Global Positioning Sistem

Artis konsepsi GPS Blok II-F satelit di orbit Bumi.

Sipil GPS receiver (" navigasi GPS perangkat ") dalam aplikasi laut.

Otomotif sistem navigasi di taksi.

GPS receiver sekarang terintegrasi di banyak ponsel .

Global Positioning System (GPS) adalah ruang berbasis sistem satelit navigasi global (GNSS) yang menyediakan lokasi informasi dan waktu dalam segala cuaca, di mana saja pada atau dekat Bumi, di mana ada garis terhalang dari pandangan ke empat atau lebih satelit GPS . Hal ini dipertahankan oleh Amerika Serikat pemerintah dan dapat diakses secara bebas oleh siapa saja dengan penerima GPS dengan beberapa keterbatasan teknis yang hanya dikeluarkan bagi pengguna militer.
Proyek GPS dikembangkan pada tahun 1973 untuk mengatasi keterbatasan sistem navigasi sebelumnya, ^[1] mengintegrasikan ide-ide dari beberapa pendahulunya, termasuk sejumlah studi desain teknik diklasifikasikan dari tahun 1960-an. GPS diciptakan dan direalisasikan oleh Departemen Pertahanan AS (USDOD) dan pada awalnya dijalankan dengan 24 satelit. Ini menjadi sepenuhnya operasional pada tahun 1994.
Selain GPS, sistem lain yang digunakan atau dalam pengembangan. Global sistem navigasi satelit Rusia ( GLONASS ) itu digunakan hanya oleh militer Rusia, sampai dibuat sepenuhnya tersedia untuk warga sipil pada tahun 2007. Ada juga Cina direncanakan Kompas sistem navigasi dan Uni Eropa sistem Galileo positioning .

Sejarah

Desain GPS didasarkan pada sebagian tanah serupa berbasis sistem navigasi radio, seperti LORAN dan Decca Navigator yang dikembangkan pada awal 1940-an, dan digunakan selama Perang Dunia II . Pada tahun 1956, Friedwardt Winterberg ^[2] mengusulkan tes relativitas umum (waktu melambat di kuat gravitasi lapangan) menggunakan akurat jam atom ditempatkan di orbit di satelit buatan. Untuk mencapai persyaratan akurasi, GPS menggunakan prinsip-prinsip relativitas umum untuk memperbaiki jam atom satelit '. Inspirasi tambahan untuk GPS datang ketika Uni Soviet meluncurkan satelit buatan pertama, Sputnik pada tahun 1957. Dua fisikawan Amerika, William Guier dan George Weiffenbach, di Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL), memutuskan sendiri untuk memonitor transmisi radio Sputnik. Mereka segera menyadari bahwa, karena efek Doppler , mereka mampu melacak posisi satelit tersebut mengorbit dari pergeseran Doppler. Direktur APL memberikan mereka akses ke merek mereka baru UNIVAC II untuk melakukan perhitungan berat yang diperlukan. Ketika mereka merilis orbit Sputnik untuk media Rusia tercengang untuk mempelajari seberapa kuat komputer Amerika telah menjadi, karena mereka tidak dapat menghitung orbit sendiri. Musim semi berikutnya, Frank McClure, wakil direktur APL, meminta Guier dan Weiffenbach untuk melihat masalah inversi mana Anda tahu lokasi satelit dan Anda ingin menemukan lokasi Anda sendiri. Hal ini menyebabkan mereka dan APL untuk mengembangkan sistem Transit. ^[3]

Satelit pertama sistem navigasi, Transit (satelit) , yang digunakan oleh Angkatan Laut Amerika Serikat , pertama kali berhasil diuji pada tahun 1960. Ini digunakan konstelasi lima satelit dan dapat memberikan navigasi memperbaiki sekitar sekali per jam. Pada tahun 1967, AL AS mengembangkan timation satelit yang membuktikan kemampuan untuk menempatkan jam yang akurat di angkasa, merupakan teknologi yang dibutuhkan oleh GPS. Pada 1970-an, tanah berbasis Omega Navigation System , berdasarkan perbandingan fase transmisi sinyal dari stasiun pasang, ^[4] menjadi radio pertama sistem navigasi seluruh dunia. Keterbatasan sistem ini mendorong kebutuhan untuk solusi navigasi yang lebih universal dengan akurasi yang lebih besar.
Sementara ada kebutuhan yang luas untuk navigasi yang akurat di sektor militer dan sipil, hampir tidak satupun dari mereka dipandang sebagai pembenaran bagi miliaran dolar akan biaya dalam penelitian, pengembangan, penyebaran, dan operasi untuk konstelasi satelit navigasi. Selama Perang Dingin perlombaan senjata , ancaman nuklir untuk keberadaan Amerika Serikat adalah salah satu kebutuhan yang tidak membenarkan biaya ini dalam pandangan Kongres Amerika Serikat. Ini efek jera sebabnya GPS didanai. Para triad nuklir terdiri dari Amerika Serikat Angkatan Laut kapal selam meluncurkan rudal balistik (SLBMs) ​​bersama dengan Angkatan Udara Amerika Serikat (USAF) pembom strategis dan rudal balistik antarbenua (ICBM). Dianggap penting untuk pencegahan nuklir postur, penentuan akurat posisi peluncuran SLBM adalah kekuatan pengganda .
Navigasi yang tepat akan memungkinkan Amerika Serikat kapal selam untuk mendapatkan memperbaikinya akurat posisi mereka sebelum meluncurkan SLBMs mereka. ^[5] The USAF dengan dua-pertiga dari tiga serangkai nuklir juga memiliki persyaratan untuk sistem navigasi yang lebih akurat dan dapat diandalkan. Angkatan Laut dan Angkatan Udara sedang mengembangkan teknologi mereka sendiri secara paralel untuk memecahkan apa yang pada dasarnya masalah yang sama. Untuk meningkatkan survivability ICBM, ada usulan untuk menggunakan platform peluncuran ponsel (seperti Rusia SS-24 dan SS-25 ) dan sehingga kebutuhan untuk memperbaiki posisi peluncuran memiliki kesamaan dengan situasi SLBM.
Pada tahun 1960, Angkatan Udara mengusulkan sebuah sistem navigasi radio yang disebut MOSAIC (sistem mobile Pengendalian akurat ICBM) yang pada dasarnya 3-D LORAN . Sebuah studi lanjutan-on yang disebut Proyek 57 adalah bekerja pada tahun 1963 dan itu "dalam studi ini bahwa konsep GPS dilahirkan." Pada tahun yang sama konsep itu dikejar sebagai Project 621B, yang memiliki "banyak atribut yang Anda sekarang melihat GPS" ^[6] dan berjanji akurasi meningkat bagi pengebom Angkatan Udara serta ICBM. Pembaruan dari sistem Transit Angkatan Laut terlalu lambat untuk kecepatan tinggi operasi Angkatan Udara. Laboratorium Angkatan Laut Penelitian dilanjutkan kemajuan dengan timation mereka (Waktu Navigasi) satelit, pertama kali diluncurkan pada tahun 1967, dan dengan yang ketiga pada tahun 1974 membawa jam atom pertama ke orbit. ^[7]
Dengan perkembangan paralel dalam tahun 1960, disadari bahwa sistem unggul dapat dikembangkan dengan sintesis teknologi terbaik dari 621B, Transit, timation, dan Secor dalam program multi-layanan.
Selama akhir pekan Hari Buruh pada tahun 1973, sebuah pertemuan sekitar 12 perwira militer di Pentagon membahas penciptaan Pertahanan Navigasi Satelit Sistem (DNSS). Itu pada pertemuan ini bahwa "sintesis nyata yang menjadi GPS diciptakan." Belakangan tahun itu, program DNSS bernama Navstar. Dengan satelit individu yang terkait dengan Navstar nama (seperti dengan Transit pendahulu dan timation), nama yang lebih lengkap meliputi digunakan untuk mengidentifikasi konstelasi satelit Navstar, Navstar-GPS, yang kemudian disingkat hanya untuk GPS. ^[8]
Setelah Korean Air Lines Penerbangan 007 , yang membawa 269 orang, ditembak jatuh pada tahun 1983 setelah berkeliaran ke Uni Soviet wilayah udara dilarang , ^[9] di sekitar Sakhalin dan Moneron Kepulauan , Presiden Ronald Reagan mengeluarkan direktif membuat GPS bebas tersedia untuk penggunaan sipil, setelah itu cukup berkembang, sebagai kepentingan umum. ^[10] Satelit pertama diluncurkan pada tahun 1989, dan satelit 24 diluncurkan pada tahun 1994.
Awalnya, kualitas sinyal tertinggi disediakan untuk penggunaan militer, dan sinyal tersedia untuk penggunaan sipil sengaja terdegradasi (" Ketersediaan Selektif ", SA). Hal ini berubah dengan Presiden Bill Clinton memerintahkan Ketersediaan Selektif harus dimatikan pada tengah malam 1 Mei 2000, meningkatkan presisi GPS sipil dari 100 meter (sekitar 300 kaki) hingga 20 meter (sekitar 65 kaki). Perintah eksekutif yang ditandatangani pada tahun 1996 untuk mematikan Ketersediaan Selektif pada tahun 2000 diusulkan oleh Sekretaris Pertahanan AS, William Perry , karena pertumbuhan luas diferensial GPS akurasi layanan untuk meningkatkan sipil dan menghilangkan keuntungan militer AS. Selain itu, militer AS secara aktif mengembangkan teknologi untuk menolak layanan GPS untuk musuh potensial secara regional. ^[11]
GPS dimiliki dan dioperasikan oleh Pemerintah Amerika Serikat sebagai sumber daya nasional. Departemen Pertahanan (USDOD) adalah pelayan GPS. Antar GPS Dewan Eksekutif (IGEB) mengawasi hal-hal kebijakan GPS 1996-2004. Setelah itu Antariksa Nasional Berbasis Positioning Navigasi, dan Komite Eksekutif Waktu didirikan oleh instruksi presiden pada tahun 2004 untuk memberikan saran dan mengkoordinasikan departemen federal dan lembaga pada hal-hal mengenai GPS dan sistem yang terkait. Komite eksekutif diketuai bersama oleh wakil sekretaris pertahanan dan transportasi. Keanggotaannya mencakup setara tingkat pejabat dari departemen negara, perdagangan, dan keamanan tanah air, para kepala staf gabungan, dan NASA. Komponen kantor eksekutif presiden berpartisipasi sebagai pengamat untuk komite eksekutif, dan ketua FCC berpartisipasi sebagai penghubung.
USDOD diwajibkan oleh hukum untuk "mempertahankan Standard Positioning Service (sebagaimana didefinisikan dalam rencana navigasi radio federal dan layanan spesifikasi posisi sinyal standar) yang akan tersedia secara, terus menerus di seluruh dunia," dan "mengembangkan langkah-langkah untuk mencegah penggunaan bermusuhan GPS dan augmentations tanpa terlalu mengganggu atau menggunakan sipil merendahkan. "

Timeline dan modernisasi

Ringkasan satelit ^[12]

Blok	Meluncurkan Periode	Satelit meluncurkan				Saat ini di orbit dan sehat
		SUC- cess	Gagal- ure	Dalam persiapan- aration	Rencana- ned
Aku	1978-1985	10	1	0	0	0
II	1989-1990	9	0	0	0	0
IIA	1990-1997	19	0	0	0	10
IIR	1997-2004	12	1	0	0	12
IIR-M	2005-2009	8	0	0	0	7
IIF	2010-2011	2	0	10	0	2
IIIA	2014 -?	0	0	0	12	0
IIIB	Teoretis	0	0	0	8	0
IIIC	Teoretis	0	0	0	16	0
Total		60	2	10	36	31
(Last update: 24 Mei 2010) PRN 01 dari Blok IIR-M adalah tidak sehat PRN 25 dari Blok IIA adalah tidak sehat PRN 32 dari Blok IIA adalah tidak sehat [13] Untuk daftar yang lebih lengkap, lihat daftar satelit GPS meluncurkan

• Pada tahun 1972, Angkatan Udara Pusat Bimbingan Test Fasilitas Inertial (Holloman AFB), dilakukan tes penerbangan perkembangan dua prototipe penerima GPS di atas White Sand Missile Range , menggunakan tanah berbasis pseudo-satelit.
• Pada tahun 1978, percobaan pertama Block-I GPS diluncurkan.
• Pada tahun 1983, setelah Soviet pesawat pencegat ditembak jatuh pesawat sipil KAL 007 yang menyimpang ke wilayah udara dilarang karena kesalahan navigasi, membunuh 269 orang di kapal, Presiden AS Ronald Reagan mengumumkan bahwa GPS akan dibuat tersedia untuk digunakan oleh rakyat sipil begitu sistem itu selesai. ^{[14] [15]}
• Pada tahun 1985, sepuluh Block-I eksperimental lebih satelit telah diluncurkan untuk memvalidasi konsep tersebut. Komando & Pengendalian satelit ini telah pindah dari Onizuka AFS, CA dan berpaling ke satelit Kontrol 2 Skuadron (2SCS) yang terletak di Stasiun Angkatan Udara di Colorado Falcon Springs, Colorado. ^{[16] [17]}
• Pada tanggal 14 Februari 1989, modern Block-II pertama diluncurkan satelit.
• Para Perang Teluk 1990-1991, adalah konflik pertama di mana GPS digunakan secara luas. ^[18]
• Pada tahun 1992, Space Wing 2, yang awalnya dikelola sistem, di-nonaktifkan dan diganti dengan Space Wing ke-50 .
• Pada Desember 1993, GPS mencapai kemampuan operasional awal (IOC), menunjukkan konstelasi penuh (24 satelit) yang tersedia dan menyediakan Standard Positioning Service (SPS). ^[19]
• Kemampuan untuk beroperasi penuh (FOC) dinyatakan oleh Angkatan Udara Komando Ruang Angkasa (AFSPC) pada bulan April 1995, menandakan ketersediaan penuh Precise Positioning Service mengamankan militer (PPS). ^[19]
• Pada tahun 1996, mengakui pentingnya GPS untuk pengguna sipil serta pengguna militer, Presiden AS Bill Clinton mengeluarkan arahan kebijakan ^[20] menyatakan GPS untuk menjadi dual-gunakan sistem dan membentuk sebuah Dewan Eksekutif Antar GPS untuk mengelola sebagai nasional aset.
• Pada tahun 1998, Amerika Serikat Wakil Presiden Al Gore mengumumkan rencana untuk mengupgrade GPS dengan dua sinyal sipil baru untuk akurasi dan keandalan pengguna, khususnya yang berkaitan dengan keselamatan penerbangan dan pada tahun 2000 Kongres Amerika Serikat resmi usaha, merujuknya sebagai GPS III .
• Pada tahun 1998, teknologi GPS dilantik ke dalam Ruang Yayasan Balai Teknologi Antariksa of Fame.
• Pada tanggal 2 Mei 2000 "Ketersediaan Selektif" dihentikan sebagai akibat dari perintah eksekutif tahun 1996, memungkinkan pengguna untuk menerima sinyal tidak bertingkat secara global.
• Pada tahun 2004, Pemerintah Amerika Serikat menandatangani perjanjian dengan Komunitas Eropa membangun kerjasama terkait dengan direncanakan GPS dan Eropa sistem Galileo .
• Pada tahun 2004, Presiden Amerika Serikat George W. Bush memperbaharui kebijakan nasional dan menggantikan dewan eksekutif dengan Komite Eksekutif Nasional untuk Space-Based Positioning, Navigation, dan Waktu. ^[21]
• November 2004, QUALCOMM mengumumkan keberhasilan tes GPS dibantu untuk ponsel . ^[22]
• Pada tahun 2005, modern pertama satelit GPS diluncurkan dan mulai mentransmisikan sinyal sipil kedua (L2C) untuk kinerja pengguna yang ditingkatkan.
• Pada tanggal 14 September 2007, berbasis mainframe Kantor Sistem Kontrol Segmen penuaan dipindahkan ke Rencana Evolusi Arsitektur baru. ^[23]
• Pada tanggal 19 Mei 2009, Amerika Serikat Pemerintah Accountability Office mengeluarkan laporan yang memperingatkan bahwa beberapa satelit GPS bisa gagal sesegera 2010. ^[24]
• Pada tanggal 21 Mei 2009, Angkatan Udara Komando Ruang disembuhkan kekhawatiran kegagalan GPS mengatakan "Hanya ada risiko kecil kami tidak akan terus melebihi standar kinerja kami." ^[25]
• Pada 11 Januari 2010, update sistem kontrol tanah menyebabkan inkompatibilitas perangkat lunak dengan 8.000-10.000 penerima militer yang diproduksi oleh sebuah divisi dari Trimble Navigation Limited dari Sunnyvale, California ^[26]
• Sebuah satelit GPS diluncurkan pada 28 Mei 2010. ^[27] Satelit GPS tertua yang masih beroperasi diluncurkan pada 26 November 1990, dan menjadi operasional pada 10 Desember 1990. ^[28]
• Satelit GPS, GPS IIF-2, diluncurkan pada 16 Juli, 2011 at 2:41 ET dari 37B Peluncuran Ruang Kompleks di Stasiun Angkatan Udara Cape Canaveral . ^[29]

Penghargaan

Pada tanggal 10 Februari 1993, Asosiasi Nasional Aeronautika dipilih Tim GPS sebagai pemenang tahun 1992 J. Robert Collier Trophy , penghargaan paling bergengsi penerbangan bangsa. Tim ini menggabungkan peneliti dari Naval Research Laboratory , USAF, yang Korporasi Aerospace , Rockwell International Corporation , dan IBM federal Sistem Perusahaan. Kehormatan kutipan mereka "untuk pengembangan paling signifikan untuk navigasi yang aman dan efisien dan pengawasan dari udara dan pesawat ruang angkasa sejak diperkenalkannya radio navigasi 50 tahun yang lalu. "
Dua GPS pengembang menerima National Academy of Engineering Charles Stark Draper Prize untuk tahun 2003:

• Mendapatkan ivan , presiden emeritus Aerospace Corporation dan seorang insinyur di Institut Teknologi Massachusetts , mendirikan dasar untuk GPS, meningkatkan pada Perang Dunia II sistem pertanahan berbasis radio yang disebut LORAN (Lo ng-R adio Sebuah rentang id untuk avigation N ).
• Bradford Parkinson , profesor aeronautika dan astronautika di Universitas Stanford , dikandung sistem berbasis satelit hadir di awal 1960-an dan dikembangkan bersama dengan US Air Force. Parkinson melayani dua puluh satu tahun di Angkatan Udara, 1957-1978, dan pensiun dengan pangkat kolonel.

GPS pengembang Roger L. Easton menerima National Medal of Technology pada tanggal 13 Februari 2006. ^[30]
Francis X. Kane (Kolonel USAF, ret.) dilantik menjadi US Air Force Space dan Rudal Aula Perintis of Fame di Lackland AFB, San Antonio, Texas, 2 Maret 2010 untuk perannya dalam pengembangan ruang teknologi dan desain rekayasa Konsep GPS dilakukan sebagai bagian dari Proyek 621B.

Konsep Dasar GPS

Sebuah penerima GPS menghitung posisinya dengan tepat waktu sinyal yang dikirim oleh GPS satelit tinggi di atas Bumi. Setiap satelit mentransmisikan pesan terus-menerus yang meliputi

• saat pesan itu dikirim
• tepat orbital informasi ( ephemeris )
• kesehatan umum sistem dan orbit kasar dari semua satelit GPS (almanac).

Penerima menggunakan pesan yang diterimanya untuk menentukan waktu transit dari setiap pesan dan menghitung jarak ke setiap satelit. Jarak ini bersama dengan lokasi satelit 'digunakan dengan bantuan kemungkinan Trilateration , tergantung pada algoritma yang digunakan, untuk menghitung posisi penerima. Posisi ini kemudian ditampilkan, mungkin dengan tampilan peta bergerak atau lintang dan bujur, informasi elevasi dapat dimasukkan. Banyak GPS unit menampilkan informasi yang diperoleh seperti arah dan kecepatan, dihitung dari perubahan posisi.
Tiga satelit mungkin tampak cukup untuk memecahkan untuk posisi karena ruang memiliki tiga dimensi dan posisi dekat permukaan bumi dapat diasumsikan. Namun, bahkan sangat kecil kesalahan jam dikalikan dengan sangat besar kecepatan cahaya ^[31] - kecepatan di mana sinyal satelit merambat - hasil dalam kesalahan posisional yang besar. Oleh karena itu receiver menggunakan empat atau lebih satelit untuk memecahkan penerima lokasi dan waktu. Waktu yang sangat akurat dihitung secara efektif disembunyikan oleh aplikasi GPS yang paling, yang hanya menggunakan lokasi. Sebuah beberapa aplikasi GPS khusus Bagaimanapun menggunakan waktu; ini termasuk waktu transfer , lalu lintas waktu sinyal, dan sinkronisasi BTS ponsel .
Meskipun empat satelit yang diperlukan untuk operasi normal, kurang berlaku dalam kasus-kasus khusus. Jika salah satu variabel sudah diketahui, penerima dapat menentukan posisinya hanya menggunakan tiga satelit. Misalnya, sebuah kapal atau pesawat udara mungkin telah dikenal ketinggian. Beberapa receiver GPS dapat menggunakan petunjuk tambahan atau asumsi (seperti menggunakan kembali ketinggian terakhir diketahui, perhitungan mati , navigasi inersia , atau termasuk informasi dari kendaraan komputer) untuk memberikan posisi (terdegradasi) kurang akurat bila kurang dari empat satelit yang terlihat. ^{[ 32] [33] [34]}

Posisi perhitungan pengenalan

Dua lingkup permukaan memotong dalam lingkaran

Permukaan bola berpotongan lingkaran (bukan disk solid) di dua titik

Untuk memberikan gambaran pengantar tentang bagaimana penerima GPS bekerja, efek kesalahan ditangguhkan untuk bagian selanjutnya. Menggunakan pesan yang diterima dari minimal empat satelit yang terlihat, penerima GPS dapat menentukan waktu dikirim dan kemudian posisi satelit yang sesuai untuk kali ini dikirim. X, y, dan komponen z posisi, dan waktu dikirim, yang ditunjuk sebagai dimana subscript i adalah jumlah satelit dan memiliki nilai 1, 2, 3, atau 4. Mengetahui waktu menunjukkan pesan diterima , Penerima GPS dapat menghitung waktu transit dari pesan sebagai . Dengan asumsi pesan bepergian pada kecepatan cahaya, c , jarak tempuh atau pseudorange, dapat dihitung sebagai .
Posisi satelit dan pseudorange menentukan lingkup, yang berpusat pada satelit, dengan radius sama dengan pseudorange tersebut. Posisi penerima adalah suatu tempat di permukaan bidang ini. Jadi dengan empat satelit, posisi yang ditunjukkan dari penerima GPS adalah pada atau di dekat persimpangan dari permukaan empat spheres. Dalam kasus yang ideal tidak ada kesalahan, penerima GPS akan berada pada persimpangan yang tepat dari empat permukaan.
Jika permukaan dua bidang berpotongan pada lebih dari satu titik, mereka berpotongan dalam lingkaran. Artikel Trilateration menunjukkan hal ini secara matematis. Seorang tokoh, Permukaan Sphere Dua berpotongan di Lingkaran, ditampilkan di bawah. Dua poin di mana permukaan bidang berpotongan jelas ditunjukkan pada gambar. Jarak antara dua titik adalah diameter lingkaran persimpangan. Persimpangan dari permukaan bola ketiga dengan dua pertama akan persimpangan dengan lingkaran itu, dalam banyak kasus kepentingan praktis, ini berarti mereka berpotongan di dua titik. ^[35] Tokoh, Permukaan Sphere berpotongan Lingkaran (bukan yang solid disk) di dua titik, menggambarkan persimpangan. Dua persimpangan ditandai dengan titik-titik. Sekali lagi artikel Trilateration jelas menunjukkan hal ini secara matematis.
Untuk mobil dan lainnya dekat-Bumi kendaraan, posisi yang benar dari penerima GPS adalah persimpangan terdekat dengan permukaan bumi. ^[36] Untuk kendaraan ruang, persimpangan terjauh dari Bumi mungkin yang benar.
Posisi yang benar untuk penerima GPS juga persimpangan paling dekat dengan permukaan bola sesuai dengan satelit keempat.

Memperbaiki jam receiver GPS

Salah satu sumber kesalahan yang paling signifikan adalah jam penerima GPS. Karena nilai yang sangat besar dari kecepatan cahaya , c, jarak diperkirakan dari penerima GPS ke satelit, pseudoranges , sangat sensitif terhadap kesalahan dalam jam penerima GPS, misalnya kesalahan satu mikrodetik (0,000 001 detik ) sesuai dengan kesalahan dari 300 meter (980 kaki). Hal ini menunjukkan bahwa jam yang sangat akurat dan mahal diperlukan untuk penerima GPS untuk bekerja. Karena produsen lebih memilih untuk membangun murah penerima GPS untuk pasar massa, solusi untuk dilema ini didasarkan pada cara permukaan bola berpotongan di masalah GPS.

Diagram yang menggambarkan satelit 4, lingkup, p4, r4, dan da

Sangat mungkin bahwa permukaan dari tiga bidang berpotongan, karena lingkaran persimpangan dua bola pertama biasanya cukup besar, sehingga permukaan bola ketiga adalah kemungkinan untuk memotong lingkaran besar. Hal ini sangat tidak mungkin bahwa permukaan sphere sesuai dengan satelit keempat akan berpotongan salah satu dari dua titik persimpangan dari tiga pertama, karena setiap kesalahan jam dapat menyebabkan kehilangan memotong titik. Namun, jarak dari perkiraan yang valid posisi penerima GPS ke permukaan sphere sesuai dengan keempat satelit dapat digunakan untuk menghitung koreksi jam. Mari menunjukkan jarak dari perkiraan yang valid posisi penerima GPS ke satelit keempat dan membiarkan menyatakan pseudorange dari satelit keempat. Mari . adalah jarak dari posisi penerima GPS dihitung ke permukaan sphere sesuai dengan keempat satelit. Jadi hasil bagi, , Memberikan perkiraan

(Waktu yang tepat) - (waktu ditandai dengan on-board jam receiver), dan jam penerima GPS dapat maju jika adalah positif atau tertunda jika adalah negatif.

Namun, harus diingat bahwa fungsi kurang sederhana mungkin diperlukan untuk memperkirakan kesalahan waktu dalam suatu algoritma iteratif seperti yang dibahas dalam persamaan Navigasi bagian.

Struktur

GPS saat ini terdiri dari tiga segmen utama. Ini adalah ruas angkasa (SS), segmen kontrol (CS), dan segmen pengguna (AS). ^[37] Angkatan Udara AS mengembangkan, memelihara, dan mengoperasikan ruang dan segmen kontrol. GPS satelit menyiarkan sinyal dari ruang angkasa, dan setiap penerima GPS menggunakan sinyal-sinyal ini untuk menghitung dimensi tiga lokasi (lintang, bujur, dan ketinggian) dan waktu saat ini. ^[38]
Segmen angkasa terdiri dari 24 sampai 32 satelit di orbit Bumi menengah dan juga termasuk adapter muatan ke pendukung yang dibutuhkan untuk meluncurkan mereka ke orbit. Segmen kontrol terdiri dari sebuah stasiun master kontrol, sebuah stasiun induk alternatif kontrol, dan sejumlah berdedikasi dan berbagi antena tanah dan stasiun monitor. Segmen pengguna terdiri dari ratusan ribu pengguna AS dan sekutu militer Precise Positioning Service aman GPS, dan puluhan juta pengguna sipil, komersial, dan ilmiah dari Standard Positioning Service (lihat perangkat GPS navigasi ).

Ruang segmen

Lihat juga: satelit GPS dan Daftar meluncurkan satelit GPS

Unlaunched satelit GPS pada layar di San Diego Air & Space Museum

Sebuah contoh visual dari konstelasi GPS di gerakan dengan memutar bumi. Perhatikan bagaimana jumlah satelit dalam tampilan dari sebuah titik tertentu di permukaan bumi, dalam contoh ini di 45 ° N, perubahan dengan waktu.

Ruas angkasa (SS) terdiri dari satelit GPS mengorbit, atau Space Kendaraan (SV) dalam bahasa GPS. Desain GPS awalnya disebut selama 24 SVS, delapan masing-masing dalam tiga sekitar lingkaran orbit , ^[39] tapi ini dimodifikasi untuk enam pesawat dengan empat satelit orbital masing-masing. ^[40] Para orbit yang berpusat pada bumi, tidak berputar dengan Bumi, tapi tetap sehubungan dengan bintang-bintang jauh. ^[41] Keenam pesawat orbit memiliki sekitar 55 ° kemiringan (kemiringan relatif terhadap bumi khatulistiwa ) dan dipisahkan oleh 60 ° kenaikan kanan dari simpul ascending (sudut sepanjang khatulistiwa dari titik acuan ke persimpangan orbit tersebut). ^[42] Orbit diatur sehingga setidaknya enam satelit selalu dalam garis pandang dari hampir mana-mana di permukaan bumi. ^[43] Hasil dari tujuan ini adalah bahwa empat satelit yang tidak merata spasi ( 90 derajat) terpisah dalam setiap orbit. Secara umum, perbedaan sudut antara satelit di orbit masing-masing adalah 30, 105, 120, dan 105 derajat yang, tentu saja, jumlah sampai 360 derajat.
Mengorbit pada ketinggian sekitar 20.200 km (12.600 mil), jari-jari orbit sekitar 26.600 km (16.500 mil), masing-masing SV membuat dua orbit lengkap setiap hari sidereal ., mengulang trek tanah yang sama setiap hari ^[44] Hal ini sangat membantu selama pembangunan karena bahkan dengan hanya empat satelit, alignment yang benar berarti semua empat yang terlihat dari satu tempat selama beberapa jam setiap hari. Untuk operasi militer, mengulang trek tanah dapat digunakan untuk memastikan cakupan yang baik di zona tempur.
Pada Maret 2008 , ^[45] ada 31 satelit penyiaran secara aktif dalam GPS konstelasi , dan dua yang lebih tua, pensiun dari layanan satelit yang aktif disimpan dalam konstelasi sebagai suku cadang orbital. Satelit tambahan meningkatkan ketepatan perhitungan penerima GPS dengan menyediakan pengukuran berlebihan. Dengan peningkatan jumlah satelit, konstelasi itu berubah menjadi pengaturan seragam. Pengaturan semacam itu ditunjukkan untuk meningkatkan keandalan dan ketersediaan sistem, relatif terhadap sebuah sistem yang seragam, ketika beberapa satelit gagal. ^[46] Sekitar sembilan satelit yang terlihat dari setiap titik di tanah di satu waktu (lihat animasi di sebelah kanan).

Kontrol segmen

Memantau tanah stasiun digunakan 1984-2007, dipajang di Ruang Angkatan Udara & Rudal Museum

Segmen kontrol terdiri dari

1. sebuah master kontrol stasiun (MCS),
2. sebuah stasiun kontrol alternatif master,
3. empat antena tanah yang berdedikasi dan
4. enam stasiun monitor yang didedikasikan

MCS juga dapat mengakses satelit Angkatan Udara AS Network Control (AFSCN) tanah antena (untuk perintah tambahan dan kemampuan kontrol) dan NGA ( National Geospatial-Intelligence Agency ) stasiun monitor. Jalur penerbangan dari satelit dilacak oleh stasiun Angkatan Udara berdedikasi pemantauan AS di Hawaii , Kwajalein , Ascension Island , Diego Garcia , Colorado Springs, Colorado , dan Cape Canaveral , bersama dengan shared memantau stasiun NGA dioperasikan di Inggris, Argentina, Ekuador, Bahrain, Australia dan Washington DC. ^[47] Informasi pelacakan dikirim ke MCS Angkatan Udara Ruang Angkasa Komando di Schriever Air Force Base 25 km (16 mil) ESE of Colorado Springs, yang dioperasikan oleh Ruang Operasi 2 Skadron (2 SOP) dari Angkatan Udara AS. Kemudian 2 SOP kontak setiap satelit GPS secara teratur dengan update navigasi menggunakan antena tanah khusus atau berbagi (AFSCN) (GPS antena yang didedikasikan tanah terletak di Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, dan Cape Canaveral). Pembaruan ini sinkronisasi jam atom pada papan satelit ke dalam beberapa nanodetik satu sama lain, dan menyesuaikan ephemeris dari masing-masing orbital internal model satelit. Pembaruan diciptakan oleh filter Kalman yang menggunakan masukan dari stasiun tanah pemantauan, cuaca ruang informasi, dan masukan lainnya. ^[48]
Manuver satelit tidak tepat oleh GPS standar. Jadi untuk mengubah orbit satelit, satelit harus ditandai tidak sehat, sehingga penerima tidak akan menggunakannya dalam perhitungan mereka. Kemudian manuver dapat dilakukan, dan orbit yang dihasilkan dilacak dari tanah. Kemudian baru ephemeris diupload dan satelit ditandai sehat lagi.

segmen Pengguna

Penerima GPS datang dalam berbagai format, dari perangkat yang terintegrasi ke dalam mobil, telepon, dan jam tangan, ke perangkat khusus seperti yang ditampilkan di sini dari produsen Trimble , Garmin dan Leica (kiri ke kanan).

Segmen pengguna terdiri dari ratusan ribu pengguna AS dan sekutu militer Precise Positioning Service aman GPS, dan puluhan juta sipil, pengguna komersial dan ilmiah dari Standard Positioning Service. Secara umum, penerima GPS terdiri dari antena, disetel ke frekuensi yang ditransmisikan oleh satelit, penerima-prosesor, dan jam yang sangat stabil (sering merupakan osilator kristal ). Mereka juga mungkin termasuk layar untuk menyediakan informasi lokasi dan kecepatan bagi pengguna. Sebuah penerima sering digambarkan oleh jumlah kantor saluran: ini menandakan berapa banyak satelit itu dapat memantau secara bersamaan. Awalnya terbatas pada empat atau lima, ini semakin meningkat selama tahun sehingga, pada 2007 , penerima biasanya memiliki antara 12 dan 20 saluran. ^[49]

Sebuah khas OEM modul penerima GPS berukuran 15 × 17 mm.

Penerima GPS dapat meliputi masukan untuk koreksi diferensial, menggunakan RTCM SC-104 format. Ini biasanya dalam bentuk RS-232 port pada 4.800 bit / s kecepatan. Data sebenarnya dikirim pada tingkat yang lebih rendah, yang membatasi akurasi sinyal yang dikirim menggunakan RTCM ^{[ rujukan? ].} Penerima dengan penerima DGPS internal dapat mengalahkan mereka menggunakan data RTCM eksternal ^{[ rujukan? ].} Pada 2006 , bahkan rendah biaya unit umum termasuk di Area Augmentation System Luas (WAAS) penerima.

Sebuah penerima GPS khas dengan antena terintegrasi.

Banyak GPS receivers dapat relay posisi data ke PC atau perangkat lain menggunakan NMEA 0183 protokol. Meskipun protokol ini secara resmi didefinisikan oleh National Marine Electronics Association (NMEA), ^[50] referensi untuk protokol ini telah disusun dari catatan publik, yang memungkinkan alat open source seperti gpsd untuk membaca protokol tanpa melanggar hak kekayaan intelektual hukum. Protokol proprietary lainnya ada juga, seperti SiRF dan MTK protokol. Penerima dapat antarmuka dengan perangkat lain menggunakan metode termasuk sambungan serial, USB , atau Bluetooth .

Informasi lebih lanjut: navigasi GPS perangkat

Aplikasi

Meskipun awalnya sebuah proyek militer, GPS dianggap sebagai teknologi dual-gunakan, yang berarti memiliki aplikasi militer dan sipil yang signifikan.
GPS telah menjadi alat yang banyak digunakan dan berguna untuk perdagangan, menggunakan ilmiah, pelacakan, dan pengawasan. Waktu yang akurat GPS memfasilitasi kegiatan sehari-hari seperti perbankan, operasi ponsel, dan bahkan kontrol jaringan listrik dengan memungkinkan disinkronisasi dengan baik tangan-off switching. ^[38]

Sipil

Lihat juga: GNSS aplikasi dan perangkat navigasi GPS

Ini antena dipasang di atap sebuah gubuk berisi eksperimen ilmiah membutuhkan waktu yang tepat.

Banyak aplikasi sipil menggunakan satu atau lebih dari tiga GPS komponen dasar: lokasi absolut, gerakan relatif, dan waktu transfer.

• Sinkronisasi jam : Keakuratan sinyal GPS waktu (± 10 ns) ^[51] adalah kedua hanya untuk jam atom di atas mana mereka didasarkan.
• Telepon selular : Sinkronisasi Jam memungkinkan transfer waktu, yang sangat penting untuk sinkronisasi kode penyebarannya dengan BTS lain untuk memfasilitasi antar-sel handoff dan dukungan GPS hibrida / deteksi posisi selular untuk panggilan darurat seluler dan aplikasi lainnya. Yang pertama handset dengan GPS terintegrasi diluncurkan pada akhir 1990-an. AS Komisi Komunikasi Federal (FCC) fitur diamanatkan dalam baik handset atau di menara (untuk digunakan dalam triangulasi) pada tahun 2002 sehingga pelayanan darurat bisa menemukan 911 penelepon. Ketiga pengembang perangkat lunak pihak kemudian mendapat akses ke GPS API dari Nextel atas peluncuran, diikuti oleh Sprint pada tahun 2006, dan Verizon segera sesudahnya.
• Bantuan bencana / layanan darurat : Tergantung pada GPS untuk lokasi dan kemampuan waktu.
• Geofencing : sistem pelacakan Kendaraan , sistem pelacakan orang , dan hewan peliharaan pelacakan sistem menggunakan GPS untuk mencari kendaraan, orang, atau hewan peliharaan. Perangkat ini melekat pada orang, kendaraan, atau kerah hewan peliharaan. Aplikasi ini menyediakan pelacakan kontinu dan update ponsel atau Internet harus menargetkan meninggalkan suatu area tertentu. ^[52]
• Geotagging : Menerapkan koordinat lokasi ke lokasi objek digital seperti foto dan dokumen lain untuk tujuan seperti membuat overlay peta.
• GPS Tracking Pesawat
• GPS wisata : Lokasi menentukan apa isi untuk menampilkan, misalnya, informasi tentang titik mendekati bunga.
• Pembuatan peta : kartografer Baik sipil dan militer menggunakan GPS ekstensif.
• Navigasi : Navigators nilai kecepatan digital yang tepat dan pengukuran orientasi.
• Pengukuran fasor : GPS memungkinkan timestamping sangat akurat pengukuran sistem kekuasaan, sehingga memungkinkan untuk menghitung fasor .
• Rekreasi : Misalnya, geocaching , geodashing , GPS menggambar dan waymarking .
• Survei : Surveyor menggunakan lokasi absolut untuk membuat peta dan menentukan batas-batas properti.
• Tektonik : GPS memungkinkan pengukuran kesalahan gerak langsung dalam gempa bumi .
• Telematika : teknologi GPS yang terintegrasi dengan komputer dan teknologi mobile komunikasi dalam sistem navigasi otomotif
• Armada Pelacakan : Penggunaan teknologi GPS untuk mengidentifikasi, mencari dan mempertahankan laporan kontak dengan satu atau lebih armada kendaraan secara real-time.

Pembatasan penggunaan sipil

Pemerintah AS mengontrol ekspor beberapa penerima sipil. Semua penerima GPS mampu berfungsi di atas 18 kilometer (11 mil) ketinggian dan 515 meter per detik (1.001 kn) ^[53] diklasifikasikan sebagai amunisi (senjata) yang Departemen Luar Negeri AS lisensi ekspor yang diperlukan. Batasan ini mencoba untuk mencegah penggunaan penerima di sebuah rudal balistik . Mereka tidak akan mencegah digunakan dalam rudal jelajah karena ketinggian dan kecepatan yang mirip dengan pesawat biasa.
Aturan ini berlaku bahkan untuk unit dinyatakan murni sipil yang hanya menerima frekuensi L1 dan C / A kode (Coarse / Acquisition) dan tidak dapat memperbaiki Ketersediaan Selektif (SA), dll
Menonaktifkan operasi di atas batas-batas ini membebaskan penerima dari klasifikasi sebagai suatu mesiu. Penjual interpretasi berbeda. Aturan target operasi tertentu kombinasi dari ketinggian dan kecepatan, sementara beberapa penerima berhenti beroperasi bahkan ketika stasioner. Hal ini menyebabkan masalah dengan beberapa balon meluncurkan radio amatir yang secara teratur mencapai 30 kilometer (19 mil).

Militer

Melampirkan kit panduan GPS untuk bom 'bodoh', Maret 2003.

Pada 2009, aplikasi militer GPS meliputi:

• Navigasi: GPS memungkinkan tentara untuk menemukan tujuan, bahkan dalam gelap atau dalam wilayah yang asing, dan untuk mengkoordinasikan pasukan dan gerakan pasokan. Di Amerika Serikat angkatan bersenjata, komandan gunakan Asisten Komandan Digital dan peringkat yang lebih rendah menggunakan Soldier Digital Asisten. ^{[54] [55] [56] [57]}
• Sasaran pelacakan: Berbagai senjata militer sistem menggunakan GPS untuk melacak potensi tanah dan target udara sebelum lesu mereka sebagai bermusuhan ^{[. rujukan? ]} ini sistem senjata target untuk lulus koordinat presisi-dipandu amunisi untuk memungkinkan mereka untuk terlibat target secara akurat. Pesawat militer, khususnya di udara-ke-darat peran, menggunakan GPS untuk menemukan target (misalnya, pistol kamera video dari AH-1 Kobra di Irak menunjukkan koordinat GPS yang dapat dilihat dengan perangkat lunak khusus).
• Rudal dan bimbingan proyektil: GPS memungkinkan akurat penargetan berbagai senjata militer, termasuk ICBM , rudal jelajah dan presisi-dipandu amunisi . Artileri proyektil . Tertanam penerima GPS mampu menahan percepatan 12.000 g atau sekitar 118 km / s ² telah dikembangkan untuk digunakan di 155 milimeter (6,1 in) howitzer . ^[58]
• Pencarian dan Penyelamatan: pilot jatuh dapat ditemukan lebih cepat jika posisi mereka diketahui.
• Reconnaissance: gerakan Patroli dapat dikelola lebih erat.
• Satelit GPS membawa seperangkat detektor ledakan nuklir yang terdiri dari sebuah sensor optik (Y-sensor), sensor sinar-X, dosimeter, dan pulsa elektromagnetik (EMP) sensor (W-sensor), yang membentuk sebagian besar dari Amerika Serikat Nuklir Sistem Deteksi Detonasi . ^{[59] [60]}

Komunikasi

Artikel utama: sinyal GPS

Sinyal navigasi satelit GPS yang ditransmisikan oleh menyandikan berbagai informasi termasuk posisi satelit, keadaan jam internal, dan kesehatan jaringan. Sinyal-sinyal ini ditransmisikan pada dua frekuensi pembawa terpisah yang umum untuk semua satelit dalam jaringan. Dua pengkodean yang berbeda digunakan, pengkodean umum yang memungkinkan navigasi resolusi lebih rendah, dan pengkodean terenkripsi digunakan oleh militer AS.

Format pesan

GPS format pesan

Subframes	Keterangan
1	Satelit jam, GPS waktu hubungan
2-3	Ephemeris (Orbit satelit tepat)
4-5	Almanak komponen (Satelit sinopsis jaringan, koreksi kesalahan)

Setiap satelit GPS secara terus menerus menyiarkan pesan navigasi pada tingkat 50 bit per detik (lihat bitrate ). Setiap pesan yang lengkap terdiri dari 30 detik frame , pengelompokan berbeda dari 1.500 bit informasi. Setiap frame dibagi lagi menjadi 5 subframes panjang 6 detik dan dengan 300 bit masing-masing. Setiap subframe berisi 10 kata dari 30 bit dengan panjang 0,6 detik setiap. Setiap frame 30 detik dimulai tepatnya pada menit atau setengah menit seperti yang ditunjukkan oleh jam atom di satelit masing-masing. ^[61]
Bagian pertama dari pesan mengkodekan angka minggu dan waktu dalam minggu ini, ^[62] serta data tentang kesehatan satelit. Bagian kedua dari pesan, ephemeris , memberikan orbit yang tepat untuk satelit. Bagian terakhir pesan itu, almanak, berisi orbit kasar dan status informasi untuk semua satelit dalam jaringan serta data yang terkait dengan koreksi kesalahan. ^[63]
Semua satelit broadcast pada frekuensi yang sama. Sinyal dikodekan menggunakan code division multiple access (CDMA) yang memungkinkan pesan dari satelit individu harus dibedakan satu sama lain berdasarkan pengkodean yang unik untuk setiap satelit (bahwa penerima harus menyadari). Dua jenis yang berbeda pengkodean CDMA yang digunakan: akuisisi / kasar (C / A) kode, yang dapat diakses oleh masyarakat umum, dan kode (P) yang tepat, yang dienkripsi sehingga hanya militer AS dapat mengaksesnya.
Ephemeris adalah diperbarui setiap 2 jam dan umumnya berlaku selama 4 jam, dengan ketentuan untuk update setiap 6 jam atau lebih non-nominal kondisi. Almanak diperbarui biasanya setiap 24 jam. Selain itu data untuk beberapa minggu berikut ini diupload dalam kasus transmisi yang update data keterlambatan upload.

frekuensi satelit

GPS frekuensi ikhtisar

Pita	Frekuensi	Keterangan
L1	1575,42 MHz	Kasar-akuisisi (C / A) dan terenkripsi presisi P (Y) kode, ditambah sipil L1 ( L1C ) dan (M) kode militer pada masa depan satelit Blok III.
L2	1227,60 MHz	P (Y) kode, ditambah L2C kode dan militer di Blok IIR-M dan satelit baru.
L3	1381,05 MHz	Digunakan untuk nuklir (NUDET) deteksi detonasi.
L4	1379.913 MHz	Sedang dipelajari untuk koreksi ionosfer tambahan [. rujukan? ]
L5	1176,45 MHz	Diusulkan untuk digunakan sebagai sinyal keselamatan-dari-kehidupan sipil (SOL).

Semua satelit broadcast pada dua frekuensi yang sama, 1,57542 GHz (sinyal L1) dan 1,2276 GHz (L2 sinyal). Jaringan satelit menggunakan CDMA spread-spectrum teknik di mana data bitrate rendah-pesan dikodekan dengan tingkat tinggi pseudo-acak urutan (PRN) yang berbeda untuk setiap satelit. Penerima harus menyadari kode PRN untuk setiap satelit untuk merekonstruksi data pesan yang sebenarnya. C / kode A, untuk penggunaan sipil, mentransmisikan data pada 1.023.000 chip per detik, sedangkan kode P, untuk penggunaan militer AS, mentransmisikan pada 10.230.000 chip per detik. Pembawa L1 dimodulasi oleh kedua C / A dan kode P, sedangkan L2 hanya pembawa dimodulasi oleh kode P. ^[64] kode P dapat dienkripsi sebagai kode yang disebut (Y) P yang hanya tersedia untuk peralatan militer dengan kunci dekripsi yang tepat. Baik C / A dan P (Y) kode menanamkan tepat waktu dari hari ke pengguna.
Sinyal L3 pada frekuensi 1,38105 GHz yang digunakan oleh Amerika Serikat Nuklir Detonasi (NUDET) Detection System (USNDS) untuk mendeteksi, menemukan, dan melaporkan ledakan nuklir (NUDETs) di atmosfer bumi dan ruang dekat. ^[65] Salah satu penggunaan adalah penegakan perjanjian larangan uji coba nuklir.
Band L4 pada 1,379913 GHz sedang dipelajari untuk koreksi ionosfer tambahan. ^{[ kutipan diperlukan ]}
Pita frekuensi 1,17645 GHz L5 pada ditambahkan dalam proses modernisasi GPS . Frekuensi ini jatuh ke dalam berbagai internasional untuk navigasi penerbangan yang dilindungi, menjanjikan sedikit gangguan atau tidak ada dalam semua keadaan. Blok IIF satelit pertama yang akan memberikan sinyal ini direncanakan akan diluncurkan pada tahun 2009. ^[66] Para L5 terdiri dari dua komponen pembawa yang dalam quadrature fase satu sama lain. Setiap komponen pembawa adalah bi-pergeseran fasa kunci (BPSK) dimodulasi oleh kereta api sedikit terpisah. "L5, sinyal GPS sipil ketiga, akhirnya akan mendukung keselamatan-hidup aplikasi untuk penerbangan dan memberikan peningkatan ketersediaan dan akurasi." ^[67]
Sebuah pengabaian baru-baru ini diberikan kepada LightSquared untuk mengoperasikan layanan broadband terestrial dekat band L1. Meskipun LightSquared telah diterapkan untuk lisensi untuk beroperasi di pita 1525-1559 sedini tahun 2003 dan itu menempatkan keluar untuk komentar publik, FCC meminta LightSquared untuk membentuk kelompok studi dengan komunitas GPS penerima GPS untuk menguji dan mengidentifikasi masalah yang mungkin timbul karena kekuatan sinyal lebih besar dari jaringan terestrial LightSquared. Komunitas GPS tidak keberatan dengan (sebelumnya MSV dan SkyTerra) aplikasi LightSquared sampai kapan pada akhir tahun 2010. Pengujian pada paruh pertama tahun 2011 telah menunjukkan bahwa dampak dari 10 MHz lebih rendah dari spektrum minimal untuk perangkat GPS (kurang dari 1% dari total perangkat GPS terpengaruh). 10 MHz atas dimaksudkan untuk digunakan oleh LightSquared mungkin memiliki beberapa dampak pada perangkat GPS. Ada beberapa kekhawatiran bahwa hal ini serius akan menurunkan sinyal GPS untuk keperluan konsumen banyak. ^{[68] [69]} Aviation Week melaporkan majalah bahwa pengujian terbaru (Juni 2011) menegaskan "kemacetan yang signifikan" dari GPS oleh sistem LightSquared itu. ^[70]

Demodulasi dan decoding

Demodulating dan Decoding Sinyal GPS Satelit menggunakan Kasar / Akuisisi kode Emas .

Karena semua sinyal satelit yang dimodulasi ke frekuensi pembawa L1 yang sama, sinyal harus dipisahkan setelah demodulasi. Hal ini dilakukan dengan menetapkan setiap satelit biner yang unik urutan dikenal sebagai kode Emas . Sinyal yang diterjemahkan setelah demodulasi menggunakan penambahan kode Emas sesuai dengan satelit dimonitor oleh penerima. ^{[71] [72]}
Jika informasi almanak sebelumnya telah diperoleh, penerima satelit memilih untuk mendengarkan oleh PRNs mereka, nomor yang unik dalam kisaran 1 sampai 32. Jika informasi tidak almanak dalam memori, penerima memasuki modus pencarian sampai kunci diperoleh pada salah satu satelit. Untuk mendapatkan kunci, maka perlu bahwa ada garis terhalang dari pandangan dari receiver ke satelit. Penerima kemudian dapat memperoleh almanak dan menentukan satelit itu harus mendengarkan. Seperti mendeteksi setiap sinyal satelit, itu mengidentifikasi dengan yang berbeda yang C / A kode pola. Ada dapat penundaan hingga 30 detik sebelum perkiraan posisi pertama karena kebutuhan untuk membaca data ephemeris.
Pengolahan pesan navigasi memungkinkan penentuan waktu transmisi dan posisi satelit pada saat ini. Untuk informasi lebih lanjut lihat demodulasi dan decoding, Lanjutan .

Navigasi persamaan

Penerima menggunakan pesan yang diterima dari satelit untuk menentukan posisi satelit dan waktu dikirim. X, y, z dan komponen posisi satelit dan waktu dikirim ditunjuk sebagai [x _i, y _i, z _i, t _i] dimana subscript i menunjukkan satelit dan memiliki nilai 1, 2, ..., n. Mengetahui kapan pesan itu diterima t _r, penerima menghitung waktu transit pesan sebagai _(r t - t _i). Dengan asumsi pesan bepergian pada kecepatan cahaya ( c ) jarak yang ditempuh adalah _(r t - t _i) c. Mengetahui jarak dari receiver ke satelit dan posisi satelit menunjukkan bahwa penerima adalah pada permukaan sebuah bola yang berpusat di posisi satelit. Jadi penerima pada atau di dekat persimpangan dari permukaan bola. Dalam kasus yang ideal tidak ada kesalahan, penerima di persimpangan dari permukaan bola.
Misalkan b menyatakan kesalahan jam atau bias, jumlah yang jam penerima dimatikan. Penerima memiliki empat diketahui, tiga komponen posisi penerima GPS dan bias jam [x, y, z, b]. Persamaan dari permukaan bola yang diberikan oleh:

atau dalam hal pseudoranges, , Sebagai

.

Persamaan ini navigasi dapat diselesaikan dengan metode algebraic atau numerik.

Bancroft metode

Metode Bancroft mungkin metode yang paling penting dari memecahkan persamaan navigasi karena melibatkan aljabar sebagai lawan untuk metode numerik. ^[73] Metode ini membutuhkan setidaknya empat satelit tetapi lebih dapat digunakan.

Trilaterasi

Penerima dapat menggunakan Trilateration ^{[74] [75]} dan salah satu akar menemukan dimensi numerik. ^[76] Trilaterasi digunakan untuk menentukan posisi berdasarkan pseudoranges tiga satelit. Dalam kasus biasa dua persimpangan, titik terdekat permukaan sphere sesuai dengan satelit keempat yang dipilih. Biarkan d menunjukkan jarak menandatangani dari posisi penerima untuk lingkup di sekitar satelit keempat. Notasi, d (koreksi) menunjukkan ini sebagai fungsi koreksi, karena perubahan pseudoranges. Masalahnya adalah untuk menentukan koreksi seperti yang d (koreksi) = 0. Ini adalah masalah akrab menemukan nol dari fungsi satu dimensi non-linear dari variabel skalar. Iteratif metode numerik, seperti yang ditemukan dalam bab tentang akar menemukan di Numerical Recipes dapat mengatasi jenis masalah. ^[76]

Multidimensional perhitungan Newton-Raphson

Atau, akar multidimensi menemukan metode seperti Newton-Raphson metode dapat digunakan. ^[76] Pendekatan adalah untuk linearize sekitar sebuah solusi perkiraan, misalnya dari k iterasi, kemudian memecahkan persamaan linier berasal dari persamaan kuadrat di atas untuk mendapatkan . Meskipun tidak ada jaminan bahwa metode selalu konvergen karena fakta bahwa akar multidimensi tidak dapat dibatasi, ketika sebuah lingkungan yang berisi solusi dikenal sebagai ini biasanya terjadi untuk GPS, sangat mungkin bahwa solusi akan ditemukan. ^{[76 ]} Telah terbukti ^[77] bahwa hasil yang sebanding dalam akurasi dengan yang metode Bancroft.

Metode tambahan selama lebih dari empat satelit

Bila lebih dari empat satelit yang tersedia, perhitungan dapat menggunakan yang terbaik empat atau lebih dari empat, jumlah mempertimbangkan saluran, kemampuan pemrosesan, dan dilusi geometris presisi (GDOP). Menggunakan lebih dari empat adalah sistem lebih dari yang ditentukan dari persamaan tanpa solusi yang unik, yang harus diselesaikan dengan kuadrat-terkecil atau teknik yang sama. ^[73] Jika semua satelit yang terlihat digunakan, hasilnya adalah sebagai baik atau lebih baik daripada menggunakan yang terbaik empat. Kesalahan dapat diperkirakan melalui residu. Dengan setiap kombinasi empat atau lebih satelit, faktor GDOP dapat dihitung, berdasarkan arah langit relatif dari satelit yang digunakan. ^[78] Seperti banyak satelit yang dijemput, pseudoranges dari berbagai kombinasi 4-arah dapat diproses untuk menambahkan lebih perkiraan ke lokasi dan jam offset. Penerima kemudian mengambil rata-rata tertimbang dari posisi ini dan offset jam. Setelah lokasi akhir dan waktu dihitung, lokasi dinyatakan dalam sistem koordinat tertentu seperti lintang dan bujur , menggunakan WGS 84 datum geodetik atau sistem negara tertentu. ^[79]
Akhirnya, hasil dari sistem penentuan posisi lain seperti GLONASS atau mendatang Galileo dapat dimasukkan atau digunakan untuk memeriksa hasilnya. (Dengan desain, sistem ini menggunakan pita frekuensi yang sama, begitu banyak sirkuit penerima dapat dibagi, meskipun decoding yang berbeda.)

Kesalahan sumber dan analisis

Kesalahan analisis untuk Global Positioning System merupakan aspek penting untuk menentukan apa kesalahan dan besarnya mereka harus diharapkan. Kesalahan GPS yang dipengaruhi oleh dilusi geometrik tergantung pada presisi dan kesalahan waktu kedatangan sinyal, kesalahan numerik, efek atmospherics, kesalahan ephemeris, kesalahan multipath dan efek lainnya.

Peningkatan Akurasi dan survei

Augmentation

Mengintegrasikan informasi eksternal ke dalam proses perhitungan material dapat meningkatkan akurasi. Sistem augmentasi seperti umumnya dinamai atau digambarkan berdasarkan bagaimana informasi tiba. Beberapa sistem mengirimkan informasi kesalahan tambahan (seperti melayang jam, pernak-pernik, atau menunda ionosfir), yang lain mencirikan kesalahan sebelumnya, sementara kelompok ketiga memberikan informasi navigasi atau kendaraan tambahan.
Contoh dari sistem augmentasi termasuk Wide Area Augmentation Sistem (WAAS), Eropa Geostasionar Navigasi Overlay Layanan (EGNOS), GPS Diferensial , Inertial Navigation System (INS) dan Assisted GPS .

pemantauan tepat

Akurasi dapat ditingkatkan melalui pemantauan yang tepat dan pengukuran sinyal GPS sudah ada dengan cara tambahan atau alternatif.
Kesalahan terbesar yang tersisa biasanya penundaan tak terduga melalui ionosfer . Pesawat ruang angkasa siaran parameter model ionosfir, tapi kesalahan tetap. Inilah salah satu alasan pesawat ruang angkasa GPS mengirimkan setidaknya pada dua frekuensi, L1 dan L2. Delay ionosfer adalah fungsi yang didefinisikan dengan baik frekuensi dan jumlah elektron konten (TEC) di sepanjang jalan, sehingga mengukur waktu kedatangan perbedaan antara frekuensi dan dengan demikian menentukan TEC ionosfer keterlambatan tepat pada masing-masing frekuensi.
Receiver militer dapat memecahkan kode P (Y)-kode ditransmisikan pada kedua L1 dan L2. Tanpa kunci dekripsi, masih mungkin untuk menggunakan teknik codeless untuk membandingkan P (Y) kode pada L1 dan L2 untuk mendapatkan banyak informasi kesalahan yang sama. Namun, teknik ini lambat, sehingga saat ini hanya tersedia pada peralatan survei khusus. Di masa depan, kode sipil tambahan diharapkan akan ditransmisikan pada frekuensi L2 dan L5 (lihat modernisasi GPS ). Maka semua pengguna akan dapat melakukan dual-frekuensi pengukuran dan langsung menghitung kesalahan keterlambatan ionosfer.
Bentuk kedua dari pemantauan tepat disebut Carrier-Phase Enhancement (CPGPS). Ini mengoreksi kesalahan yang timbul karena transisi pulsa dari PRN tidak instan, dan dengan demikian korelasi (satelit penerima pencocokan urutan) operasi tidak sempurna. CPGPS menggunakan gelombang pembawa L1, yang memiliki jangka waktu dari , Yaitu sekitar seperseribu C / A kode Emas dari periode bit , Untuk bertindak sebagai tambahan sinyal clock dan menyelesaikan ketidakpastian. Perbedaan fasa kesalahan dalam jumlah GPS normal 2-3 meter (6,6-9,8 ft) dari ambiguitas. CPGPS bekerja untuk dalam 1% dari transisi yang sempurna mengurangi kesalahan ini sampai 3 cm (1,2 in) dari ambiguitas. Dengan menghilangkan sumber kesalahan, CPGPS ditambah dengan DGPS biasanya antara 20-30 cm menyadari (7,9-12 in) akurasi mutlak.
Posisi Kinematik relatif (RKP) adalah alternatif ketiga untuk sistem berbasis GPS posisi yang tepat. Dalam pendekatan ini, penentuan rentang sinyal dapat diselesaikan dengan presisi kurang dari 10 cm (3.9 in). Hal ini dilakukan dengan memecahkan jumlah siklus bahwa sinyal yang ditransmisikan dan diterima oleh penerima dengan menggunakan kombinasi dari diferensial (DGPS) data koreksi GPS, transmisi sinyal GPS fase informasi dan teknik resolusi ambiguitas melalui statistik tes-mungkin dengan pengolahan secara real waktu ( real-time kinematik positioning , RTK).

Pencatatan Waktu

Pencatatan Waktu dan detik kabisat

Sementara jam kebanyakan disinkronisasi ke Coordinated Universal Time (UTC), jam atom pada satelit ditetapkan untuk waktu GPS (GPST; melihat halaman Observatorium Angkatan Laut Amerika Serikat ). Perbedaannya adalah bahwa GPS waktu tidak dikoreksi sesuai dengan rotasi Bumi, sehingga tidak mengandung detik kabisat atau koreksi lain yang secara periodik ditambahkan ke UTC. GPS waktu ditetapkan untuk mencocokkan Coordinated Universal Time (UTC) pada tahun 1980, tetapi sejak menyimpang. Kurangnya koreksi berarti bahwa waktu GPS tetap di konstan diimbangi dengan Waktu Atom Internasional (TAI) (TAI - GPS = 19 detik). Koreksi periodik dilakukan pada on-board jam untuk menjaga mereka disinkronisasi dengan jam tanah. ^[80]
Pesan navigasi GPS mencakup perbedaan antara GPS dan waktu UTC, yang pada 2011 adalah 15 detik karena detik kabisat ditambahkan dengan UTC, 31 Desember 2008. Penerima menambahkan offset ke waktu GPS untuk menghitung nilai-nilai zona waktu UTC dan spesifik. GPS unit baru mungkin tidak menunjukkan waktu UTC benar sampai setelah menerima pesan UTC offset. Bidang GPS UTC offset dapat mengakomodasi detik kabisat 255 (delapan bit) bahwa, mengingat periode saat rotasi bumi (dengan satu detik kabisat diperkenalkan kira-kira setiap 18 bulan), harus cukup untuk bertahan sampai kira-kira tahun 2300.

akurasi Pencatatan Waktu

GPS waktu adalah akurat untuk sekitar 14 nanodetik. ^[81]

Format Pencatatan Waktu

Berbeda dengan tahun, bulan, dan format hari kalender Gregorian , tanggal GPS dinyatakan sebagai nomor minggu dan detik-ke-angka minggu. Jumlah minggu ditularkan sebagai sepuluh- bit lapangan dalam (Y) C / A dan P pesan navigasi, dan karena itu menjadi nol lagi setiap 1.024 minggu (19,6 tahun). Minggu nol GPS dimulai pada 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) pada tanggal 6 Januari 1980, dan jumlah minggu menjadi nol lagi untuk pertama kalinya di 23:59:47 UTC pada 21 Agustus 1999 (00 : 00:19 TAI pada tanggal 22 Agustus 1999). Untuk menentukan tanggal Gregorian saat ini, penerima GPS harus disediakan dengan tanggal perkiraan (ke dalam 3.584 hari) untuk benar menerjemahkan sinyal GPS tanggal. Untuk mengatasi masalah ini pesan navigasi GPS modern menggunakan field 13-bit yang hanya berulang setiap 8.192 minggu (157 tahun), sehingga berlangsung sampai tahun 2137 (157 tahun setelah seminggu GPS nol).

Operator pelacakan fase (survei)

Metode lain yang digunakan dalam aplikasi survei adalah pembawa pelacakan fase. Periode kali frekuensi pembawa kecepatan cahaya memberikan panjang gelombang, yaitu sekitar 0,19 meter untuk pembawa L1. Akurasi dalam 1% dari panjang gelombang dalam mendeteksi tepi terkemuka, mengurangi komponen kesalahan pseudorange untuk sesedikit 2 milimeter. Hal ini sebanding dengan 3 meter untuk C / A kode dan 0,3 meter untuk kode P.
Namun, 2 akurasi milimeter membutuhkan mengukur total fase-jumlah gelombang kali panjang gelombang ditambah panjang gelombang pecahan, yang mengharuskan penerima khusus dilengkapi. Metode ini telah banyak aplikasi survei.
Differencing tiga diikuti dengan mencari akar numerik, dan teknik matematika yang disebut kuadrat terkecil dapat memperkirakan posisi satu penerima diberi posisi lain. Pertama, menghitung perbedaan antara satelit, kemudian di antara penerima, dan akhirnya antara zaman. Pesanan lain mengambil perbedaan sama-sama berlaku. Pembahasan rinci dari kesalahan dihilangkan.
Fase pembawa satelit total dapat diukur dengan ambiguitas untuk jumlah siklus. Mari menunjukkan fase pembawa satelit j diukur oleh receiver i pada waktu . Notasi ini menunjukkan arti dari subskrip i, j, dan k. penerima (r), satelit (s), dan waktu (t) datang dalam urutan abjad sebagai argumen dari dan untuk menyeimbangkan mudah dibaca dan keringkasan, biarkan menjadi singkatan ringkas. Juga kita mendefinisikan tiga fungsi,: , Yang kembali perbedaan antara receiver, satelit, dan titik waktu, masing-masing. Setiap fungsi memiliki variabel dengan tiga subscript sebagai argumen. Ketiga fungsi didefinisikan di bawah ini. Jika merupakan fungsi dari tiga argumen integer, i, j, dan k maka itu adalah argumen yang valid untuk fungsi,: , Dengan nilai-nilai yang didefinisikan sebagai

,

, Dan

.

Juga jika adalah argumen berlaku untuk tiga fungsi dan a dan b adalah konstanta maka adalah argumen yang valid dengan nilai-nilai yang didefinisikan sebagai

,

, Dan

.

Kesalahan jam receiver dapat sekitar dihilangkan dengan differencing fase diukur dari satelit 1 dengan yang dari satelit 2 pada zaman yang sama. ^[82] Perbedaan ini ditunjuk sebagai
Differencing ganda ^[83] menghitung perbedaan perbedaan satelit penerima 1 dari bahwa penerima 2. Ini sekitar menghilangkan kesalahan jam satelit. Perbedaan ganda adalah:

Differencing tiga ^[84] mengurangi perbedaan penerima dari waktu 1 itu waktu 2. Ini menghilangkan ambiguitas terkait dengan jumlah integral panjang gelombang di fase pembawa disediakan ambiguitas ini tidak berubah dengan waktu. Jadi perbedaan hasil tiga menghilangkan hampir semua kesalahan Bias jam dan ambiguitas integer. Keterlambatan Atmosfer dan satelit ephemeris kesalahan telah berkurang secara signifikan. Perbedaan triple:

Perbedaan hasil tiga dapat digunakan untuk memperkirakan variabel yang tidak diketahui. Misalnya jika posisi penerima 1 dikenal tetapi posisi penerima 2 tidak diketahui, mungkin untuk memperkirakan posisi penerima 2 menggunakan akar numerik menemukan dan kuadrat terkecil. Perbedaan hasil triple untuk waktu tiga pasang independen sangat mungkin akan cukup untuk memecahkan tiga penerima 2 itu komponen posisi. Ini mungkin memerlukan penggunaan prosedur numerik. ^{[85] [86]} Sebuah pendekatan posisi penerima 2 adalah dibutuhkan untuk menggunakan suatu metode numerik. Ini nilai awal mungkin dapat disediakan dari pesan navigasi dan persimpangan dari permukaan bola. Seperti perkiraan yang wajar dapat menjadi kunci untuk menemukan akar sukses multidimensi. Iterasi dari tiga pasang waktu dan nilai awal yang cukup baik menghasilkan satu hasil yang diamati perbedaan tripel untuk posisi penerima yang 2. Pengolahan pasang waktu tambahan dapat meningkatkan akurasi, overdetermining jawaban dengan beberapa solusi. Kuadrat terkecil dapat memperkirakan sistem overdetermined. Kuadrat terkecil menentukan posisi 2 penerima yang paling sesuai dengan hasil perbedaan yang diamati triple untuk penerima 2 posisi di bawah kriteria meminimalkan jumlah kuadrat.

Kemungkinan ancaman

Pada bulan Januari 2011, FCC menyetujui broadband nirkabel jaringan dengan Virginia perusahaan LightSquared , akan beroperasi pada 92 persen dari Amerika Serikat pada tahun 2015. Persetujuan ini datang meskipun ada kekhawatiran oleh produsen peralatan GPS yang bisa mengganggu sinyal jaringan dengan GPS. FCC percaya LightSquared tidak akan menyebabkan masalah tapi bersumpah untuk menjaga jaringan dari operasi sampai pengujian menunjukkan sistem GPS tidak akan terpengaruh. Satu masalah adalah peralatan yang dirancang untuk menerima sinyal yang lemah dari satelit; LightSquared memiliki hingga 40.000 pemancar berbasis darat yang sinyal akan jauh lebih kuat. Juga, menurut Chris Dancy dari Pemilik Pesawat dan Pilot Association , pilot maskapai dengan tipe sistem yang akan terpengaruh "mungkin pergi saja dan bahkan tidak menyadarinya." ^[87] Masalah juga bisa mempengaruhi Federal Aviation Administration upgrade ke dengan kontrol lalu lintas udara sistem, Departemen Pertahanan Amerika Serikat bimbingan, dan lokal layanan darurat termasuk 911 . ^[87] Aviation Week melaporkan majalah bahwa pengujian terbaru (Juni 2011) menegaskan "kemacetan yang signifikan" dari GPS oleh sistem LightSquared itu. ^[88]