Astronomie

Proč při pozorování ze Země oblouky satelitů náhle končí

Proč při pozorování ze Země oblouky satelitů náhle končí


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Nedávno jsem dostal aplikaci, která mi umožnila sledovat ISS. Všiml jsem si, že během doby, kdy je to vidět, zmizí před dosáhl obzoru a někdy se krátce poté na chvíli znovu objevil.

Může mi někdo vysvětlit, jak obíhá ISS a další satelity? Konkrétně, čím je jejich viditelné období tak úzké, že sahá až k obzoru? (což můj laický mozek očekával)


Protože satelity jsou viditelné, pouze když jsou na slunci, nejsou viditelné, když přecházejí do stínu Země. Aplikace s největší pravděpodobností předpovídá, kde k tomu dojde, a končí oblouk.

Jinými slovy, nemá smysl, aby pozorovatel hledal satelit, když není viditelný, takže není nutné kreslit cestu, když je ve stínu.


Jak se používají satelity k pozorování oceánu?

Geostacionární operační environmentální satelit-16 (GOES-16) je první z nové generace geostacionárních meteorologických satelitů NOAA. Mezi mnoha misemi tohoto satelitu bude shromažďovat údaje o oceánu a podnebí.

Družice jsou úžasné nástroje pro pozorování Země a velkého modrého oceánu, který pokrývá více než 70 procent naší planety. Dálkovým snímáním ze svých oběžných drah vysoko nad Zemí nám satelity poskytují mnohem více informací, než by bylo možné získat pouze z povrchu.

Výzkumníci NOAA pomocí satelitů pozorně studují oceán. Informace shromážděné satelity nám mohou říci o oceánské batymetrii, teplotě povrchu moře, barvě oceánu, korálových útesech a mořském a jezerním ledu. Vědci také používají systémy sběru dat na satelitech k přenosu signálů z vysílačů na zemi vědcům v terénu a využívaným v aplikacích, jako je měření přílivových výšek a migrace velryb. Vysílače na satelitech také přenášejí informace o poloze z nouzových majáků, aby pomohly zachránit životy, když jsou lidé v nouzi na lodích, letadlech nebo v odlehlých oblastech. Zde je jen několik z mnoha způsobů, jak nám satelity pomáhají dozvědět se více o našem oceánu:


Proč astronomie?

Účelem VLA, VLBA a NRAO je provádět základní výzkum podstaty vesmíru, ve kterém žijeme. Tento výzkum se snaží odpovědět na některé z největších otázek, které si můžeme položit, například na to, jak vesmír začal (nebo začal), jak velký je, jak starý je a jak skončí (nebo skončí)? Vzhledem k tomu, že věda, která poskytuje rámcové znalosti o tom, kde my a planeta, na které žijeme, zapadá do prostředí vesmíru, je astronomie důležitou součástí kultury celého lidstva. Osoba zbavená širokých obrysů astronomických znalostí je stejně kulturně postižená jako osoba, která nikdy nebyla vystavena historii, literatuře, hudbě nebo umění. Když astronomové sdělují nové objevy o vesmíru, obohacují intelektuální životy milionů.

Od úsvitu civilizace poskytla astronomie důležité odrazové můstky pro lidský pokrok. Náš kalendář a systém měření času pocházel z astronomie. Velká část dnešní matematiky je výsledkem astronomického výzkumu. Trigonometrii vynalezl Hipparchos, řecký astronom. Přijetí logaritmů bylo způsobeno potřebami astronomických výpočtů. Kalkul, základ veškeré moderní vědy a techniky, vynalezl Sir Issac Newton pro astronomické výpočty. Astronomie poskytla navigační techniky, které námořníkům a letcům umožnily prozkoumat naši planetu (a dnes umožňují kosmickým lodím prozkoumat naši sluneční soustavu). Chuť astronomie po výpočetní síle řídila vývoj mnoha prvních elektronických počítačů. Vesmírný věk, který nám přinesl komunikační a meteorologické satelity, na nichž jsme každý den závislí, by byl nemožný bez základních znalostí gravitace a oběžných drah objevených astronomy. Radioastronomové vedli vývoj nízkošumových rádiových přijímačů, které umožnily odvětví satelitní komunikace. Techniky zpracování obrazu vyvinuté astronomy jsou nyní součástí lékařských zobrazovacích systémů, které umožňují neinvazivní vyšetření vnitřních orgánů pacientů. Na dnešních observatořích stále více podporují potřeby astronomů pro lepší přístroje vývoj v tak rozmanitých oborech, jako je elektronika, strojírenství a informatika.

Astronomie musí ještě hodně přispět k lidskému poznání a pokroku. Od letounu po tranzistor, od rádia po lasery byl vývoj dvacátého století založen na základních znalostech fyziky hmoty a energie. Astronomie nabízí vědcům ze široké škály prostředí s téměř nekonečnou paletou kosmických „laboratoří“ pro pozorování fyzikálních jevů. Je nepravděpodobné, že by nějaká laboratoř na Zemi někdy vyprodukovala hmotu tak hustou jako má neutronová hvězda, teploty tak vysoké jako teploty uvnitř supernovy nebo gravitace tak silná jako v černé díře. Astronomové přesto mohou rutinně studovat fyziku takových extrémních podmínek pomocí nástrojů, jako jsou VLA a VLBA. Blíže k domovu je VLBA primárním nástrojem poskytujícím cenné údaje o driftu kontinentů Země a mechanismech globálního klimatu.

Co to přinese? Povahou základního výzkumu je, že nemůžeme předvídat, co z této práce vzejde, kromě toho, že budeme pravděpodobně překvapeni. Když Kepler a Newton pracovali na vývoji vědy o orbitální mechanice, nemysleli na meteorologické satelity nebo CNN.

A konečně, astronomie vykonává pro náš národ důležitou vzdělávací službu. Jako vzrušující vizuální věda snadno dostupná amatérským pozorovatelům astronomie každoročně vzbuzuje vědeckou zvědavost v tisících mladých lidí. Tito mladí lidé brzy zjistí, že astronomie zahrnuje téměř celou škálu přírodních věd, včetně matematiky, fyziky, chemie, geologie, strojírenství a informatiky. Mnoho profesionálních vědců v těchto a dalších oborech se nejprve začalo zajímat o svou profesi prostřednictvím astronomie. Na dnešním světovém trhu potřebuje konkurenceschopný národ pro celou populaci, nejen pro své vědce, základní úroveň vědecké gramotnosti. Astronomie tím, že poskytuje vzrušení z nových poznatků o fascinující rozmanitosti podivných objektů ve vesmíru, může pomoci sdělit všem našim lidem mnoho základních věd.

Stručně řečeno, astronomie byla základním kamenem technologického pokroku v celé historii, má hodně přispět do budoucna a nabízí všem lidem základní smysl pro naše místo v nepředstavitelně obrovském a vzrušujícím vesmíru.


IDA reaguje na megastavy satelitů

Zleva doprava: Jeffrey C. Hall (Lowell Observatory), Patrick Seitzer (University of Michigan), Ruskin Hartley (IDA), Harvey Liszt (National Radio Astronomy Observatory) a Rick Fienberg na tiskové konferenci pro & # 8220 Astronomy Confronts Satellite Constellations & # 8221, panelová diskuse na 235. zasedání Americké astronomické společnosti.

Mega souhvězdí, známá také jako družicová souhvězdí na nízké oběžné dráze („LEO“), jsou sítě propojených satelitů, které obíhají kolem Země v nadmořských výškách 2 000 km nebo méně a jsou určeny k poskytování globálních telekomunikačních služeb. Jas a frekvence objektů způsobily znepokojení mezi astronomickou komunitou a širokou veřejností. ( Přečtěte si více o IDA a megaconstellations z našeho předchozího příspěvku, Proč Megokonstellation záleží na komunitě Dark Sky?)

Ruskin Hartley, výkonný ředitel IDA, reagoval na problém megakonstelace v lednu na 235. zasedání Americké astronomické společnosti, kde se připojil ke členům profesionální astronomické komunity k panelové diskusi o výzvách astronomie ze satelitů. Hartley sdílel obavy IDA z dopadu megakonstelace na pozorovatele hvězd a širokou veřejnost.

IDA čtyři principy zachovat tichý požitek z noční oblohy a chránit širokou veřejnost před dopady megakonstelace:

1) Zachovaný jas pod prahovou hodnotu pro detekci pouhým okem.
2) Viditelnost neobvyklý výskyt.
3) Průmysl průhlednost jako spuštění plánů a orbitálních parametrů.
4) Odvětvový závazek vůči sdílené správcovství hvězdné noční oblohy.

(Přečtěte si více o IDA a megaconstellations na Opatrovník , a ProfoundSpace.org .)

K Ruskinovi se při panelové diskusi připojili Jeffrey C. Hall z Lowell Observatory, Harvey Liszt z National Radio Astronomy Observatory a Patrick Seitzer, emeritní profesor astronomického výzkumu a expert na vesmírné úlomky z University of Michigan. Na setkání Seitzer oznámil alarmující výsledky svého nedávného úsilí v oblasti satelitního modelování. Podle Seitzera je asi 200 objektů, které v současné době obíhají kolem Země, viditelné pouhým okem. Do konce roku 2020 společnost Starlink tento počet zvýšila o 1586, což je devítinásobný nárůst. Družice Starlink mohly být jasnější než devadesát devět procent všech objektů, které se aktuálně nacházejí na oběžné dráze Země. Družice jsou nejjasnější, pokud jsou plně osvětleny Sluncem, což se děje za soumraku a může se vyskytovat také v noci, v závislosti na poloze a ročním období.

Během konference SpaceX uznal obavy a zopakoval svůj závazek najít cestu vpřed, která nebrání astronomickému výzkumu, a rozšířit veřejný pohled na noční oblohu.

Tisková konference předcházející panelové diskusi je k dispozici online. Sledujte a dozvíte se více!

Komunita temné oblohy reaguje

Nedávno jsme se vás, komunity temné oblohy, zeptali na vaše myšlenky na satelitní megakonstelace. IDA obdržela odpovědi od manažerů International Dark Sky Place, kteří strávili nespočet hodin a prostředků na ochranu noční oblohy, kapitol IDA a obhájců, kteří pracují na vzdělávání svých komunit o důležitosti vyhledávání, astrofotografů, kteří zůstávají vzhůru celou noc, aby zachytili a sdíleli krásu z nebes, amatérští astronomové, kteří se investují do studia vesmíru, a profesionální astronomové, kteří se živí studiem toho, co je mimo zemskou atmosféru.

"[Astronomie] je # 8230a posvátné právo ... právo narození, stejně jako jedna z původních humanitních věd." V nedávné době bylo přinejmenším možné uniknout světelnému znečištění cestou na silnici.

Teprve teď, když se ukážeš na ten dlouho hledaný pohled na nebesa, je to mimo tvou opravu. “ - James Cormier

Devadesát pět procent těch, kteří odpověděli, uvedlo, že jsou znepokojeni dopady megakonstelace. Paul Clark z Velké Británie pracuje v rámci své komunity na dosažení označení International Dark Sky Place. Zeptal se: „Jak budou budoucí generace prožívat a chápat své místo ve vesmíru?“

Vidíte z vašeho místa megakonstellaci Starlink?

Sledujte satelity SpaceX pomocí nástroje SpaceX Starlink Tracker a dejte nám vědět, co vidíte. Zašlete e-mail na adresu [email protected] s vaší polohou, datem a časem pozorování, sledovaným objektem a odhadovanou velikostí objektu. Pokud jste astro-fotograf a máte snímky satelitů, uveďte prosím snímky do svého e-mailu.

Další informace o megaconstellations najdete v našem příspěvku na blogu z 27. prosince 2019, “ Proč na komunitu temné oblohy záleží na megokonstelacích.


Sledujte a uvidíte

Analytici také mohou problémový satelit ponechat svým vlastním zařízením. Zdá se, že tomu tak je v případě satelitu z doby sovětské Cosmos 1818. Kosmos 1818, který byl zahájen v roce 1987 bývalým Sovětským svazem, byl první ze dvou satelitů, které testovaly využití pokročilých jaderných elektráren ve vesmíru.

Ale tento měsíc vydal úřad Orbital Debris Program Office NASA čtvrtletní aktualizaci, která uvádí, že Cosmos 1818 chrlil 4. července 2008 mrak trosek, které mohly být výsledkem úniku chladicí kapaliny z úderu nebo fragmentace úlomků.

Podle čtvrteční zprávy Associated Press, Ruský šéf vesmírných sil generál Alexander Jakušin potvrdil roztříštěnost Kosmu 1818, ale zdůraznil, že pro jeho záměrně vysokou oběžnou dráhu nepředstavuje žádné riziko poškození Mezinárodní vesmírné stanice nebo deště úlomků kontaminovaných radiací na Zemi. Družice se rozpadá na oběžné dráze 500 mil (800 km) nad Zemí - značně nad rovinou vesmírné stanice 220 mil (354 km) - a její stav je denně sledován, Associated Press hlášeno.

Zatímco se zdá, že je Kosmos 1818 pod kontrolou, to samé nelze říci o Kosmu 954, radarovém průzkumném satelitu oceánu (RORSAT), který se vymknul kontrole pod kontrolu v roce 1978. Družice znovu vstoupila do zemské atmosféry a šířila radioaktivní trosky po částech Kanady.


Obsah

Projekt GPS byl zahájen ve Spojených státech v roce 1973 s cílem překonat omezení dřívějších navigačních systémů [15] a integrovat myšlenky několika předchůdců, včetně studií klasifikovaného inženýrského designu ze 60. let. Americké ministerstvo obrany vyvinulo systém, který původně používal 24 satelitů. Původně byl vyvinut pro použití armádou Spojených států a plně funkční byl v roce 1995. Civilní použití bylo povoleno od 80. let. Jeho vynalezením je Roger L. Easton z Naval Research Laboratory, Ivan A. Getting z The Aerospace Corporation a Bradford Parkinson z Applied Physics Laboratory. [16] Práce Gladys West je považována za pomocnou ve vývoji výpočetních technik pro detekci pozic satelitů s přesností potřebnou pro GPS. [17]

Konstrukce GPS je částečně založena na podobných pozemních radionavigačních systémech, jako jsou LORAN a Decca Navigator, vyvinutých na počátku 40. let.

V roce 1955 navrhl Friedwardt Winterberg test obecné relativity - detekce zpomalení času v silném gravitačním poli pomocí přesných atomových hodin umístěných na oběžné dráze uvnitř umělých satelitů. Speciální a obecná relativita předpovídá, že hodiny na satelitech GPS budou pozorovateli Země vidět tak, aby běžely o 38 mikrosekund rychleji za den než hodiny na Zemi. Vypočítané polohy GPS by se rychle dostaly do omylu a akumulovaly by se na 10 kilometrech za den (6 mi / d). To bylo opraveno v návrhu GPS. [18]

Předchůdci Upravit

Když Sovětský svaz vypustil v roce 1957 první umělou družici (Sputnik 1), rozhodli se dva americké fyzici, William Guier a George Weiffenbach, z Laboratoře aplikované fyziky (APL) Univerzity Johna Hopkinse sledovat jeho rádiové přenosy. [19] Během několika hodin si uvědomili, že díky Dopplerovu jevu mohli přesně určit, kde se satelit nachází na své oběžné dráze. Ředitel APL jim umožnil přístup k jejich UNIVAC, aby mohli provádět náročné výpočty.

Začátkem příštího roku Frank McClure, zástupce ředitele APL, požádal Guiera a Weiffenbacha, aby prozkoumali inverzní problém - přesně určili polohu uživatele vzhledem k satelitu. (V té době námořnictvo vyvíjelo raketu Polaris odpalovanou z ponorky, což vyžadovalo, aby znali polohu ponorky.) To je vedlo a APL k vývoji systému TRANSIT. [20] V roce 1959 hrála ve filmu TRANSIT roli také ARPA (přejmenovaná na DARPA v roce 1972). [21] [22] [23]

TRANSIT byl poprvé úspěšně otestován v roce 1960. [24] Používal konstelaci pěti satelitů a mohl poskytnout navigační opravu přibližně jednou za hodinu.

V roce 1967 americké námořnictvo vyvinulo družici Timation, která prokázala proveditelnost umístění přesných hodin do vesmíru, což je technologie vyžadovaná pro GPS.

V 70. letech se pozemní navigační systém OMEGA, založený na fázovém srovnání přenosu signálu z dvojic stanic, [25] stal prvním celosvětovým radionavigačním systémem. Omezení těchto systémů vyvolaly potřebu univerzálnějšího navigačního řešení s vyšší přesností.

Ačkoli ve vojenském a civilním sektoru existovala široká potřeba přesné navigace, téměř žádný z nich nebyl považován za ospravedlnění miliard dolarů, které by to stálo za výzkum, vývoj, nasazení a provoz souhvězdí navigačních satelitů. Během závodů ve zbrojení za studené války byla jaderná hrozba pro existenci Spojených států jedinou potřebou, která z pohledu Kongresu Spojených států tyto náklady ospravedlnila. Tento odstrašující účinek je důvodem, proč byla GPS financována. To je také důvod ultra-utajení v té době. Jadernou triádu tvořily ponorkové odpalovací balistické střely amerického námořnictva (SLBM) spolu se strategickými bombardéry letectva Spojených států (USAF) a mezikontinentálními balistickými raketami (ICBM). Přesné určení polohy startu SLBM, považované za zásadní pro pozici jaderného zastrašování, bylo multiplikátorem sil.

Přesná navigace by americkým ponorkám s balistickými raketami umožnila získat přesnou polohu svých pozic před vypuštěním svých SLBM. [26] USAF, který měl dvě třetiny jaderné triády, měl rovněž požadavky na přesnější a spolehlivější navigační systém. Americké námořnictvo a americké letectvo paralelně vyvíjely vlastní technologie, aby vyřešily v podstatě stejný problém.

Aby se zvýšila schopnost přežití ICBM, byl předložen návrh použít mobilní odpalovací platformy (srovnatelné se sovětskými SS-24 a SS-25), a tak potřeba opravit startovací pozici měla podobnost se situací SLBM.

V roce 1960 letectvo navrhlo radionavigační systém s názvem MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control), který byl v podstatě 3D LORAN. Následná studie, Projekt 57, byla zpracována v roce 1963 a právě v této studii se zrodil koncept GPS. Téhož roku byl koncept realizován jako Projekt 621B, který měl „mnoho atributů, které nyní vidíte v GPS“ [27] a sliboval zvýšenou přesnost u bombardérů letectva i ICBM.

Aktualizace ze systému Navy TRANSIT byly příliš vysoké na vysokou rychlost provozu letectva. Naval Research Laboratory (NRL) pokračovala v pokroku se svými družicemi Timation (Time Navigation), poprvé vypuštěnými v roce 1967, druhým vypuštěným v roce 1969, přičemž třetí v roce 1974 nesl první atomové hodiny na oběžnou dráhu a čtvrtý vypuštěný v roce 1977. [28 ]

Další důležitý předchůdce GPS pocházel z jiné větve armády Spojených států. V roce 1964 obíhala armáda Spojených států svůj první satelit SECOR (Sequential Collation of Range) používaný pro geodetické zaměřování. [29] Systém SECOR zahrnoval tři pozemní vysílače na známých místech, které vysílaly signály do satelitního odpovídače na oběžné dráze. Čtvrtá pozemní stanice v neurčené poloze pak mohla pomocí těchto signálů přesně zafixovat svou polohu.Poslední satelit SECOR byl vypuštěn v roce 1969. [30]

Vývoj Upravit

S tímto paralelním vývojem v 60. letech bylo zjištěno, že nadřazený systém lze vyvinout syntézou nejlepších technologií od 621B, Transit, Timation a SECOR v programu s více službami. Museli být vyřešeny chyby družicové orbitální polohy, vyvolané mimo jiné změnami v gravitačním poli a lomem radaru. Tým vedený Haroldem L Jury z divize Pan Am Aerospace na Floridě v letech 1970–1973 k tomu použil asimilaci dat v reálném čase a rekurzivní odhad, čímž snížil systematické a zbytkové chyby na zvládnutelnou úroveň, aby umožnil přesnou navigaci. [31]

Během víkendu Labor Day v roce 1973 se na setkání asi dvanácti vojenských důstojníků v Pentagonu diskutovalo o vytvoření Obranný navigační satelitní systém (DNSS). Právě na tomto setkání byla vytvořena skutečná syntéza, která se stala GPS. Později téhož roku byl pojmenován program DNSS Navstar. [32] Navstar je často mylně považován za zkratku pro „NAVigation System Using Timing and Ranging“, ale nikdy za ni nebyla považována Úřadem společného programu GPS (TRW se možná kdysi zasazovala o jiný navigační systém, který tuto zkratku používal). [33] Vzhledem k tomu, že jednotlivé satelity jsou spojovány s názvem Navstar (stejně jako u předchůdců Transit and Timation), bylo k identifikaci souhvězdí satelitů Navstar použito úplnější jméno. Navstar-GPS. [34] Deset prototypů satelitů „bloku I“ bylo vypuštěno v letech 1978 až 1985 (další jednotka byla zničena při selhání startu). [35]

Vliv ionosféry na rádiový přenos byl zkoumán v geofyzikální laboratoři Air Force Cambridge Research Laboratory, přejmenované na Air Force Geophysical Research Lab (AFGRL) v roce 1974. AFGRL vyvinula Klobucharův model pro výpočet ionosférických korekcí polohy GPS. [36] Za zmínku stojí práce australské vesmírné vědkyně Elizabeth Essex-Cohenové z AFGRL v roce 1974. Zabývala se zakřivením drah rádiových vln (atmosférická lom) procházejících ionosférou ze satelitů NavSTAR. [37]

Poté, co byl v roce 1983 sestřelen letoun Boeing 747 společnosti Korean Air Lines s 269 osobami v roce 1983 poté, co zabloudil do zakázaného vzdušného prostoru SSSR [38] v blízkosti Sachalinských a Moneronských ostrovů, vydal prezident Ronald Reagan směrnici, která GPS zdarma zpřístupňuje pro civilní použití, jakmile bylo dostatečně rozvinuto, jako společné dobro. [39] První satelit Block II byl vypuštěn 14. února 1989 [40] a 24. satelit byl vypuštěn v roce 1994. Náklady na program GPS v tomto okamžiku nezahrnují náklady na uživatelské vybavení, ale zahrnují náklady na vypuštění satelitu se odhaduje na 5 miliard USD (tehdejší rok dolarů). [41]

Zpočátku byl signál nejvyšší kvality vyhrazen pro vojenské použití a signál dostupný pro civilní použití byl záměrně degradován, a to v rámci politiky známé jako selektivní dostupnost. To se změnilo, když prezident Bill Clinton podepsal 1. května 2000 politickou směrnici o vypnutí selektivní dostupnosti, aby poskytoval stejnou přesnost civilistům, jakou měla armáda. Směrnice byla navržena americkým ministrem obrany Williamem Perrym s ohledem na rozsáhlý růst diferenciálních služeb GPS soukromým průmyslem s cílem zlepšit přesnost civilního obyvatelstva. Americká armáda navíc aktivně vyvíjela technologie, které odepře službu GPS potenciálním protivníkům na regionálním základě. [42]

Od svého zavedení zavedly USA několik vylepšení služby GPS, včetně nových signálů pro civilní použití a zvýšené přesnosti a integrity pro všechny uživatele, při zachování kompatibility se stávajícím zařízením GPS. Modernizace satelitního systému byla trvalou iniciativou amerického ministerstva obrany prostřednictvím řady akvizic satelitů, aby uspokojily rostoucí potřeby armády, civilistů a komerčního trhu.

Počátkem roku 2015 poskytovaly vysoce kvalitní přijímače GPS Standard Positioning Service (SPS) s kvalitou FAA horizontální přesnost lepší než 3,5 metru [43], ačkoli tuto přesnost může ovlivnit mnoho faktorů, jako je kvalita přijímače a atmosférické problémy. .

GPS je vlastněno a provozováno vládou Spojených států jako národní zdroj. Ministerstvo obrany je správcem GPS. The Interagency GPS Executive Board (IGEB) dohlížel na záležitosti politiky GPS v letech 1996 až 2004. Poté byl prezidentskou směrnicí v roce 2004 zřízen Národní výkonný výbor pro určování polohy, navigaci a načasování na základě vesmíru, který má poskytovat rady a koordinaci federálním ministerstvům a agenturám v záležitostech týkajících se GPS a souvisejících systémů. [44] Výkonnému výboru předsedají společně náměstci ministra obrany a dopravy. Mezi její členy patří úředníci na stejné úrovni z ministerstev zahraničí, obchodu a vnitřní bezpečnosti, náčelníků štábů a NASA. Složky výkonné kanceláře prezidenta se účastní jako pozorovatelé výkonného výboru a předseda FCC jako prostředník.

Americké ministerstvo obrany je ze zákona povinno „udržovat standardní poziční službu (jak je definována ve federálním radionavigačním plánu a specifikaci signálu standardní poziční služby), která bude k dispozici nepřetržitě po celém světě,“ a „rozvíjet opatření zabránit nepřátelskému používání GPS a jeho rozšiřování bez zbytečného narušení nebo ponižování civilního použití. “

Časová osa a modernizace Upravit

Souhrn satelitů [45] [46] [47]
Blok Zahájení
doba
Spouští se satelit Aktuálně na oběžné dráze
a zdravé
Suc-
cess
Selhat-
ure
V přípravě
aration
Plán-
ned
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 8
IIR-M 2005–2009 8 0 0 0 7
IIF 2010–2016 12 0 0 0 12
IIIA 2018– 5 0 5 0 5
IIIF 0 0 0 22 0
Celkový 75 2 5 22 32
(Poslední aktualizace: 17. června 2021)

USA-203 z bloku IIR-M je nezdravý
[48] ​​Podrobnější seznam viz Seznam satelitů GPS

  • V roce 1972 provedlo USAF Central Inertial Guidance Test Facility (Holloman AFB) vývojové letové testy čtyř prototypů GPS přijímačů v konfiguraci Y přes raketový střel White Sands pomocí pozemních pseudo-satelitů. [49]
  • V roce 1978 byl vypuštěn první experimentální satelit GPS Block-I. [35]
  • V roce 1983, poté, co sovětské stíhací letadlo sestřelilo civilní dopravní letadlo KAL 007, které zablokovalo do zakázaného vzdušného prostoru kvůli navigačním chybám a zabilo všech 269 lidí na palubě, americký prezident Ronald Reagan oznámil, že GPS bude k dispozici pro civilní použití, jakmile bude dokončeno, [50] [51] ačkoli to bylo dříve publikováno [v časopise Navigation], a že kód CA (hrubý / akviziční kód) bude k dispozici civilním uživatelům. [Citace je zapotřebí]
  • Do roku 1985 bylo vypuštěno dalších deset experimentálních satelitů Block-I k ověření koncepce.
  • Počínaje rokem 1988 bylo velení a řízení těchto satelitů přesunuto z Onizuka AFS v Kalifornii do 2. družicové kontrolní eskadry (2SCS) umístěné na stanici leteckých sil Falcon v Colorado Springs v Coloradu. [52] [53]
  • 14. února 1989 byl vypuštěn první moderní satelit Block-II.
  • Válka v Perském zálivu v letech 1990 až 1991 byl prvním konfliktem, ve kterém armáda široce využívala GPS. [54]
  • V roce 1991 úspěšně skončil projekt na vytvoření miniaturního přijímače GPS, který nahradil předchozí vojenské přijímače 16 kg (35 lb) ručním přijímačem 1,25 kg (2,8 lb). [22]
  • V roce 1992 bylo deaktivováno 2. vesmírné křídlo, které původně systém spravovalo, a bylo nahrazeno 50. vesmírným křídlem.

Ocenění Upravit

10. února 1993 vybrala Národní letecká asociace tým GPS jako vítěze 1992 Robert J. Collier Trophy, nejprestižnější americké letecké ceny. Tento tým kombinuje výzkumníky z Naval Research Laboratory, USAF, Aerospace Corporation, Rockwell International Corporation a IBM Federal Systems Company. Citace je ctí „za nejvýznamnější vývoj pro bezpečnou a efektivní navigaci a sledování letadel a kosmických lodí od zavedení radionavigace před 50 lety“.

    , emeritní prezident Aerospace Corporation a inženýr MIT, vytvořil základnu pro GPS a vylepšil pozemní rádiový systém LORAN z druhé světové války (hlerozsah ng RAdio Aid to Nletectví). , profesor letectví a astronautiky na Stanfordské univerzitě, koncipoval současný satelitní systém na počátku 60. let a vyvinul jej ve spolupráci s americkým letectvem. Parkinson sloužil jednadvacet let ve vzdušných silách, od roku 1957 do roku 1978, a odešel do důchodu v hodnosti plukovníka.

Vývojář GPS Roger L. Easton obdržel Národní medaili za technologii 13. února 2006. [65]

Francis X. Kane (plk. USAF, v.) Byl uveden do síně slávy amerických vzdušných sil a průkopníků raket v Lackland AFB, San Antonio, Texas, 2. března 2010 za svou roli ve vývoji vesmírných technologií a konstrukčním designu koncept GPS prováděný v rámci projektu 621B.

Dne 4. října 2011 udělila Mezinárodní astronautická federace (IAF) 60. výroční cenu Global Positioning System (GPS), kterou nominoval člen IAF, Americký institut pro letectví a astronautiku (AIAA). Výbor pro vyznamenání a ceny IAF uznal jedinečnost programu GPS a příkladnou roli, kterou hrál při budování mezinárodní spolupráce ve prospěch lidstva. [67]

Gladys West byla v roce 2018 uvedena do síně slávy průkopníků vzdušných sil a raketových střel za uznání její výpočetní práce, která vedla k průlomům v technologii GPS. [68]

12. února 2019 byli čtyři zakládající členové projektu oceněni Cenou královny Alžběty za strojírenství s předsedou komise pro udělení ceny „Inženýrství je základem civilizace, neexistuje žádný jiný základ, díky němuž se věci stávají. A to je přesně to, co dnešní Laureáti to udělali - uskutečnili věci. Hlavním způsobem přepsali infrastrukturu našeho světa. “ [69]

Základy Upravit

Přijímač GPS vypočítává svou vlastní polohu a čas na základě dat přijatých z více satelitů GPS. Každý satelit nese přesný záznam své polohy a času a přenáší tato data do přijímače.

Družice nesou velmi stabilní atomové hodiny, které jsou synchronizovány navzájem as pozemskými hodinami. Jakýkoli posun od času udržovaného na zemi se denně opravuje. Stejným způsobem jsou známá satelitní umístění s velkou přesností. Přijímače GPS mají také hodiny, ale jsou méně stabilní a méně přesné.

Protože rychlost rádiových vln je konstantní a nezávislá na rychlosti satelitu, časové zpoždění mezi okamžikem, kdy satelit vysílá signál a přijímačem je přijímáno, je úměrné vzdálenosti od satelitu k přijímači. Aby mohl přijímač vypočítat čtyři neznámé veličiny (tři souřadnice polohy a odchylka hodin od času satelitu), musí být z pohledu přijímače minimálně čtyři satelity.

Podrobnější popis Upravit

Každý satelit GPS nepřetržitě vysílá signál (nosná vlna s modulací), který zahrnuje:

  • Pseudonáhodný kód (sekvence jedniček a nul), který je příjemci známý. Časovým sladěním verze generované přijímačem a verzí kódu měřeného přijímačem lze čas příjezdu (TOA) definovaného bodu v sekvenci kódu, nazývaného epocha, najít v časové stupnici hodin přijímače
  • Zpráva, která zahrnuje čas přenosu (TOT) epochy kódu (v časové stupnici GPS) a polohu satelitu v té době

Koncepčně přijímač měří TOA (podle vlastních hodin) čtyř satelitních signálů. Z TOA a TOTs tvoří přijímač čtyři hodnoty času letu (TOF), které jsou (vzhledem k rychlosti světla) přibližně ekvivalentní dosahům satelitu přijímače plus časový rozdíl mezi přijímačem a satelity GPS vynásobený rychlostí světla, které se nazývají pseudo-rozsahy. Přijímač poté vypočítá svou trojrozměrnou polohu a odchylku hodin od čtyř TOF.

V praxi se poloha přijímače (v trojrozměrných kartézských souřadnicích s počátkem ve středu Země) a posunutí hodin přijímače vzhledem k času GPS počítají současně pomocí navigačních rovnic ke zpracování TOF.

Umístění řešení zaměřeného na Zemi přijímače se obvykle převede na zeměpisnou šířku, délku a výšku vzhledem k elipsoidnímu modelu Země. Výška pak může být dále převedena na výšku vzhledem ke geoidu, což je v podstatě střední hladina moře. Tyto souřadnice mohou být zobrazeny, například na displeji pohyblivé mapy, nebo zaznamenány nebo použity nějakým jiným systémem, například vodicím systémem vozidla.

Uživatelská satelitní geometrie Upravit

Ačkoli se obvykle ve zpracování přijímače netvoří výslovně, koncepční časové rozdíly příjezdu (TDOA) definují geometrii měření. Každý TDOA odpovídá hyperboloidu revoluce (viz Multilateration). Čára spojující dva zapojené satelity (a její rozšíření) tvoří osu hyperboloidu. Přijímač je umístěn v bodě, kde se protínají tři hyperboloidy. [70] [71]

Někdy se nesprávně říká, že umístění uživatele je na křižovatce tří koulí. I když je to jednodušší vizualizovat, je tomu tak pouze v případě, že přijímač má hodiny synchronizované se satelitními hodinami (tj. Přijímač měří skutečné vzdálenosti k satelitům, spíše než rozdíly v dosahu). Uživatel nesoucí hodiny synchronizované se satelity má výrazné výhody. Nejdůležitější je, že k výpočtu řešení polohy jsou potřeba pouze tři satelity. Pokud by to byla nezbytná součást koncepce GPS, kterou by všichni uživatelé potřebovali k přenášení synchronizovaných hodin, mohl by být nasazen menší počet satelitů, ale náklady a složitost uživatelského vybavení by se zvýšily.

Přijímač v nepřetržitém provozu Upravit

Výše uvedený popis je reprezentativní pro situaci spuštění přijímače. Většina přijímačů má sledovací algoritmus, někdy nazývaný a stopař, který kombinuje sady satelitních měření shromážděných v různých časech - ve skutečnosti využívá skutečnosti, že po sobě jdoucí polohy přijímače jsou obvykle blízko sebe. Po zpracování sady měření tracker předpovídá umístění přijímače odpovídající další sadě satelitních měření. Když jsou sbírána nová měření, přijímač používá váhové schéma ke kombinaci nových měření s predikcí trackeru. Obecně může tracker (a) zlepšit polohu a přesnost přijímače, (b) odmítnout špatná měření a (c) odhadnout rychlost a směr přijímače.

Nevýhodou sledovače je, že změny rychlosti nebo směru lze vypočítat pouze se zpožděním a že odvozený směr se stane nepřesným, když vzdálenost uražená mezi dvěma měřeními polohy klesne pod nebo blízko náhodné chyby měření polohy. Jednotky GPS mohou použít měření Dopplerova posunu přijatých signálů k přesnému výpočtu rychlosti. [72] Pokročilejší navigační systémy používají k doplnění GPS další senzory, jako je kompas nebo inerciální navigační systém.

Ne-navigační aplikace Upravit

GPS vyžaduje pro přesnou navigaci čtyři nebo více satelitů. Řešení navigačních rovnic udává polohu přijímače spolu s rozdílem mezi časem udržovaným palubními hodinami přijímače a skutečným časem dne, čímž eliminuje potřebu přesnějších a možná nepraktických hodin založených na přijímači . Aplikace pro GPS, jako je přenos času, časování dopravních signálů a synchronizace základnových stanic mobilních telefonů, využívají toto levné a vysoce přesné načasování. Některé aplikace GPS tuto dobu používají k zobrazení nebo ji, kromě základních výpočtů polohy, nepoužívají vůbec.

Přestože jsou pro normální provoz zapotřebí čtyři satelity, ve zvláštních případech platí méně. Pokud je již jedna proměnná známa, může přijímač určit její polohu pouze pomocí tří satelitů. Například loď nebo letadlo mohou mít známou nadmořskou výšku. Některé přijímače GPS mohou použít další vodítka nebo předpoklady, jako je opětovné použití poslední známé nadmořské výšky, mrtvé zúčtování, inerciální navigace nebo zahrnutí informací z počítače vozidla, aby poskytly (případně zhoršenou) polohu, když je viditelných méně než čtyři satelity. [73] [74] [75]

Aktuální GPS se skládá ze tří hlavních segmentů. Jedná se o vesmírný segment, kontrolní segment a uživatelský segment. [76] Americká vesmírná síla vyvíjí, udržuje a provozuje vesmírné a kontrolní segmenty. Družice GPS vysílají signály z vesmíru a každý přijímač GPS používá tyto signály k výpočtu své trojrozměrné polohy (zeměpisné šířky, délky a nadmořské výšky) a aktuálního času. [77]

Úpravy segmentu prostoru

Vesmírný segment (SS) se skládá z 24 až 32 satelitů neboli kosmických vozidel (SV) na střední oběžné dráze Země a zahrnuje také adaptéry užitečného zatížení pro posilovače potřebné k jejich vypuštění na oběžnou dráhu. Návrh GPS původně požadoval 24 SV, osm každý ze tří přibližně kruhových oběžných drah [78], ale toto bylo upraveno na šest oběžných letadel se čtyřmi satelity. [79] Šest oběžných letadel má sklon přibližně 55 ° (sklon vůči zemskému rovníku) a je odděleno 60 ° pravým vzestupem vzestupného uzlu (úhel podél rovníku od referenčního bodu k průsečíku oběžné dráhy). [80] Oběžná doba je polovina hvězdného dne, tj. 11 hodin a 58 minut, takže satelity procházejí stejnými místy [81] nebo téměř stejnými místy [82] každý den. Oběžné dráhy jsou uspořádány tak, aby alespoň šest satelitů bylo vždy v přímé viditelnosti odkudkoli na povrchu Země (viz animace vpravo). [83] Výsledkem tohoto cíle je, že čtyři satelity nejsou na každé dráze od sebe rovnoměrně rozmístěny (90 °). Obecně platí, že úhlový rozdíl mezi satelity na každé oběžné dráze je 30 °, 105 °, 120 ° a 105 ° od sebe, což činí 360 °. [84]

Na oběžné dráze v nadmořské výšce přibližně 20 200 km (12 600 mi) orbitální poloměr přibližně 26 600 km (16 500 mi) [85] každý SV provede dva úplné oběžné dráhy každý hvězdný den a každý den opakuje stejnou pozemní stopu. [86] To bylo během vývoje velmi užitečné, protože i jen se čtyřmi satelity znamená správné vyrovnání, že všechny čtyři jsou viditelné z jednoho místa na několik hodin každý den. U vojenských operací lze použít opakování pozemní dráhy k zajištění dobrého pokrytí v bojových zónách.

Od února 2019 [aktualizace] [87] je v souhvězdí GPS 31 satelitů, z nichž 27 se v danou dobu používá, zbytek je přidělen jako pohotovostní režim. 32. byl spuštěn v roce 2018, ale od července 2019 je stále v hodnocení. Další vyřazené satelity jsou na oběžné dráze a jsou k dispozici jako náhradní díly.Dodatečné satelity zlepšují přesnost výpočtů přijímače GPS poskytováním nadbytečných měření. Se zvýšeným počtem satelitů se souhvězdí změnilo na nejednotné uspořádání. Ukázalo se, že takové uspořádání zlepšuje přesnost, ale také zlepšuje spolehlivost a dostupnost systému ve srovnání s jednotným systémem, když selže více satelitů. [88] S rozšířenou konstelací je obvykle kdykoli viditelných devět satelitů z jakéhokoli bodu na zemi, což zajišťuje značnou redundanci nad minimálně čtyřmi satelity potřebnými pro danou pozici.

Upravit segment ovládání

Řídicí segment (CS) se skládá z:

  1. hlavní řídící stanice (MCS),
  2. alternativní hlavní řídicí stanici,
  3. čtyři vyhrazené pozemní antény a
  4. šest vyhrazených monitorovacích stanic.

MCS může také přistupovat k pozemním anténám US Air Force Satellite Control Network (AFSCN) (pro další funkce velení a řízení) a monitorovacím stanicím NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Dráhové dráhy satelitů sledují specializované monitorovací stanice amerických vesmírných sil na Havaji, atolu Kwajalein, ostrově Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado a Cape Canaveral, společně se sdílenými monitorovacími stanicemi NGA provozovanými v Anglii, Argentině, Ekvádoru, Bahrajnu , Austrálie a Washington DC. [89] Informace o sledování se zasílají na základnu MCS na letecké základně Schriever 25 km východně od Colorado Springs, kterou provozuje 2. letka vesmírných operací (2 SOPS) amerických vesmírných sil. Poté 2 SOPS pravidelně kontaktují každý satelit GPS s navigační aktualizací pomocí vyhrazených nebo sdílených (AFSCN) pozemních antén (vyhrazené pozemní antény GPS jsou umístěny na Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia a Cape Canaveral). Tyto aktualizace synchronizují atomové hodiny na palubách satelitů do několika nanosekund od sebe a upravují efemeridy vnitřního orbitálního modelu každého satelitu. Aktualizace jsou vytvářeny Kalmanovým filtrem, který využívá vstupy z pozemních monitorovacích stanic, informace o počasí ve vesmíru a různé další vstupy. [90]

Satelitní manévry nejsou podle standardů GPS přesné - pro změnu oběžné dráhy satelitu musí být satelit označen nezdravý, takže přijímače jej nepoužívají. Po satelitním manévru inženýři sledují novou oběžnou dráhu ze země, nahrají nové efemeridy a znovu označí satelit za zdravý.

Segment řízení provozu (OCS) v současné době slouží jako kontrolní segment záznamu. Poskytuje provozní schopnost, která podporuje uživatele GPS, a udržuje GPS v provozu a výkonu v rámci specifikací.

V září 2007 OCS úspěšně nahradil starší sálový počítač z éry 70. let na letecké základně Schriever. Po instalaci systém pomohl povolit upgrady a poskytnout základ pro novou bezpečnostní architekturu, která podporovala americké ozbrojené síly.

OCS bude i nadále základním záznamovým systémem, dokud nebude plně vyvinut a funkční nový segment, GPS pro řízení provozu nové generace [6] (OCX). Nové schopnosti poskytované OCX budou základním kamenem revolučních schopností mise GPS, což umožní [91] americkým vesmírným silám výrazně zlepšit operační služby GPS pro bojové síly USA, civilní partnery a nesčetné množství domácích i mezinárodních uživatelů. Program GPS OCX také sníží náklady, harmonogram a technická rizika. Je navržen tak, aby poskytoval 50% [92] úspor nákladů na udržení díky efektivní softwarové architektuře a logistice založené na výkonu. Kromě toho se očekává, že GPS OCX bude stát o miliony méně než náklady na upgrade OCS a přitom poskytne čtyřnásobnou kapacitu.

Program GPS OCX představuje důležitou součást modernizace GPS a poskytuje významná vylepšení zabezpečení informací oproti současnému programu GPS OCS.

  • OCX bude mít schopnost ovládat a spravovat starší satelity GPS i novou generaci satelitů GPS III a současně umožňovat celou řadu vojenských signálů.
  • Postaveno na flexibilní architektuře, která se dokáže rychle přizpůsobit měnícím se potřebám současných i budoucích uživatelů GPS a umožňuje okamžitý přístup k datům GPS a stavu konstelace prostřednictvím zabezpečených, přesných a spolehlivých informací.
  • Poskytuje válečníkovi bezpečnější, použitelnější a prediktivnější informace pro zlepšení situačního povědomí.
  • Umožňuje nové modernizované signály (L1C, L2C a L5) a má schopnost M-kódu, což starší systém nedokáže.
  • Poskytuje významná vylepšení zabezpečení informací oproti současnému programu, včetně detekce a prevence kybernetických útoků při izolaci, zadržování a provozu během těchto útoků.
  • Podporuje vyšší hlasitost poblíž schopností a schopností velení a řízení v reálném čase.

Dne 14. září 2011 [93] americké letectvo oznámilo dokončení předběžného návrhu GPS OCX a potvrdilo, že program OCX je připraven na další fázi vývoje.

Program GPS OCX nezmeškal hlavní milníky a posouvá jeho spuštění do roku 2021, 5 let po původním termínu. Podle Úřadu vlády vypadá i tato nová lhůta nejistě. [94]

Upravit segment uživatele

Uživatelský segment (USA) se skládá ze stovek tisíc amerických a spojeneckých vojenských uživatelů zabezpečené služby GPS Precise Positioning Service a desítek milionů civilních, komerčních a vědeckých uživatelů služby Standard Positioning Service. Obecně platí, že přijímače GPS se skládají z antény, naladěné na frekvence vysílané satelity, přijímacích procesorů a vysoce stabilních hodin (často krystalového oscilátoru). Mohou také obsahovat displej pro poskytování informací o poloze a rychlosti uživateli. Přijímač je často popsán počtem kanálů: to znamená, kolik satelitů může současně monitorovat. Původně omezeno na čtyři nebo pět, toto se v průběhu let postupně zvyšovalo, takže od roku 2007 [aktualizace] měly přijímače obvykle mezi 12 a 20 kanály. Ačkoli existuje mnoho výrobců přijímačů, téměř všichni používají jednu z čipových sad vyrobených pro tento účel. [ Citace je zapotřebí ]

Přijímače GPS mohou obsahovat vstup pro diferenciální korekce ve formátu RTCM SC-104. To je obvykle ve formě portu RS-232 s rychlostí 4 800 bit / s. Data jsou ve skutečnosti odesílána mnohem nižší rychlostí, což omezuje přesnost signálu odeslaného pomocí RTCM. [ Citace je zapotřebí ] Přijímače s interními přijímači DGPS mohou překonat ty, které používají externí data RTCM. [ Citace je zapotřebí ] Od roku 2006 [aktualizace] i levné jednotky běžně obsahují přijímače WAAS (Wide Area Augmentation System).

Mnoho přijímačů GPS může přenášet údaje o poloze do počítače nebo jiného zařízení pomocí protokolu NMEA 0183. Ačkoli je tento protokol oficiálně definován National Marine Electronics Association (NMEA), [95] odkazy na tento protokol byly sestaveny z veřejných záznamů, což umožňuje nástrojům s otevřeným zdrojovým kódem, jako je gpsd, přečíst protokol bez porušení zákonů o duševním vlastnictví. [ je zapotřebí objasnění ] Existují také další vlastní protokoly, například protokoly SiRF a MTK. Přijímače mohou komunikovat s jinými zařízeními pomocí metod včetně sériového připojení, USB nebo Bluetooth.

Zatímco původně byl vojenským projektem, GPS je považováno za technologii dvojího užití, což znamená, že má také významné civilní aplikace.

GPS se stal široce používaným a užitečným nástrojem pro obchod, vědecké použití, sledování a dohled. Přesný čas GPS usnadňuje každodenní činnosti, jako je bankovnictví, operace s mobilními telefony a dokonce i ovládání elektrických sítí, protože umožňuje dobře synchronizované přepínání mezi hand-off. [77]

Civilní Edit

Mnoho civilních aplikací používá jednu nebo více ze tří základních složek GPS: absolutní polohu, relativní pohyb a přenos času.

    : studium zpoždění troposféry (obnovení obsahu vodní páry) a zpoždění ionosféry (obnovení počtu volných elektronů). [96] Obnova posunů zemského povrchu v důsledku zatížení atmosférickým tlakem. [97]: Polohová i hodinová synchronizační data se používají v astrometrické a nebeské mechanice a přesném stanovení oběžné dráhy. [98] GPS se také používá jak v amatérské astronomii s malými dalekohledy, tak v profesionálních observatořích k hledání extrasolárních planet. : použití polohy a tras pro osobní a nákladní automobily, aby fungovaly bez lidského řidiče. : civilní i vojenští kartografové využívají GPS ve velké míře. : synchronizace hodin umožňuje přenos času, což je zásadní pro synchronizaci jeho rozšiřujících kódů s jinými základnovými stanicemi, aby se usnadnilo předávání mezi buňkami a podporovala hybridní detekce GPS / celulární polohy pro mobilní tísňová volání a další aplikace. První telefony s integrovaným GPS byly uvedeny na trh koncem 90. let. Americká Federální komunikační komise (FCC) pověřila tuto funkci v telefonu nebo ve věžích (pro použití v triangulaci) v roce 2002, aby pohotovostní služby mohly najít 911 volajících. Vývojáři softwaru třetích stran později při spuštění získali přístup k API GPS od společnosti Nextel, následovaný Sprintem v roce 2006 a brzy poté Verizon. : přesnost časových signálů GPS (± 10 ns) [99] je na druhém místě za atomovými hodinami, na nichž jsou založeny, a používá se v aplikacích, jako jsou oscilátory s disciplínou GPS. / pohotovostní služby: mnoho pohotovostních služeb závisí na GPS pro umístění a načasování schopností.
  • Radiosondes a dropsondes vybavené GPS: měří a vypočítává atmosférický tlak, rychlost a směr větru až 27 km (89 000 ft) od zemského povrchu. pro aplikace vědy o počasí a atmosféře. [100]: slouží k identifikaci, lokalizaci a udržování zpráv o kontaktu s jedním nebo více vozovými parky v reálném čase. : stanovení parametrů orientace Země včetně denního a subdenního polárního pohybu, [101] a variací délky dne, [102] těžiště Země - pohyb geocentra, [103] a parametry gravitačního pole nízkého stupně . [104]: systémy pro sledování vozidel, systémy pro sledování osob a systémy pro sledování domácích mazlíčků používají GPS k vyhledání zařízení, která jsou připevněna nebo přepravována osobou, vozidlem nebo domácím mazlíčkem. Aplikace může poskytovat nepřetržité sledování a odesílat oznámení, pokud cíl opustí určenou (nebo „oplocenou“) oblast. [105]: použije souřadnice polohy na digitální objekty, jako jsou fotografie (v datech Exif) a další dokumenty pro účely, jako je vytváření mapových překryvů se zařízeními, jako je Nikon GP-1: použití RTK GPS výrazně zlepšilo několik těžebních operací, jako je vrtání , lopaty, sledování vozidel a geodetické práce. RTK GPS poskytuje přesnost určování polohy na centimetr. : Je možné agregovat GPS data od více uživatelů, abychom pochopili pohybové vzorce, společné trajektorie a zajímavá místa. [106]: umístění určuje, jaký obsah se má například zobrazit, informace o blížícím se bodu zájmu. : navigátoři oceňují digitálně přesná měření rychlosti a orientace a také přesné polohy v reálném čase s podporou orbity a hodinových korekcí. [107] stanovení satelitů s nízkou oběžnou dráhou s instalovaným GPS přijímačem, jako je GOCE, [108] GRACE, Jason-1, Jason-2, TerraSAR-X, TanDEM-X, CHAMP, Sentinel-3, [109] a některé krychle, např. CubETH. : GPS umožňuje vysoce přesné časové razítko měření energetického systému, což umožňuje výpočet fázorů. : například Geocaching, Geodashing, GPS kreslení, waymarking a další druhy mobilních her založených na poloze, jako je Pokémon Go. : realizace a zhuštění pozemských referenčních rámců [110] v rámci globálního geodetického pozorovacího systému. Společné umístění v prostoru mezi satelitním laserovým rozsahem [111] a mikrovlnnými pozorováními [112] pro odvození globálních geodetických parametrů. [113] [114]: samo-navigační, autonomní roboti využívající GPS senzory, které počítají zeměpisnou šířku, délku, čas, rychlost a směr. : používá se ve fotbale a ragby pro kontrolu a analýzu tréninkové zátěže. [115]: geodeti používají absolutní polohy k vytváření map a určování hranic nemovitostí. : GPS umožňuje přímé měření pohybu poruch zemětřesení. Mezi zemětřeseními lze pomocí GPS měřit pohyb a deformaci kůry [116] k odhadu nárůstu seismické deformace pro vytváření map seizmického nebezpečí. : Technologie GPS integrovaná s počítači a mobilní komunikační technologií v automobilových navigačních systémech.

Omezení civilního použití Upravit

Vláda USA kontroluje vývoz některých civilních přijímačů. Všechny přijímače GPS schopné provozu nad 18 000 km nad mořem a rychlostí 1 000 kn (500 m / s 2 000 km / h 1 000 mph) nebo konstruované nebo upravené pro použití s ​​bezpilotními raketami a letadly jsou klasifikovány jako munice (zbraně ) - což znamená, že vyžadují vývozní licence ministerstva zahraničí. [117]

Toto pravidlo platí i pro jinak čistě civilní jednotky, které dostávají pouze frekvenci L1 a kód C / A (Coarse / Acquisition).

Zakázání operace nad těmito limity osvobozuje přijímač od klasifikace jako munice. Interpretace prodejců se liší. Toto pravidlo se týká provozu v cílové nadmořské výšce i rychlosti, ale některé přijímače přestávají fungovat, i když jsou v klidu. To způsobilo problémy s některými amatérskými vypouštění rádiových balónů, které pravidelně dosahují 30 km (100 000 stop).

Tato omezení se vztahují pouze na jednotky nebo součásti exportované ze Spojených států. Existuje rostoucí obchod s různými součástmi, včetně jednotek GPS z jiných zemí. Ty jsou výslovně prodávány jako ITAR-free.

Vojenská úprava

Od roku 2009 zahrnují vojenské aplikace GPS:

  • Navigace: Vojáci používají GPS k vyhledání cílů, dokonce i ve tmě nebo na neznámém území, a ke koordinaci pohybu vojsk a zásob. V ozbrojených silách Spojených států velitelé používají Velitelův digitální asistent a nižší hodnosti používají Vojenský digitální asistent. [118]
  • Sledování cílů: Různé vojenské vojenské systémy používají GPS ke sledování potenciálních pozemních a vzdušných cílů, než je označí jako nepřátelské. [Citace je zapotřebí] Tyto zbraňové systémy předávají souřadnice cíle přesně naváděné munici, aby mohly přesně zabírat cíle. Vojenská letadla, zejména v rolích vzduch-země, používají GPS k vyhledání cílů.
  • Navádění raket a střel: GPS umožňuje přesné zaměřování různých vojenských zbraní včetně ICBM, řízených střel, přesně naváděné munice a dělostřeleckých granátů. Vestavěné přijímače GPS schopné odolat zrychlení 12 000 G nebo asi 118 km / s 2 (260 000 mph / s) byly vyvinuty pro použití v 155 milimetrových houfnicích. [119]
  • Hledat a zachránit.
  • Průzkum: Pohyb hlídky lze lépe řídit.
  • Družice GPS nesou sadu detektorů jaderné detonace skládající se z optického senzoru zvaného bhangmetr, rentgenového senzoru, dozimetru a senzoru elektromagnetického pulzu (EMP) (W-senzor), které tvoří hlavní část Spojených států Systém detekce jaderné detonace. [120] [121] Generál William Shelton uvedl, že budoucí satelity mohou tuto funkci vypustit, aby ušetřily peníze. [122]

Navigace typu GPS byla poprvé použita ve válce ve válce v Perském zálivu v roce 1991, předtím, než byla GPS plně vyvinuta v roce 1995, na pomoc koaličním silám při navigaci a provádění manévrů ve válce. Válka také prokázala zranitelnost GPS vůči rušení, když irácké síly instalovaly rušicí zařízení na pravděpodobné cíle, které vydávaly rádiový hluk a narušovaly příjem slabého signálu GPS. [123]

Zranitelnost GPS vůči rušení je hrozba, která stále roste s narůstajícím rušením zařízení a zkušeností. [124] [125] Uvádí se, že signály GPS byly v průběhu let mnohokrát rušeny pro vojenské účely. Zdá se, že Rusko má za tímto chováním několik cílů, například zastrašování sousedů a oslabování důvěry v jejich spoléhání na americké systémy, podpora jejich alternativy GLONASS, narušení západních vojenských cvičení a ochrana majetku před drony. [126] Čína používá rušení, aby odrazila americká sledovací letadla poblíž napadených Spratlyových ostrovů. [127] Severní Korea zahájila několik významných rušicích operací poblíž svých hranic s Jižní Koreou a na moři, čímž narušila lety, námořní a rybářské operace. [128]

Měření času Upravit

Přestupné sekundy Upravit

Zatímco většina hodin odvozuje svůj čas od koordinovaného světového času (UTC), atomové hodiny na satelitech jsou nastaveny na „čas GPS“. Rozdíl je v tom, že čas GPS není korigován tak, aby odpovídal rotaci Země, takže neobsahuje přestupné sekundy ani jiné opravy, které jsou pravidelně přidávány k UTC. Čas GPS byl nastaven tak, aby odpovídal UTC v roce 1980, ale od té doby se rozcházel. Nedostatek oprav znamená, že čas GPS zůstává na konstantním posunu s mezinárodním atomovým časem (TAI) (TAI - GPS = 19 sekund). Pravidelné opravy palubních hodin jsou prováděny, aby byly synchronizovány s pozemními hodinami. [129]

Zpráva GPS navigace obsahuje rozdíl mezi časem GPS a UTC. V lednu 2017 je [aktualizace] čas GPS o 18 sekund před UTC kvůli přestupné vteřině přidané k UTC 31. prosince 2016. [130] Přijímače odečtou tento posun od času GPS pro výpočet hodnot UTC a konkrétních časových pásem. Nové jednotky GPS nemusí zobrazovat správný čas UTC, dokud neobdržíte zprávu o posunu UTC. Pole offsetu GPS-UTC pojme 255 přestupných sekund (osm bitů).

Přesnost Upravit

Čas GPS je teoreticky přesný na přibližně 14 nanosekund, vzhledem k hodinovému driftu, který atomové hodiny zažívají ve vysílačích GPS, ve srovnání s mezinárodním atomovým časem. [131] Většina přijímačů ztrácí přesnost při interpretaci signálů a je přesná pouze na 100 nanosekund. [132] [133]

Upravit formát

Na rozdíl od formátu roku, měsíce a dne gregoriánského kalendáře je datum GPS vyjádřeno jako číslo týdne a číslo sekundy v týdnu. Číslo týdne se v navigačních zprávách C / A a P (Y) přenáší jako desetibitové pole, a tak se každých 1024 týdnů (19,6 let) opět stává nulou. GPS nula týdne začala v 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) 6. ledna 1980 a číslo týdne se poprvé opět stalo nulovým v 23:59:47 UTC 21. srpna 1999 (00 : 00: 19 TAI 22. srpna 1999). Stalo se to podruhé v 23:59:42 UTC dne 6. dubna 2019. K určení aktuálního gregoriánského data musí být přijímač GPS vybaven přibližným datem (do 3 584 dnů), aby mohl správně přeložit datový signál GPS. Abychom tento problém vyřešili v budoucnu, bude modernizovaná zpráva civilní navigace GPS (CNAV) používat 13bitové pole, které se opakuje pouze každých 8 192 týdnů (157 let), takže vydrží až 2137 (157 let po nultém týdnu GPS).

Navigační signály přenášené satelity GPS kódují různé informace, včetně poloh satelitů, stavu interních hodin a stavu sítě. Tyto signály se přenášejí na dvou samostatných nosných frekvencích, které jsou společné pro všechny satelity v síti.Používají se dvě různá kódování: veřejné kódování, které umožňuje navigaci s nižším rozlišením, a šifrované kódování používané americkou armádou.

Formát zprávy Upravit

Formát zprávy GPS
Dílčí rámce Popis
1 Satelitní hodiny,
Časový vztah GPS
2–3 Ephemeris
(přesná oběžná dráha satelitu)
4–5 Složka kalendáře
(přehled satelitní sítě,
oprava chyb)

Každý satelit GPS nepřetržitě vysílá a navigační zpráva na frekvencích L1 (C / A a P / Y) a L2 (P / Y) rychlostí 50 bitů za sekundu (viz bitrate). Dokončení každé úplné zprávy trvá 750 sekund (12 + 1/2 minuty). Struktura zprávy má základní formát 1500bitového rámce složeného z pěti dílčích rámců, přičemž každý dílčí rámec je dlouhý 300 bitů (6 sekund). Podrámce 4 a 5 jsou subkomutovány 25krát, takže úplná datová zpráva vyžaduje přenos 25 plných rámců. Každý dílčí rámec se skládá z deseti slov, z nichž každý má 30 bitů. Takže s 300 bity v podrámci krát 5 podrámců ve snímku krát 25 rámců ve zprávě, každá zpráva je dlouhá 37 500 bitů. Při přenosové rychlosti 50 bitů / s to dává 750 sekund na přenos celé zprávy z almanachu (GPS). Každý 30sekundový snímek začíná přesně na minutu nebo půl minutu, jak je naznačeno atomovými hodinami na každém satelitu. [134]

Všechny satelity vysílají na stejných frekvencích a kódují signály pomocí jedinečného vícenásobného přístupu s dělením kódu (CDMA), takže přijímače mohou od sebe odlišit jednotlivé satelity. Systém používá dva odlišné typy kódování CDMA: hrubý / akviziční (C / A) kód, který je přístupný široké veřejnosti, a přesný (P (Y)) kód, který je šifrován tak, že pouze americká armáda a další Země NATO, kterým byl umožněn přístup k šifrovacímu kódu, k němu mají přístup. [137]

Ephemeris se aktualizuje každé 2 hodiny a je dostatečně stabilní po dobu 4 hodin, s ustanoveními pro aktualizace každých 6 hodin nebo déle za jiných než nominálních podmínek. Almanach se aktualizuje obvykle každých 24 hodin. Navíc se nahrávají data za několik následujících týdnů v případě aktualizací přenosu, které zpožďují nahrávání dat. [ Citace je zapotřebí ]

Satelitní frekvence Upravit

Přehled frekvence GPS [138]: 607
Kapela Frekvence Popis
L1 1575,42 MHz Kódy hrubého získávání (C / A) a šifrované přesnosti (P ​​(Y)) plus civilní (L1C) a vojenské (M) kódy L1 na budoucích satelitech bloku III.
L2 1227,60 MHz P (Y) kód, plus L2C a vojenské kódy na Block IIR-M a novějších satelitech.
L3 1381,05 MHz Používá se k detekci jaderné detonace (NUDET).
L4 1379,913 MHz Být studován pro další ionosférickou korekci.
L5 1176,45 MHz Navrženo pro použití jako signál civilní bezpečnosti života (SoL).

Všechny satelity vysílají na stejných dvou frekvencích, 1,57542 GHz (signál L1) a 1,2276 GHz (signál L2). Satelitní síť používá techniku ​​rozprostřeného spektra CDMA [138]: 607, kde jsou data zprávy s nízkou přenosovou rychlostí kódována pomocí vysokorychlostní pseudonáhodné (PRN) sekvence, která je pro každý satelit odlišná. Přijímač musí znát kódy PRN pro každý satelit, aby mohl rekonstruovat skutečná data zprávy. Kód C / A pro civilní použití přenáší data rychlostí 1,023 milionu čipů za sekundu, zatímco kód P pro vojenské použití v USA vysílá rychlostí 10,23 milionu čipů za sekundu. Skutečná interní reference satelitů je 10,22999999543 MHz, aby se kompenzovaly relativistické efekty [139] [140], díky nimž pozorovatelé na Zemi vnímají odlišnou časovou referenci vzhledem k vysílačům na oběžné dráze. Nosná L1 je modulována jak C / A, tak P kódy, zatímco nosná L2 je modulována pouze P kódem. [84] P kód lze zašifrovat jako takzvaný P (Y) kód, který je k dispozici pouze pro vojenské vybavení se správným dešifrovacím klíčem. C / A i P (Y) kódy poskytují uživateli přesnou denní dobu.

Signál L3 na frekvenci 1,38 105 GHz se používá k přenosu dat ze satelitů do pozemních stanic. Tato data používá Detekční systém USA pro jadernou detonaci (NUDET) (USNDS) k detekci, lokalizaci a hlášení jaderných detonací (NUDET) v zemské atmosféře a v blízkém vesmíru. [141] Jedním z použití je vynucování smluv o zákazu jaderných zkoušek.

Pásmo L4 na 1,379913 GHz se zkoumá pro další ionosférickou korekci. [138]: 607

V rámci modernizace GPS bylo přidáno frekvenční pásmo L5 na 1,17645 GHz. Tato frekvence spadá do mezinárodně chráněného rozsahu pro leteckou navigaci a slibuje za všech okolností malé nebo žádné rušení. První satelit Block IIF, který poskytuje tento signál, byl vypuštěn v květnu 2010. [142] 5. února 2016 byl vypuštěn 12. a poslední satelit Block IIF. [143] L5 se skládá ze dvou nosných komponent, které jsou navzájem ve fázové kvadratuře. Každá nosná komponenta je klíč dvoufázového posunu (BPSK) modulovaný samostatným bitovým sledem. „L5, třetí civilní signál GPS, nakonec podpoří aplikace na ochranu života v letectví a zajistí lepší dostupnost a přesnost.“ [144]

V roce 2011 bylo společnosti LightSquared uděleno podmíněné zproštění povinnosti provozovat pozemní širokopásmovou službu poblíž pásma L1. Ačkoli společnost LightSquared požádala o povolení k provozu v pásmu 1525 až 1559 již v roce 2003 a byla vydána k veřejnému komentáři, FCC požádala společnost LightSquared o vytvoření studijní skupiny s komunitou GPS, která by testovala přijímače GPS a identifikovala problém, který by mohl vznikají kvůli většímu výkonu signálu z pozemní sítě LightSquared. Komunita GPS nevznesla námitky proti aplikacím LightSquared (dříve MSV a SkyTerra) až do listopadu 2010, kdy společnost LightSquared požádala o změnu svého povolení Pomocné pozemské součásti (ATC). Toto podání (SAT-MOD-20101118-00239) představovalo požadavek na spuštění o několik řádů většího výkonu ve stejném kmitočtovém pásmu pro pozemní základnové stanice, což v podstatě změnilo to, co mělo být „tichým sousedstvím“ pro signály z vesmíru jako ekvivalent celulární sítě. Testování v první polovině roku 2011 prokázalo, že dopad spodních 10 MHz spektra je na zařízení GPS minimální (ovlivněno je méně než 1% z celkového počtu zařízení GPS). Horní 10 MHz určené pro použití LightSquared může mít určitý dopad na zařízení GPS. Existují určité obavy, že by to mohlo vážně snížit signál GPS pro mnoho spotřebitelských použití. [145] [146] Letecký týden časopis uvádí, že nejnovější testování (červen 2011) potvrzuje „výrazné rušení“ GPS systémem LightSquared. [147]

Demodulace a dekódování Upravit

Protože všechny satelitní signály jsou modulovány na stejnou nosnou frekvenci L1, musí být po demodulaci signály odděleny. To se provádí přidělením každému satelitu jedinečnou binární sekvenci známou jako zlatý kód. Signály jsou dekódovány po demodulaci pomocí přidání zlatých kódů odpovídajících satelitům sledovaným přijímačem. [148] [149]

Pokud byly informace o almanachu již dříve získány, přijímač vybere satelity, které budou poslouchat pomocí svých PRN, jedinečných čísel v rozsahu 1 až 32. Pokud informace o almanachu nejsou v paměti, přejde do režimu vyhledávání, dokud není získán zámek na jednom ze satelitů. Chcete-li získat zámek, je nutné, aby od přijímače k ​​satelitu byl volný výhled. Přijímač pak může získat almanach a určit satelity, které by měl poslouchat. Protože detekuje signál každého satelitu, identifikuje ho podle odlišného C / A kódu. Před prvním odhadem polohy může být zpoždění až 30 sekund z důvodu potřeby přečíst data efemeridy.

Zpracování navigační zprávy umožňuje určit čas přenosu a polohu satelitu v tomto okamžiku. Další informace najdete v části Demodulace a dekódování, Pokročilé.

Popis problému Upravit

Přijímač používá zprávy přijaté ze satelitů k určení polohy satelitu a odeslaného času. The x, y, a z složky polohy satelitu a odeslaný čas (s) jsou označeny jako [Xi, yi, zi, si] kde dolní index i označuje satelit a má hodnotu 1, 2,. n, kde n ≥ 4. Když je čas příjmu zprávy indikovaný hodinami palubního přijímače i, skutečný čas příjmu je ti = ib , kde b je zkreslení hodin přijímače z mnohem přesnějších hodin GPS používaných satelity. Předpětí hodin přijímače je stejné pro všechny přijímané satelitní signály (za předpokladu, že jsou satelitní hodiny dokonale synchronizovány). Doba přepravy zprávy je ibsi , kde si je satelitní čas. Za předpokladu, že zpráva putovala rychlostí světla, C, ujetá vzdálenost je (ibsi) C .

U n satelitů jsou rovnice, které je třeba splnit, následující:

kde di je geometrická vzdálenost nebo rozsah mezi přijímačem a satelitem i (hodnoty bez dolních indexů jsou x, y, a z komponenty polohy přijímače):

Definování pseudorozměny jako p i = (t

Protože rovnice mají čtyři neznámé [x, y, z, b] —Tři složky polohy přijímače GPS a zkreslení hodin - k pokusu o vyřešení těchto rovnic jsou nutné signály z nejméně čtyř satelitů. Lze je řešit algebraickými nebo numerickými metodami. Existenci a jedinečnost řešení GPS diskutují Abell a Chaffee. [70] Kdy n je větší než čtyři, je tento systém předurčen a musí být použita metoda přizpůsobení.

Míra chyby ve výsledcích se liší podle umístění přijímaných satelitů na obloze, protože určité konfigurace (když jsou přijímané satelity na obloze blízko sebe) způsobují větší chyby. Přijímače obvykle vypočítají průběžný odhad chyby ve vypočítané poloze. Toho se dosáhne vynásobením základního rozlišení přijímače veličinami zvanými faktory geometrického ředění polohy (GDOP), vypočtené z relativních směrů oblohy použitých satelitů. [152] Poloha přijímače je vyjádřena ve specifickém souřadnicovém systému, jako je zeměpisná šířka a délka, pomocí geodetického základu WGS 84 nebo systému specifického pro zemi. [153]

Geometrická interpretace Upravit

Rovnice GPS lze řešit numerickými a analytickými metodami. Geometrické interpretace mohou zlepšit porozumění těmto metodám řešení.

Sféry Upravit

Měřené rozsahy, nazývané pseudorange, obsahují chyby hodin. Ve zjednodušené idealizaci, ve které jsou rozsahy synchronizovány, představují tyto skutečné rozsahy poloměry koulí, z nichž každá je soustředěna na jeden z vysílajících satelitů. Řešení polohy přijímače je pak na průsečíku povrchů těchto koulí viz trilaterace (obecněji multilaterace se skutečným rozsahem). Jsou vyžadovány signály minimálně ze tří satelitů a jejich tři koule by se obvykle protínaly ve dvou bodech. [154] Jedním z bodů je umístění přijímače a druhý se rychle pohybuje v postupných měřeních a obvykle by nebyl na povrchu Země.

V praxi existuje kromě zkreslení hodin mnoho zdrojů nepřesností, včetně náhodných chyb i potenciálu ztráty přesnosti při odečítání čísel blízko sebe, pokud jsou středy koulí relativně blízko u sebe. To znamená, že je nepravděpodobné, že by poloha vypočtená ze tří samotných satelitů byla dostatečně přesná. Data z více satelitů mohou pomoci, protože mají tendenci se rušit náhodné chyby a také tím, že se zvětšují rozpětí mezi středy koulí. Současně se ale více sfér obecně neprotne v jednom bodě. Proto se vypočítá blízká křižovatka, obvykle pomocí nejmenších čtverců. Čím více signálů je k dispozici, tím lepší je aproximace.

Hyperboloidy Upravit

Pokud je pseudorange mezi přijímačem a satelitem i a pseudorange mezi přijímačem a satelitem j jsou odečteny, pipj , společné zkreslení hodin přijímače (b) ruší, což má za následek rozdíl vzdáleností didj . Místem bodů, které mají konstantní rozdíl ve vzdálenosti od dvou bodů (zde dva satelity), je hyperbola v rovině a hyperboloid revoluce (konkrétněji hyperboloid se dvěma archy) v 3D prostoru (viz Multilateration). Takže ze čtyř měření pseudorange může být přijímač umístěn na křižovatce povrchů tří hyperboloidů, z nichž každý má ohniska na dvojici satelitů. U dalších satelitů není několik křižovatek nutně jedinečné a místo toho se hledá nejvhodnější řešení. [70] [71] [155] [156] [157] [158]

Vepsaná sféra Upravit

Pozici přijímače lze interpretovat jako střed vepsané koule (insphere) o poloměru před naším letopočtem, dané zkreslením hodin přijímače b (změněno rychlostí světla C). Místo insphere je takové, že se dotýká ostatních koulí. Opisující koule jsou vycentrovány na satelity GPS, jejichž poloměry se rovnají naměřeným pseudorozměnám pi. Tato konfigurace se liší od konfigurace popsané výše, ve které byly poloměry koulí nestranné nebo geometrické rozsahy di. [157] : 36–37 [159]

Hypercony Upravit

Hodiny v přijímači obvykle nemají stejnou kvalitu jako hodiny v satelitech a nebudou s nimi přesně synchronizovány. To produkuje pseudorozsahy s velkými rozdíly ve srovnání se skutečnými vzdálenostmi k satelitům. Proto je v praxi časový rozdíl mezi hodinami přijímače a časem satelitu definován jako neznámé zkreslení hodin b. Rovnice jsou poté řešeny současně pro polohu přijímače a zkreslení hodin. Prostor řešení [x, y, z, b] lze chápat jako čtyřrozměrný časoprostor a jsou potřeba signály z minimálně čtyř satelitů. V tom případě každá z rovnic popisuje hyperkonus (nebo sférický kužel), [160] s hrotem umístěným na satelitu a základnou koule kolem satelitu. Přijímač je na křižovatce čtyř nebo více takových hyperkonů.

Metody řešení Upravit

Nejméně čtverce Upravit

Pokud je k dispozici více než čtyři satelity, může výpočet použít čtyři nejlepší nebo více než čtyři současně (až na všechny viditelné satelity), v závislosti na počtu kanálů přijímače, možnosti zpracování a geometrickém ředění přesnosti (GDOP).

Použití více než čtyř zahrnuje nadměrně určený systém rovnic bez jedinečného řešení, takový systém lze vyřešit metodou nejmenších čtverců nebo vážených nejmenších čtverců. [150]

Iterativní úpravy

Obě rovnice pro čtyři satelity nebo rovnice nejmenších čtverců pro více než čtyři jsou nelineární a vyžadují speciální metody řešení. Běžným přístupem je iterace na linearizované formě rovnic, jako je Gauss – Newtonův algoritmus.

GPS byl původně vyvinut za předpokladu použití metody numerického řešení metodou nejmenších čtverců - tj. Předtím, než byla nalezena uzavřená řešení.

Uzavřená úprava

Jedno řešení výše uvedené rovnice v uzavřené formě vyvinul S. Bancroft. [151] [161] Jeho vlastnosti jsou dobře známé [70] [71] [162], zejména navrhovatelé tvrdí, že je lepší v situacích s nízkým GDOP ve srovnání s iterativními metodami nejmenších čtverců. [161]

Bancroftova metoda je algebraická, na rozdíl od numerické, a lze ji použít pro čtyři nebo více satelitů. Při použití čtyř satelitů jsou klíčovými kroky inverze matice 4x4 a řešení kvadratické rovnice s jednou proměnnou. Bancroftova metoda poskytuje jedno nebo dvě řešení neznámých veličin. Pokud existují dva (obvykle případ), pouze jeden je řešení blízké Zemi. [151]

Když přijímač používá pro řešení více než čtyři satelity, použije Bancroft k nalezení řešení zobecněnou inverzi (tj. Pseudoinverz). Byl učiněn případ, že iterační metody, jako je přístup algoritmu Gauss – Newton pro řešení nadměrně stanovených problémů nelineárních nejmenších čtverců (NLLS), obecně poskytují přesnější řešení. [163]

Leick a kol. (2015) uvádí, že „Bancroftovo (1985) řešení je velmi rané, ne-li první, uzavřené řešení.“ [164] Poté byla zveřejněna další uzavřená řešení [165] [166], ačkoli jejich přijetí v praxi je nejasné.

Analýza chyb GPS zkoumá zdroje chyb ve výsledcích GPS a očekávanou velikost těchto chyb. GPS provádí opravy chyb hodinových hodin přijímače a dalších efektů, ale některé zbytkové chyby zůstávají neopravené. Zdroje chyb zahrnují měření času příjezdu signálu, numerické výpočty, atmosférické efekty (ionosférické / troposférické zpoždění), efemeridy a hodiny, vícecestné signály a přirozené a umělé rušení. Velikost zbytkových chyb z těchto zdrojů závisí na geometrickém ředění přesnosti. Umělé chyby mohou být způsobeny rušením zařízení a ohrožováním lodí a letadel [167] nebo úmyslným zhoršováním signálu prostřednictvím selektivní dostupnosti, která omezuje přesnost na ≈ 6–12 m (20–40 ft), ale byla vypnuta od 1. května 2000 . [168] [169]

Augmentace Upravit

Integrace externích informací do procesu výpočtu může podstatně zlepšit přesnost. Takové rozšiřující systémy jsou obecně pojmenovány nebo popsány na základě toho, jak informace dorazí. Některé systémy přenášejí další informace o chybách (například drift hodin, jepice nebo ionosférické zpoždění), jiné charakterizují předchozí chyby, zatímco třetí skupina poskytuje další informace o navigaci nebo vozidle.

Mezi příklady rozšiřujících systémů patří Wide Area Augmentation System (WAAS), European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), Differential GPS (DGPS), inerciální navigační systémy (INS) a Assisted GPS. Standardní přesnost přibližně 15 m (49 ft) lze rozšířit na 3–5 m (9,8–16,4 ft) pomocí DGPS a na přibližně 3 m (9,8 ft) pomocí WAAS. [170]

Přesné monitorování Upravit

Přesnost lze zlepšit přesným sledováním a měřením stávajících signálů GPS dalšími nebo alternativními způsoby.

Největší zbývající chybou je obvykle nepředvídatelné zpoždění ionosférou. Kosmická loď vysílala parametry ionosférického modelu, ale některé chyby zůstávají. To je jeden z důvodů, proč kosmická loď GPS vysílá alespoň na dvou frekvencích, L1 a L2. Ionosférické zpoždění je dobře definovaná funkce frekvence a celkového obsahu elektronů (TEC) podél dráhy, takže měření rozdílu doby příchodu mezi frekvencemi určuje TEC a tedy přesné ionosférické zpoždění při každé frekvenci.

Vojenské přijímače mohou dekódovat P (Y) kód vysílaný na L1 i L2. Bez dešifrovacích klíčů je stále možné použít a codeless technika porovnání kódů P (Y) na L1 a L2, aby se získala velká část stejných informací o chybě. Tato technika je pomalá, takže je v současné době k dispozici pouze na specializovaných geodetických zařízeních. Očekává se, že v budoucnu budou na frekvencích L2 a L5 přenášeny další civilní kódy.Všichni uživatelé pak budou moci provádět dvoufrekvenční měření a přímo počítat chyby ionosférického zpoždění.

Druhá forma přesného monitorování se nazývá Vylepšení nosné fáze (CPGPS). To opravuje chybu, která vzniká, protože pulzní přechod PRN není okamžitý, a proto je korelační operace (shoda sekvence satelit-přijímač) nedokonalá. CPGPS používá nosnou vlnu L1, která má periodu 1 s 1575,42 × 10 6 = 0,63475 n s ≈ 1 n s < displaystyle < frac <1 , mathrm > <1575,42 krát 10 ^ <6> >> = 0,63475 , mathrm přibližně 1 , mathrm >, což je asi jedna tisícina C / A zlatého kódu bitové periody 1 s 1023 × 10 3 = 977,5 n s ≈ 1000 n s < displaystyle < frac <1 , mathrm > <1023 krát 10 ^ <3> >> = 977,5 , mathrm přibližně 1000 , mathrm >, působit jako další hodinový signál a vyřešit nejistotu. Chyba fázového rozdílu v normálním GPS činí 2–3 m (6 ft 7 in – 9 ft 10 in) nejednoznačnosti. CPGPS pracující s přesností na 1% dokonalého přechodu snižuje tuto chybu na 3 cm nejednoznačnosti. Vyloučením tohoto zdroje chyb CPGPS ve spojení s DGPS obvykle dosahuje absolutní přesnosti mezi 20–30 cm (7,9–11,8 palce).

Relativní kinematické polohování (RKP) je třetí alternativou přesného systému určování polohy založeného na GPS. V tomto přístupu lze určit signál rozsahu s přesností menší než 10 cm (3,9 palce). Toho lze dosáhnout vyřešením počtu cyklů, kdy je signál vysílán a přijímán přijímačem pomocí kombinace dat korekce diferenciálního GPS (DGPS), přenášením informací o fázi signálu GPS a technikami řešení nejednoznačnosti pomocí statistických testů - případně se zpracováním v reálném čase -čas (kinematické určování polohy v reálném čase, RTK).

Sledování nosné fáze (geodetické) Upravit

Další metodou, která se používá v geodetických aplikacích, je sledování fáze nosné. Perioda nosné frekvence vynásobená rychlostí světla dává vlnovou délku, která je asi 0,19 m (7,5 palce) pro nosnou L1. Přesnost při detekci náběžné hrany do 1% vlnové délky snižuje tuto složku chyby pseudorange na pouhých 2 mm (0,079 palce). To je ve srovnání s 3 m (9,8 ft) pro kód C / A a 0,3 m (1 ft 0 v) pro kód P.

Přesnost 2 mm vyžaduje měření celkové fáze - počet vln vynásobený vlnovou délkou plus zlomkovou vlnovou délkou, což vyžaduje speciálně vybavené přijímače. Tato metoda má mnoho geodetických aplikací. Je dostatečně přesný pro sledování velmi pomalých pohybů tektonických desek v reálném čase, obvykle 0–100 mm (0,0–3,9 palce) za rok.

Trojnásobné diferenciace následované numerickým nalezením kořenů a technika nejmenších čtverců může odhadnout polohu jednoho přijímače vzhledem k poloze druhého. Nejprve spočítejte rozdíl mezi satelity, poté mezi přijímači a nakonec mezi epochami. Ostatní příkazy k přijímání rozdílů jsou stejně platné. Podrobná diskuse o chybách je vynechána.

Chyby hodin přijímače lze přibližně eliminovat rozdílem fází měřených ze satelitu 1 s fázemi ze satelitu 2 ve stejné epochě. [171] Tento rozdíl je označen jako Δ s (ϕ 1, 1, 1) = ϕ 1, 2, 1 - ϕ 1, 1, 1 < displaystyle Delta ^( phi _ <1,1,1>) = phi _ <1,2,1> - phi _ <1,1,1 >>

Dvojité rozlišení [172] spočítá rozdíl satelitu přijímače 1 od rozdílu přijímače 2. Tím se přibližně eliminují chyby satelitních hodin. Tento dvojitý rozdíl je:

Trojitý rozdíl [173] odečte rozdíl přijímače od času 1 od času 2. Tím se eliminuje nejednoznačnost spojená s celkovým počtem vlnových délek ve fázi nosiče za předpokladu, že se tato dvojznačnost s časem nezmění. Výsledek trojitého rozdílu tedy eliminuje prakticky všechny chyby zkreslení hodin a nejednoznačnost celého čísla. Atmosférické zpoždění a chyby efemerid družice byly významně sníženy. Tento trojitý rozdíl je:

Výsledky trojitého rozdílu lze použít k odhadu neznámých proměnných. Například, pokud je známá poloha přijímače 1, ale poloha přijímače 2 neznámá, je možné odhadnout polohu přijímače 2 pomocí numerického hledání kořenů a nejmenších čtverců. Výsledky trojitého rozdílu pro tři nezávislé časové páry mohou stačit k vyřešení tří pozičních složek přijímače 2. To může vyžadovat numerický postup. [174] [175] K použití takové numerické metody je zapotřebí aproximace polohy přijímače 2. Tuto počáteční hodnotu lze pravděpodobně poskytnout z navigační zprávy a průniku povrchů koulí. Takový rozumný odhad může být klíčem k úspěšnému vícerozměrnému nalezení kořenů. Iterace ze tří časových párů a poměrně dobrá počáteční hodnota vytvoří jeden pozorovaný výsledek trojitého rozdílu pro pozici přijímače 2. Zpracování dalších časových párů může zlepšit přesnost a předurčit odpověď pomocí více řešení. Nejméně čtverce mohou odhadnout předurčený systém. Nejméně čtverce určují polohu přijímače 2, která nejlépe vyhovuje pozorovaným výsledkům trojnásobného rozdílu pro polohy přijímače 2 pod kritériem minimalizace součtu čtverců.

Ve Spojených státech jsou přijímače GPS regulovány podle pravidel Federální komunikační komise (FCC), část 15. Jak je uvedeno v příručkách zařízení s podporou GPS prodávaných ve Spojených státech, jako zařízení podle části 15 „musí akceptovat jakékoli přijaté rušení, včetně rušení, které může způsobit nežádoucí provoz“. [176] Pokud jde konkrétně o zařízení GPS, FCC uvádí, že výrobci přijímačů GPS „musí používat přijímače, které rozumně diskriminují příjem signálů mimo jejich přidělené spektrum“. [177] Za posledních 30 let fungovaly přijímače GPS vedle pásma mobilní satelitní služby a bez jakéhokoli problému diskriminovaly příjem mobilních satelitních služeb, jako je Inmarsat.

Spektrum přidělené pro použití GPS L1 FCC je 1559 až 1610 MHz, zatímco spektrum přidělené pro použití satelit-země ve vlastnictví Lightsquared je pásmo mobilní satelitní služby. [178] Od roku 1996 FCC povolila licencované využívání spektra sousedícího s pásmem GPS od 1525 do 1559 MHz pro virginskou společnost LightSquared. 1. března 2001 obdržela komise FCC žádost od předchůdce společnosti LightSquared, společnosti Motient Services, aby využila přidělené frekvence pro integrovanou pozemní pozemní službu. [179] V roce 2002 dospěla americká průmyslová rada pro GPS k dohodě o emisích mimo pásmo (OOBE) se společností LightSquared, aby zabránila vysílání pozemních stanic LightSquared v přenosech do sousedního pásma GPS 1559 až 1610 MHz. [180] V roce 2004 přijala komise FCC dohodu OOBE ve svém povolení společnosti LightSquared nasadit pozemní síť doplňkovou k jejich satelitnímu systému - známému jako Ancillary Tower Components (ATC) - „Povolíme MSS ATC za podmínek, že zajistit, aby přidaná pozemská složka zůstala doplňková k hlavní nabídce MSS. Nemáme v úmyslu ani nedovolíme, aby se pozemská složka stala samostatnou službou. “ [181] Toto povolení bylo zkontrolováno a schváleno Rádiovým poradním výborem USA, který zahrnuje americké ministerstvo zemědělství, americké vesmírné síly, americkou armádu, pobřežní stráž USA, Federální letecký úřad, Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA), USA Ministerstvo vnitra a americké ministerstvo dopravy. [182]

V lednu 2011 FCC podmíněně autorizoval velkoobchodní zákazníky LightSquared - jako jsou Best Buy, Sharp a C Spire - k nákupu pouze integrované pozemní satelitní služby od LightSquared a opětovné prodeji této integrované služby na zařízeních, která jsou vybavena pouze používat pozemní signál pomocí přidělených frekvencí LightSquared od 1525 do 1559 MHz. [183] ​​V prosinci 2010 vyjádřili výrobci přijímačů GPS komisi FCC obavy, že signál LightSquared bude interferovat se zařízeními přijímače GPS [184], ačkoli politické úvahy FCC vedoucí k objednávce z ledna 2011 se netýkaly žádných navrhovaných změn maximálního počtu pozemních stanic LightSquared nebo maximální výkon, při kterém by tyto stanice mohly fungovat. Objednávka z ledna 2011 stanoví, že konečné povolení je podmíněno studiemi otázek rušení GPS provedenými pracovní skupinou vedenou LightSquared spolu s GPS průmyslem a účastí federálních agentur. Dne 14. února 2012 zahájila komise FCC řízení o vyřazení podmíněné výjimky LightSquared na základě závěru NTIA, že v současné době neexistuje žádný praktický způsob, jak zmírnit potenciální rušení GPS.

Výrobci přijímačů GPS navrhují přijímače GPS tak, aby využívaly spektrum mimo pásmo přidělené GPS. V některých případech jsou přijímače GPS navrženy tak, aby využívaly až 400 MHz spektra v obou směrech s frekvencí L1 1575,42 MHz, protože mobilní satelitní služby v těchto regionech vysílají z vesmíru na zem a na úrovních výkonu odpovídajících mobilním satelitním službám . [185] Jak je upraveno v pravidlech části 15 FCC, přijímačům GPS není zaručena ochrana před signály mimo spektrum přidělené GPS. [177] Z tohoto důvodu funguje GPS vedle pásma mobilní satelitní služby a také proto funguje pásmo mobilní satelitní služby vedle GPS. Symbiotický vztah alokace spektra zajišťuje, že uživatelé obou pásem jsou schopni spolupracovat a svobodně fungovat.

Komise FCC přijala v únoru 2003 pravidla, která umožňovala držitelům licencí na mobilní satelitní služby (MSS), jako je LightSquared, vybudovat v jejich licencovaném spektru malý počet pomocných pozemních věží, aby „podporovali efektivnější využívání pozemního bezdrátového spektra“. [186] V těchto pravidlech z roku 2003 FCC uvedla: „Předběžně se očekává, že pozemní [komerční mobilní rádiová služba („ CMRS “)] a MSS ATC budou mít různé ceny, pokrytí, přijetí produktu a distribuci, proto tyto dvě služby v nejlepším případě se jeví jako nedokonalá náhrada toho druhého, který by působil v převážně odlišných tržních segmentech. Je nepravděpodobné, že by MSS ATC přímo konkurovala pozemské CMRS pro stejnou zákaznickou základnu. “ V roce 2004 komise FCC objasnila, že pozemní věže by byly pomocné, s tím, že „Autorizujeme MSS ATC za podmínek, které zajistí, že přidaná pozemská složka zůstane doplňkovou k hlavní nabídce MSS. Nemáme v úmyslu ani nebudeme povolení, aby se pozemská složka stala samostatnou službou. “ [181] V červenci 2010 komise FCC uvedla, že očekává, že společnost LightSquared využije svého oprávnění nabízet integrovanou satelitní pozemní službu k „poskytování mobilních širokopásmových služeb podobných těm, které poskytují poskytovatelé pozemních mobilních sítí, a ke zvýšení konkurence v odvětví mobilních širokopásmových služeb“. [187] Výrobci přijímačů GPS tvrdili, že licencované spektrum LightSquared od 1525 do 1559 MHz se nikdy nepředpokládalo, že by bylo používáno pro vysokorychlostní bezdrátové širokopásmové připojení na základě rozhodnutí FCC ATC z let 2003 a 2004, která jasně ukazují, že komponenta Ancillary Tower Component (ATC) bude , ve skutečnosti doplňkový k primární satelitní složce. [188] Za účelem získání veřejné podpory snah o pokračování povolení FCC z roku 2004 pro pomocnou pozemní složku LightSquared vs. jednoduché pozemní služby LTE v pásmu mobilní satelitní služby vytvořil výrobce GPS přijímače Trimble Navigation Ltd. „Koalici pro záchranu GPS. “ [189]

Společnosti FCC a LightSquared se každý veřejně zavázaly vyřešit problém rušení GPS před povolením provozu sítě. [190] [191] Podle Chrise Dancyho z Asociace vlastníků a pilotů letadel mohou piloti leteckých společností s typem systémů, kterých by se to týkalo, „jít z kurzu a ani si to neuvědomit“. [192] Problémy by mohly ovlivnit také upgrade Federálního úřadu pro letectví na systém řízení letového provozu, pokyny amerického ministerstva obrany a místní pohotovostní služby včetně 911. [192]

Dne 14. února 2012 se komise FCC přestala zabývat plánovanou národní širokopásmovou sítí LightSquared poté, co byla informována Národní telekomunikační a informační správou (NTIA), federální agenturou, která koordinuje využití spektra pro armádu a další subjekty federální vlády, že „existuje v tuto chvíli neexistuje praktický způsob, jak zmírnit potenciální rušení “. [193] [194] LightSquared napadá akci FCC. [ potřebuje aktualizaci ]


Kam staré satelity umírají

Zápočet: Evropská organizace pro využívání meteorologických satelitů (EUMETSAT)

Meteosat-7, nejstarší operační meteorologický satelit EUMETSAT, zítra zahájí svou poslední cestu na velkou oběžnou dráhu hřbitova na obloze.

Po téměř 20 letech provozu - pozoruhodném výkonu, vzhledem k jeho předpokládané životnosti pěti let - bude provedena řada manévrů, které vynesou satelit z jeho současné geostacionární oběžné dráhy, 36 000 km nad Zemí, na nový a poslední odpočinek místo.

Co je tedy „oběžná dráha hřbitova“, proč ji potřebujeme a jak se tam dostane Meteosat-7?

Populační růst vede k obavám o zdraví a bezpečnost

Dnes tisíce satelitů létají na různých typech oběžných drah kolem Země.

Jelikož satelity mají omezenou životnost, je třeba dbát na to, aby kosmické lodě, které již nejsou v provozu a které je možné ovládat ze Země, nepředstavovaly žádné riziko pro ostatní, kteří sdílejí stejný prostor.

Družice obíhající na nízké Zemi - jako je kosmická loď Metop EUMETSAT, která obíhá planetu v nadmořské výšce 817 km po cestě, která je vede přes póly - dnes musí na konci své služby vyhradit dostatek paliva, aby operátoři mohli s nimi manévrovat na nižší oběžnou dráhu, která způsobí jejich opětovný vstup a spálení v zemské atmosféře do 25 let.

Jak však vysvětlil inženýr letové dynamiky EUMETSAT Milan Klinc, pro geostacionární satelity, jako je Meteosat-7 a modernější satelity Meteosat druhé generace (MSG) obíhající kolem Země v nadmořské výšce 36 000 km, jde o nemožný scénář konce životnosti. .

„Odtud se žádné satelity nedostanou zpět do zemské atmosféry,“ řekl Klinc.

„Vyžadovalo by to, aby satelit nesl příliš mnoho paliva - bylo by to příliš těžké.

Meteosat-7. Zápočet: Evropská organizace pro využívání meteorologických satelitů (EUMETSAT)

„To nejlepší, co mohou udělat, je jasně zvýšit nadmořskou výšku satelitu.“

Ochrana geostacionární oběžné dráhy

„Oběžná dráha hřbitova“ není skutečná oběžná dráha, ale spíše region, kde staré satelity nebudou představovat hrozbu pro ty, kteří jsou stále v provozu. Tato chráněná oblast byla stanovena na geostacionární nadmořskou výšku (36 000 km) plus 200 km, vysvětlil Klinc.

Zpočátku bylo tohoto řešení dosaženo dohodou mezi různými vesmírnými agenturami. Stalo se však formálnějším doporučením Meziagenturního koordinačního výboru pro vesmírné trosky (IADC), což je mezinárodní vládní fórum koordinující činnosti související s otázkami umělých a přírodních vesmírných trosek.

Nyní je třeba dodržovat normu Mezinárodní organizace pro standardizaci (ISO) týkající se zmírňování vesmírného odpadu.

„Musíte se s 90% pravděpodobností zaměřit na to, že vyčistíte tento region o délce 200 km plus,“ řekl Klinc.

„S Meteosat-7 s největší pravděpodobností dosáhneme 500 až 600 km nad geostacionárně chráněnou oblastí.“

Jakmile satelit dosáhne bezpečné vzdálenosti od chráněné geostacionární oblasti, budou přijata preventivní opatření k minimalizaci možnosti jeho rozbití v budoucnu.

Mezi tato opatření patří: co největší vyčerpání veškerého zbytkového paliva a tlakového plynu stále obsaženého v systému nádrže, vybití a odpojení baterií, vystřelení nadbytečných pyrotechnických zařízení a vypnutí téměř veškerého vybavení na palubě.

Grafické znázornění (ne v měřítku) manévrů popálenin nutných k opětovné oběžné dráze Meteosat-7 na oběžnou dráhu hřbitova. Zápočet: Evropská organizace pro využívání meteorologických satelitů (EUMETSAT)

K dosažení této oběžné dráhy hřbitova podstoupí Meteosat-7 sérii „vypalovacích manévrů“ každou polovinu oběžné dráhy, aby postupně zvyšoval svoji nadmořskou výšku.

„Navrhli jsme to tak, že po spálení číslo tři vyčistíme chráněnou oblast,“ říká Klinc.

„Nechali jsme rezervu na nejistotu a budeme pokračovat v manévrování výše, až s devíti manévry hoření.“

Meteosat-7 je rotující satelit, který se otáčí 100krát za minutu. Současně s tím, jak se družice znovu obíhá, sníží rychlost otáčení tím, že pečlivě vybere, který propeler použije při orbitálních manévrech.

Klinc je připočítán s tím, že tuto techniku ​​poprvé navrhl pro satelity Meteosat. To bylo úspěšně použito u Meteosat-5, který byl vyřazen na oběžnou dráhu hřbitova v roce 2007, a Meteosat-6 v roce 2011. V obou případech bylo dosaženo významného snížení konečné rychlosti rotace satelitu bez dalších nákladů na palivo.

To je nezbytné ke snížení odstředivého zatížení struktury satelitu a zajištění toho, že pokud by se například po 100 letech na oběžné dráze hřbitova odtrhl kousek satelitu, nebyl by vypuděn zpět do chráněné geostacionární oblasti kosmická loď se točí.

Místo posledního odpočinku?

„Oběžná dráha hřbitova“ tedy ve skutečnosti není oběžnou dráhou a tento termín je potenciálně zavádějící i v jiném ohledu.

Jednoho dne se může ukázat, že to nebude místo posledního odpočinku starých satelitů, řekl Klinc.

Počet satelitů na oběžné dráze hřbitova je pravděpodobně již stovky a při každoročním vypouštění nových kosmických lodí by se tato oblast mohla také stát příliš přeplněnou.

Spuštění Meteosat-7 dne 2. září 1997. Uznání: Evropská organizace pro využívání meteorologických satelitů (EUMETSAT)

„Kosmický odpad je velkým problémem,“ řekl Klinc.

„Uznáváme, že oběžná dráha hřbitova může být pouze dočasným řešením.

„Momentálně jsme teprve v počátečních teoretických fázích, ale musíme se podívat na trvalé řešení zahrnující odstranění nebo sběr starých satelitů.“

Program Meteosat byl uznán jako hlavní evropský úspěch v rámci Vesmírné strategie pro Evropu schválené Evropskou komisí v říjnu 2016.

Meteosat-7 byl vypuštěn 2. září 1997 a byl poslední z první generace satelitů Meteosat.

První generace satelitů Meteosat měla očekávanou životnost pět let. Skutečnost, že Meteosat-7 nadále poskytoval data a snímky, které pomáhají zachraňovat životy a majetek a předcházet ekonomickým ztrátám po dobu téměř 20 let, svědčí o robustním designu a obezřetném letovém provozu.

Po fázi spuštění a uvedení do provozu byl Meteosat-7 umístěn na 0 ° zeměpisné délky, dokud se v roce 2006 nepohyboval na 57 ° E, aby nahradil Meteosat-5 při poskytování služby Indického oceánu pro pokrytí dat (IODC). Do té doby převzaly službu 0 ° satelity MSG.

Meteosat-7 byl vyřazen z provozu a vypnut, čímž byla ukončena velmi úspěšná mise. Jako poslední z řady první generace to bude znamenat také konec 40leté historie toho, co bylo prvním evropským meteorologickým satelitním systémem na geosynchronní oběžné dráze.

Meteosat-8, první satelit MSM EUMETSAT, byl v loňském roce přesunut na 41,5 ° E, aby převzal Meteosat-7, a poskytoval pokrytí IODC v multipartnerském uspořádání s indickými, čínskými a japonskými geostacionárními satelity.


Ionosféra a troposféra

P A Bradley BSc MSc CEng MIEE, J A Lane DSc CEng FIEE FInstP, in Telecommunications Engineer & # x27s Reference Book, 1993

9.9 Troposférické efekty ve vesmírné komunikaci

V kosmické komunikaci se zemskou stanicí jako jedním terminálem vzniká několik problémů v důsledku lomu, absorpce a rozptylu, zejména na mikrovlnných frekvencích. Pro nízké úhly elevace paprsku pozemské stanice je často nutné vyhodnotit lom vyvolaný troposférou, tj. Určit chybu ve sledovaném místě satelitu. Hlavní část ohybu nastává v prvních dvou kilometrech nad zemí a existuje určitá statistická korelace mezi velikostí účinku a indexem lomu na povrchu. U vysoce přesných navigačních systémů a velmi úzkých paprsků je často nutné vyhodnotit variabilitu účinků lomu z naměřených hodnot indexu lomu jako funkci výšky. Souvisejícím jevem důležitým ve sledovacích systémech je fázové zkreslení na vlnové frontě v důsledku fluktuací indexu lomu, což je vlastnost úzce spojená s degradací zesílení. Toto fázové zkreslení také ovlivňuje stabilitu frekvencí přenášených troposférou.

Absorpce v čistém vzduchu může ovlivnit výběr frekvencí nad 40 GHz, aby se minimalizovalo rušení v jednom kanálu. Obrázek 9.9 ukazuje útlum zenitu od hladiny moře pro průměrnou čistou atmosféru jako funkci frekvence. Ilustruje „okenní“ oblasti zmíněné v průzkumu režimů šíření. Z nadmořské výšky 4 km by byly hodnoty asi jedna třetina zobrazených hodnot. To naznačuje potenciální použití frekvencí nad 40 GHz pro komunikaci na cestách umístěných nad spodními vrstvami troposféry.

Obrázek 9.9. Útlum Zenithu (dB) na čistém vzduchu

Mraky produkují další ztrátu, která závisí na jejich obsahu kapalné vody. Cloud typu vrstva (stratocumulus) nezpůsobí další útlum o více než 2 dB, a to ani při 140 GHz. Na druhou stranu, kumulonimbus obecně přidá několik decibelů k celkovému útlumu, přesná hodnota závisí na frekvenci a tloušťce mraku.

Absorpce ve srážkách (viz obrázek 9.7 (a)) již byla zmíněna ve vztahu k pozemským systémům. Kapky vody tlumí mikrovlny jak rozptylem, tak absorpcí. Pokud je vlnová délka znatelně větší než velikost kapky, pak je útlum způsoben téměř výhradně absorpce. Pro důkladné výpočty absorpce je nutné specifikovat rozdělení velikosti kapek, ale toto je v praxi velmi variabilní a v důsledku toho se v experimentálních měřeních nachází znatelný rozptyl o teoretické hodnotě. Navíc statistické informace o vertikálním rozdělení déšť je velmi omezený. To ztěžuje predikci spolehlivosti vesmírných spojů a zdůrazňuje hodnotu naměřených dat. Některé výsledky získané pomocí Slunce jako mimozemského zdroje jsou uvedeny na obrázku 9.10.

Obrázek 9.10. Měřené rozdělení pravděpodobnosti útlumu A na dráze Země-vesmír při 19 GHz (jihovýchodní Anglie: elevační úhly 5 ° až 40 °. Data ze slunečních sledovacích radiometrů)

Rozptyl z deště (a ledové krystaly na a nad bodem mrazu v atmosféře) může způsobit významné rušení na pozemních a vesmírných systémech se společným kanálem, i když paprsky ze dvou systémů nejsou směrovány k sobě na dráze velkého kruhu, jako je rozptyl je, na první aproximaci, izotropní. To může být také významné v případě dvou pozemských stanic s paprsky vyvýšenými vysoko nad horizont: například s jedním napájecím spojovacím vysílačem k vysílacímu satelitu a druhým přijímačem v pevné družicové službě. Tento způsob rušení může být dominantní, když kopce nebo jiné překážky poskytují určité „stínění“ proti signálům přicházejícím prostřednictvím režimu vedení.

Protože srážky (a v menší míře atmosférické plyny) absorbují mikrovlny, vyzařují také hluk tepelného typu. Často je vhodné specifikovat to z hlediska ekvivalentní teploty černého tělesa nebo jednoduše teploty šumu pro anténu směřující v daném směru. S radiometry a nízkošumovými přijímači je nyní možné měřit tento troposférický šum a ověřit jeho důležitost jako faktoru omezujícího výkon mikrovlnného vesmírného spoje Země. Pro úplné řešení je nutné vzít v úvahu nejen přímé záření do hlavního paprsku, ale také záření odražené od země a emise ze samotné země, přicházející k přijímači bočními a zadními laloky. Z meteorologického hlediska mohou radiometrické sondy (ze země, letadel, balónů nebo satelitů) poskytnout užitečné informace o troposférické a stratosférické struktuře. Absorpce srážek se stává silnou při frekvencích nad asi 30 GHz a scintilační efekty také rostou na důležitosti v milimetrovém rozsahu. Avšak u vesmírných spojů ve svislém směru nebo v jeho blízkosti může být spolehlivost systému dostatečná pro praktické použití i při vlnových délkách 3–4 mm. Kromě toho lze k minimalizaci účinků silného deště použít rozmístěné přijímače v systému rozmanitosti lokalit.

V posledních letech byly prováděny rozsáhlé studie účinků šíření (útlum, scintilace atd.) Přímým měřením pomocí satelitních přenosů. Zvláštní důraz byl kladen na frekvence mezi 10 a 30 GHz, s ohledem na účinek srážek na útlum a hluk systému. Podrobnosti jsou uvedeny ve zprávě 564 CCIR. U typických výškových úhlů 30 ° až 45 ° má celkový útlum překročený pro 0,01 a zesilovač času hodnoty v následujícím pořadí:

Experimenty s diverzitou lokalit využívající satelitní přenosy ukazují, že rozestupy lokalit řádově 5–10 km mohou poskytnout užitečné zlepšení spolehlivosti. Vylepšení však může záviset na geometrii webu a na topografických účincích. Při frekvencích nad 15 GHz může být výhoda rozmanitosti lokalit poměrně malá, pokud jsou lokality zvoleny tak, že silný déšť například ve frontálních systémech má tendenci ovlivňovat obě místa současně.

V kosmických telekomunikačních systémech se předpokládá opakované použití frekvence pomocí ortogonální polarizace. Ale tato technika je omezena depolarizací způsobenou deštěm a ledovými mraky a v menší míře anténami systému. Experimentální data o polarizačním zkreslení získaná v satelitních experimentech jsou uvedena ve zprávě CCIR 564.

Stále jsou zapotřebí další data, zejména ze satelitního přenosu a na frekvencích nejméně 40 GHz. V této souvislosti je důležitá dostupnost signálů ze satelitu Olympus na 12, 20 a 30 GHz od roku 1989. Rovněž jsou plánována měření na 20, 40 a 50 GHz na satelitu ITALSAT. Stále však zůstává potřeba vylepšených předpovědí pro příjem v regionech s nízkou šířkou (rovníkové). Toto bylo nedávno předmětem studia v pracovní skupině CCIR.


Proč oblouky satelitů náhle končí, když jsou pozorovány ze Země - astronomie

V reakci na otázku „Liší se gravitace na povrchu Země?“ Jste uvedli, že gravitační síla bude na vrcholu Mt. menší. Everest. Jako základ odpovědi použijete vzorec 1 / R2. Zdá se mi, že tato rovnice funguje pouze tehdy, když opustíte povrch Země. Říkám to proto, že když se ponoříte do země, gravitační síla klesá, dokud nedosáhnete středu, kde je 0. A pokud byste přidali hmotu k celkovému povrchu Země, jak se zvětšovala, i když jste posunut dále od jeho středu, gravitační síla by vzrostla. Předpokládám, že máte na mysli teoretický povrch Země, kde je gravitace na svém maximu. V takovém případě, protože Mt. Everest je nad tímto povrchem, gravitační síla by byla menší. Moje otázka zní (konečně): Vážil bych v Údolí smrti méně než na úrovni moře (všechny ostatní věci by byly stejné)?

Gravitační síla, kterou cítíte stojící na povrchu Země, závisí na dvou věcech. Oni jsou:

  1. Vaše vzdálenost od středu Země, R
  2. Hmotnost uzavřená v okruhu R, M (R)

Bod 2 je ve skutečnosti docela subtilní. Je to pouze hmota uvnitř poloměru, ve kterém se nacházíte, která ovlivňuje gravitační sílu, kterou cítíte. To možná není hned zřejmé, ale existuje čistá věta, kterou procházejí vysokoškolské obory fyziky, což to dokazuje (alespoň v případě sféricky symetrického objektu).

Pokud byste se tedy tunelovali přes Zemi do středu, přímo na R = 0 by nebyla uzavřena žádná hmota, takže by neexistovala žádná čistá gravitační síla. Jakmile přejdete nad nejvyšší vrchol hory, veškerá hmota Země je uvnitř vaší polohy, takže se hmota již nemění s poloměrem a přímo platí zákon 1 / R 2. Mezi těmito dvěma extrémy se hraje play-off. Jak se budete pohybovat dále od středu Země, gravitace klesá jako 1 / R 2, ale hmotnost uzavřená v R také mírně vzroste, takže čistá změna gravitace bude něco jiného.

U koule s rovnoměrnou hustotou se hmotnost zvyšuje s poloměrem jako R 3, takže při pohybu po takové kouli se čistá změna gravitace zvyšuje úměrně k R. Jakmile se dostanete mimo povrch koule, gravitační síla pak klesá jako 1 / R 2.

Země je ne jednotná koule. Je poměrně centrálně koncentrovaný, takže změna hmoty s poloměrem je mnohem menší než R 3, jakmile se dostanete ven z jádra. Nad povrchem Země je změna množství hmoty s vaší výškou velmi malé ve srovnání s celkovou hmotností, takže zákon 1 / R 2 funguje docela dobře - ale máte pravdu, když říkáte, že jde o zjednodušení.

Chcete-li zjistit, zda vážíte v Údolí smrti méně než na úrovni hladiny moře nebo na vrcholu Mount Everestu, musíte vědět, kolik hmoty Země je uzavřeno v těchto různých poloměrech. Vsadil bych se, že rozdíl je tak malý, že je zanedbatelný, v takovém případě stačí použít zákon 1 / R 2, a proto vážíte více v Údolí smrti než na hladině moře. Pokud by byla hromadná změna významná, budete ji muset do výpočtu započítat, a pokud tedy půjdete podstatně hlouběji než Údolí smrti, nakonec budete znovu vážit méně než na úrovni moře.

Moc děkuji za vysvětlení. Odpověděl jsi mi celkem dobře. Bohužel nyní dlužím spolupracovníkovi koks (-:

Otázka přišla z diskuse o tom, že ve středu Země není gravitační síla. Předpokládal jsem, že pokud někdo vyvrtá úplně díru do země a odsaje veškerý vzduch, může člověk do díry skočit a vynořit se na druhou stranu Země. To samozřejmě nepředpokládá žádné tření. Pokud by naopak došlo ke tření, ze vzduchu nebo z kartáčování po stranách tunelu, pak byste skončili s konečným bungee jumpem.

Zajímalo by mě, jestli to chcete zjistit, jaká bude rychlost, když projdete středem a jak dlouho bude trvat cesta (opět za předpokladu, že nebudete mít tření).

Ve skutečnosti je to zajímavá otázka, kterou jsem měl na finále fyziky jako student! :) Tam jsme předpokládali, že Země je jednotná koule, která je matematicky snadná (ale ne příliš realistická). Pokud byste vyvrtali díru přes Zemi a skočili dovnitř, skutečně byste kmitali tam a zpět, podobně jako kyvadlo osciluje na provázku! (To samozřejmě nepředpokládá žádné tření ani odpor vzduchu.) S hmotnostním modelem pro Zemi (tj. Vzorec, který říká, jak se hmotnost mění s hloubkou), můžete docela snadno zjistit, jak dlouho by to trvalo, a rychlost ve středu .

Fyzika a matematika této hypotetické díry skrz Zemi jsou podrobněji popsány na následujících stránkách:

Tato stránka byla naposledy aktualizována 30. ledna 2016.

O autorovi

Karen Masters

Karen byla postgraduální studentka v Cornellu v letech 2000-2005. Pokračovala jako výzkumná pracovnice v průzkumech rudého posuvu galaxií na Harvardově univerzitě a nyní je na fakultě University of Portsmouth ve své domovské zemi ve Velké Británii. Její výzkum se v poslední době zaměřuje na využití morfologie galaxií k získání vodítek k jejich formování a vývoji. Je vědeckou pracovnicí projektu Galaxy Zoo.


Proč oblouky satelitů náhle končí, když jsou pozorovány ze Země - astronomie


Od svého uvedení na trh 23. července 1999, Chandra
Rentgenová observatoř byla vlajkovou lodí NASA
mise pro rentgenovou astronomii, která zaujala své místo v
flotila „velkých observatoří“.

Chandra X-ray Observatory NASA je dalekohled speciálně navržený pro detekci rentgenových emisí z velmi horkých oblastí vesmíru, jako jsou explodované hvězdy, shluky galaxií a hmota kolem černých děr. Protože rentgenové záření pohlcuje zemská atmosféra, musí Chandra obíhat nad ní, a to až do nadmořské výšky 139 000 km (86 500 mil) ve vesmíru. Smithsonian's Astrophysical Observatory v Cambridge, MA, hostí rentgenové centrum Chandra, které provozuje satelit, zpracovává data a distribuuje je vědcům po celém světě k analýze. Centrum spravuje rozsáhlou veřejnou webovou stránku o výsledcích vědy a vzdělávacím programu.

Chandra nese čtyři velmi citlivá zrcadla vnořená do sebe. Energetické rentgenové paprsky zasáhnou vnitřek dutých skořápek a jsou zaměřeny na elektronické detektory na konci 9,2 m (30 stop) optické lavice. V závislosti na použitém detektoru lze vytvořit a analyzovat velmi podrobné obrazy nebo spektra kosmického zdroje.

Chandra zobrazila velkolepé zářící zbytky explodovaných hvězd a pořídila spektra ukazující rozptyl prvků. Chandra pozorovala oblast kolem supermasivní černé díry ve středu naší Mléčné dráhy a našla černé díry ve vesmíru. Chandra vysledovala oddělení temné hmoty od normální hmoty při srážce galaxií v kupě a přispívá ke studiu temné hmoty i temné energie. Jak bude její mise pokračovat, Chandra bude i nadále objevovat překvapivou novou vědu o našem vysokoenergetickém vesmíru. Sledujte nás na Facebooku a Twitteru


Podívejte se na video: Satelit na zahradě (Říjen 2022).