Система глобального позиционирования/GPS

Система глобального позиционирования/GPS, первоначально NAVSTAR GPS, — спутниковая радионавигационная система, принадлежащая правительству Соединенных Штатов, под управлением ВВС Соединенных Штатов. 

Это глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), которая предоставляет геолокационную и информацию о времени GPS-приемнику в любом месте на Земле и вблизи нее, там где есть беспрепятственная видимость для четырех или более спутников GPS. Препятствия, такие как горы и здания, блокируют относительно слабые сигналы GPS.

GPS не требует от пользователя передачи каких-либо данных и работает независимо от любого телефонного или интернет-сигнала, эти данные могут повысить полезность информации о местоположении GPS. GPS обеспечивает критически важные возможности геолокации для военных, гражданских и коммерческих пользователей по всему миру. Правительство Соединенных Штатов создало и поддерживает систему. Она находится в свободном доступе для всех, у кого есть приемник GPS.

Министерством обороны США развернуло проект GPS в 1973 году. Роджера Истона, Ивана Геттинга и Брэдфорда Парксона считают создателями GPS. Конструкция GPS частично основана на аналогичных наземных радионавигационных системах, таких как LORAN и Decca Navigator, разработанных в начале 1940-х годов.

Первый опытный космический аппарат был запущен в 1978 году, а группа из 24 спутников начала функционировать в 1993 году. Первоначально систему использовали только вооруженные силы Соединенных Штатов, гражданское использование было разрешено с 1980-х годов. В 1983 году, после того, как рейс Boeing 747 корейских авиалиний, перевозивший 269 человек, был сбит из-за входа в запрещенное воздушное пространство над СССР, в районе Сахалина и Монеронских островов, президент Рональд Рейган издал директиву, сделав GPS доступной для гражданского использования.

Первый спутник блока II был запущен 14 февраля 1989 года, а 24-й спутник был запущен в 1994 году. Стоимость программы GPS на данный момент, не включая стоимость пользовательского оборудования, но включая затраты на запуски спутников, оценивается в 5 миллиардов долларов США (тогда-годовые доллары).

Вице-президента Альберт Гор в 1998 году объявил о модернизации системы, что привело к внедрению следующего поколения спутников GPS Block IIIA и системы оперативного управления следующего поколения (OCX). В 2000 году Конгресс США санкционировал модернизацию GPS III. В 1990-х годах качество GPS было ухудшено правительством Соединенных Штатов в рамках программы под названием "выборочная доступность"; программа завершилась в мае 2000 года с подписанием закона об этом президентом Биллом Клинтоном.

В 1955 году Фридвардт Винтерберг предложил тест согласно общей теории относительности. Он предположил, что на спутниках произойдет расхождение по времени с Землей. Из-за гравитационного поля время замедляется. Тогда на спутник отправили точные атомные часы. выяснилось, что ни спешат на 38 микросекунд, что даёт ошибку в координатах на 10 километров в день (6 миль в день). Эта особенность была учтена в  разработке GRS. 

Службу GPS предоставляет правительство Соединенных Штатов, которое может ухудшить обслуживание или даже выборочно отказать в доступе, как это произошло с индийскими военными в 1999 году во время войны в Каргиле. Из-за этого другие страны уже разработали или еще работают над созданием своих глобальных или региональных спутниковых навигационных систем. 

Российская глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) была разработана одновременно с GPS, но охватывала земной шар не полностью до середины 2000-х годов. ГЛОНАСС можно добавить к устройствам GPS, спутники становятся доступнее, быстрее и точнее фиксируют местонахождения. 

Китайская навигационная спутниковая система BeiDou заработала в 2018 году, выход на полную мощность запланирован на 2020 год. 

Также есть система позиционирования Galileo Европейского Союза и NAVIC в Индии. Японская квази-зенитная спутниковая система (QZSS) — это спутниковая система усиления GPS для повышения точности GPS в Азии и Океании, причем спутниковая навигация не зависит от GPS, запуск запланирован на 2023 год.

Когда выборочная доступность была отменена в 2000 году, GPS определял местоположение с точностью около пяти метров (16 футов). Последний этап повышения точности использует диапазон L5 и полностью работает. GPS-приемники, выпущенные в 2018 году, с диапазоном L5, будут точнее и смогут определять местоположение с точностью до 30 сантиметров или 11,8 дюйма.

Предшественники

Спутник-1

Когда Советский Союз запустил первый искусственный спутник (Спутник-1) в 1957 году, два американских физика, Уильям Гюйер и Джордж Вайффенбах, в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (APL) решили контролировать его радиопередачи.Через несколько часов они поняли, что благодаря эффекту Доплера они могут точно определить, где спутник находится на своей орбите. Директор APL дал им доступ UNIVAC, чтобы произвести необходимые расчеты.

TRANSIT

В начале следующего года Фрэнк Макклюр, заместитель директора APL, попросил Гюйера и Вайффенбаха исследовать обратную задачу: определить местоположение пользователя, учитывая местоположение спутника. (в то время флот разрабатывал ракету Polaris, запущенную с подводной лодки, которая требовала, точного представления о местоположении подводной лодки.) Это привело Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (ARPA, в настоящее время DARPA) к развитию системы TRANSIT.

TRANSIT впервые успешно испытали в 1960 году. Он использовал связку из пяти спутников и мог обеспечить навигационную фиксацию примерно один раз в час.

Timation

В 1967 году ВМС США разработали спутник Timation, который доказал возможность размещения точных часов в космосе, технология, необходимая для GPS.

OMEGA

В 1970-х годах наземная навигационная система OMEGA, основанная на фазовом сравнении передачи сигналов от пар станций, стала первой в мире радионавигационной системой. Ограничения этих систем требовали более универсального навигационного решения с большей точностью.

Хотя военный и гражданский секторы нуждаются в точной навигации, ни одна из их потребностей не может оправдать затраты в миллиарды долларов, которые требуются на исследования, разработку, развертывание и эксплуатацию группы навигационных спутников. Во время гонки вооружений в холодную войну ядерная угроза существованию Соединенных Штатов была единственной потребностью по мнению Конгресса Соединенных Штатов, которая оправдывала эти расходы. Это стало причиной финансирования GPS.

MOSAIC

В 1960 году ВВС предложили радионавигационную систему MOSAIC, которая по сути была сходна с 3-D LORAN. Последующее исследование было проведено в 1963 году, и именно в этом исследовании родилась концепция GPS. В том же году концепция была реализована как проект 621B, который имел многие из атрибутов, которые мы сейчас видим в GPS и обещал повышенную точность для бомбардировщиков ВВС.

SECOR

Еще один важный предшественник GPS пришел из другой ветви вооруженных сил Соединенных Штатов. В 1964 году армия Соединенных Штатов вывела на орбиту свой первый спутник последовательной сортировки дальности (SECOR), используемый для геодезической съемки. Cистема SECOR включала в себя три наземных передатчика в определенных местах, которые будут посылать сигналы на спутниковый ретранслятор на орбите. Четвертая наземная станция, находящаяся в неопределенном положении, могла бы затем использовать эти сигналы для точного определения своего местоположения. Последний спутник SECOR был запущен в 1969 году.

Хронология

•  1972 год: Центральный испытательный центр инерциального наведения ВВС США (Holloman AFB) провел опытно-конструкторские летные испытания четырех GPS-приемников в конфигурации Y на ракетном полигоне Уайт-Сэндс с использованием наземных псевдоспутников.

• 1978 год: был запущен первый экспериментальный GPS-спутник Block-I.

• 1983 год: после того, как советский самолет-перехватчик сбил гражданский авиалайнер корейских авиалиний, который пересек запрещенное воздушное пространство из-за навигационных ошибок, убив всех 269 человек на борту, президент США Рональд Рейган объявил, что GPS будет доступен для гражданских целей, как только он будет завершен

• 1985 год: было запущено еще десять экспериментальных спутников Block-I.

• 1988 год: начиная с этого года, командование и управление спутниками было перемещено из Onizuka AFS, штат Калифорния, во 2-ю эскадрилью спутникового управления (2SCS), расположенную на станции Falcon Air Force в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо.

• 14 февраля 1989 года: был запущен первый современный спутник Block-II.

• с 1990 по 1991 год: война в Персидском заливе была первым конфликтом, в котором военные широко использовали GPS.

• 1991 год: проект по созданию миниатюрного GPS-приемника успешно завершился, заменив предыдущие весом в 16 кг (35 фунтов) на 1,25 кг (2,8 фунта).

• 1992 год: 2-е космическое крыло, которое первоначально управляло системой, было деактивировано и заменено 50-м космическим крылом.

• декабрь 1993 года: GPS достигла первоначального оперативного потенциала (IOC), имея полную сеть (24 спутника), доступную и обеспечивающую стандартную службу позиционирования (SPS).

• апрель 1995 года: Полный оперативный потенциал (FOC) был объявлен Космическим командованием ВВС (AFSPC), что означало полную доступность военной службы безопасного точного позиционирования (PPS).

• 1996 год: признавая важность GPS для гражданских военных пользователей, президент США Билл Клинтон объявил GPS системой двойного назначения и создал межведомственный исполнительный совет GPS для управления ею в качестве национального актива.

• 1998 год: вице-президент Соединенных Штатов Альберт Гор объявил о планах модернизации GPS с помощью двух новых гражданских сигналов для повышения точности и надежности работы, особенно в отношении авиационной безопасности, а в 2000 году Конгресс Соединенных Штатов санкционировал эти намерения, назвав их GPS III.

• 2 мая 2000 года: выборочная доступность была прекращена в результате исполнительного указа 1996 года, позволив гражданским пользователям получать сигнал по всему миру без искусственных ухудшений.

• 2004 год: правительство Соединенных Штатов подписало соглашение с Европейским Сообществом и системой Galileo о сотрудничестве в области GPS.

• 2004 год: президент Соединенных Штатов Джордж У. Буш заменил исполнительный совет Национальным Исполнительным Комитетом по космическому позиционированию, навигации и хронометражу.

• ноябрь 2004 года: компания Qualcomm объявила об успешном тестировании GPS для мобильных телефонов.

• 2005 год: запущен первый модернизированный спутник GPS, который начал передавать второй гражданский сигнал (L2C) для повышения производительности.

• 14 сентября 2007 года: устаревшая система управления наземными сегментами на базе мэйнфреймов была переведена на новый план развития архитектуры.

• 19 мая 2009 года: Управление подотчетности правительства Соединенных Штатов опубликовало отчет, предупреждающий о том, что некоторые спутники GPS могут выйти из строя уже в 2010 году.

• 21 мая 2009 года: космическое командование ВВС развеяло опасения по поводу сбоя GPS, заявив: "Есть небольшой риск превышения стандарта производительности."

• 11 января 2010 года: обновление наземных систем управления вызвало несовместимость программного обеспечения с 8000 - 10 000 военных приемников, изготовленных подразделением Trimble Navigation Limited из Саннивейла, Калифорния.

• 25 февраля 2010 года: ВВС США заключили контракт на разработку системы оперативного управления GPS следующего поколения (OCX) для повышения точности и доступности навигационных сигналов GPS.

10 февраля 1993 года Национальная ассоциация воздухоплавания выбрала команду, разработавшую GPS, обладателем кубка Роберта Джи. Коллиера, самой престижной в США авиационной награды. Команда состоит из исследователей военно-морской исследовательской лаборатории, ВВС США, аэрокосмической корпорации, Rockwell International Corporation и IBM Federal Systems Company. Как сказано дословно: «за самый значительный вклад в развитие в области безопасной и эффективной навигации и наблюдения за воздушными и космическими аппаратами с момента изобретения радионавигации 50 лет назад».

Два разработчика GPS в 2003 году получили премию Национальной инженерной академии Чарльза Старка Дрейпера:

1. Иван Геттинг, почетный президент аэрокосмической корпорации и инженер Массачусетского технологического института, создал основу для GPS, улучшив наземную радиосистему Второй мировой войны под названием LORAN.

2. Брэдфорд Паркинсон, профессор аэронавтики и астронавтики Стэнфордского университета, задумал нынешнюю спутниковую систему в начале 1960-х годов и разработал ее совместно с ВВС США. Паркинсон прослужил двадцать один год в ВВС, с 1957 по 1978 год, и вышел в отставку в звании полковника.

Разработчик GPS Роджер Истон получил Национальную медаль технологии 13 февраля 2006 года.

2 марта 2010 года Фрэнсис Х. Кейн (полковник ВВС США, в отставке) увековечен в Зале славы космических и ракетных пионеров ВВС США на авиабазе Лаклэнд, Сан-Антонио, Техас, за роль в развитии космической техники и инженерной концепции проектирования GPS, проведенной в рамках проекта 621B.

В 1998 году технология GPS помещена в Зал славы космической техники космического Фонда.

4 октября 2011 года Международная Астронавтическая Федерация (МАФ) вручила системе глобальной позиционирования (GPS) награду в честь своего 60-летия. Комитет по наградам МАФ признал уникальность программы GPS и роль, которую она сыграла в международном сотрудничестве на благо человечества.

Глэдис Уэст увековечена в Зале славы космических и ракетных пионеров ВВС в 2018 году за признание ее вычислений, которые привели к прорыву в технологии GPS.

12 февраля 2019 года четыре основателя проекта были награждены премией королевы Елизаветы за инженерное дело. Председатель наградной комиссии заявил: «Инженерия — это основа цивилизации; нет никакого другой основы; она заставляет вещи происходить. И это именно то, что сделали сегодняшние лауреаты — они сделали так, чтобы все произошло. Они в значительной степени переписали инфраструктуру нашего мира».

Концепция GPS основана на времени и известном положении специализированных спутников GPS. На спутнике находятся стабильные атомные часы, которые синхронизированы друг с другом и наземными часами. Любое отклонение от времени, поддерживаемого на земле, корректируется ежедневно. Также местоположение спутников известно с высокой точностью. У GPS-приемников также есть часы, но они менее стабильны и точны.

Каждый спутник GPS непрерывно передает радиосигнал, содержащий текущее время и данные о своем местоположении. Поскольку скорость радиоволн постоянна и не зависит от скорости спутника, временная задержка между моментом передачи сигнала спутником и моментом его приема приемником пропорциональна расстоянию от спутника до приемника. Приемник GPS контролирует несколько спутников и решает уравнения для определения точного положения приемника и его отклонения от истинного времени. Как минимум четыре спутника должны находиться в поле зрения приемника, чтобы он мог вычислить четыре неизвестные величины (три координаты положения и отклонение часов от спутникового времени).

Каждый спутник GPS непрерывно передает сигнал (волну с модуляцией), который включает в себя:

• Псевдослучайную двоичную последовательность, которая известна получателю. При совмещении по времени версии кода, сгенерированной приемником и версии кода, полученной приемником, время прибытия (TOA) определенной точки в последовательности кода, называемой эпохой, можно найти в шкале времени приемника.

• Сообщение, которое включает в себя время передачи (TOT) кодовой эпохи (в масштабе времени GPS) и положение спутника в это время

Приемник измеряет TOA (по собственным часам) четырех спутниковых сигналов. От TOA и TOT приемник формирует четыре значения времени полета (TOF), которые (учитывая скорость света) приблизительно эквивалентны диапазонам спутника-приемника. Затем приемник вычисляет свое трехмерное положение и тактовое отклонение от четырех TOF.

На практике положение приемника (в трехмерных декартовых координатах с началом координат в центре Земли) и смещение часов приемника относительно времени GPS вычисляются одновременно, используя навигационные уравнения для обработки TOF.

Местоположение приемника, центрированного на Землю, обычно преобразуется в широту, долготу и высоту относительно эллипсоидной формы Земли. Затем высота может быть дополнительно преобразована в высоту относительно геоида, которая является высотой уровня моря. Эти координаты могут отображаться, например, на дисплее, записываться или использоваться какой-либо другой системой, например системой навигации транспортного средства.

Геометрия спутника-пользователя

Хотя обычно она не формируются в процессе получения сигнала приемником, временные различия прибытия (TDOAs) определяют геометрию измерения. Каждый TDOA соответствует гиперболоиду вращения. Линия, соединяющая два задействованных спутника, образует ось гиперболоида. Приемник расположен в точке пересечения трех гиперболоидов.

Ошибочно считается, что пользователь находится на пересечении трех сфер. Хоть это и проще визуализировать, но такое положение имеет место только в том случае, если у приемника часы, синхронизированные со спутниковыми часами (т. е. приемник измеряет истинные диапазоны для спутников, а не различия в диапазонах). Существуют заметные преимущества производительности для пользователя, у которого часы, синхронизированы со спутниками. Прежде всего, для вычисления позиции требуется всего три спутника. Если бы важной частью концепции GPS было то, что у всех пользователей синхронизированные часы, можно было бы использовать меньшее число спутников, но стоимость и сложность пользовательского оборудования возросли бы.

Приемник в непрерывном режиме работы

Приведенное выше описание относится к фазе запуска приемника. Большинство приемников имеют алгоритм отслеживания, его называют трекером, который объединяет наборы спутниковых измерений, собранных в разное время, используя тот факт, что последовательные позиции приемника обычно близки друг к другу. После обработки набора измерений трекер прогнозирует местоположение приемника, соответствующее следующему набору спутниковых измерений. Когда новые измерения собраны, приемник использует схему взвешивания для объединения новых измерений с предположением трекера. В общем, трекер может (а) улучшить точность положения и времени, (б) отклонить плохие измерения и (в) оценить скорость и направление приемника.

Недостатком трекера является то, что изменения скорости или направления можно вычислить только с задержкой. Полученное направление становится неточным, когда расстояние, пройденное между двумя измерениями положения, уменьшается ниже или около значения случайной погрешности измерения положения. GPS-устройства могут использовать измерения доплеровского сдвига полученных сигналов для точного вычисления скорости. Более продвинутые навигационные системы используют дополнительные датчики, такие как компас или инерциальная навигационная система для дополнения GPS.

Кроме навигации

GPS нужны четыре или более спутников для точной навигации. Решение навигационных уравнений показывает положение приемника наряду с разницей во времени на бортовых часах приемника и истинным временем суток, снимая необходимость в более точных и менее практичных часах у приемника. Применение GPS, например: передача времени, синхронизация сигнала светофора и синхронизация базовых станций сотового телефона, используют это дешевое и точное время. 

Хотя для нормальной работы требуется четыре спутника, в особых случаях достаточно меньшее число спутников. Если одна переменная уже известна, приемник может определить свое положение, используя только три спутника. Например: мы знаем высоту, на которой находится корабль или самолет. Некоторые GPS-приемники используют дополнительные данные или расчеты, например: повторное использование последней известной высоты, счисление координат, инерциальная навигация или получение информации с компьютера транспортного средства, чтобы дать (возможно, не такое точное) положение, когда менее четырех спутников в зоне покрытия.

Структура

Сегодня GPS состоит из трех основных сегментов: космический, управления и пользовательский. ВВС США развивают, поддерживают и эксплуатируют космический и контролирующий сегменты. Спутники GPS передают сигналы из космоса, и каждый приемник GPS использует эти сигналы для вычисления своего трехмерного местоположения (широта, долгота и высота) и текущего времени.

Космический сегмент

Космический сегмент (SS) состоит из 24-32 спутников или космических аппаратов (SV) на средней околоземной орбите, а также адаптеров полезной нагрузки к ускорителям, необходимых для запуска на орбиту. Конструкция GPS первоначально требовала 24 SV, по 8 на 3 приблизительно круговых орбитах, но орбитальные плоскости сократили до 6 с 4 спутниками на каждой. 6 плоскостей орбиты имеют наклон приблизительно 55° (наклон относительно экватора Земли) и разделены прямым восхождением узла орбиты на 60° (угол вдоль экватора от точки отсчета до пересечения орбиты).Орбитальный период составляет половину звездного дня, т. е. 11 часов 58 минут, так что спутники проходят через одни и те же места или почти одни и те же каждый день. Орбиты расположены так, что по крайней мере шесть спутников всегда находятся в пределах прямой видимости отовсюду на поверхности Земли. В результате 4 спутника не находятся на равном расстоянии (90°) друг от друга в пределах каждой орбиты. В общем случае угловая разница между спутниками на каждой орбите составляет 30°, 105°, 120° и 105° друг от друга, что в сумме составляет 360°.

Вращаясь на высоте приблизительно 20 200 км( 12 600 миль); орбитальный радиус приблизительно 26 600 км (16 500 миль), каждый SV совершает два полных витка каждый звездный день, повторяя один и тот же наземный след каждый день. Для военных операций, повторение наземного следа можно использовать для обеспечения хорошего охвата в зонах боевых действий.

По состоянию на февраль 2019 года в составе GPS имеется 31 спутник, 27 из которых используются в данный момент времени, а остальные выделены в качестве резервных. 32-й был запущен в 2018 году. По состоянию на июль 2019 года его всё еще проверяют. Еще больше списанных спутников находятся на орбите и доступны для запасных частей. Дополнительные спутники улучшают точность расчетов приемника GPS, обеспечивая избыточные измерения. С увеличением числа спутников, их группировка была изменена на неоднородное расположение. Такая схема позволяет повысить точность, надежность и доступность системы по сравнению с единой системой, когда несколько спутников выходят из строя. При расширенном количестве 9 спутников обычно видны из любой точки на земле в любой момент времени, обеспечивая значительную избыточность по сравнению с минимальными 4 спутниками, необходимыми для определения позиции.

Сегмент управления

Сегмент управления (CS) состоит из:

1. центр управления (MCS),

2. альтернативный центр управления,

3. четыре наземные антенны, и

4. шесть специализированных станций мониторинга.

MCS может получить доступ к наземным антеннам спутниковой сети управления ВВС США (AFSCN) и станциям мониторинга NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Траектории полета спутников отслеживают специально выделеннык США Станции мониторинга ВВС на Гавайях, Атолле Кваджалейн, Острове Вознесения, Диего-Гарсии, Колорадо-Спрингс, Колорадо и мысе Канаверал; общие станции мониторинга NGA работали в Англии, Аргентине, Эквадоре, Бахрейне, Австралии и Вашингтоне, округ Колумбия. Информация об отслеживании направляется в космическое командование ВВС MCS на базе ВВС Шрайвер в 25 км (16 милях) от Колорадо-Спрингс, которая управляется 2-й эскадрильей космических операций (2 SOPS) ВВС США. Затем 2 SOPS регулярно связываются с каждым спутником GPS для навигационного обновления, используя выделенные или общие наземные антенны (AFSCN) (GPS-выделенные наземные антенны расположены в Кваджалейне, острове Вознесения, Диего-Гарсии и мысе Канаверал). Эти обновления синхронизируют атомные часы на борту спутников с точностью до нескольких наносекунд друг от друга и корректируют эфемериды внутренней орбитальной модели каждого спутника. Обновления создаются фильтром Калмана, который использует входящие данные от наземных станций мониторинга, информацию о космической погоде и различные другие.

Маневры спутников не проходят по стандартам GPS — поэтому для изменения орбиты спутника, он отмечается недоступным, преемники его не используют. После маневра спутника инженеры отслеживают новую орбиту с земли, загружают новые эфемериды и снова отмечают спутник доступным.

Сегмент управления операцией (OCS) управляет записью. Он обеспечивает работу GPS и её доступность пользователям.

OCS успешно заменил устаревший универсальный компьютер 1970-х годов на базе Шрайвера в сентябре 2007 года. После установки система включила обновления и обеспечила основу для новой архитектуры безопасности, которую поддерживали вооруженные силы США.

OCS останется наземной системой управления записью до тех пор, пока новый сегмент, система управления работой GPS следующего поколения (OCX), не будет полностью разработана и функциональна. Новые возможности, предоставляемые OCX, станут краеугольным камнем для кардинальных изменений возможностей GPS, что позволит космическому командованию ВВС значительно улучшить оперативные услуги GPS для боевых сил США, гражданских партнеров и множества внутренних и международных пользователей. Программа GPS OCX также позволит снизить стоимость, график и технический риск. Она обеспечит 50% экономии затрат на поддержку за счет эффективной архитектуры программного обеспечения и логистики на основе производительности. Кроме того, ожидается, что GPS OCX будет стоить на миллионы меньше, чем стоимость обновления OCS, обеспечивая при этом в четыре раза больше возможностей.

Программа GPS OCX представляет собой важную часть модернизации GPS и обеспечивает значительные улучшения информационной безопасности по сравнению с текущей программой GPS OCS.

• OCX будет контролировать и управлять устаревшими спутниками GPS, а также спутниками следующего поколения GPS III, обеспечивая при этом полный спектр военных сигналов.

• У нее гибкая архитектура, которая может быстро адаптироваться к изменяющимся потребностям нынешних и будущих пользователей GPS, обеспечивая мгновенный доступ к данным GPS, безопасную, точную и надежную информацию.

• Обеспечивает военные силы специального назначения  более безопасной, действенной и полезной для прогнозирования информацией.

• Включает новые модернизированные сигналы (L1C, L2C, и L5) и M-код, которые недоступен старой системе.

• Обеспечивает значительные улучшения информационной безопасности по сравнению с текущей программой, включая обнаружение и предотвращение кибератак, а также изоляцию, сдерживание и функционирование во время таких атак.

• Поддержка больших объемов команд и возможностей управления в режиме, близком к реальному времени.

14 сентября 2011 года ВВС США объявили о завершении предварительного рассмотрения проекта GPS OCX и подтвердили, что программа OCX готова к следующему этапу разработки.

Программа GPS OCX перенесла запуск на 2021 году, на 5 лет позже первоначального срока. По данным правительственной бухгалтерии, даже этот новый срок выглядит сомнительно.

Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент (США) состоит из сотен тысяч американских и союзных военных пользователей службы безопасного точного позиционирования GPS и десятков миллионов гражданских, коммерческих и научных пользователей стандартной службы позиционирования. В целом, приемники GPS состоят из антенны, настроенной на частоты, передаваемые спутниками, приемников-процессоров и высокостабильных часов (часто кварцевого генератора). У них может быть дисплей для предоставления пользователю информации о местоположении и скорости. Приемник часто описывается количеством каналов: это означает: сколько спутников он может контролировать одновременно. Первоначально ограниченная четырьмя или пятью, она постепенно увеличивалась в течение многих лет, так что, начиная с 2007 года, приемники обычно имеют от 12 до 20 каналов.

Приемники GPS могут включать в себя вход для дифференциальных поправок, используя формат RTCM SC-104. Обычно это порт RS-232 на скорости 4,800 bit/s.

Многие GPS-приемники могут передавать данные о местоположении на ПК или другое устройство с помощью протокола NMEA 0183. Этот протокол официально предоставлен Национальной ассоциацией морской электроники (NMEA), ссылки на него свободно представлена в открытых источниках, что позволяет инструментам с открытым исходным кодом, таким как gpsd, читать протокол без нарушения законов об интеллектуальной собственности. Существуют также другие протоколы, например: SiRF и MTK. Приемники могут взаимодействовать с другими устройствами с помощью методов, включая последовательное соединение, USB или Bluetooth.

Передача сигнала

Навигационные сигналы, передаваемые спутниками GPS, кодируют различную информацию, включая координаты спутников, состояние внутренних часов и состояние сети. Эти сигналы передаются на двух отдельных частотах, которые являются общими для всех спутников в сети. Используются две различные кодировки: публичная кодировка, которая обеспечивает навигацию с более низким разрешением, и зашифрованная кодировка, используемая военными США.

Формат сообщений

Каждый спутник GPS непрерывно передает навигационное сообщение на частотах L1 (C/A и P/Y) и L2 (P/Y) со скоростью 50 бит в секунду. Каждое полное сообщение занимает 750 секунд (12 1/2 минуы). Структура сообщения имеет базовый формат 1500-битного кадра, состоящего из пяти подкадров, каждый из которых имеет длину 300 бит (6 секунд). Подкадры 4 и 5 субкоммутируются 25 раз каждый, так что полное сообщение данных требует передачи 25 полных кадров. Каждый подкадр состоит из десяти слов, каждое длиной 30 бит. Таким образом, при 300 битах в подкадре, умноженном на 5 подкадров в кадре, умноженном на 25 кадров в сообщении, каждое сообщение имеет длину 37 500 бит. При скорости передачи 50 бит/с это дает 750 секунд для передачи всего сообщения. Каждый 30-секундный кадр начинается точно в минуту или полминуты, как указано атомными часами на каждом спутнике.

Первый подкадр каждого кадра кодирует номер недели и время в течение недели, а также данные о состоянии спутника. Второй и третий подкадры содержат эфемериду — точную орбиту для спутника. Четвертый и пятый подкадры содержат альманах информации, содержащий приблизительные данные об орбите и состоянии до 32 спутников в системе спутников, а также данные, связанные с исправлением ошибок. Таким образом, чтобы получить точное местоположение спутника из этого переданного сообщения, приемник должен демодулировать сообщение от каждого принятого в расчеты спутника в течение 18-30 секунд. Чтобы собрать все переданные альманахи, получатель должен демодулировать сообщение в течение 732-750 секунд или 12 1/2 минуты.

Все спутники вещают на одних и тех же частотах, кодируя сигналы с использованием уникального кодового разделения множественного доступа (CDMA), чтобы приемники могли отличать отдельные спутники друг от друга. Система использует два различных типа кодирования CDMA: грубый код/сбор данных (C/A), который доступен широкой публике, и точный код (P(Y)), который зашифрован так, что только военные США и другие страны НАТО, которым был предоставлен доступ к коду шифрования, могут получить доступ к нему.

Эфемерида обновляется каждые 2 часа и действует в течение 4 часов, с запросом на обновления каждые 6 часов или дольше в иных условиях. Альманах обновляется каждые 24 часа. Кроме того, данные в течение нескольких следующих недель загружаются в случае обновлений передачи, которые задерживают загрузку данных.

Спутниковые частоты

Сигналы: L1 и L2

Все спутники вещают на тех же двух частотах, 1.57542 ГГц (сигнал L1) и 1.2276 ГГц (сигнал L2). Спутниковая сеть использует метод CDMA spread-spectrum, где данные сообщений с низким битрейтом кодируются с помощью высокочастотной псевдослучайной последовательности (PRN), которая отличается для каждого спутника. Приемник должен знать коды PRN для каждого спутника, чтобы восстановить фактические данные сообщения. Код C/A для гражданского использования передает данные со скоростью 1,023 миллиона микросхем в секунду, в то время как код P для военного использования США передает данные со скоростью 10,23 миллиона микросхем в секунду. Фактическая внутренняя привязка спутников составляет 10.22999999543 МГц для компенсации релятивистских эффектов, которые заставляют наблюдателей на Земле воспринимать другую временную привязку по отношению к передатчикам на орбите. Сигнал L1 модулируется как кодами C/A, так и P, в то время как несущая L2 модулируется только кодом P. Код P может быть зашифрован как код P(Y), который доступен только для военной техники с соответствующим ключом дешифрования. Коды C/A и P(Y) передают пользователю точное время суток.

Сигнал L3 на частоте 1.38105 ГГц используется для передачи данных со спутников на наземные станции. Эти данные используются системой обнаружения ядерной детонации (NUDET) США (USNDS) для обнаружения и сообщения о ядерных детонациях (NUDETs) в атмосфере Земли и ближнем космосе. Одним из видов применения является обеспечение соблюдения договоров о запрете ядерных испытаний.

Сигнал L4 на частоте 1.379913 ГГц отправляется для дополнительной ионосферной коррекции.

Сигнал L5 на частоте 1.17645 ГГц был добавлена в процессе модернизации GPS. Эта частота попадает в международный защищенный диапазон для аэронавигации, предполагая малое количество или вовсе отсутствие помех при любых обстоятельствах. Первый блок спутника IIF, который обеспечивает этот сигнал, был запущен в мае 2010 года. 5 февраля 2016 года был запущен 12-й и последний блок спутника IIF. L5 состоит из двух компонентов, которые находятся в квадратуре фазы друг с другом. Каждый компонент является двухфазным ключом сдвига (BPSK), модулируемым отдельной битовой последовательностью.

Демодуляция и декодирование

Поскольку все спутниковые сигналы модулируются на одну и ту же частоту L1, сигналы должны быть разделены после демодуляции. Это делается путем присвоения каждому спутнику уникальной двоичной последовательности, известной как «коды Голда». Сигналы декодируются после демодуляции с использованием добавления «кодов Голда», соответствующих спутникам, контролируемым приемником.

Если информация альманаха была получена ранее, приемник выбирает спутники для использования по их PRNs, уникальным номерам в диапазоне от 1 до 32. Если информация альманаха отсутствует в памяти, приемник переходит в режим поиска, пока не будет получена связь на одном из спутников. Чтобы получить связь, необходимо, чтобы была беспрепятственная линия визирования от приемника до спутника. Затем приемник может получить альманах и определить спутники, с которыми он должен связаться. Поскольку он обнаруживает сигнал каждого спутника, он идентифицирует его по своему отличному кодовому шаблону C/A. Может случиться задержка до 30 секунд до первой оценки положения из-за необходимости считывания данных эфемериды.

Обработка навигационного сообщения позволяет определить время передачи и положение спутника.

Первоначально военный проект, GPS считается технологией двойного назначения: он также используется в гражданских целях.

GPS стал широко распространенным и полезным инструментом для торговли, научного использования, отслеживания и наблюдения. Точное время GPS облегчает повседневную деятельность: банковские операции, операции с мобильными телефонами и даже контроль электрических сетей.

Гражданское использование

Многие гражданские приложения используют один или несколько из трех основных компонентов GPS: абсолютное местоположение, относительное перемещение и перенос времени.

• Астрономия: данные позиционной и тактовой синхронизации используются в астрометрии и небесной механике. GPS также используется как в любительской астрономии с небольшими телескопами, так и в профессиональных обсерваториях для поиска новых планет.

• Автоматизированные транспортные средства: определение местоположения и маршрутов для легковых и грузовых автомобилей, чтобы перемещаться без водителя.

• Картография: как гражданские, так и военные картографы широко используют GPS.

• Сотовая телефония: синхронизация часов обеспечивает передачу времени, что критически важно для синхронизации передаваемых кодов распределения с другими базовыми станциями для облегчения передачи данных между сотовыми устройствами и поддержки гибридного определения положения GPS/сотовой связи для мобильных экстренных вызовов и других приложений. Первые телефоны со встроенной системой GPS появились в конце 1990-х годов. Федеральная комиссия по связи США (FCC) в 2002 г. предписала использовать эту функцию как в телефонах, так и в вышках (для использования в триангуляции), чтобы службы экстренной помощи могли находить абонентов, вызывающих 911. Позже сторонние разработчики программного обеспечения получили доступ к API-интерфейсам GPS от Nextel, а затем Sprint в 2006 году и Verizon.

• Синхронизация часов: точность сигналов времени GPS (±10 НС) уступает только атомным часам, на которых они основаны, и используется в таких приложениях, как GPS-генераторы.

• Помощь в случае стихийных бедствий/аварийных ситуаций: многие аварийные службы зависят от GPS для определения местоположения и координации действий.

• Радиозонды и гидрозонды, оснащенные GPS: измерение и расчет атмосферного давления, скорости и направления ветра на расстоянии до 27 км от поверхности Земли.

• Радиозатменные измерения для метеорологических и атмосферных исследований.

• Спутниковый мониторинг транспорта: используется для идентификации, определения местоположения и обмена информацией с одним или несколькими транспортными средствами в режиме реального времени.

• Геозоны: системы слежения за транспортными средствами, людьми и животными используют GPS для определения местоположения устройств, которые прикреплены к человеку, транспортному средству или животному. Приложения могут обеспечить непрерывное отслеживание и отправлять уведомления, если объект покидает назначенную (или огороженную) область.

• Геотегирование: применяет координаты местоположения к цифровым объектам, таким как фотографии (в данных Exif) и другим документам, например, для наложения карт на устройствах, таких как Nikon GP-1

• GPS отслеживание самолетов

• GPS для добычи полезных ископаемых: использование GPS значительно улучшило некоторые работы по добыче полезных ископаемых, например бурение, лопатная обработка, отслеживание транспортных средств и геосъемка. GPS обеспечивает точность положения до сантиметров.

• Интеллектуальный анализ данных GPS: можно собирать данные GPS от нескольких пользователей, чтобы понять закономерности движения, общие траектории и интересные места.

• GPS-туры: местоположение определяет, какой контент отображать; например, информацию о приближении к точке интереса.

• Навигация: навигаторы оценивают цифровые измерения скорости и положения.

• Векторные измерения: GPS обеспечивает высокоточное измерение времени в системе питания, позволяя вычислять вектор.

• Отдых: например, геокэшинг, геодэщинг, GPS-рисование, отметки направлений и другие виды игр на основе местоположения.

• Робототехника: самонаводящиеся, автономные роботы с использованием GPS-датчиков, которые вычисляют широту, долготу,время, скорость и курс.

• Спорт: используется в футболе и регби для контроля и анализа тренировочной нагрузки.

• Геодезия: геодезисты используют абсолютные местоположения для составления карт и определения границ собственности.

• Тектоника: GPS обеспечивает прямое измерение движения разломов землетрясений. GPS может быть использован для измерения движения и деформации земной коры, чтобы измерить нарастание сейсмической деформации для создания карт сейсмической опасности.

• Телематика: технология GPS, интегрированная с компьютерами и технологией мобильной связи в автомобильных навигационных системах.

Ограничения на гражданское использование

Правительство США контролирует экспорт некоторых гражданских приемников. Все GPS-приемники, способные функционировать на высоте свыше 60 000 футов (18 км) над уровнем моря и 1000 КН (500 м/с; 2000 км/ч; 1000 миль в час), предназначенные или модифицированные для использования с беспилотными ракетами и самолетами, классифицируются как оружие, им требуются экспортные лицензии Государственного департамента.

Это правило применяется и к другим гражданским единицам, которые получают частоту L1 и код C/A.

Эти ограничения применяются только к устройствам или компонентам, экспортируемым из Соединенных Штатов.

Военное применение

По состоянию на 2009 год, военные приложения GPS включают в себя:

• Навигацию: солдаты используют GPS для поиска целей, в темноте или на незнакомой территории, а также для координации движения войск и снабжения. В Вооруженных силах Соединенных Штатов командиры используют цифровой помощник командира, а нижние чины-цифровой помощник солдата.

• Отслеживание целей: различные военные системы вооружения используют GPS для отслеживания потенциальных наземных и воздушных целей, прежде чем помечать их как враждебные. Эти оружейные системы передают координаты цели высокоточным боеприпасам, чтобы точнее поражать цели. Военные самолеты, особенно типа «воздух-земля», используют GPS для поиска целей.

• Наведение ракет и снарядов: GPS позволяет точно нацеливать различные виды военного оружия, включая межконтинентальные баллистические и крылатые ракеты, высокоточные боеприпасы и артиллерийские снаряды. Встроенные GPS-приемники, способные выдерживать ускорение 12 000 g или около 118 км/с (260 000 миль / с), были разработаны для использования в 155-миллиметровых (6,1 дюйма) гаубичных снарядах.

• Поисково-спасательные работы.

• Разведка: более тщательное управление патрульным движением.

• Спутники GPS имеют набор детекторов ядерной детонации, состоящий из оптического датчика, называемого «бхангметр», рентгеновского датчика, дозиметра и датчика электромагнитного импульса, которые образуют основную часть системы обнаружения ядерной детонации Соединенных Штатов. Генерал Уильям Шелтон заявил, что будущие спутники могут отказаться от этой функции, чтобы сэкономить деньги.

Навигация типа GPS была впервые использована в войне 1991 года в Персидском заливе, прежде чем GPS был полностью готов к 1995 году, чтобы помочь коалиционным силам ориентироваться и выполнять боевые маневры. ВО время военных действий обнаружилась уязвимость GPS к глушению, когда иракские силы установили устройства глушения на вероятных целях, которые испускали радиошум, нарушая прием слабого сигнала GPS.

Уязвимость GPS к помехам — это угроза, которая продолжает расти по мере роста оборудования для помех и опыта его использования. Сигналы GPS за эти годы глушились в военных целях множество раз. У России есть несколько причин глушить сигнал: запугивание соседей, подрыв доверия к американским военным, продвижение альтернативной системы ГЛОНАСС, срыв западных военных учений и защита от беспилотников. Китай использует помехи, чтобы препятствовать американским самолетам наблюдать вблизи спорных островов Спратли. Северная Корея провела несколько крупных операций по созданию помех вблизи своей границы с Южной Кореей и на шельфе, мешая полетам, судоходству и рыболовству.