Global Positioning System - Global Positioning System

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Global Positioning System (GPS)
NAVSTAR GPS logo.png

Herkunftsland (e) Vereinigte Staaten
Betreiber US Space Force
Art Militär, Zivilist
Status Betriebsbereit
Abdeckung Global
Richtigkeit 500–30 cm
Konstellationsgröße
Insgesamt Satelliten 33
Satelliten im Orbit 31
Erster Start 22. Februar 1978 ; Vor 43 Jahren  ( 1978-02-22 )
Total Starts 72p
Orbitalmerkmale
Regime (s) 6x MEO Flugzeuge
Orbitalhöhe 20.180 km
Künstlerische Konzeption des Satelliten GPS Block II-F in der Erdumlaufbahn.
Zivile GPS-Empfänger (" GPS-Navigationsgerät ") in einer Schiffsanwendung.
Ein leitender Flieger des Luftwaffen-Weltraumkommandos durchläuft während des Satellitenbetriebs des Global Positioning System eine Checkliste.

Das Global Positioning System ( GPS ), ursprünglich Navstar GPS , ist ein satellitengestütztes Radionavigationssystem , das der Regierung der Vereinigten Staaten gehört und von der United States Space Force betrieben wird . Es ist eines der globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS), das einem GPS-Empfänger überall auf oder in der Nähe der Erde Geolokalisierungs- und Zeitinformationen liefert, wo eine freie Sichtlinie zu vier oder mehr GPS-Satelliten besteht. Hindernisse wie Berge und Gebäude blockieren die relativ schwachen GPS-Signale .

Das GPS erfordert vom Benutzer keine Datenübertragung und arbeitet unabhängig von Telefon- oder Internetempfang, obwohl diese Technologien die Nützlichkeit der GPS-Positionsinformationen verbessern können. Das GPS bietet militärischen, zivilen und kommerziellen Benutzern auf der ganzen Welt wichtige Positionierungsfunktionen. Die Regierung der Vereinigten Staaten hat das System geschaffen, wartet es und macht es für jeden mit einem GPS-Empfänger frei zugänglich.

Das GPS-Projekt wurde 1973 vom US-Verteidigungsministerium gestartet. Der erste Prototyp eines Raumfahrzeugs wurde 1978 gestartet und die vollständige Konstellation von 24 Satelliten wurde 1993 in Betrieb genommen. Ursprünglich auf die Verwendung durch das US-Militär beschränkt, war die zivile Nutzung ab den 1980er Jahren zulässig auf Anordnung von Präsident Ronald Reagan . Fortschritte in der Technologie und neue Anforderungen an das bestehende System haben nun zu Bemühungen geführt, das GPS zu modernisieren und die nächste Generation von GPS Block IIIA- Satelliten und das Next Generation Operational Control System (OCX) zu implementieren . Mit Ankündigungen von Vizepräsident Al Gore und der Clinton-Administration im Jahr 1998 wurden diese Änderungen eingeleitet, die vom US-Kongress im Jahr 2000 genehmigt wurden .

In den neunziger Jahren wurde die GPS-Qualität von der Regierung der Vereinigten Staaten in einem Programm namens "Selective Availability" verschlechtert. Dies wurde am 1. Mai 2000 durch ein von Präsident Bill Clinton unterzeichnetes Gesetz eingestellt .

Der GPS-Dienst wird von der Regierung der Vereinigten Staaten bereitgestellt, die selektiv den Zugang zum System verweigern kann, wie es dem indischen Militär 1999 während des Kargil-Krieges passiert ist , oder den Dienst jederzeit herabsetzen kann. Infolgedessen haben mehrere Länder andere globale oder regionale Satellitennavigationssysteme entwickelt oder sind dabei, diese einzurichten. Das russische globale Navigationssatellitensystem ( GLONASS ) wurde zeitgleich mit GPS entwickelt, litt jedoch bis Mitte der 2000er Jahre unter einer unvollständigen Abdeckung des Globus. GLONASS kann zu GPS-Geräten hinzugefügt werden, wodurch mehr Satelliten verfügbar werden und Positionen schneller und genauer auf zwei Meter genau festgelegt werden können. Chinas BeiDou-Navigationssatellitensystem hat 2018 seine weltweiten Dienste aufgenommen und seine vollständige Bereitstellung im Jahr 2020 abgeschlossen. Es gibt auch das Galileo-Positionierungssystem der Europäischen Union und das indische NavIC . Japans Quasi-Zenith-Satellitensystem (QZSS) ist ein satellitengestütztes GPS -Erweiterungssystem zur Verbesserung der GPS-Genauigkeit in Asien-Ozeanien . Die Satellitennavigation ist unabhängig von GPS für 2023 geplant.

Als die selektive Verfügbarkeit im Jahr 2000 aufgehoben wurde, hatte GPS eine Genauigkeit von etwa fünf Metern. Die neueste Stufe der Genauigkeitsverbesserung verwendet das L5-Band und ist jetzt vollständig bereitgestellt. Im Jahr 2018 veröffentlichte GPS-Empfänger, die das L5-Band verwenden, können eine viel höhere Genauigkeit aufweisen und auf 30 Zentimeter genau bestimmen.

Geschichte

Das GPS-Projekt wurde 1973 in den USA gestartet, um die Einschränkungen früherer Navigationssysteme zu überwinden. Dabei wurden Ideen mehrerer Vorgänger integriert, darunter klassifizierte Konstruktionsstudien aus den 1960er Jahren. Das US-Verteidigungsministerium entwickelte das System, das ursprünglich 24 Satelliten verwendete. Es wurde ursprünglich für den Einsatz durch das US-Militär entwickelt und wurde 1995 voll funktionsfähig. Ab den 1980er Jahren war der zivile Einsatz zulässig. Roger L. Easton vom Naval Research Laboratory , Ivan A. Getting von der Aerospace Corporation und Bradford Parkinson vom Applied Physics Laboratory werden für ihre Erfindung verantwortlich gemacht. Die Arbeit von Gladys West wird als maßgeblich für die Entwicklung von Computertechniken zur Erfassung von Satellitenpositionen mit der für GPS erforderlichen Präzision angesehen.

Das Design von GPS basiert teilweise auf ähnlichen bodengestützten Funknavigationssystemen wie LORAN und dem Decca Navigator , die Anfang der 1940er Jahre entwickelt wurden.

1955 schlug Friedwardt Winterberg einen Test der allgemeinen Relativitätstheorie vor - die Erfassung der Verlangsamung der Zeit in einem starken Gravitationsfeld mithilfe genauer Atomuhren, die sich in der Umlaufbahn künstlicher Satelliten befinden. Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie sagen voraus, dass die Uhren auf den GPS-Satelliten von den Beobachtern der Erde gesehen werden, dass sie pro Tag 38 Mikrosekunden schneller laufen als die Uhren auf der Erde. Die vom GPS berechneten Positionen würden schnell in Fehler geraten und sich auf 10 Kilometer pro Tag (6 Meilen pro Tag) summieren. Dies wurde beim Design von GPS korrigiert.

Vorgänger

Als die Sowjetunion 1957 den ersten künstlichen Satelliten ( Sputnik 1 ) startete, beschlossen zwei amerikanische Physiker, William Guier und George Weiffenbach, im Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University , ihre Funkübertragungen zu überwachen. Innerhalb weniger Stunden stellten sie fest, dass sie aufgrund des Doppler-Effekts genau bestimmen konnten, wo sich der Satellit auf seiner Umlaufbahn befand. Der Direktor der APL gab ihnen Zugang zu ihrem UNIVAC , um die erforderlichen umfangreichen Berechnungen durchzuführen.

Anfang des nächsten Jahres bat Frank McClure, der stellvertretende Direktor der APL, Guier und Weiffenbach, das umgekehrte Problem zu untersuchen und den Standort des Benutzers anhand des Satelliten zu bestimmen. (Zu dieser Zeit entwickelte die Marine die vom U-Boot abgefeuerte Polaris- Rakete, bei der sie den Standort des U-Bootes kennen mussten.) Dies veranlasste sie und APL, das TRANSIT- System zu entwickeln . 1959 spielte ARPA ( 1972 in DARPA umbenannt ) auch eine Rolle bei TRANSIT.

TRANSIT wurde erstmals 1960 erfolgreich getestet. Es verwendete eine Konstellation von fünf Satelliten und konnte ungefähr einmal pro Stunde eine Navigationskorrektur bereitstellen.

1967 entwickelte die US-Marine den Satelliten Timation , der die Machbarkeit der Platzierung genauer Uhren im Weltraum bewies, eine Technologie, die für GPS erforderlich ist.

In den 1970er Jahren wurde das bodengestützte OMEGA- Navigationssystem, das auf einem Phasenvergleich der Signalübertragung von Senderpaaren basiert, das erste weltweite Funknavigationssystem. Aufgrund der Einschränkungen dieser Systeme war eine universellere Navigationslösung mit größerer Genauigkeit erforderlich.

Obwohl im militärischen und zivilen Sektor ein großer Bedarf an genauer Navigation bestand, wurde fast keiner davon als Rechtfertigung für die Milliarden von Dollar angesehen, die für Forschung, Entwicklung, Einsatz und Betrieb einer Konstellation von Navigationssatelliten anfallen würden. Während des Wettrüstens im Kalten Krieg war die nukleare Bedrohung der Existenz der Vereinigten Staaten die einzige Notwendigkeit, die diese Kosten nach Ansicht des Kongresses der Vereinigten Staaten rechtfertigte. Dieser abschreckende Effekt ist der Grund, warum GPS finanziert wurde. Dies ist auch der Grund für die damalige Geheimhaltung. Die nukleare Triade bestand aus vom U-Boot abgefeuerten ballistischen Raketen (SLBMs) der United States Navy sowie strategischen Bombern der United States Air Force (USAF) und Interkontinentalraketen (ICBMs). Die genaue Bestimmung der SLBM-Startposition wurde als entscheidend für die nukleare Abschreckungshaltung angesehen und war ein Kraftmultiplikator .

Eine präzise Navigation würde es den U-Booten der USA ermöglichen, ihre Positionen genau zu bestimmen, bevor sie ihre SLBMs starten. Die USAF mit zwei Dritteln der nuklearen Triade hatte auch Anforderungen an ein genaueres und zuverlässigeres Navigationssystem. Die US Navy und die US Air Force entwickelten parallel ihre eigenen Technologien, um das im Wesentlichen gleiche Problem zu lösen.

Um die Überlebensfähigkeit von ICBMs zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, mobile Startplattformen zu verwenden (vergleichbar mit der sowjetischen SS-24 und SS-25 ), und daher hatte die Notwendigkeit, die Startposition festzulegen, Ähnlichkeit mit der SLBM-Situation.

1960 schlug die Luftwaffe ein Funknavigationssystem namens MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control) vor, das im Wesentlichen ein 3-D-LORAN war. Eine Folgestudie, Projekt 57, wurde 1963 durchgeführt und "in dieser Studie wurde das GPS-Konzept geboren". Im selben Jahr wurde das Konzept als Projekt 621B verfolgt, das "viele der Attribute aufwies, die Sie jetzt in GPS sehen" und eine höhere Genauigkeit sowohl für Luftwaffenbomber als auch für ICBMs versprach.

Aktualisierungen des Navy TRANSIT-Systems waren für die hohen Geschwindigkeiten des Luftwaffenbetriebs zu langsam. Das Naval Research Laboratory (NRL) machte weitere Fortschritte mit seinen Timation- Satelliten (Time Navigation), die erstmals 1967, 1969 und 1969 gestartet wurden, während die dritte 1974 die erste Atomuhr in die Umlaufbahn beförderte und die vierte 1977 startete.

Ein weiterer wichtiger Vorgänger von GPS stammte aus einem anderen Zweig des US-Militärs. 1964 umkreiste die US-Armee ihren ersten SECOR- Satelliten (Sequential Collation of Range ), der für geodätische Vermessungen verwendet wurde. Das SECOR-System umfasste drei bodengestützte Sender an bekannten Orten, die im Orbit Signale an den Satellitentransponder senden würden. Eine vierte bodengestützte Station an einer unbestimmten Position könnte diese Signale dann verwenden, um ihren Standort genau zu bestimmen. Der letzte SECOR-Satellit wurde 1969 gestartet.

Entwicklung

Mit diesen parallelen Entwicklungen in den 1960er Jahren wurde erkannt, dass ein überlegenes System entwickelt werden kann, indem die besten Technologien aus 621B, Transit, Timation und SECOR in einem Multi-Service-Programm synthetisiert werden. Satellitenorbitalpositionsfehler, die unter anderem durch Schwankungen des Schwerefelds und Radarbrechung verursacht wurden, mussten behoben werden. Ein Team unter der Leitung der Harold L Jury der Pan Am Aerospace Division in Florida von 1970 bis 1973 verwendete dazu Echtzeit-Datenassimilation und rekursive Schätzung, um systematische und verbleibende Fehler auf ein überschaubares Maß zu reduzieren und eine genaue Navigation zu ermöglichen.

Während des Labor Day-Wochenendes 1973 diskutierte ein Treffen von etwa zwölf Militäroffizieren im Pentagon die Schaffung eines Verteidigungsnavigationssatellitensystems (DNSS) . Bei diesem Treffen wurde die eigentliche Synthese geschaffen, aus der GPS wurde. Später in diesem Jahr wurde das DNSS-Programm Navstar genannt. Navstar wird oft fälschlicherweise als Akronym für "NAVigation System Using Timing and Ranging" angesehen, wurde jedoch vom GPS Joint Program Office nie als solches angesehen (TRW hat sich möglicherweise einmal für ein anderes Navigationssystem ausgesprochen, das dieses Akronym verwendet). Da die einzelnen Satelliten mit dem Namen Navstar verknüpft waren (wie bei den Vorgängern Transit und Timation), wurde ein umfassenderer Name verwendet, um die Konstellation der Navstar-Satelliten, Navstar-GPS , zu identifizieren . Zehn Prototypsatelliten " Block I " wurden zwischen 1978 und 1985 gestartet (eine zusätzliche Einheit wurde bei einem Startfehler zerstört).

Die Auswirkung der Ionosphäre auf die Funkübertragung wurde in einem Geophysiklabor des Air Force Cambridge Research Laboratory untersucht , das 1974 in Air Force Geophysical Research Lab (AFGRL) umbenannt wurde. AFGRL entwickelte das Klobuchar-Modell zur Berechnung ionosphärischer Korrekturen des GPS-Standorts. Bemerkenswert ist die Arbeit der australischen Weltraumwissenschaftlerin Elizabeth Essex-Cohen am AFGRL im Jahr 1974. Sie befasste sich mit der Krümmung der Wege von Radiowellen ( atmosphärische Brechung ), die die Ionosphäre von NavSTAR-Satelliten durchqueren.

Nachdem der Flug 007 von Korean Air Lines , eine Boeing 747 mit 269 Personen, 1983 abgeschossen wurde, nachdem er in den verbotenen Luftraum der UdSSR in der Nähe der Inseln Sachalin und Moneron abgeirrt war , erließ Präsident Ronald Reagan eine Richtlinie, mit der GPS für den zivilen Gebrauch frei verfügbar gemacht wurde. sobald es als Gemeinwohl ausreichend entwickelt war. Der erste Block II-Satellit wurde am 14. Februar 1989 und der 24. Satellit 1994 gestartet. Die Kosten für das GPS-Programm zu diesem Zeitpunkt, einschließlich der Kosten für die Benutzerausrüstung, aber einschließlich der Kosten für den Satellitenstart, wurden geschätzt bei 5 Milliarden US-Dollar (damals US-Dollar).

Anfänglich war das Signal mit der höchsten Qualität für militärische Zwecke reserviert, und das für zivile Zwecke verfügbare Signal wurde in einer als selektive Verfügbarkeit bekannten Richtlinie absichtlich herabgesetzt . Dies änderte sich, als Präsident Bill Clinton am 1. Mai 2000 eine Richtlinie zum Deaktivieren der selektiven Verfügbarkeit unterzeichnete, um Zivilisten die gleiche Genauigkeit zu bieten, die dem Militär gewährt wurde. Die Richtlinie wurde vom US-Verteidigungsminister William Perry angesichts des weit verbreiteten Wachstums differenzierter GPS- Dienste durch die Privatindustrie zur Verbesserung der zivilen Genauigkeit vorgeschlagen. Darüber hinaus entwickelte das US-Militär aktiv Technologien, um potenziellen Gegnern auf regionaler Basis den GPS-Dienst zu verweigern.

Seit seiner Bereitstellung haben die USA verschiedene Verbesserungen am GPS-Dienst vorgenommen, darunter neue Signale für den zivilen Gebrauch und eine erhöhte Genauigkeit und Integrität für alle Benutzer, während die Kompatibilität mit vorhandenen GPS-Geräten erhalten bleibt. Die Modernisierung des Satellitensystems war eine fortlaufende Initiative des US-Verteidigungsministeriums durch eine Reihe von Satellitenakquisitionen , um den wachsenden Anforderungen des Militärs, der Zivilbevölkerung und des kommerziellen Marktes gerecht zu werden.

Ab Anfang 2015 lieferten hochwertige SPS-GPS-Empfänger (Standard Positioning Service) mit FAA -Qualität eine horizontale Genauigkeit von mehr als 3,5 Metern (11 Fuß), obwohl viele Faktoren wie Empfängerqualität und atmosphärische Probleme diese Genauigkeit beeinträchtigen können.

GPS gehört und wird von der Regierung der Vereinigten Staaten als nationale Ressource betrieben. Das Verteidigungsministerium ist der Verwalter von GPS. Das Interagency GPS Executive Board (IGEB) war von 1996 bis 2004 für Fragen der GPS-Politik zuständig. Danach wurde 2004 durch die Präsidialrichtlinie das Exekutivkomitee für weltraumgestützte Positionierung, Navigation und Zeitmessung eingerichtet, um Bundesabteilungen und -agenturen in Fragen zu beraten und zu koordinieren das GPS und verwandte Systeme. Das Exekutivkomitee wird gemeinsam von den stellvertretenden Sekretären für Verteidigung und Verkehr geleitet. Zu seiner Mitgliedschaft gehören gleichwertige Beamte der Ministerien für Staat, Handel und innere Sicherheit, der gemeinsamen Stabschefs und der NASA . Komponenten des Exekutivbüros des Präsidenten nehmen als Beobachter am Exekutivkomitee teil, und der FCC-Vorsitzende nimmt als Verbindungsmann teil.

Das US-Verteidigungsministerium ist gesetzlich verpflichtet, "einen Standard-Ortungsdienst (wie im Funknavigationsplan des Bundes und in der Signalspezifikation des Standard-Ortungsdienstes definiert) aufrechtzuerhalten, der kontinuierlich und weltweit verfügbar sein wird" und "Maßnahmen zu entwickeln" Verhinderung der feindlichen Nutzung von GPS und seiner Erweiterungen, ohne die zivile Nutzung übermäßig zu stören oder zu beeinträchtigen. "

Zeitleiste und Modernisierung

Zusammenfassung der Satelliten
Block
Auflegungszeitraum
Satellitenstart Derzeit im Orbit
und gesund
Suc-
cess
Fail-
ure
In Prep
reitung
Plan-
ned
ich 1978–1985 10 1 0 0 0
II 1989–1990 9 0 0 0 0
IIA 1990–1997 19 0 0 0 0
IIR 1997–2004 12 1 0 0 12
IIR-M 2005–2009 8 0 0 0 7
IIF 2010–2016 12 0 0 0 12
IIIA 2018– 4 0 4 10 4
IIIF - - 0 0 0 22 0
Gesamt 73 2 5 24 34
(Letzte Aktualisierung: 12. Juli 2020)

8 Satelliten aus Block IIA befinden sich in der Reserve
USA-203 aus Block IIR-M ist ungesund
. Eine vollständigere Liste finden Sie in der Liste der GPS-Satellitenstarts

  • 1972 führte die USAF Central Inertial Guidance Test Facility (Holloman AFB) Entwicklungsflugtests von vier Prototyp-GPS-Empfängern in einer Y-Konfiguration über der White Sands Missile Range unter Verwendung bodengestützter Pseudosatelliten durch.
  • 1978 wurde der erste experimentelle Block-I-GPS-Satellit gestartet.
  • Nachdem sowjetische Abfangflugzeuge 1983 das zivile Verkehrsflugzeug KAL 007 abgeschossen hatten, das aufgrund von Navigationsfehlern in den verbotenen Luftraum verirrt war und alle 269 Menschen an Bord getötet hatte, kündigte US-Präsident Ronald Reagan an, dass GPS nach seiner Fertigstellung für zivile Zwecke zur Verfügung gestellt werden würde. obwohl es zuvor [im Navigationsmagazin] veröffentlicht worden war und dass der CA-Code (Grob- / Erfassungscode) zivilen Benutzern zur Verfügung stehen würde.
  • Bis 1985 wurden zehn weitere experimentelle Block-I-Satelliten gestartet, um das Konzept zu validieren.
  • Ab 1988 wurde das Kommando und die Kontrolle über diese Satelliten von Onizuka AFS, Kalifornien, in das 2. Satellitenkontrollgeschwader (2SCS) an der Falcon Air Force Station in Colorado Springs, Colorado, verlegt.
  • Am 14. Februar 1989 wurde der erste moderne Block-II-Satellit gestartet.
  • Der Golfkrieg von 1990 bis 1991 war der erste Konflikt, in dem das Militär GPS weit verbreitet einsetzte.
  • 1991 wurde ein Projekt zur Schaffung eines Miniatur-GPS-Empfängers erfolgreich abgeschlossen, bei dem die bisherigen 16-kg-Militärempfänger durch einen 1,25-kg-Handempfänger ersetzt wurden.
  • 1992 wurde der 2. Weltraumflügel, der das System ursprünglich verwaltete, inaktiviert und durch den 50. Weltraumflügel ersetzt .
  • Bis Dezember 1993 erreichte GPS die anfängliche Betriebsfähigkeit (IOC) mit einer vollständigen Konstellation (24 Satelliten) und der Bereitstellung des Standard Positioning Service (SPS).
  • Die volle Einsatzfähigkeit (FOC) wurde im April 1995 vom Air Force Space Command (AFSPC) erklärt, was die vollständige Verfügbarkeit des sicheren Precise Positioning Service (PPS) des Militärs bedeutet.
  • 1996 erkannte US-Präsident Bill Clinton die Bedeutung von GPS für zivile und militärische Benutzer an und erließ eine Richtlinie, in der GPS zu einem System mit doppeltem Verwendungszweck erklärt und ein Interagency GPS Executive Board eingerichtet wurde , um es als nationales Gut zu verwalten.
  • 1998 kündigte der Vizepräsident der Vereinigten Staaten, Al Gore , Pläne an, GPS mit zwei neuen zivilen Signalen zu verbessern, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Benutzer zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die Flugsicherheit. Im Jahr 2000 genehmigte der Kongress der Vereinigten Staaten die Bemühungen und bezeichnete sie als GPS III .
  • Am 2. Mai 2000 wurde "Selective Availability" aufgrund der Verordnung von 1996 eingestellt, die es zivilen Nutzern ermöglichte, weltweit ein nicht verschlechtertes Signal zu empfangen.
  • Im Jahr 2004 unterzeichnete die Regierung der Vereinigten Staaten ein Abkommen mit der Europäischen Gemeinschaft über die Zusammenarbeit im Zusammenhang mit GPS und dem europäischen Galileo-System .
  • Im Jahr 2004 aktualisierte der Präsident der Vereinigten Staaten, George W. Bush, die nationale Politik und ersetzte den Vorstand durch das Nationale Exekutivkomitee für weltraumgestützte Positionierung, Navigation und Timing.
  • Im November 2004 gab Qualcomm erfolgreiche Tests von unterstütztem GPS für Mobiltelefone bekannt .
  • Im Jahr 2005 wurde der erste modernisierte GPS-Satellit gestartet und begann mit der Übertragung eines zweiten zivilen Signals (L2C), um die Benutzerleistung zu verbessern.
  • Am 14. September 2007 wurde das alternde, auf Mainframes basierende Bodensegment- Steuerungssystem auf den neuen Architekturentwicklungsplan übertragen.
  • Am 19. Mai 2009 veröffentlichte das Government Accountability Office der Vereinigten Staaten einen Bericht, in dem darauf hingewiesen wurde, dass einige GPS-Satelliten bereits 2010 ausfallen könnten.
  • Am 21. Mai 2009 beseitigte das Air Force Space Command die Befürchtungen eines GPS-Ausfalls und sagte: "Es besteht nur ein geringes Risiko, dass wir unseren Leistungsstandard nicht weiter überschreiten."
  • Am 11. Januar 2010 verursachte ein Update der Bodenkontrollsysteme eine Software-Inkompatibilität mit 8.000 bis 10.000 Militärempfängern, die von einer Abteilung von Trimble Navigation Limited aus Sunnyvale, Kalifornien, hergestellt wurden.
  • Am 25. Februar 2010 erteilte die US Air Force den Auftrag zur Entwicklung des GPS Next Generation Operational Control Systems (OCX), um die Genauigkeit und Verfügbarkeit von GPS-Navigationssignalen zu verbessern und als kritischer Bestandteil der GPS-Modernisierung zu dienen.

Auszeichnungen

Air Force Space Commander überreicht Dr. Gladys West eine Auszeichnung, als sie für ihre GPS-Arbeit am 6. Dezember 2018 in die Hall of Fame der Air Force Space und Missile Pioneers aufgenommen wird.
Air Force Space Commander überreicht Gladys West eine Auszeichnung, als sie für ihre GPS-Arbeit am 6. Dezember 2018 in die Hall of Fame der Air Force Space und Missile Pioneers aufgenommen wird.

Am 10. Februar 1993 wählte die National Aeronautic Association das GPS-Team als Gewinner der Robert J. Collier Trophy 1992 aus , der renommiertesten Luftfahrtauszeichnung der USA. Dieses Team vereint Forscher des Naval Research Laboratory, der USAF, der Aerospace Corporation , der Rockwell International Corporation und der IBM Federal Systems Company. Die Zitierung ehrt sie „für die wichtigste Entwicklung für eine sichere und effiziente Navigation und Überwachung von Luft- und Raum seit der Einführung der Radio - Navigation vor 50 Jahren.“

Zwei GPS-Entwickler erhielten 2003 den Charles Stark Draper-Preis der National Academy of Engineering :

Der GPS-Entwickler Roger L. Easton erhielt am 13. Februar 2006 die National Medal of Technology .

Francis X. Kane (Col. USAF, aD) wurde am 2. März 2010 in die Hall of Fame der US Air Force Space und Missile Pioneers bei Lackland AFB, San Antonio, Texas, aufgenommen, weil er in der Entwicklung der Weltraumtechnologie und im technischen Design tätig war GPS-Konzept im Rahmen des Projekts 621B.

1998 wurde die GPS-Technologie in die Space Technology Hall of Fame der Space Foundation aufgenommen .

Am 4. Oktober 2011 verlieh die International Astronautical Federation (IAF) dem Global Positioning System (GPS) den 60. Jahrestagspreis, der vom IAF-Mitglied, dem American Institute for Aeronautics and Astronautics (AIAA), nominiert wurde. Das IAF Honors and Awards Committee würdigte die Einzigartigkeit des GPS-Programms und die vorbildliche Rolle, die es beim Aufbau einer internationalen Zusammenarbeit zum Wohle der Menschheit gespielt hat.

Gladys West wurde 2018 in die Hall of Fame der Air Force Space und Missile Pioneers aufgenommen, um ihre Computerarbeit anzuerkennen, die zu Durchbrüchen für die GPS-Technologie führte.

Am 12. Februar 2019 wurden vier Gründungsmitglieder des Projekts mit dem Queen Elizabeth Prize for Engineering ausgezeichnet. Der Vorsitzende der Vergabestelle erklärte: "Engineering ist das Fundament der Zivilisation; es gibt kein anderes Fundament; es macht Dinge möglich. Und genau das." Was die heutigen Preisträger getan haben - sie haben Dinge geschehen lassen. Sie haben die Infrastruktur unserer Welt grundlegend neu geschrieben. "

Basiskonzept

Grundlagen

Der GPS-Empfänger berechnet seine eigene Position und Zeit basierend auf Daten, die von mehreren GPS- Satelliten empfangen wurden . Jeder Satellit trägt eine genaue Aufzeichnung seiner Position und Zeit und überträgt diese Daten an den Empfänger.

Die Satelliten tragen sehr stabile Atomuhren , die miteinander und mit Bodenuhren synchronisiert sind. Jegliche Abweichung von der am Boden gehaltenen Zeit wird täglich korrigiert. In gleicher Weise sind die Satellitenstandorte mit großer Präzision bekannt. GPS-Empfänger haben ebenfalls Uhren, sind jedoch weniger stabil und weniger präzise.

Da die Geschwindigkeit der Funkwellen konstant und unabhängig von der Satellitengeschwindigkeit ist, ist die Zeitverzögerung zwischen dem Senden eines Signals durch den Satelliten und dem Empfang durch den Empfänger proportional zur Entfernung vom Satelliten zum Empfänger. Es müssen mindestens vier Satelliten im Blickfeld des Empfängers sein, damit er vier unbekannte Größen berechnen kann (drei Positionskoordinaten und Taktabweichung von der Satellitenzeit).

Detailliertere Beschreibung

Jeder GPS-Satellit sendet kontinuierlich ein Signal ( Trägerwelle mit Modulation ), das Folgendes umfasst:

  • Ein Pseudozufallscode (Folge von Einsen und Nullen), der dem Empfänger bekannt ist. Durch zeitliches Ausrichten einer vom Empfänger generierten Version und der vom Empfänger gemessenen Version des Codes kann die Ankunftszeit (TOA) eines definierten Punkts in der Codesequenz, die als Epoche bezeichnet wird, in der Zeitskala des Empfängertakts gefunden werden
  • Eine Nachricht, die die Übertragungszeit (TOT) der Code-Epoche (in der GPS-Zeitskala) und die Satellitenposition zu diesem Zeitpunkt enthält

Konzeptionell misst der Empfänger die TOAs (gemäß seiner eigenen Uhr) von vier Satellitensignalen. Aus den TOAs und den TOTs bildet der Empfänger vier Flugzeitwerte (TOF), die (angesichts der Lichtgeschwindigkeit) ungefähr den Empfängersatellitenbereichen plus Zeitdifferenz zwischen dem Empfänger und den GPS-Satelliten multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit entsprechen. die als Pseudobereiche bezeichnet werden. Der Empfänger berechnet dann seine dreidimensionale Position und Taktabweichung von den vier TOFs.

In der Praxis werden die Empfängerposition (in dreidimensionalen kartesischen Koordinaten mit Ursprung im Erdmittelpunkt) und der Versatz der Empfängeruhr relativ zur GPS-Zeit gleichzeitig berechnet, wobei die Navigationsgleichungen zur Verarbeitung der TOFs verwendet werden.

Der erdzentrierte Lösungsort des Empfängers wird normalerweise in Breiten- , Längen- und Höhenangaben relativ zu einem ellipsoidalen Erdmodell umgerechnet . Die Höhe kann dann weiter in die Höhe relativ zum Geoid umgerechnet werden , was im Wesentlichen der mittlere Meeresspiegel ist . Diese Koordinaten können angezeigt werden, beispielsweise auf einer sich bewegenden Kartenanzeige , oder von einem anderen System, wie beispielsweise einem Fahrzeugleitsystem, aufgezeichnet oder verwendet werden.

Benutzer-Satelliten-Geometrie

Obwohl normalerweise nicht explizit in der Empfängerverarbeitung gebildet, definieren die konzeptionellen Zeitunterschiede der Ankunft (TDOAs) die Messgeometrie. Jede TDOA entspricht einem Rotationshyperboloid (siehe Multilateration ). Die Verbindungslinie zwischen den beiden beteiligten Satelliten (und ihren Verlängerungen) bildet die Achse des Hyperboloids. Der Empfänger befindet sich an der Stelle, an der sich drei Hyperboloide schneiden.

Es wird manchmal fälschlicherweise gesagt, dass sich der Benutzerstandort am Schnittpunkt von drei Kugeln befindet. Dies ist zwar einfacher zu visualisieren, dies ist jedoch nur dann der Fall, wenn der Empfänger eine mit den Satellitenuhren synchronisierte Uhr hat (dh der Empfänger misst die tatsächlichen Entfernungen zu den Satelliten und nicht die Entfernungsunterschiede). Der Benutzer, der eine mit den Satelliten synchronisierte Uhr trägt, hat deutliche Leistungsvorteile. In erster Linie werden nur drei Satelliten benötigt, um eine Positionslösung zu berechnen. Wenn es ein wesentlicher Bestandteil des GPS-Konzepts wäre, dass alle Benutzer eine synchronisierte Uhr tragen müssten, könnte eine geringere Anzahl von Satelliten bereitgestellt werden, aber die Kosten und die Komplexität der Benutzerausrüstung würden zunehmen.

Empfänger im Dauerbetrieb

Die obige Beschreibung ist repräsentativ für eine Startsituation des Empfängers. Die meisten Empfänger verfügen über einen Spuralgorithmus , der manchmal als Tracker bezeichnet wird und Sätze von Satellitenmessungen kombiniert, die zu unterschiedlichen Zeiten erfasst wurden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass aufeinanderfolgende Empfängerpositionen normalerweise nahe beieinander liegen. Nachdem eine Reihe von Messungen verarbeitet wurde, sagt der Tracker den Empfängerort voraus, der der nächsten Reihe von Satellitenmessungen entspricht. Wenn die neuen Messungen erfasst werden, verwendet der Empfänger ein Gewichtungsschema, um die neuen Messungen mit der Tracker-Vorhersage zu kombinieren. Im Allgemeinen kann ein Tracker (a) die Position und Zeitgenauigkeit des Empfängers verbessern, (b) schlechte Messungen ablehnen und (c) die Geschwindigkeit und Richtung des Empfängers schätzen.

Der Nachteil eines Trackers besteht darin, dass Änderungen der Geschwindigkeit oder Richtung nur mit einer Verzögerung berechnet werden können und dass die abgeleitete Richtung ungenau wird, wenn die zwischen zwei Positionsmessungen zurückgelegte Entfernung unter oder in die Nähe des zufälligen Fehlers der Positionsmessung fällt . GPS-Geräte können Messungen der Doppler-Verschiebung der empfangenen Signale verwenden, um die Geschwindigkeit genau zu berechnen. Fortgeschrittenere Navigationssysteme verwenden zusätzliche Sensoren wie einen Kompass oder ein Trägheitsnavigationssystem, um GPS zu ergänzen.

Nicht-Navigationsanwendungen

GPS erfordert, dass vier oder mehr Satelliten für eine genaue Navigation sichtbar sind. Die Lösung der Navigationsgleichungen gibt die Position des Empfängers zusammen mit der Differenz zwischen der von der Borduhr des Empfängers gehaltenen Zeit und der tatsächlichen Tageszeit an, wodurch die Notwendigkeit einer genaueren und möglicherweise unpraktischen Uhr auf Empfängerbasis entfällt . Anwendungen für GPS wie Zeitübertragung , Verkehrssignaltakt und Synchronisation von Mobilfunk-Basisstationen , nutzen diese billig und sehr genaues Timing. Einige GPS-Anwendungen verwenden diese Zeit für die Anzeige oder verwenden sie, abgesehen von den grundlegenden Positionsberechnungen, überhaupt nicht.

Obwohl für den normalen Betrieb vier Satelliten erforderlich sind, gelten in besonderen Fällen weniger. Wenn eine Variable bereits bekannt ist, kann ein Empfänger seine Position mit nur drei Satelliten bestimmen. Beispielsweise kann ein Schiff oder Flugzeug eine bekannte Höhe aufweisen. Einige GPS-Empfänger verwenden möglicherweise zusätzliche Hinweise oder Annahmen, z. B. die Wiederverwendung der letzten bekannten Höhe , Dead Reckoning , Trägheitsnavigation oder Informationen vom Fahrzeugcomputer, um eine (möglicherweise verschlechterte) Position anzugeben, wenn weniger als vier Satelliten sichtbar sind.

Struktur

Das aktuelle GPS besteht aus drei Hauptsegmenten. Dies sind das Raumsegment, ein Steuersegment und ein Benutzersegment. Die US Space Force entwickelt, wartet und betreibt die Raumfahrt- und Kontrollsegmente. GPS-Satelliten senden Signale aus dem Weltraum, und jeder GPS-Empfänger verwendet diese Signale, um seinen dreidimensionalen Standort (Breite, Länge und Höhe) und die aktuelle Zeit zu berechnen.

Raumsegment

Der nicht gestartete Satellit GPS-Block II-A ist im San Diego Air & Space Museum ausgestellt
Ein visuelles Beispiel für eine 24-Satelliten-GPS-Konstellation in Bewegung mit rotierender Erde. Beachten Sie, wie sich die Anzahl der von einem bestimmten Punkt auf der Erdoberfläche aus sichtbaren Satelliten mit der Zeit ändert. Der Punkt in diesem Beispiel befindet sich in Golden, Colorado, USA (
39,7469 ° N 105,2108 ° W ). 39 ° 44'49 "N 105 ° 12'39" W.  /.   / 39,7469; -105.2108

Das Weltraumsegment (SS) besteht aus 24 bis 32 Satelliten oder Raumfahrzeugen (SV) in einer mittleren Erdumlaufbahn und enthält auch die Nutzlastadapter für die Booster, die erforderlich sind, um sie in die Umlaufbahn zu bringen. Das GPS-Design sah ursprünglich 24 SVs vor, jeweils acht in drei ungefähr kreisförmigen Umlaufbahnen . Diese wurden jedoch auf sechs Umlaufbahnebenen mit jeweils vier Satelliten geändert. Die sechs Umlaufbahnebenen haben eine Neigung von ungefähr 55 ° (Neigung relativ zum Erdäquator ) und sind durch 60 ° Rechtsaufstieg des aufsteigenden Knotens (Winkel entlang des Äquators von einem Bezugspunkt zum Schnittpunkt der Umlaufbahn) getrennt. Die Umlaufzeit beträgt einen halben Sternentag , dh 11 Stunden und 58 Minuten, so dass die Satelliten jeden Tag über dieselben oder fast dieselben Orte fliegen. Die Umlaufbahnen sind so angeordnet, dass immer mindestens sechs Satelliten von überall auf der Erdoberfläche in Sichtweite sind (siehe Animation rechts). Das Ergebnis dieses Ziels ist, dass die vier Satelliten innerhalb jeder Umlaufbahn nicht gleichmäßig voneinander beabstandet sind (90 °). Im Allgemeinen beträgt die Winkeldifferenz zwischen Satelliten in jeder Umlaufbahn 30 °, 105 °, 120 ° und 105 °, was sich auf 360 ° summiert.

Umlaufbahn in einer Höhe von ca. 20.200 km; Mit einem Umlaufradius von ungefähr 26.600 km (16.500 mi) führt jeder SV an jedem Sternentag zwei vollständige Umlaufbahnen durch und wiederholt jeden Tag dieselbe Bodenspur . Dies war während der Entwicklung sehr hilfreich, da selbst bei nur vier Satelliten die korrekte Ausrichtung bedeutet, dass alle vier täglich einige Stunden lang von einem Punkt aus sichtbar sind. Bei militärischen Operationen kann die Bodenspurwiederholung verwendet werden, um eine gute Abdeckung in Kampfzonen sicherzustellen.

Ab Februar 2019 befinden sich 31 Satelliten in der GPS- Konstellation , von denen 27 zu einem bestimmten Zeitpunkt verwendet werden und der Rest als Standby- Satelliten zugewiesen wird. Ein 32. wurde im Jahr 2018 gestartet, befindet sich jedoch ab Juli 2019 noch in der Evaluierung. Weitere stillgelegte Satelliten befinden sich im Orbit und sind als Ersatzteile erhältlich. Die zusätzlichen Satelliten verbessern die Genauigkeit der GPS-Empfängerberechnungen durch redundante Messungen. Mit der erhöhten Anzahl von Satelliten wurde die Konstellation in eine ungleichmäßige Anordnung geändert. Es wurde gezeigt, dass eine solche Anordnung die Genauigkeit verbessert, aber auch die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Systems im Vergleich zu einem einheitlichen System verbessert, wenn mehrere Satelliten ausfallen. Mit der erweiterten Konstellation sind normalerweise neun Satelliten zu jedem Zeitpunkt von jedem Punkt auf dem Boden aus sichtbar, wodurch eine erhebliche Redundanz gegenüber den mindestens vier Satelliten gewährleistet wird, die für eine Position benötigt werden.

Kontrollsegment

Bodenüberwachungsstation von 1984 bis 2007, ausgestellt im Air Force Space and Missile Museum .

Das Kontrollsegment (CS) besteht aus:

  1. eine Hauptsteuerstation (MCS),
  2. eine alternative Hauptkontrollstation,
  3. vier dedizierte Bodenantennen und
  4. sechs dedizierte Überwachungsstationen.

Das MCS kann auch auf Bodenantennen des US Air Force Satellite Control Network (AFSCN) (für zusätzliche Befehls- und Kontrollfunktionen) und NGA - Überwachungsstationen ( National Geospatial-Intelligence Agency ) zugreifen. Die Flugwege der Satelliten werden von speziellen Überwachungsstationen der US Space Force in Hawaii , dem Kwajalein-Atoll , Ascension Island , Diego Garcia , Colorado Springs, Colorado und Cape Canaveral sowie von gemeinsam genutzten NGA-Überwachungsstationen in England, Argentinien, Ecuador und Bahrain verfolgt , Australien und Washington DC. Die Verfolgungsinformationen werden an das MCS auf der Schriever Air Force Base ( 25 km) in Colorado Springs gesendet, die vom 2. Space Operations Squadron (2 SOPS) der US Space Force betrieben wird. Anschließend kontaktieren 2 SOPS jeden GPS-Satelliten regelmäßig mit einem Navigationsupdate unter Verwendung dedizierter oder gemeinsam genutzter (AFSCN) Bodenantennen (GPS-dedizierte Bodenantennen befinden sich in Kwajalein , Ascension Island , Diego Garcia und Cape Canaveral ). Diese Aktualisierungen synchronisieren die Atomuhren an Bord der Satelliten innerhalb weniger Nanosekunden voneinander und passen die Ephemeride des internen Orbitalmodells jedes Satelliten an. Die Aktualisierungen werden von einem Kalman-Filter erstellt , der Eingaben von den Bodenüberwachungsstationen, Weltraumwetterinformationen und verschiedene andere Eingaben verwendet.

Satellitenmanöver sind nach GPS-Standards nicht präzise. Um die Umlaufbahn eines Satelliten zu ändern, muss der Satellit als ungesund markiert sein , damit Empfänger ihn nicht verwenden. Nach dem Satellitenmanöver verfolgen die Ingenieure die neue Umlaufbahn vom Boden aus, laden die neue Ephemeride hoch und markieren den Satelliten wieder als gesund.

Das Operationssteuerungssegment (OCS) dient derzeit als Steuerungssegment der Aufzeichnung. Es bietet die Betriebsfähigkeit, die GPS-Benutzer unterstützt und das GPS betriebsbereit hält und innerhalb der Spezifikation arbeitet.

OCS ersetzte im September 2007 erfolgreich den alten Mainframe-Computer aus den 1970er Jahren auf der Schriever Air Force Base. Nach der Installation ermöglichte das System Upgrades und bildete die Grundlage für eine neue Sicherheitsarchitektur, die die US-Streitkräfte unterstützte.

OCS wird weiterhin das Bodenkontrollsystem sein, bis das neue Segment, das GPS Operation Control System (OCX) der nächsten Generation, vollständig entwickelt und funktionsfähig ist. Die neuen Funktionen von OCX werden der Grundstein für die Revolutionierung der Missionsfunktionen von GPS sein und es der US Space Force ermöglichen, die GPS-Einsatzdienste für US-Streitkräfte, zivile Partner und unzählige nationale und internationale Benutzer erheblich zu verbessern. Das GPS OCX-Programm reduziert auch Kosten, Zeitplan und technisches Risiko. Es wurde entwickelt, um durch effiziente Softwarearchitektur und leistungsbasierte Logistik Einsparungen bei den Nachhaltigkeitskosten von 50% zu erzielen. Darüber hinaus wird erwartet, dass GPS OCX Millionen weniger kostet als das Upgrade von OCS und gleichzeitig die vierfache Kapazität bietet.

Das GPS OCX-Programm ist ein wichtiger Bestandteil der GPS-Modernisierung und bietet gegenüber dem aktuellen GPS OCS-Programm erhebliche Verbesserungen bei der Informationssicherheit.

  • OCX wird in der Lage sein, ältere GPS-Satelliten sowie die nächste Generation von GPS III-Satelliten zu steuern und zu verwalten und gleichzeitig die gesamte Palette militärischer Signale zu ermöglichen.
  • Aufbauend auf einer flexiblen Architektur, die sich schnell an die sich ändernden Anforderungen heutiger und zukünftiger GPS-Benutzer anpassen kann und durch sichere, genaue und zuverlässige Informationen sofortigen Zugriff auf GPS-Daten und den Konstellationsstatus ermöglicht.
  • Bietet dem Warfighter sicherere, umsetzbarere und vorausschauendere Informationen, um das Situationsbewusstsein zu verbessern.
  • Aktiviert neue modernisierte Signale (L1C, L2C und L5) und verfügt über M-Code-Funktionen, die das Legacy-System nicht ausführen kann.
  • Bietet signifikante Verbesserungen der Informationssicherheit gegenüber dem aktuellen Programm, einschließlich der Erkennung und Verhinderung von Cyber-Angriffen, während solche Angriffe isoliert, eingedämmt und ausgeführt werden.
  • Unterstützt höhere Lautstärke in der Nähe von Echtzeit-Befehls- und Steuerungsfunktionen und -fähigkeiten.

Am 14. September 2011 gab die US Air Force den Abschluss der vorläufigen GPS OCX-Entwurfsprüfung bekannt und bestätigte, dass das OCX-Programm für die nächste Entwicklungsphase bereit ist.

Das GPS OCX-Programm hat wichtige Meilensteine ​​verfehlt und startet 2021, 5 Jahre nach dem ursprünglichen Termin. Nach Angaben des Government Accounting Office sieht selbst diese neue Frist wackelig aus.

Benutzersegment

GPS-Empfänger gibt es in verschiedenen Formaten, von Geräten, die in Autos, Telefone und Uhren integriert sind, bis hin zu speziellen Geräten wie diesen.
Das erste tragbare GPS-Gerät, eine Leica WM 101, wurde im Irish National Science Museum in Maynooth ausgestellt .

Das Benutzersegment (USA) besteht aus Hunderttausenden von US-amerikanischen und alliierten Militärbenutzern des sicheren GPS Precise Positioning Service sowie zig Millionen zivilen, kommerziellen und wissenschaftlichen Benutzern des Standard Positioning Service. Im Allgemeinen bestehen GPS-Empfänger aus einer Antenne, die auf die von Satelliten, Empfängerprozessoren übertragenen Frequenzen abgestimmt ist, und einer hochstabilen Uhr (häufig einem Quarzoszillator ). Sie können auch eine Anzeige zum Bereitstellen von Standort- und Geschwindigkeitsinformationen für den Benutzer enthalten. Ein Empfänger wird häufig durch seine Anzahl von Kanälen beschrieben: Dies gibt an, wie viele Satelliten er gleichzeitig überwachen kann. Ursprünglich auf vier oder fünf begrenzt, hat sich diese Zahl im Laufe der Jahre schrittweise erhöht, sodass Empfänger ab 2007 in der Regel zwischen 12 und 20 Kanäle haben. Obwohl es viele Empfängerhersteller gibt, verwenden fast alle einen der für diesen Zweck hergestellten Chipsätze.

Ein typisches OEM- GPS-Empfängermodul mit den Abmessungen 15 mm × 17 mm

GPS-Empfänger können einen Eingang für Differentialkorrekturen im RTCM SC-104-Format enthalten. Dies erfolgt normalerweise in Form eines RS-232- Ports mit einer Geschwindigkeit von 4.800 Bit / s. Daten werden tatsächlich mit einer viel geringeren Rate gesendet, was die Genauigkeit des mit RTCM gesendeten Signals einschränkt. Empfänger mit internen DGPS-Empfängern können diejenigen mit externen RTCM-Daten übertreffen. Ab 2006 enthalten selbst kostengünstige Einheiten üblicherweise WAAS-Empfänger ( Wide Area Augmentation System ).

Ein typischer GPS-Empfänger mit integrierter Antenne.

Viele GPS-Empfänger können Positionsdaten mithilfe des NMEA 0183- Protokolls an einen PC oder ein anderes Gerät weiterleiten . Obwohl dieses Protokoll offiziell von der National Marine Electronics Association (NMEA) definiert wurde, wurden Verweise auf dieses Protokoll aus öffentlichen Aufzeichnungen zusammengestellt, sodass Open Source-Tools wie gpsd das Protokoll lesen können, ohne die Gesetze zum Schutz des geistigen Eigentums zu verletzen. Es gibt auch andere proprietäre Protokolle, wie die SiRF- und MTK- Protokolle. Empfänger können mithilfe von Methoden wie einer seriellen Verbindung, USB oder Bluetooth mit anderen Geräten verbunden werden .

Anwendungen

Während GPS ursprünglich ein militärisches Projekt war, wird es als Technologie mit doppeltem Verwendungszweck angesehen , was bedeutet, dass es auch bedeutende zivile Anwendungen hat.

GPS hat sich zu einem weit verbreiteten und nützlichen Werkzeug für Handel, wissenschaftliche Zwecke, Verfolgung und Überwachung entwickelt. Die genaue Zeit des GPS erleichtert alltägliche Aktivitäten wie Bankgeschäfte, den Betrieb von Mobiltelefonen und sogar die Steuerung von Stromnetzen, indem eine gut synchronisierte Übergabeschaltung ermöglicht wird.

Zivilist

Diese Antenne ist auf dem Dach einer Hütte montiert, die ein wissenschaftliches Experiment enthält, das ein genaues Timing erfordert.

Viele zivile Anwendungen verwenden eine oder mehrere der drei Grundkomponenten von GPS: absoluter Standort, relative Bewegung und Zeitübertragung.

Einschränkungen der zivilen Nutzung

Die US-Regierung kontrolliert den Export einiger ziviler Empfänger. Alle GPS-Empfänger, die über 18 km über dem Meeresspiegel und 1.000 m (500 m / s; 2.000 km / h) funktionieren oder für die Verwendung mit unbemannten Raketen und Flugzeugen ausgelegt oder modifiziert sind, werden als Munition eingestuft (Waffen) - was bedeutet, dass sie Exportlizenzen des Außenministeriums benötigen .

Diese Regel gilt auch für ansonsten rein zivile Einheiten, die nur die L1-Frequenz und den C / A-Code (Coarse / Acquisition) erhalten.

Das Deaktivieren des Betriebs oberhalb dieser Grenzen befreit den Empfänger von der Einstufung als Munition. Herstellerinterpretationen unterscheiden sich. Die Regel bezieht sich sowohl auf den Betrieb in der Zielhöhe als auch auf die Geschwindigkeit, aber einige Empfänger hören auch im Stillstand auf zu arbeiten. Dies hat Probleme mit einigen Amateurfunkballonstarts verursacht, die regelmäßig 30 km erreichen.

Diese Grenzwerte gelten nur für Einheiten oder Komponenten, die aus den USA exportiert werden. Es besteht ein wachsender Handel mit verschiedenen Komponenten, einschließlich GPS-Geräten aus anderen Ländern. Diese werden ausdrücklich als ITAR-frei verkauft .

Militär

Anbringen eines GPS-Führungskits an einer dummen Bombe , März 2003.

Ab 2009 umfassen militärische GPS-Anwendungen:

  • Navigation: Soldaten verwenden GPS, um Ziele zu finden, auch im Dunkeln oder in unbekanntem Gebiet, und um Truppen- und Versorgungsbewegungen zu koordinieren. In den Streitkräften der Vereinigten Staaten verwenden Kommandanten den digitalen Assistenten des Kommandanten und niedrigere Ränge den digitalen Assistenten des Soldaten .
  • Zielverfolgung: Verschiedene militärische Waffensysteme verwenden GPS, um potenzielle Boden- und Luftziele zu verfolgen, bevor sie als feindlich gekennzeichnet werden. Diese Waffensysteme übergeben Zielkoordinaten an präzisionsgelenkte Munition , damit diese Ziele genau angreifen können. Militärflugzeuge, insbesondere in Luft-Boden- Rollen, verwenden GPS, um Ziele zu finden.
  • Raketen- und Projektilführung: GPS ermöglicht das genaue Zielen verschiedener militärischer Waffen, einschließlich ICBMs , Marschflugkörpern , präzisionsgelenkter Munition und Artilleriegeschossen . Eingebettete GPS-Empfänger, die Beschleunigungen von 12.000 g oder etwa 118 km / s 2 (260.000 mph / s) standhalten können, wurden für den Einsatz in 155-Millimeter- Haubitzenschalen entwickelt .
  • Suchen und retten.
  • Aufklärung: Die Patrouillenbewegung kann genauer gesteuert werden.
  • GPS-Satelliten tragen eine Reihe von Detonationsdetektoren, die aus einem optischen Sensor namens Bhangmeter , einem Röntgensensor, einem Dosimeter und einem elektromagnetischen Impulssensor (EMP) (W-Sensor) bestehen, die einen Großteil der Vereinigten Staaten bilden Nuclear Detonation Detection System . General William Shelton hat erklärt, dass zukünftige Satelliten diese Funktion möglicherweise einstellen, um Geld zu sparen.

Die Navigation vom Typ GPS wurde erstmals im Golfkrieg 1991 im Krieg eingesetzt , bevor das GPS 1995 vollständig entwickelt wurde, um die Koalitionsstreitkräfte bei der Navigation und Durchführung von Manövern im Krieg zu unterstützen. Der Krieg auch die Anfälligkeit von GPS wird demonstriert verklemmt , wenn Kräfte Iraqi Störsender auf wahrscheinliche Ziele installiert , dass Funkrauschen emittiert, dem Empfang des schwachen GPS - Signal zu stören.

Die Anfälligkeit von GPS für Störsignale ist eine Bedrohung, die mit zunehmender Störungsausrüstung und -erfahrung weiter zunimmt. Es wurde berichtet, dass GPS-Signale im Laufe der Jahre aus militärischen Gründen viele Male gestört wurden. Russland scheint mehrere Ziele für dieses Verhalten zu haben, wie die Einschüchterung der Nachbarn und die Untergrabung des Vertrauens in das Vertrauen in amerikanische Systeme, die Förderung der GLONASS-Alternative, die Störung westlicher Militärübungen und den Schutz der Vermögenswerte vor Drohnen. China nutzt Jamming, um US-Überwachungsflugzeuge in der Nähe der umkämpften Spratly-Inseln zu entmutigen . Nordkorea hat in der Nähe seiner Grenze zu Südkorea und vor der Küste mehrere große Störoperationen durchgeführt, die Flüge, Schifffahrt und Fischerei stören.

Zeitmessung

Schaltsekunden

Während die meisten Uhren ihre Zeit von der koordinierten Weltzeit (UTC) ableiten , sind die Atomuhren auf den Satelliten auf "GPS-Zeit" eingestellt. Der Unterschied besteht darin, dass die GPS-Zeit nicht an die Erdrotation angepasst wird und daher keine Schaltsekunden oder andere Korrekturen enthält, die regelmäßig zu UTC hinzugefügt werden. Die GPS-Zeit wurde 1980 auf UTC eingestellt, ist aber seitdem auseinander gegangen. Das Fehlen von Korrekturen bedeutet, dass die GPS-Zeit mit der Internationalen Atomzeit (TAI) (TAI - GPS = 19 Sekunden) konstant versetzt bleibt . An den Borduhren werden regelmäßige Korrekturen durchgeführt, um sie mit den Bodenuhren synchron zu halten.

Die GPS-Navigationsnachricht enthält die Differenz zwischen GPS-Zeit und UTC. Ab Januar 2017 liegt die GPS-Zeit 18 Sekunden vor UTC, da UTC am 31. Dezember 2016 eine Schaltsekunde hinzugefügt wurde. Empfänger subtrahieren diesen Versatz von der GPS-Zeit, um UTC- und bestimmte Zeitzonenwerte zu berechnen. Neue GPS-Geräte zeigen möglicherweise erst nach Empfang der UTC-Offset-Nachricht die richtige UTC-Zeit an. Das GPS-UTC-Versatzfeld kann 255 Schaltsekunden (acht Bit) aufnehmen.

Richtigkeit

Die GPS-Zeit ist theoretisch auf ungefähr 14 Nanosekunden genau, aufgrund der Taktdrift , die Atomuhren in GPS-Sendern relativ zur internationalen Atomzeit erfahren . Die meisten Empfänger verlieren an Genauigkeit bei der Interpretation der Signale und sind nur auf 100 Nanosekunden genau.

Format

Im Gegensatz zum Jahr-, Monats- und Tagesformat des Gregorianischen Kalenders wird das GPS-Datum als Wochennummer und Sekunden-in-Woche-Nummer ausgedrückt. Die Wochennummer wird in den Navigationsnachrichten C / A und P (Y) als Zehn- Bit- Feld übertragen und wird daher alle 1.024 Wochen (19,6 Jahre) wieder Null. Die GPS-Woche Null begann am 6. Januar 1980 um 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI), und die Wochennummer wurde am 21. August 1999 (00) um 23:59:47 UTC zum ersten Mal wieder Null : 00: 19 TAI am 22. August 1999). Dies geschah zum zweiten Mal am 6. April 2019 um 23:59:42 UTC. Um das aktuelle gregorianische Datum zu bestimmen, muss einem GPS-Empfänger das ungefähre Datum (innerhalb von 3.584 Tagen) zur Verfügung gestellt werden, um das GPS-Datumssignal korrekt zu übersetzen. Um dieses Problem in Zukunft anzugehen, wird in der modernisierten CNAV-Nachricht (GPS Civil Navigation) ein 13-Bit-Feld verwendet, das sich nur alle 8.192 Wochen (157 Jahre) wiederholt und somit bis 2137 (157 Jahre nach der GPS-Woche Null) dauert.

Kommunikation

Die von GPS-Satelliten übertragenen Navigationssignale codieren eine Vielzahl von Informationen, einschließlich Satellitenpositionen, dem Zustand der internen Uhren und dem Zustand des Netzwerks. Diese Signale werden auf zwei getrennten Trägerfrequenzen übertragen, die allen Satelliten im Netzwerk gemeinsam sind. Es werden zwei verschiedene Codierungen verwendet: eine öffentliche Codierung, die eine Navigation mit niedrigerer Auflösung ermöglicht, und eine verschlüsselte Codierung, die vom US-Militär verwendet wird.

Nachrichtenformat

GPS-Nachrichtenformat
Hilfsrahmen Beschreibung
1 Satellitenuhr,
GPS-Zeitbeziehung
2–3 Ephemeride
(präzise Satellitenumlaufbahn)
4–5 Almanach-Komponente
(Satellitennetzwerk-Übersicht,
Fehlerkorrektur)

Jeder GPS-Satellit sendet kontinuierlich eine Navigationsnachricht auf den Frequenzen L1 (C / A und P / Y) und L2 (P / Y) mit einer Rate von 50 Bit pro Sekunde (siehe Bitrate ). Jede vollständige Nachricht dauert 750 Sekunden ( 12 + 1 2 Minuten) zu vervollständigen. Die Nachrichtenstruktur hat ein Grundformat eines 1500 Bit langen Rahmens, der aus fünf Unterrahmen besteht, wobei jeder Unterrahmen 300 Bit (6 Sekunden) lang ist. Subframes 4 und 5 sind subcommutated 25mal jeweils so dass eine vollständige Datennachricht die Übertragung von 25 Vollbildern erfordert. Jeder Hilfsrahmen besteht aus zehn Wörtern mit einer Länge von jeweils 30 Bit. Mit 300 Bits in einem Subframe mal 5 Subframes in einem Frame mal 25 Frames in einer Nachricht ist jede Nachricht 37.500 Bit lang. Bei einer Übertragungsrate von 50 Bit / s haben Sie 750 Sekunden Zeit, um eine gesamte Almanachnachricht (GPS) zu übertragen . Jeder 30-Sekunden-Frame beginnt genau in der Minute oder halben Minute, wie durch die Atomuhr auf jedem Satelliten angezeigt.

Der erste Unterrahmen jedes Rahmens codiert die Wochennummer und die Zeit innerhalb der Woche sowie die Daten über den Zustand des Satelliten. Der zweite und der dritte Teilrahmen enthalten die Ephemeride - die genaue Umlaufbahn für den Satelliten. Der vierte und fünfte Teilrahmen enthalten den Almanach , der grobe Umlaufbahn- und Statusinformationen für bis zu 32 Satelliten in der Konstellation sowie Daten zur Fehlerkorrektur enthält. Um aus dieser gesendeten Nachricht einen genauen Satellitenort zu erhalten, muss der Empfänger die Nachricht von jedem Satelliten, den er in seiner Lösung enthält, 18 bis 30 Sekunden lang demodulieren. Um alle übertragenen Almanache zu sammeln, muss der Empfänger die Nachricht für 732 bis 750 Sekunden oder 12 Sekunden demodulieren + 1 2 Minuten.

Alle Satelliten senden mit den gleichen Frequenzen und codieren Signale unter Verwendung eines CDMA ( Unique Code Division Multiple Access ), sodass Empfänger einzelne Satelliten voneinander unterscheiden können. Das System verwendet zwei unterschiedliche CDMA-Codierungstypen: den Grob- / Erfassungscode (C / A), auf den die breite Öffentlichkeit zugreifen kann, und den genauen Code (P (Y)), der so verschlüsselt ist, dass nur das US-Militär und andere NATO-Staaten, denen Zugang zum Verschlüsselungscode gewährt wurde, können darauf zugreifen.

Die Ephemeride wird alle 2 Stunden aktualisiert und ist 4 Stunden lang ausreichend stabil. Bei nicht nominalen Bedingungen sind Aktualisierungen alle 6 Stunden oder länger vorgesehen. Der Almanach wird normalerweise alle 24 Stunden aktualisiert. Darüber hinaus werden Daten für einige Wochen im Falle von Übertragungsaktualisierungen hochgeladen, die das Hochladen von Daten verzögern.

Satellitenfrequenzen

GPS-Frequenzübersicht
Band Frequenz Beschreibung
L1 1575,42 MHz Grobakquisitions- (C / A) und verschlüsselte Präzisionscodes (P (Y)) sowie die zivilen ( L1C ) und militärischen (M) L1- Codes für zukünftige Block III-Satelliten.
L2 1227,60 MHz P (Y) -Code sowie die L2C- und Militärcodes auf dem Block IIR-M und neueren Satelliten.
L3 1381,05 MHz Wird zur Erkennung von Nukleardetonationen (NUDET) verwendet.
L4 1379,913 MHz Wird für eine zusätzliche ionosphärische Korrektur untersucht.
L5 1176,45 MHz Vorgeschlagen zur Verwendung als SoL-Signal (Civilian Safety-of-Life).

Alle Satelliten senden mit denselben zwei Frequenzen, 1,57542 GHz (L1-Signal) und 1,2276 GHz (L2-Signal). Das Satellitennetz verwendet eine CDMA-Spreizspektrumtechnik, bei der die Nachrichtendaten mit niedriger Bitrate mit einer Pseudozufallssequenz (PRN) mit hoher Rate codiert werden, die für jeden Satelliten unterschiedlich ist. Der Empfänger muss die PRN-Codes für jeden Satelliten kennen, um die tatsächlichen Nachrichtendaten zu rekonstruieren. Der C / A-Code für den zivilen Gebrauch überträgt Daten mit 1,023 Millionen Chips pro Sekunde, während der P / Code für den US-Militärgebrauch mit 10,23 Millionen Chips pro Sekunde überträgt. Die tatsächliche interne Referenz der Satelliten beträgt 10,22999999543 MHz, um relativistische Effekte zu kompensieren , die dazu führen, dass Beobachter auf der Erde eine andere Zeitreferenz in Bezug auf die Sender im Orbit wahrnehmen. Der L1-Träger wird sowohl durch den C / A- als auch den P-Code moduliert, während der L2-Träger nur durch den P-Code moduliert wird. Der P-Code kann als sogenannter P (Y) -Code verschlüsselt werden, der nur militärischen Geräten mit einem geeigneten Entschlüsselungsschlüssel zur Verfügung steht. Sowohl der C / A- als auch der P (Y) -Code geben dem Benutzer die genaue Tageszeit.

Das L3-Signal mit einer Frequenz von 1,38105 GHz wird verwendet, um Daten von den Satelliten zu Bodenstationen zu übertragen. Diese Daten werden vom US-amerikanischen Nuclear Detonation (NUDET) Detection System (USNDS) verwendet, um nukleare Detonationen (NUDETs) in der Erdatmosphäre und im nahen Weltraum zu erkennen, zu lokalisieren und zu melden. Eine Anwendung ist die Durchsetzung von Verträgen über das Verbot von Atomtests.

Das L4-Band bei 1,379913 GHz wird für eine zusätzliche ionosphärische Korrektur untersucht.

Das L5-Frequenzband bei 1,17645 GHz wurde im Zuge der GPS-Modernisierung hinzugefügt . Diese Frequenz fällt in einen international geschützten Bereich für die Luftfahrtnavigation und verspricht unter allen Umständen nur geringe oder keine Störungen. Der erste Block IIF-Satellit, der dieses Signal liefert, wurde im Mai 2010 gestartet. Am 5. Februar 2016 wurde der 12. und letzte Block IIF-Satellit gestartet. Der L5 besteht aus zwei Trägerkomponenten, die sich in Phasenquadratur zueinander befinden. Jede Trägerkomponente ist ein zweiphasiger Umschaltschlüssel (BPSK), der durch eine separate Bitfolge moduliert wird. "L5, das dritte zivile GPS-Signal, wird möglicherweise Anwendungen für die Lebenssicherheit in der Luftfahrt unterstützen und eine verbesserte Verfügbarkeit und Genauigkeit bieten."

Im Jahr 2011 wurde LightSquared ein bedingter Verzicht auf den Betrieb eines terrestrischen Breitbanddienstes in der Nähe des L1-Bandes gewährt . Obwohl LightSquared bereits 2003 eine Lizenz für den Betrieb im Bereich von 1525 bis 1559 beantragt hatte und diese zur öffentlichen Kommentierung freigegeben wurde, bat die FCC LightSquared, mit der GPS-Community eine Studiengruppe zu bilden, um GPS-Empfänger zu testen und mögliche Probleme zu identifizieren entstehen aufgrund der größeren Signalleistung aus dem terrestrischen LightSquared-Netzwerk. Die GPS-Community hatte erst im November 2010 Einwände gegen die LightSquared-Anwendungen (ehemals MSV und SkyTerra) erhoben, als LightSquared eine Änderung der ATC-Berechtigung (Ancillary Terrestrial Component) beantragte. Diese Einreichung (SAT-MOD-20101118-00239) stellte eine Aufforderung dar, für terrestrische Basisstationen mehrere Größenordnungen mehr Leistung im gleichen Frequenzband zu betreiben und im Wesentlichen eine "ruhige Nachbarschaft" für Signale aus dem Weltraum als zu nutzen das Äquivalent eines Mobilfunknetzes. Tests im ersten Halbjahr 2011 haben gezeigt, dass die Auswirkungen der unteren 10 MHz des Spektrums auf GPS-Geräte minimal sind (weniger als 1% der gesamten GPS-Geräte sind betroffen). Die oberen 10 MHz, die für die Verwendung durch LightSquared vorgesehen sind, können sich auf GPS-Geräte auswirken. Es gibt einige Bedenken, dass dies das GPS-Signal für viele Verbraucheranwendungen ernsthaft beeinträchtigen könnte. Das Magazin der Aviation Week berichtet, dass die neuesten Tests (Juni 2011) eine "signifikante Störung" des GPS durch das LightSquared-System bestätigen.

Demodulation und Decodierung

Demodulieren und Dekodieren von GPS-Satellitensignalen mit dem Coarse / Acquisition Gold-Code .

Da alle Satellitensignale auf dieselbe L1-Trägerfrequenz moduliert werden, müssen die Signale nach der Demodulation getrennt werden. Dazu wird jedem Satelliten eine eindeutige Binärsequenz zugewiesen, die als Gold-Code bezeichnet wird . Die Signale werden nach der Demodulation unter Hinzufügung der Goldcodes, die den vom Empfänger überwachten Satelliten entsprechen, decodiert.

Wenn die Almanachinformationen zuvor erfasst wurden, wählt der Empfänger die Satelliten aus, auf die sie anhand ihrer PRNs warten möchten, eindeutige Nummern im Bereich von 1 bis 32. Wenn sich die Almanachinformationen nicht im Speicher befinden, wechselt der Empfänger in einen Suchmodus, bis eine Sperre erhalten wird auf einem der Satelliten. Um eine Sperre zu erhalten, muss eine freie Sichtlinie vom Empfänger zum Satelliten bestehen. Der Empfänger kann dann den Almanach erfassen und die Satelliten bestimmen, auf die er hören soll. Wenn es das Signal jedes Satelliten erkennt, identifiziert es es anhand seines unterschiedlichen C / A-Codemusters. Es kann eine Verzögerung von bis zu 30 Sekunden vor der ersten Positionsschätzung geben, da die Ephemeridendaten gelesen werden müssen.

Die Verarbeitung der Navigationsnachricht ermöglicht die Bestimmung des Sendezeitpunkts und der Satellitenposition zu diesem Zeitpunkt. Weitere Informationen finden Sie unter Demodulation und Decodierung, Erweitert .

Navigationsgleichungen

Problembeschreibung

Der Empfänger verwendet von Satelliten empfangene Nachrichten, um die Satellitenpositionen und die gesendete Zeit zu bestimmen. Die x-, y- und z- Komponenten der Satellitenposition und der gesendeten Zeit ( en ) werden als [ x i , y i , z i , s i ] bezeichnet, wobei der Index i den Satelliten bezeichnet und den Wert 1, 2 ,. .., n , wobei n  ≥ 4. Wenn die von der integrierten Empfängeruhr angezeigte Zeit des Nachrichtenempfangs i ist , ist die wahre Empfangszeit t i = i - b , wobei b die Taktvorspannung des Empfängers von der ist viel genauere GPS-Uhren, die von den Satelliten verwendet werden. Die Vorspannung des Empfängertakts ist für alle empfangenen Satellitensignale gleich (vorausgesetzt, die Satellitentakte sind alle perfekt synchronisiert). Die Laufzeit der Nachricht ist i - b - s i , wobei s i die Satellitenzeit ist. Unter der Annahme der Nachricht an gereist Lichtgeschwindigkeit , c , die zurückgelegte Strecke ist ( t i - b - s i ) c .

Für n Satelliten sind die zu erfüllenden Gleichungen:

Dabei ist d i der geometrische Abstand oder Bereich zwischen Empfänger und Satellit i (die Werte ohne Index sind die x-, y- und z- Komponenten der Empfängerposition):

Wenn wir Pseudobereiche als definieren , sehen wir, dass es sich um voreingenommene Versionen des wahren Bereichs handelt:

.

Da die Gleichungen vier Unbekannte [ x, y, z, b ] haben - die drei Komponenten der GPS-Empfängerposition und der Taktvorspannung - sind Signale von mindestens vier Satelliten erforderlich, um zu versuchen, diese Gleichungen zu lösen. Sie können mit algebraischen oder numerischen Methoden gelöst werden. Existenz und Einzigartigkeit von GPS-Lösungen werden von Abell und Chaffee diskutiert. Wenn n größer als vier ist, ist dieses System überbestimmt und es muss eine Anpassungsmethode verwendet werden.

Das Ausmaß der Fehler in den Ergebnissen variiert mit den Positionen der empfangenen Satelliten am Himmel, da bestimmte Konfigurationen (wenn die empfangenen Satelliten am Himmel nahe beieinander liegen) größere Fehler verursachen. Empfänger berechnen normalerweise eine laufende Schätzung des Fehlers in der berechneten Position. Dies erfolgt durch Multiplikation der Grundauflösung des Empfängers mit Größen, die als geometrische Verdünnung der Positionsfaktoren (GDOP) bezeichnet werden und aus den relativen Himmelsrichtungen der verwendeten Satelliten berechnet werden. Der Empfängerstandort wird in einem bestimmten Koordinatensystem ausgedrückt, z. B. Längen- und Breitengrad, wobei das geodätische Datum WGS 84 oder ein länderspezifisches System verwendet wird.

Geometrische Interpretation

Die GPS-Gleichungen können mit numerischen und analytischen Methoden gelöst werden. Geometrische Interpretationen können das Verständnis dieser Lösungsmethoden verbessern.

Kugeln

2-D-Szenario der kartesischen True-Range-Multilateration (Trilateration).

Die gemessenen Bereiche, Pseudobereiche genannt, enthalten Taktfehler. In einer vereinfachten Idealisierung, in der die Bereiche synchronisiert sind, repräsentieren diese wahren Bereiche die Radien von Kugeln, die jeweils auf einem der Sendesatelliten zentriert sind. Die Lösung für die Position des Empfängers liegt dann am Schnittpunkt der Oberflächen dieser Kugeln; siehe Trilateration (allgemeiner True-Range-Multilateration). Signale von mindestens drei Satelliten sind erforderlich, und ihre drei Kugeln schneiden sich normalerweise an zwei Punkten. Einer der Punkte ist der Standort des Empfängers, der andere bewegt sich bei aufeinanderfolgenden Messungen schnell und befindet sich normalerweise nicht auf der Erdoberfläche.

In der Praxis gibt es neben der Taktvorspannung viele Ursachen für Ungenauigkeiten, einschließlich zufälliger Fehler sowie des Potenzials für Präzisionsverluste durch Subtrahieren von Zahlen nahe beieinander, wenn die Zentren der Kugeln relativ nahe beieinander liegen. Dies bedeutet, dass die aus drei Satelliten allein berechnete Position wahrscheinlich nicht genau genug ist. Daten von mehr Satelliten können aufgrund der Tendenz, dass sich zufällige Fehler aufheben, und auch aufgrund einer größeren Streuung zwischen den Kugelzentren hilfreich sein. Gleichzeitig schneiden sich jedoch im Allgemeinen nicht mehr Kugeln an einem Punkt. Daher wird eine nahe Kreuzung berechnet, typischerweise über kleinste Quadrate. Je mehr Signale verfügbar sind, desto besser ist wahrscheinlich die Annäherung.

Hyperboloide

Drei Satelliten (als "Stationen" A, B, C bezeichnet) haben bekannte Standorte. Die tatsächlichen Zeiten, die ein Funksignal benötigt, um von jedem Satelliten zum Empfänger zu gelangen, sind unbekannt, aber die tatsächlichen Zeitunterschiede sind bekannt. Dann lokalisiert jeder Zeitunterschied den Empfänger auf einem Zweig einer Hyperbel, der auf die Satelliten fokussiert ist. Der Empfänger befindet sich dann an einer der beiden Kreuzungen.

Wenn der Pseudobereich zwischen dem Empfänger und dem Satelliten i und der Pseudobereich zwischen dem Empfänger und dem Satelliten j subtrahiert werden, p i - p j , hebt sich die gemeinsame Vorspannung des Empfängertakts ( b ) auf, was zu einer Differenz der Abstände d i - d j führt . Der Ort von Punkten mit einem konstanten Unterschied in der Entfernung zu zwei Punkten (hier zwei Satelliten) ist eine Hyperbel in einer Ebene und ein Rotationshyperboloid (genauer gesagt ein zweiblättriges Hyperboloid ) im 3D-Raum (siehe Multilateration ). Somit kann der Empfänger aus vier Pseudoentfernungsmessungen am Schnittpunkt der Oberflächen von drei Hyperboloiden mit jeweils Brennpunkten an einem Satellitenpaar platziert werden. Bei zusätzlichen Satelliten sind die mehreren Kreuzungen nicht unbedingt eindeutig, und stattdessen wird nach einer am besten passenden Lösung gesucht.

Beschriftete Kugel

Ein kleinerer Kreis ( rot ), der andere Kreise ( schwarz ) beschriftet und tangiert , die nicht unbedingt gegenseitig tangieren müssen.

Die Empfängerposition kann als Mittelpunkt einer beschrifteten Kugel (insphere) mit dem Radius bc interpretiert werden , die durch die Empfängertaktvorspannung b (skaliert durch die Lichtgeschwindigkeit c ) gegeben ist. Der Insphere-Ort ist so, dass er andere Kugeln berührt. Die umschreibenden Kugeln sind auf den GPS-Satelliten zentriert, deren Radien den gemessenen Pseudobereichen p i entsprechen . Diese Konfiguration unterscheidet sich von der oben beschriebenen, bei der die Radien der Kugeln die unverzerrten oder geometrischen Bereiche d i waren .

Hypercones

Die Uhr im Empfänger hat normalerweise nicht die gleiche Qualität wie die in den Satelliten und wird nicht genau mit ihnen synchronisiert. Dies erzeugt Pseudobereiche mit großen Unterschieden im Vergleich zu den tatsächlichen Entfernungen zu den Satelliten. Daher wird in der Praxis die Zeitdifferenz zwischen der Empfängeruhr und der Satellitenzeit als unbekannte Taktvorspannung b definiert . Die Gleichungen werden dann gleichzeitig für die Empfängerposition und die Taktvorspannung gelöst. Der Lösungsraum [ x, y, z, b ] kann als vierdimensionale Raumzeit angesehen werden , und Signale von mindestens vier Satelliten werden benötigt. In diesem Fall beschreibt jede der Gleichungen einen Hyperkegel (oder Kugelkegel), wobei sich die Spitze am Satelliten befindet und die Basis eine Kugel um den Satelliten. Der Empfänger befindet sich am Schnittpunkt von vier oder mehr solcher Hypercones.

Lösungsmethoden

Kleinsten Quadrate

Wenn mehr als vier Satelliten verfügbar sind, kann die Berechnung die vier besten oder mehr als vier gleichzeitig verwenden (bis zu allen sichtbaren Satelliten), abhängig von der Anzahl der Empfängerkanäle, der Verarbeitungsfähigkeit und der geometrischen Präzisionsverdünnung (GDOP).

Die Verwendung von mehr als vier beinhaltet ein überbestimmtes Gleichungssystem ohne eindeutige Lösung. Ein solches System kann durch ein Verfahren der kleinsten Quadrate oder eines gewichteten kleinsten Quadrats gelöst werden .

Iterativ

Beide Gleichungen für vier Satelliten oder die Gleichungen der kleinsten Quadrate für mehr als vier sind nicht linear und erfordern spezielle Lösungsmethoden. Ein üblicher Ansatz ist die Iteration einer linearisierten Form der Gleichungen, wie beispielsweise des Gauß-Newton-Algorithmus .

Das GPS wurde ursprünglich unter der Annahme einer numerischen Lösungsmethode für kleinste Quadrate entwickelt, dh bevor Lösungen in geschlossener Form gefunden wurden.

Geschlossene Form

Eine geschlossene Lösung für den obigen Satz von Gleichungen wurde von S. Bancroft entwickelt. Seine Eigenschaften sind bekannt; Insbesondere behaupten Befürworter, dass es in Situationen mit niedrigem GDOP im Vergleich zu iterativen Methoden der kleinsten Quadrate überlegen ist .

Die Methode von Bancroft ist im Gegensatz zur numerischen Methode algebraisch und kann für vier oder mehr Satelliten verwendet werden. Wenn vier Satelliten verwendet werden, sind die Schlüsselschritte die Inversion einer 4x4-Matrix und die Lösung einer quadratischen Gleichung mit einer Variablen. Die Methode von Bancroft bietet eine oder zwei Lösungen für die unbekannten Größen. Wenn es zwei gibt (normalerweise der Fall), ist nur eine eine erdnahe sinnvolle Lösung.

Wenn ein Empfänger mehr als vier Satelliten für eine Lösung verwendet, verwendet Bancroft die verallgemeinerte Inverse (dh die Pseudoinverse), um eine Lösung zu finden. Es wurde der Fall angeführt, dass iterative Methoden wie der Gauß-Newton-Algorithmus zur Lösung überbestimmter nichtlinearer Probleme der kleinsten Quadrate (NLLS) im Allgemeinen genauere Lösungen liefern.

Leick et al. (2015) stellt fest, dass "die Lösung von Bancroft (1985) eine sehr frühe, wenn nicht die erste Lösung in geschlossener Form ist." Andere geschlossene Lösungen wurden später veröffentlicht, obwohl ihre Anwendung in der Praxis unklar ist.

Fehlerquellen und Analyse

Die GPS-Fehleranalyse untersucht Fehlerquellen in GPS-Ergebnissen und die erwartete Größe dieser Fehler. GPS korrigiert Empfängeruhrfehler und andere Effekte, einige verbleibende Fehler bleiben jedoch unkorrigiert. Zu den Fehlerquellen gehören Messungen der Signalankunftszeit, numerische Berechnungen, atmosphärische Effekte (ionosphärische / troposphärische Verzögerungen), Ephemeriden- und Taktdaten, Mehrwegesignale sowie natürliche und künstliche Interferenzen. Die Größe der Restfehler aus diesen Quellen hängt von der geometrischen Verdünnung der Präzision ab. Künstliche Fehler können durch Störvorrichtungen und die Bedrohung von Schiffen und Flugzeugen oder durch eine absichtliche Signalverschlechterung durch selektive Verfügbarkeit verursacht werden, die die Genauigkeit auf 6 bis 12 m (20 bis 40 ft) begrenzt, aber seit dem 1. Mai 2000 ausgeschaltet ist.

Genauigkeitsverbesserung und Vermessung

Augmentation

Durch die Integration externer Informationen in den Berechnungsprozess kann die Genauigkeit erheblich verbessert werden. Solche Erweiterungssysteme werden im Allgemeinen basierend darauf benannt oder beschrieben, wie die Informationen ankommen. Einige Systeme übertragen zusätzliche Fehlerinformationen (wie Taktdrift, Ephemera oder ionosphärische Verzögerung ), andere charakterisieren frühere Fehler, während eine dritte Gruppe zusätzliche Navigations- oder Fahrzeuginformationen bereitstellt.

Beispiele für Augmentationssysteme sind das Wide Area Augmentation System (WAAS), der European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), das Differential GPS (DGPS), Trägheitsnavigationssysteme (INS) und Assisted GPS . Die Standardgenauigkeit von ca. 15 m (49 ft) kann mit DGPS auf 3–5 m (9,8–16,4 ft) und mit WAAS auf ca. 3 m (9,8 ft) erhöht werden.

Präzise Überwachung

Die Genauigkeit kann durch präzise Überwachung und Messung vorhandener GPS-Signale auf zusätzliche oder alternative Weise verbessert werden.

Der größte verbleibende Fehler ist normalerweise die unvorhersehbare Verzögerung durch die Ionosphäre . Das Raumschiff sendet ionosphärische Modellparameter, aber einige Fehler bleiben bestehen. Dies ist ein Grund, warum GPS-Raumfahrzeuge auf mindestens zwei Frequenzen, L1 und L2, senden. Die ionosphärische Verzögerung ist eine genau definierte Funktion der Frequenz und des Gesamtelektronengehalts (TEC) entlang des Pfades. Die Messung der Ankunftszeitdifferenz zwischen den Frequenzen bestimmt also die TEC und damit die genaue ionosphärische Verzögerung bei jeder Frequenz.

Militärempfänger können den auf L1 und L2 übertragenen P (Y) -Code dekodieren. Ohne Entschlüsselungsschlüssel ist es immer noch möglich, die P (Y) -Codes auf L1 und L2 mit einer codelosen Technik zu vergleichen, um einen Großteil der gleichen Fehlerinformationen zu erhalten. Diese Technik ist langsam und daher derzeit nur für spezielle Vermessungsgeräte verfügbar. In Zukunft werden voraussichtlich weitere zivile Codes auf den Frequenzen L2 und L5 übertragen. Alle Benutzer können dann Zweifrequenzmessungen durchführen und ionosphärische Verzögerungsfehler direkt berechnen.

Eine zweite Form der präzisen Überwachung heißt Carrier-Phase Enhancement (CPGPS). Dies korrigiert den Fehler, der auftritt, weil der Impulsübergang des PRN nicht sofort erfolgt und daher die Korrelationsoperation (Satelliten-Empfänger-Sequenzanpassung) nicht perfekt ist. CPGPS verwendet die L1-Trägerwelle mit einer Periode von etwa einem Tausendstel der C / A-Goldcode-Bitperiode von , um als zusätzliches Taktsignal zu fungieren und die Unsicherheit aufzulösen. Der Phasendifferenzfehler im normalen GPS beträgt 2–3 m Mehrdeutigkeit. CPGPS, das innerhalb von 1% des perfekten Übergangs arbeitet, reduziert diesen Fehler auf 3 cm Mehrdeutigkeit. Durch Eliminieren dieser Fehlerquelle erreicht CPGPS in Verbindung mit DGPS normalerweise eine absolute Genauigkeit zwischen 20 und 30 cm.

Die relative kinematische Positionierung (RKP) ist eine dritte Alternative für ein präzises GPS-basiertes Positionierungssystem. Bei diesem Ansatz kann die Bestimmung des Entfernungssignals mit einer Genauigkeit von weniger als 10 cm (3,9 in) aufgelöst werden. Dies erfolgt durch Auflösen der Anzahl von Zyklen, in denen das Signal vom Empfänger gesendet und empfangen wird, unter Verwendung einer Kombination von Differenzial-GPS-Korrekturdaten (DGPS), Übertragen von GPS-Signalphaseninformationen und Mehrdeutigkeitsauflösungstechniken über statistische Tests - möglicherweise mit realer Verarbeitung -time ( kinematische Echtzeitpositionierung , RTK).

Trägerphasenverfolgung (Vermessung)

Eine andere Methode, die in Vermessungsanwendungen verwendet wird, ist die Trägerphasenverfolgung. Die Periode der Trägerfrequenz multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit ergibt die Wellenlänge, die für den L1-Träger etwa 0,19 m (7,5 in) beträgt. Die Genauigkeit innerhalb von 1% der Wellenlänge beim Erfassen der Vorderkante reduziert diese Komponente des Pseudoentfernungsfehlers auf nur 2 mm (0,079 in). Dies entspricht 3 m (9,8 ft) für den C / A-Code und 0,3 m (1 ft 0 in) für den P-Code.

Für eine Genauigkeit von 2 mm muss die Gesamtphase gemessen werden - die Anzahl der Wellen multipliziert mit der Wellenlänge plus der gebrochenen Wellenlänge, für die speziell ausgestattete Empfänger erforderlich sind. Diese Methode hat viele Vermessungsanwendungen. Es ist genau genug, um die sehr langsamen Bewegungen tektonischer Platten in Echtzeit zu verfolgen , typischerweise 0 bis 100 mm pro Jahr.

Dreifache Differenzierung, gefolgt von numerischer Wurzelfindung, und die Technik der kleinsten Quadrate kann die Position eines Empfängers bei gegebener Position eines anderen Empfängers schätzen. Berechnen Sie zuerst den Unterschied zwischen Satelliten, dann zwischen Empfängern und schließlich zwischen Epochen. Andere Bestellungen von Differenzen sind gleichermaßen gültig. Eine ausführliche Diskussion der Fehler entfällt.

Die Gesamtphase des Satellitenträgers kann mit Mehrdeutigkeit hinsichtlich der Anzahl der Zyklen gemessen werden. Lassen Sie bezeichnen die Phase des Trägers des Satelliten j vom Empfänger gemessen i zum Zeitpunkt . Diese Notation zeigt die Bedeutung der Indizes i, j und k. Der Empfänger ( r ), Satellit ( en ) und Zeit ( t ) kommt in alphabetischer Reihenfolge als Argumente von und zur Balance Lesbarkeit und Prägnanz, lassen Sie eine kurze Abkürzung sein. Außerdem definieren wir drei Funktionen :: , die Unterschiede zwischen Empfängern, Satelliten und Zeitpunkten zurückgeben. Jede Funktion hat Variablen mit drei Indizes als Argumente. Diese drei Funktionen sind unten definiert. Wenn es sich um eine Funktion der drei ganzzahligen Argumente i, j und k handelt, handelt es sich um ein gültiges Argument für die Funktionen :: mit den definierten Werten als

,
, und
 .

Auch wenn gültige Argumente für die drei Funktionen sind und a und b Konstanten sind, dann ist ein gültiges Argument mit definierten Werten als

,
, und
 .

Empfängertaktfehler können annähernd beseitigt werden, indem die von Satellit 1 gemessenen Phasen von denen von Satellit 2 in derselben Epoche unterschieden werden. Dieser Unterschied wird als bezeichnet

Die doppelte Differenzierung berechnet die Differenz der Satellitendifferenz von Empfänger 1 zu der von Empfänger 2. Dadurch werden Satellitenuhrfehler ungefähr eliminiert. Dieser doppelte Unterschied ist:

Die dreifache Differenzierung subtrahiert die Empfängerdifferenz von Zeit 1 von der von Zeit 2. Dies beseitigt die Mehrdeutigkeit, die mit der ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen in der Trägerphase verbunden ist, vorausgesetzt, diese Mehrdeutigkeit ändert sich nicht mit der Zeit. Somit eliminiert das Dreifachdifferenzergebnis praktisch alle Taktvorspannungsfehler und die ganzzahlige Mehrdeutigkeit. Atmosphärische Verzögerungs- und Satelliten-Ephemeridenfehler wurden signifikant reduziert. Dieser dreifache Unterschied ist:

Dreifachdifferenzergebnisse können verwendet werden, um unbekannte Variablen zu schätzen. Wenn beispielsweise die Position des Empfängers 1 bekannt ist, die Position des Empfängers 2 jedoch unbekannt ist, kann es möglich sein, die Position des Empfängers 2 unter Verwendung der numerischen Wurzelfindung und der kleinsten Quadrate zu schätzen. Dreifache Differenzergebnisse für drei unabhängige Zeitpaare können ausreichen, um die drei Positionskomponenten von Empfänger 2 zu lösen. Dies kann ein numerisches Verfahren erfordern. Eine Annäherung der Position von Empfänger 2 ist erforderlich, um ein solches numerisches Verfahren zu verwenden. Dieser Anfangswert kann wahrscheinlich aus der Navigationsnachricht und dem Schnittpunkt der Kugeloberflächen bereitgestellt werden. Eine solche vernünftige Schätzung kann der Schlüssel für eine erfolgreiche mehrdimensionale Wurzelfindung sein. Das Iterieren von drei Zeitpaaren und einem ziemlich guten Anfangswert ergibt ein beobachtetes Dreifachdifferenzergebnis für die Position von Empfänger 2. Die Verarbeitung zusätzlicher Zeitpaare kann die Genauigkeit verbessern und die Antwort mit mehreren Lösungen überbestimmen. Kleinste Quadrate können ein überbestimmtes System schätzen. Die kleinsten Quadrate bestimmen die Position von Empfänger 2, die am besten zu den beobachteten Dreifachdifferenzergebnissen für die Positionen von Empfänger 2 passt, unter dem Kriterium der Minimierung der Summe der Quadrate.

Probleme mit dem Regelungsspektrum bei GPS-Empfängern

In den USA unterliegen GPS-Empfänger den Bestimmungen der Federal Communications Commission (FCC) Teil 15 . Wie in den Handbüchern von GPS-fähigen Geräten angegeben, die in den USA verkauft werden, muss es als Teil 15-Gerät "alle empfangenen Störungen akzeptieren, einschließlich Störungen, die einen unerwünschten Betrieb verursachen können". Insbesondere in Bezug auf GPS-Geräte stellt die FCC fest, dass Hersteller von GPS-Empfängern "Empfänger verwenden müssen, die den Empfang von Signalen außerhalb ihres zugewiesenen Spektrums angemessen diskriminieren". In den letzten 30 Jahren haben GPS-Empfänger neben dem Mobile Satellite Service-Band gearbeitet und den Empfang von mobilen Satellitendiensten wie Inmarsat ohne Probleme diskriminiert.

Das von der FCC für die Nutzung von GPS L1 zugewiesene Spektrum beträgt 1559 bis 1610 MHz, während das von Lightsquared für die Nutzung von Satellit zu Boden zugewiesene Spektrum das Mobile Satellite Service-Band ist. Seit 1996 hat die FCC die lizenzierte Nutzung des Spektrums neben dem GPS-Band von 1525 bis 1559 MHz für das Unternehmen LightSquared in Virginia genehmigt . Am 1. März 2001 erhielt die FCC vom Vorgänger von LightSquared, Motient Services, einen Antrag , die zugewiesenen Frequenzen für einen integrierten satellitengestützten terrestrischen Dienst zu verwenden. Im Jahr 2002 hat der US-amerikanische GPS Industry Council mit LightSquared eine Vereinbarung über Out-of-Band-Emissionen (OOBE) getroffen, um zu verhindern, dass Übertragungen von bodengestützten Stationen von LightSquared Übertragungen in das benachbarte GPS-Band von 1559 bis 1610 MHz senden. Im Jahr 2004 hat die FCC die OOBE-Vereinbarung in ihrer Genehmigung für LightSquared zur Bereitstellung eines bodengestützten Netzwerks für ihr Satellitensystem - bekannt als Ancillary Tower Components (ATCs) - angenommen. "Wir werden MSS ATC unter Bedingungen genehmigen, die sicherstellen, dass die Die hinzugefügte terrestrische Komponente bleibt eine Ergänzung zum Hauptangebot von MSS. Wir beabsichtigen nicht und werden auch nicht zulassen, dass die terrestrische Komponente zu einem eigenständigen Dienst wird. " Diese Genehmigung wurde vom US-amerikanischen Interdepartment Radio Advisory Committee geprüft und genehmigt, dem das US-Landwirtschaftsministerium , die US Space Force, die US Army, die US Coast Guard , die Federal Aviation Administration , die National Aeronautics and Space Administration (NASA) und das US Department of the Innenministerium und US-Verkehrsministerium .

Im Januar 2011 hat die FCC die Großhandelskunden von LightSquared - wie Best Buy , Sharp und C Spire - unter bestimmten Bedingungen autorisiert , nur einen integrierten satellitengestützten Dienst von LightSquared zu erwerben und diesen integrierten Dienst auf Geräten weiterzuverkaufen, die nur für Geräte ausgestattet sind Verwenden Sie das bodengestützte Signal mit den von LightSquared zugewiesenen Frequenzen von 1525 bis 1559 MHz. Im Dezember 2010 äußerten die Hersteller von GPS-Empfängern gegenüber der FCC Bedenken, dass das Signal von LightSquared die GPS-Empfängergeräte stören würde, obwohl die politischen Überlegungen der FCC im Vorfeld der Bestellung vom Januar 2011 keine vorgeschlagenen Änderungen der maximalen Anzahl bodengestützter LightSquared-Stationen betrafen oder die maximale Leistung, mit der diese Stationen arbeiten könnten. Die endgültige Genehmigung vom Januar 2011 macht die endgültige Genehmigung von Studien zu GPS-Interferenzproblemen abhängig, die von einer von LightSquared geführten Arbeitsgruppe zusammen mit der Teilnahme der GPS-Industrie und der Bundesbehörde durchgeführt wurden. Am 14. Februar 2012 leitete die FCC ein Verfahren ein, um die Anordnung zur bedingten Befreiung von LightSquared aufzuheben, basierend auf der Schlussfolgerung der NTIA, dass es derzeit keine praktische Möglichkeit gibt, potenzielle GPS-Störungen zu mindern.

Hersteller von GPS-Empfängern entwickeln GPS-Empfänger so, dass sie ein Spektrum verwenden, das über das vom GPS zugewiesene Band hinausgeht. In einigen Fällen sind GPS-Empfänger so ausgelegt, dass sie in beiden Richtungen der L1-Frequenz von 1575,42 MHz ein Spektrum von bis zu 400 MHz verwenden, da mobile Satellitendienste in diesen Regionen vom Weltraum zum Boden senden und eine Leistung aufweisen, die den mobilen Satellitendiensten entspricht . Gemäß den Bestimmungen von Teil 15 der FCC ist für GPS-Empfänger kein Schutz vor Signalen außerhalb des GPS-zugewiesenen Spektrums gewährleistet. Aus diesem Grund arbeitet GPS neben dem Mobile Satellite Service-Band und das Mobile Satellite Service-Band neben GPS. Die symbiotische Beziehung der Frequenzzuweisung stellt sicher, dass Benutzer beider Bänder kooperativ und frei arbeiten können.

Die FCC verabschiedete im Februar 2003 Regeln, die es Lizenznehmern von Mobile Satellite Service (MSS) wie LightSquared ermöglichten, eine kleine Anzahl von zusätzlichen bodengestützten Türmen in ihrem lizenzierten Spektrum zu errichten, um "eine effizientere Nutzung des terrestrischen Funkspektrums zu fördern". In diesen Regeln von 2003 erklärte die FCC: "Vorläufig wird erwartet, dass terrestrischer [kommerzieller Mobilfunkdienst (" CMRS ")] und MSS ATC unterschiedliche Preise, Abdeckung, Produktakzeptanz und Vertrieb haben. Daher erscheinen die beiden Dienste. bestenfalls unvollkommene Substitute für einander zu sein, die in überwiegend unterschiedlichen Marktsegmenten tätig wären ... Es ist unwahrscheinlich, dass MSS ATC direkt mit terrestrischem CMRS um denselben Kundenstamm konkurriert ... ". Im Jahr 2004 stellte die FCC klar, dass die bodengebundenen Türme ergänzend sein würden, und stellte fest, dass "wir MSS ATC unter Bedingungen genehmigen werden, die sicherstellen, dass die hinzugefügte terrestrische Komponente dem Hauptangebot von MSS untergeordnet bleibt. Wir beabsichtigen dies nicht und werden dies auch nicht tun." erlauben, dass die terrestrische Komponente zu einem eigenständigen Dienst wird. " Im Juli 2010 gab die FCC bekannt, dass LightSquared ihre Befugnisse nutzen werde, um einen integrierten satellitengestützten terrestrischen Dienst anzubieten, um "mobile Breitbanddienste bereitzustellen, die denen von terrestrischen Mobilfunkanbietern ähneln, und den Wettbewerb im mobilen Breitbandsektor zu verbessern". Hersteller von GPS-Empfängern haben argumentiert, dass das lizenzierte Spektrum von LightSquared von 1525 bis 1559 MHz niemals für drahtloses Hochgeschwindigkeitsbreitband vorgesehen war, basierend auf den FCC-ATC-Bestimmungen von 2003 und 2004, aus denen hervorgeht, dass es sich tatsächlich um die ATC (Ancillary Tower Component) handelt , zusätzlich zur primären Satellitenkomponente. Der GPS-Empfängerhersteller Trimble Navigation Ltd. gründete die "Coalition To Save Our GPS", um die öffentliche Unterstützung für die Bemühungen zur Fortsetzung der FCC-Zulassung der LightSquared-Zusatzkomponente von LightSquared im Jahr 2004 gegenüber einem einfachen bodengestützten LTE-Dienst im Bereich Mobile Satellite Service aufzubauen .

Die FCC und LightSquared haben sich jeweils öffentlich verpflichtet, das Problem der GPS-Interferenz zu lösen, bevor das Netzwerk betrieben werden darf. Laut Chris Dancy von der Aircraft Owners and Pilots Association können Airline-Piloten mit der Art von Systemen, die betroffen wären, "vom Kurs abweichen und es nicht einmal realisieren". Die Probleme könnten sich auch auf das Upgrade der Federal Aviation Administration auf das Flugsicherungssystem , die Leitlinien des US-Verteidigungsministeriums und die örtlichen Rettungsdienste einschließlich 911 auswirken .

Am 14. Februar 2012 hat die FCC das geplante nationale Breitbandnetz von LightSquared gesperrt, nachdem sie von der Nationalen Telekommunikations- und Informationsverwaltung (NTIA), der Bundesbehörde, die die Frequenznutzung für das Militär und andere Stellen der Bundesregierung koordiniert , darüber informiert wurde , dass "es gibt" Derzeit gibt es keine praktische Möglichkeit, mögliche Störungen zu mindern. " LightSquared fordert die Aktion der FCC heraus.

Andere Systeme

Orbitgrößenvergleich von GPS- , GLONASS- , Galileo- , BeiDou-2- und Iridium- Konstellationen, der Internationalen Raumstation , dem Hubble-Weltraumteleskop und der geostationären Umlaufbahn (und ihrer Friedhofsumlaufbahn ) mit den Van Allen-Strahlungsgürteln und der Erde im Maßstab.
Die Umlaufbahn des Mondes ist etwa neunmal so groß wie die geostationäre Umlaufbahn. (Bewegen Sie den Mauszeiger in
der SVG-Datei über eine Umlaufbahn oder deren Beschriftung, um sie hervorzuheben. Klicken Sie, um den Artikel zu laden.)

Andere bemerkenswerte Satellitennavigationssysteme, die verwendet werden, oder verschiedene Entwicklungsstufen umfassen:

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterführende Literatur

Externe Links