GPS-Block III - GPS Block III
Hersteller | Lockheed Martin | ||
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Ursprungsland | Vereinigte Staaten | ||
Operator | US-Weltraumstreitkräfte | ||
Anwendungen | Navigationssatellit | ||
Spezifikationen | |||
Bus | Lockheed Martin A2100M | ||
Startmasse | 3.880 kg (8.550 lb) | ||
Trockenmasse | 2.269 kg (5.002 lb) | ||
Leistung | 4480 Watt (Ende der Lebensdauer) | ||
Batterien | Nickel-Wasserstoff-Batterie | ||
Regime | Halbsynchrone mittlere Erdumlaufbahn | ||
Leben gestalten | 15 Jahre (geplant) | ||
Produktion | |||
Status | In Produktion | ||
Auf Bestellung | 2 | ||
Gebaut | 8 | ||
Gestartet | 5 | ||
Betriebsbereit | 4 | ||
Jungfernstart | 23. Dezember 2018 | ||
Letzter Start | 17. Juni 2021 | ||
Zugehöriges Raumfahrzeug | |||
Abgeleitet von | GPS-Block IIF | ||
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GPS Block III (früher Block IIIA) besteht aus den ersten zehn GPS III-Satelliten , die verwendet werden, um das Navstar Global Positioning System betriebsbereit zu halten . Lockheed Martin hat das GPS III Non-Flight Satellite Testbed (GNST) und alle zehn Block III-Satelliten entworfen, entwickelt und hergestellt. Der erste Satellit der Serie wurde im Dezember 2018 gestartet. Der zehnte und letzte Start von GPS Block III ist für 2023 geplant.
Geschichte
Das Global Positioning System (GPS) der Vereinigten Staaten erreichte am 17. Juli 1995 seine volle Betriebsfähigkeit und erreichte damit seine ursprünglichen Konstruktionsziele. Zusätzliche technologische Fortschritte und neue Anforderungen an das bestehende System führten jedoch zu den Bemühungen, das GPS-System zu modernisieren. Im Jahr 2000 genehmigte der US-Kongress den als GPS III bezeichneten Versuch .
Das Projekt umfasst neue Bodenstationen und neue Satelliten mit zusätzlichen Navigationssignalen für zivile und militärische Nutzer und zielt darauf ab, die Genauigkeit und Verfügbarkeit für alle Nutzer zu verbessern.
Raytheon erhielt am 25. Februar 2010 den Auftrag für das Next Generation GPS Operational Control System (OCX).
Der Start des ersten Satellits der Serie war für 2014 geplant, aber erhebliche Verzögerungen führten zu einem Start im Dezember 2018.
Entwicklung
Block III-Satelliten verwenden die A2100M- Satellitenbusstruktur von Lockheed Martin . Die Treib- und Drucktanks werden von Orbital ATK aus leichten, hochfesten Verbundwerkstoffen hergestellt. Jeder Satellit wird acht ausfahrbare JIB-Antennen tragen, die von Northrop Grumman Astro Aerospace entwickelt und hergestellt werden
Bereits deutlich über den geplanten Start des ersten Satelliten im Jahr 2014 hinaus verzögert, erhielt SpaceX in Hawthorne, Kalifornien , am 27. April 2016 einen Festpreisvertrag in Höhe von 82,7 Mio. Der Vertrag umfasste die Produktion von Trägerraketen, die Missionsintegration und den Startbetrieb für eine GPS-III-Mission, die in Hawthorne, Kalifornien, durchgeführt werden soll; Luftwaffenstation Cape Canaveral , Florida ; und McGregor, Texas . Im Dezember 2016 gab der Direktor des Global Positioning Systems Directorate der US Air Force bekannt, dass der erste Satellit im Frühjahr 2018 starten würde 0-Startkontroll- und Checkout-System haben sich zusammengetan, um den geplanten Starttermin für den ersten GPS-III-Satelliten im März 2018 zu gefährden". Die Verzögerungen wurden durch eine Reihe von Faktoren verursacht, hauptsächlich aufgrund von Problemen in der Navigationsnutzlast. Weitere Verzögerungen beim Starttermin wurden durch die Notwendigkeit zusätzlicher Tests und Validierung eines SpaceX Falcon 9 verursacht, der den Satelliten schließlich am 23. Dezember 2018 startete. Am 22. August 2019 wurde der zweite GPS-III-Satellit an Bord einer Delta IV gestartet .
Am 21. September 2016 übte die US Air Force mit Lockheed Martin eine Vertragsoption in Höhe von 395 Millionen US-Dollar für das neunte und zehnte Block III-Raumfahrzeug aus, die voraussichtlich bis 2022 für den Start verfügbar sein werden.
Startverlauf
5 von 10 GPS Block III-Satelliten wurden gestartet. 4 sind derzeit in Betrieb, 1 wird getestet.
Satellit | USA-Bezeichnung | SVN | Name | Startdatum ( UTC ) | Rakete | Startplatz | Status | Art.-Nr. |
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GPS III-01 | USA-289 | 74 | Vespucci | 23. Dezember 2018, 13:51 | Falcon 9 Block 5 | CCSFS , SLC-40 | Im Dienst | |
GPS III-02 | USA-293 | 75 | Magellan | 22. August 2019, 13:06 | Delta IV M+ (4,2) | CCSFS , SLC-37B | Im Dienst | |
GPS III-03 | USA-304 | 76 | Matthew Henson | 30. Juni 2020, 20:10 | Falcon 9 Block 5 | CCSFS , SLC-40 | Im Dienst | |
GPS III-04 | USA-309 | 77 | Sacagawea | 5. November 2020, 23:24 | Falcon 9 Block 5 | CCSFS , SLC-40 | Im Dienst | |
GPS III-05 | USA-319 | 78 | Neil Armstrong | 17. Juni 2021, 16:09 | Falcon 9 Block 5 | CCSFS , SLC-40 | Testen | |
GPS III-06 | 79 | Amelia Earhart | 2022 | Falcon 9 Block 5 | TBA | Verfügbar für den Start | ||
GPS III-07 | 80 | Sally Ride | 202x | TBA | TBA | Verfügbar für den Start | ||
GPS III-08 | 81 | Katherine Johnson | 202x | TBA | TBA | Verfügbar für den Start | ||
GPS III-09 | 82 | Ellison Onizuka | 202x | TBA | TBA | Im Bau | ||
GPS III-10 | 83 | 202x | TBA | TBA | Im Bau |
Zivilist L2 (L2C)
Eine der ersten Ankündigungen war die Hinzufügung eines neuen zivilen Signals, das auf einer anderen Frequenz als der L1-Frequenz übertragen werden soll, die für das bestehende GPS- Coarse Acquisition (C/A)-Signal verwendet wird. Letztendlich wurde dies als L2C-Signal bekannt, weil es auf der L2-Frequenz (1227,6 MHz) gesendet wird. Es kann von allen Block IIR-M und späteren Design-Satelliten übertragen werden. Der ursprüngliche Plan sah vor, dass das Signal bis zum Einsatz des neuen OCX-Systems (Block 1) aus einer Standardnachricht ("Typ 0") bestehen würde, die keine Navigationsdaten enthält. OCX Block 1 mit den L2C-Navigationsdaten sollte im Februar 2016 in Dienst gestellt werden, wurde jedoch bis 2022 oder später verschoben.
Aufgrund von OCX-Verzögerungen wurde das L2C-Signal vom OCX-Bereitstellungsplan entkoppelt. Alle Satelliten, die das L2C-Signal übertragen können (alle seit 2005 gestarteten GPS-Satelliten), begannen im April 2014 mit der Ausstrahlung von präoperativen zivilen Navigationsnachrichten (CNAV), und im Dezember 2014 begann die Luftwaffe mit der täglichen Übertragung von CNAV-Uploads. Das L2C-Signal gilt als voll funktionsfähig, nachdem es von mindestens 24 Raumfahrzeugen ausgestrahlt wurde, was derzeit für 2021 geplant ist. Im Oktober 2017 wurde L2C von 19 Satelliten ausgestrahlt. Das L2C-Signal hat die Aufgabe, eine verbesserte Navigationsgenauigkeit zu bieten, ein leicht zu verfolgendes Signal bereitzustellen und bei lokalisierten Störungen als redundantes Signal zu fungieren.
Die unmittelbare Auswirkung der Übertragung von zwei zivilen Frequenzen von einem Satelliten ist die Fähigkeit, den ionosphärischen Verzögerungsfehler für diesen Satelliten direkt zu messen und daher zu entfernen . Ohne eine solche Messung muss ein GPS-Empfänger ein generisches Modell verwenden oder ionosphärische Korrekturen von einer anderen Quelle (wie einem satellitengestützten Augmentationssystem ) empfangen . Fortschritte in der Technologie sowohl für die GPS-Satelliten als auch für die GPS-Empfänger haben die ionosphärische Verzögerung zur größten Fehlerquelle im C/A-Signal gemacht. Ein Empfänger, der diese Messung durchführen kann, wird als Zweifrequenzempfänger bezeichnet. Seine technischen Eigenschaften sind:
- L2C enthält zwei verschiedene PRN-Sequenzen:
- CM (für Civilian Moderate Length Code) ist 10.230 Bit lang und wird alle 20 Millisekunden wiederholt .
- CL (für Civilian Long Length Code) ist 767.250 Bits und wiederholt sich alle 1.500 Millisekunden (dh alle 1,5 Sekunden).
- Jedes Signal wird mit 511.500 Bits pro Sekunde ( Bit/s ) übertragen; sie werden jedoch gemultiplext , um ein 1.023.000 Bit/s-Signal zu bilden.
- CM wird moduliert mit mit einer 25 bit / s Navigationsnachricht Vorwärtsfehlerkorrektur , während CL keine zusätzlichen modulierten Daten enthält.
- Die lange CL-Sequenz ohne Daten bietet einen um etwa 24 dB höheren Korrelationsschutz (~250-mal stärker) als L1 C/A.
- Die L2C-Signaleigenschaften bieten eine 2,7 dB höhere Datenwiederherstellung und eine 0,7 dB bessere Trägernachführung als L1 C/A.
- Die Sendeleistung der L2C-Signale ist 2,3 dB schwächer als die des L1 C/A-Signals.
- Bei einer Einzelfrequenzanwendung hat L2C 65 % mehr Ionosphärenfehler als L1.
Es ist in IS-GPS-200 definiert.
Militär (M-Code)
Als wichtiger Bestandteil des Modernisierungsprozesses wurde ein neues militärisches Signal namens M-Code entwickelt, um die Entstörung und den sicheren Zugriff der militärischen GPS-Signale weiter zu verbessern. Der M-Code wird in den gleichen L1- und L2-Frequenzen übertragen, die bereits vom vorherigen Militärcode, dem P(Y)-Code, verwendet wurden. Das neue Signal ist so geformt, dass es den größten Teil seiner Energie an den Kanten platziert (weg von den bestehenden P(Y)- und C/A-Trägern). Im Gegensatz zum P(Y)-Code ist der M-Code autonom, was bedeutet, dass Benutzer ihre Positionen nur mit dem M-Code-Signal berechnen können. P(Y)-Codeempfänger müssen typischerweise zuerst auf den C/A-Code sperren und dann auf den P(Y)-Code umschalten.
In einer großen Abweichung von früheren GPS-Designs soll der M-Code zusätzlich zu einer Weitwinkelantenne (voller Erde) von einer Richtantenne mit hoher Verstärkung ausgestrahlt werden . Die Richtantenne des Signal, einen bezeichneten Punktstrahl , sollte bei einer bestimmten Region (dh mehr hundert Kilometer im Durchmesser) und erhöhen die lokale Signalstärke um 20 dB (10 × Spannungsfeldstärke, 100 x power) angestrebt werden. Ein Nebeneffekt von zwei Antennen besteht darin, dass der GPS-Satellit für Empfänger innerhalb des Punktstrahls als zwei GPS-Signale erscheint, die dieselbe Position einnehmen.
Während das Full-Earth-M-Code-Signal auf den Block IIR-M-Satelliten verfügbar ist, werden die Spot-Beam-Antennen erst verfügbar sein, wenn die Block III-Satelliten eingesetzt werden. Wie die anderen neuen GPS-Signale ist M-Code von OCX abhängig – insbesondere Block 2 – das im Oktober 2016 in Betrieb gehen sollte, aber bis 2022 verschoben wurde und dieses ursprüngliche Datum nicht den zweijährigen ersten Satellitenstart widerspiegelte vom GAO erwartete Verzögerung.
Andere M-Code-Eigenschaften sind:
- Satelliten übertragen zwei unterschiedliche Signale von zwei Antennen: eines für die gesamte Erdabdeckung, eines in einem Punktstrahl.
- Binäre Offset-Trägermodulation .
- Belegt 24 MHz Bandbreite.
- Es verwendet eine neue MNAV-Navigationsnachricht, die paketiert statt gerahmt ist, was flexible Datennutzlasten ermöglicht.
- Es gibt vier effektive Datenkanäle; Auf jeder Frequenz und auf jeder Antenne können unterschiedliche Daten gesendet werden.
- Es kann FEC und Fehlererkennung umfassen.
- Der Punktstrahl ist ~20 dB stärker als der gesamte Erdabdeckungsstrahl.
- M-Code-Signal an der Erdoberfläche: –158 dBW für die gesamte Erdantenne, –138 dBW für Punktstrahlantennen.
Lebenssicherheit (L5)
Safety of Life ist ein zivil genutztes Signal, das auf der Frequenz L5 (1176,45 MHz) ausgestrahlt wird. Im Jahr 2009 sendete ein WAAS- Satellit die ersten L5-Signaltestübertragungen. SVN-62 , der erste GPS-Block-IIF-Satellit, sendet ab dem 28. Juni 2010 kontinuierlich das L5-Signal.
Aufgrund von Fahrplanverzögerungen zum GPS III-Kontrollsegment wurde das L5-Signal vom OCX-Einsatzplan entkoppelt. Alle Satelliten, die das L5-Signal übertragen können (alle seit Mai 2010 gestarteten GPS-Satelliten), begannen im April 2014 mit der Ausstrahlung von präoperativen zivilen Navigationsnachrichten (CNAV), und im Dezember 2014 begann die Luftwaffe mit der täglichen Übertragung von CNAV-Uploads. Das L5-Signal wird als voll funktionsfähig betrachtet, sobald mindestens 24 Raumfahrzeuge das Signal ausstrahlen, was derzeit für 2024 geplant ist.
Am 18. April 2017 wurde L5 von 12 Satelliten ausgestrahlt.
- Verbessert die Signalstruktur für eine verbesserte Leistung.
- Höhere Sendeleistung als L1- oder L2C-Signal (~3 dB oder doppelt so stark).
- Größere Bandbreite, was einen 10-fachen Verarbeitungsgewinn ergibt.
- Längere Spreizcodes (10-mal länger als beim C/A-Code verwendet).
- Befindet sich im Band der Aeronautical Radionavigation Services , einem weltweit verfügbaren Frequenzband.
WRC-2000 fügte diesem Luftfahrtband eine Weltraumsignalkomponente hinzu, damit die Luftfahrtgemeinschaft Störungen von L5 effektiver handhaben kann als L2. Es ist in IS-GPS-705 definiert.
Neue zivile L1 (L1C)
L1C ist ein zivil genutztes Signal, das auf derselben L1-Frequenz (1575,42 MHz) ausgestrahlt wird, die das von allen aktuellen GPS-Benutzern verwendete C/A-Signal enthält.
Die L1C-Ausstrahlung beginnt, wenn GPS III Control Segment (OCX) Block 1 betriebsbereit ist, derzeit geplant für 2022. Das L1C-Signal wird den vollen Betriebsstatus erreichen, wenn es von mindestens 24 GPS-Block III-Satelliten ausgestrahlt wird, derzeit für Ende der 2020er Jahre prognostiziert.
- Die Implementierung wird C/A-Code bereitstellen, um die Abwärtskompatibilität sicherzustellen.
- Gewährleistet eine Erhöhung der minimalen C/A-Code-Leistung um 1,5 dB, um jegliche Erhöhung des Grundrauschens zu mindern.
- Die Nicht-Daten-Signalkomponente enthält einen Pilotträger , um die Verfolgung zu verbessern.
- Ermöglicht eine bessere zivile Interoperabilität mit Galileo L1.
Es ist in IS-GPS-800 definiert.
Verbesserungen
Erhöhte Signalleistung an der Erdoberfläche:
- M-Code: −158 dBW / −138 dBW.
- L1 und L2: –157 dBW für das C/A-Code-Signal und –160 dBW für das P(Y)-Code-Signal.
- L5 beträgt –154 dBW.
Forscher von The Aerospace Corporation bestätigten, dass das effizienteste Mittel zur Erzeugung des Hochleistungs-M-Code-Signals eine Abweichung von der vollständigen Erdabdeckung beinhalten würde, die bis zu diesem Punkt für alle Downlink-Signale des Benutzers charakteristisch ist. Stattdessen würde eine Antenne mit hoher Verstärkung verwendet, um einen gerichteten Punktstrahl mit mehreren hundert Kilometern Durchmesser zu erzeugen. Ursprünglich war dieser Vorschlag als Nachrüstung der geplanten Block-IIF-Satelliten gedacht. Bei näherer Betrachtung stellten die Programmmanager fest, dass das Hinzufügen einer großen ausfahrbaren Antenne in Kombination mit den erforderlichen Änderungen im Bereich der Betriebssteuerung eine zu große Herausforderung für das bestehende Systemdesign darstellte.
- Die NASA hat verlangt, dass Block-III-Satelliten Laser -Retroreflektoren tragen . Dies ermöglicht es, die Umlaufbahnen der Satelliten unabhängig von den Funksignalen zu verfolgen, wodurch Satellitenuhrfehler von Ephemeridenfehlern getrennt werden können. Dies, eine Standardfunktion von GLONASS , wird in das Galileo-Positionierungssystem aufgenommen und wurde als Experiment auf zwei älteren GPS-Satelliten (Satelliten 35 und 36) aufgenommen.
- Die USAF arbeitet mit der NASA zusammen , um als Teil des MEOSAR- Such- und Rettungssystems eine Nutzlast des Distress Alerting Satellite System ( DASS ) zur zweiten Reihe von GPS-III- Satelliten hinzuzufügen .
Kontrollsegment
Das GPS Operational Control Segment (OCS), bestehend aus einem weltweiten Netzwerk von Satellitenoperationszentren, Bodenantennen und Überwachungsstationen, bietet Kommando- und Kontrollfunktionen (C2) für GPS Block II-Satelliten. Das neueste Update des GPS OCS, Architectural Evolution Plan 7.5, wurde am 16. November 2018 installiert.
Operational Control Segment (OCX) der nächsten Generation
Im Jahr 2010 kündigte die US-Luftwaffe Pläne zur Entwicklung eines modernen Kontrollsegments an, einem kritischen Teil der GPS-Modernisierungsinitiative. OCS wird weiterhin als rekordverdächtiges Bodenkontrollsystem dienen, bis das neue System, das Next Generation GPS Operational Control System (OCX), vollständig entwickelt und funktionsfähig ist.
OCX-Funktionen werden in drei separaten Phasen, den sogenannten "Blöcken", an die US-Luftwaffe geliefert. Die OCX-Blöcke sind von null bis zwei nummeriert. Mit jedem ausgelieferten Block erhält OCX zusätzliche Funktionalität.
Im Juni 2016 hatten die US - Luftwaffe offiziell Kongress des OCX - Programms projizierten Programmkosten über US $ 4,25 Milliarden, also Basislinie Kostenschätzungen von US bekannt $ 3,4 Mrd. um 25%, auch als kritische Überschreitung gestiegen gemeldet Nunn-McCurdy Verletzung. Zu den Faktoren, die zu dem Verstoß geführt haben, gehören "unzureichende Systemtechnik zu Beginn des Programms" und "die Komplexität der Cybersicherheitsanforderungen an OCX". Im Oktober 2016 zertifizierte das Verteidigungsministerium das Programm offiziell, ein notwendiger Schritt, um die Entwicklung nach einem kritischen Verstoß fortzusetzen.
OCX Block 0 (Start- und Kassensystem)
OCX Block 0 bietet die minimale Teilmenge der vollständigen OCX-Fähigkeiten, die erforderlich sind, um den Start und die frühe Überprüfung von Raumfahrzeugbussen im Orbit von GPS-III-Raumfahrzeugen zu unterstützen.
Block 0 hat im April und Mai 2018 zwei Cybersicherheitstest-Events abgeschlossen, ohne dass neue Schwachstellen gefunden wurden.
Im Juni 2018 hatte Block 0 seine dritte erfolgreiche integrierte Startprobe mit GPS III.
Die US Air Force hat die Lieferung des OCX Block 0 im November 2017 entgegengenommen und wird damit den ersten GPS-Start im Dezember 2018 vorbereiten.
OCX Block 1 (zivile GPS III-Funktionen)
OCX Block 1 ist ein Upgrade auf OCX Block 0, bei dem das OCX-System die Initial Operating Capability (IOC) erreicht. Sobald Block 1 bereitgestellt ist, wird OCX zum ersten Mal in der Lage sein, sowohl Block II- als auch Block III-GPS-Satelliten zu befehligen und zu steuern sowie die Möglichkeit zu unterstützen, mit der Ausstrahlung des zivilen L1C-Signals zu beginnen.
Im November 2016 berichtete das GAO, dass OCX Block 1 der Hauptgrund für die Verzögerung bei der Aktivierung der GPS-III-PNT-Mission geworden sei.
Block 1 hat die letzte Iteration des Critical Design Review (CDR) im September 2018 abgeschlossen. Die Softwareentwicklung für Block 1 soll 2019 abgeschlossen sein, danach wird die Block-1-Software 2,5 Jahre lang Systemtests unterzogen.
OCX Block 2 (militärische GPS III-Funktionen, zivile Signalüberwachung)
OCX Block 2 aktualisiert OCX mit den fortschrittlichen M-Code-Funktionen für militärische Benutzer und der Möglichkeit, die Leistung der zivilen Signale zu überwachen. Im März 2017 änderte der Auftragnehmer seinen OCX-Lieferplan so, dass Block 2 nun gleichzeitig mit Block 1 an die Air Force geliefert wird. Im Juli 2017 wurde eine weitere neunmonatige Verzögerung des Zeitplans bekannt gegeben. Laut Programmplan vom Juli 2017 wird OCX im April 2022 an die Luftwaffe ausgeliefert.
Notfalloperationen
GPS III Contingency Operations ("COps") ist ein Update des GPS Operational Control Segments, das es OCS ermöglicht, Block IIF Position, Navigation und Timing (PNT)-Funktionen von GPS III-Satelliten bereitzustellen. Die Bemühungen um Contingency Operations ermöglichen es GPS III-Satelliten, an der GPS-Konstellation teilzunehmen, wenn auch in begrenzter Weise, ohne warten zu müssen, bis OCX Block 1 einsatzbereit ist (derzeit geplant für 2022).
Die United States Air Force vergab im Februar 2016 den Vertrag über den Contingency Operations-Vertrag in Höhe von 96 Millionen US-Dollar. Im September 2018 war die Softwareentwicklung abgeschlossen, und die Komponentenintegrationstests sollten im nächsten Monat abgeschlossen werden. Die Betriebsabnahme ist für Januar 2020 geplant.
Bereitstellungszeitplan
Datum | Einsatz | Raumfahrzeuge | Bemerkungen | ||
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Befehl & Kontrolle | Satelliten, die Navigationsdaten liefern | ||||
OCS | OCX | ||||
Dezember 2018 | OCX-Block 0 | Block II | Block III (nur Launch und Checkout) |
Block II | OCS und OCX arbeiten parallel |
Januar 2020 | Notfalloperationen | Block II und Block III |
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Januar 2023 | OCX-Block 1 und OCX-Block 2 | Block II & Block III | OCS wird nicht mehr verwendet, L1C-Übertragungen beginnen, volle GPS III-Funktionalität erreicht. |
Siehe auch
- GPS-Block IIIF
- GPS-Signale
- GPS-Satellitenblöcke
- Liste der GPS-Satelliten
- Michibiki - Neue japanische Satelliten, die entwickelt und gestartet wurden, um GPS in Japan zu verbessern.
Verweise
Externe Links
Bibliotheksressourcen zu GPS Block III |
- Cheung, Wai; Stansell, Tom; Fontana, Richard D. (1. September 2001). "Das modernisierte L2-Zivilsignal" . GPS-Welt. Archiviert vom Original am 9. Juli 2011.
- Barker, Kapitän Brian C.; Betz, John W.; Clark, John E.; Correia, Jeffrey T.; Gillis, James T.; Lazar, Steven; Rehborn, Lt. Kaysi A.; Straton, III, John R. "Übersicht über das GPS-M-Code-Signal" (PDF) .
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- Perton, Marc (25. Januar 2006). "Regierung erhöht Lautstärke bei GPS" . Engagieren.
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