är platser över hela världen och koordinerar orbitalvägar, täckningsdensitet och sök- och räddnings- / kärnkraftsdetekteringskapaciteter för GPS-nätverket, samt regelbundet korrigering för den irriterande speciella relativitetstidsutvidgningen. De nya versionerna av dessa markstationer (OCX) möjliggör de flesta av dessa framsteg och möjliggör driftskompatibiliteten mellan amerikanska och europeiska GNSS-system (PS, det är därför GPS suger om du är i Europa jämfört med USA, vi har mindre fåglar över huvudet).

Tyvärr är det just dessa fantastiska nya system som håller tillbaka lanseringen av GPS III. Försvarsentreprenören Lockheed Martin har uppdragits att bygga den första av satelliterna, men har försenats av nya L2C-hanterings- och navigationsdatorer från Exelis. medan Raytheon har blivit kontrakt för att bygga OCX, som har upplevt betydande budgetöverskridanden.

Sammanfattning och spekulation

Fördelarna med det nya Block III-systemet, inklusive några av de bitar som för närvarande lanseras Block II kan sammanfattas som:

• Minskad förvärvstid
• Ökad inomhusmottagning
• Ökad noggrannhet och rörelsekänslighet
• Bredare täckningsområde
• Ökad noggrannhet för militära utplaceringsscenarier med hjälp av en fokuserad stråle
• Ökad anti-jamming kapacitet (det är inte klart om detta gäller både civila och militära signaler, men jag är optimistisk)
• Ökad driftskompatibilitet med Europas positioneringssystem för Galileo
• Minskad svarstid för sökning och räddningstjänst och bättre global täckning med viss meddelandekapacitet, vilket kunde ha förhindrat förlusten av MH370

Med förseningar i både satellitsystemen och markkontrollsegmenten är det osannolikt att vi kommer att se de fullständiga slutanvändarnas fördelar med dessa system fram till slutet av 2015 / mitten av 2016. Men när de går upp har de ett föreslagit liv av 15 år, så vart går vi efter det?

USA är inte längre den enda aktören i Global Navigation. Ryssland har haft GLONASS sedan mitten av 90-talet och under de senaste 5 åren har både Kinas BeiDou och Europas Galileo-system kommit på nätet. Sist men inte minst är det indiska regionala navigationssatellitsystemet (IRNASS) planerat att leva inom de närmaste åren.

Alla har olika regionala fokuser, så den stora frågan blir, vem ska samarbeta först? Kommer det att vara mottagare eller globala regeringar? Eller kommer vi att gå tillbaka till de dagar som globala resenärer måste ha en mobiltelefon för varje kontinent?

Med de nya tilläggen till GPS har USA visat sig vara villig att arbeta med det europeiska systemet, liksom Ryssland genom att tillhandahålla interoperabilitet för säkerheten med både GPS och Galileo. Skyarna blir upptagna, och i denna takt kommer det att finnas minst 120 satelliter i himlen som ger positionering till "någon". Om allt går bra, kan våra fattiga konsumenter till och med kunna använda de flesta av dem, få oss till en noggrannhet på några inches, även inomhus. Det betyder att uppfylla FAA: s krav på precisionsinflygning för flygplan (tips och dronor) samt möjliggöra mycket mer exakt lane-detektion för självkörande bilar. Här är hur vi kommer till en värld fylld med förare utan bil Här är hur vi kommer till en värld fylld med förare utan bil Driving är en tråkig, farlig och krävande uppgift. Kan det idag automatiseras av Googles drivlösa bilteknik? Läs mer .

Lägg till detta i framsteg i bärbara datorer 6 Kommande bärbara enheter Jämfört: Vad är hett och vad som inte är 6 Kommande bärbara enheter Jämfört: Vad är hett och vad jag inte presenterar sex av de mer intressanta och användbara bärbara tekniska enheterna antingen på marknaden eller snart till skriv in den. Läs mer och vad Vad är internet av saker och hur kommer det att påverka vår framtid [MakeUseOf Explains] Vad är internet av saker och hur kommer det att påverka vår framtid? MakeUseOf Förklarar Det verkar som om det finns nya buzzwords som dyker upp och dör av med varje dag som passerar oss genom, och "Dina Internet" händer bara att vara en av de senaste idéerna som ... Läs mer enheter (dock läskigt som kan vara Varför Internetens saker är den största säkerhetsmardrömmen Varför Internet av Saker är den största säkerhetsmardrömmen En dag kommer du hem från jobbet för att upptäcka att ditt molnaktiverade hemsäkerhetssystem har brutits. Hur kan det hända? Med Internet of Things (IoT) kan du hitta den svåra vägen. Mer), och vi tittar på en framtid för små enheter som vet var de är och kan prata med varandra. Smart-Plånböcker, Intelligenta Dörrklockor som bara "chime" om någon är i huset, nyckelringar, väskor, alla dessa saker som kan prata med din mobiltelefon och säga var de är med en noggrannhet på några inches (då kan jag äntligen ta reda på där jag lämnade mina nycklar ...).

Detta är bara några av mina tankar om var denna teknik kommer att ta oss, men vad är din historia? Vad kan du göra med positionmedvetna enheter? Ska vi vara rädda?

Och som alltid har några frågor eller något jag har skumrat lite för långt, fråga i kommentarerna.

Bildkrediter: Historia Rat: Operation Desert Storm - Ground War; Mashup av två stycken av DonkeyHotey, släppt (och re-released) under CC-SA-2.0, Kanada Search and Rescue by Bmpower på engelska Wikipedia (eget arbete); Trilateration 2D av Javiersanp via Wikimedia Commons (eget arbete GFDL eller CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0), GPS-styrsegmentskortet licensierat under det offentliga området via GPS.gov; Debris-GEO1280 av NASA Orbital Debris Program Office, licensierad under offentlig domän, via Wikimedia Commons

Utforska mer om: Astronomi, GPS.