Welcome to the ScoutWiki Network

GPS

Från ScoutWiki
Hoppa till: navigering, sök
GPS-satellit i bana runt jorden. Foto: NASA
GPS-mottagare från Magellan.

Navstar GPS, vanligen kallat för GPS, akronym av Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System, är det enda användbara systemet för satellitnavigering som drivs av det amerikanska försvarsdepartementet. GPS utvecklades under 1970-talet men sattes inte i drift förrän i maj 1994. En uppsättning av mer än 30 satelliter är idag i drift, som ger möjlighet för alla med en GPS-mottagare att bestämma sin position (longitud, latitud och altitud), oavsett väder, dag som natt och var som helst på jorden.

GPS har under de senaste åren blivit en stor användbarhet i många sammanhang, ett nödvändigt system i modern navigation på land, hav och i luften runt hela världen, såväl som kartografi och lantmäteri. GPS har också blivit en viktig och användbar tidsreferens i vårt samhälle, då satelliterna är utrustade med atomur inställda till nanosekunder, vilket kan nås dygnen runt, främst till kommunikation av telefoni, men ibland även till vetenskapliga forskningar, bland annat om jordbävningar.

Allmänt

50th Space Wing.png

Det amerikanska försvarsdepartementet utvecklade systemet under namnet NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging GPS) och lanserade den första exprimentsatelliten 1978. Satelliterna är tillverkade av US Air Force och kostnaden för att upprätthålla dessa är runt 400 miljoner USD per år, inklusive ersättning av satelliter. GPS är tillgänglig för alla och gratis i privat bruk.

I slutet av 2005 skickades den första satelliten i serien av den andra generationen GPS upp till uppsättningen av GPS satelliterna, för att erbjuda ny kapacitet och fler tjänster, där bland annat en civil GPS signal, L2C, för ökad noggrannhet och tillförlitlighet. Under de kommande åren kommer ytterligare satelliter att skickas upp för att utöka täckningen av L2C och tillägga en tredje och fjärde signal till systemet, såväl som militära ändamål.

Möjligheten att precisera sin position ytterligare kommer att utökas de närmaste åren bland annat med WAAS, den amerikanska motsvarigheten till EGNOS, vilket är tillgängligt sedan augusti 2000. WAAS erbjuder signaler med en noggrannhet av två meter för kompatibla mottagare. Inom en snar framtid kommer GPS att kunna erbjuda en noggrannhet av intill en centimeter över kortare avstånd, med hjälp av bland annat differentiell GPS.

Användning av GPS

Satellit för NAVSTAR GPS.
Taxi i Kyoto utrustad med GPS.

Navigering

GPS används över hela världen av människor för navigeringshjälp, bland annat i bilar, flygplan och båtar. Systemet kan också användas i truckar, skogsmaskiner och andra fordon. Bergsklättrare eller vandrare har ofta GPS-mottagare som enkelt kan greppas i hand och kan fästas i bälten eller liknande. Även piloter för glidflygplan eller liknande använder ofta GPS för att fastställa avståndet till landningsplatser för att öka sin precision. Billigare GPS-mottagare följer ofta med en handdator, bildator eller liknande. Det finns också utrustningar som är tillgängliga för människor med funktionshinder, som till exempel synskador.

Militären

GPS gör det möjligt för miltären att förbättra sina vapen, inklusive precisionsvapen som kryssningsrobotar, såväl som att få mer lokalkännedom. Satelliterna är också utrustade med detektorer för att lokalisera kärnvapen, vilket är det viktigaste för Vela. Civila GPS-mottagare är begränsade med altituden för att dels förhindra dessa att användas som improviserade missiler. Den militära utrustningen är också mer utvecklad än den civila.

Flygpassagerare

De flesta flygbolag tillåter passagerare att använda GPS utrustningar under deras flygningar, dock med undantag för avgång och landning, då annan elektronisk utrustning också är otillåten. Även om risken för en kollision är minimal så är det viktigt att detta inte används. Eftersom denna risk finns ställer några få flygbolag som krav att elektronisk utrustning skall hållas avstängd under resan. Trots detta finns det flygbolag som numera installerar tv-apparater i säten, så passagerare under resan kan se på film, till och med under deras avgång och landning.

Historia

GPS var inte det första satellitbaserade systemet för positionsbestämning. Redan med Sputnik diskuterades möjligheten att mäta frekvensförskjutningar (dopplereffekt) hos satellitens signaler för att beräkna positioner på jorden. Under tidigt 1960-tal lanserades dock amerikanska flottans system Transit, som med hjälp av dopplermätningar kunde beräkna positioner på jorden. Navstar GPS börjades att byggas upp under 1970-talet och första testsatelliten sköts upp 1978, och den första produktionssatelliten 1989. Systemet driftsattes i maj 1994, när man hade 24 satelliter i sex olika banplan runt jorden. Året därpå stängdes det gamla Transit-systemet ned.

Teknisk beskrivning

Avståndsmätning

Positionsbestämning med GPS bygger på avståndsmätning med triangulering från ett antal satelliter. Satelliterna skickar kontinuerligt ut information om exakt tid och datum (i kodad form), identitet (vilken satellit som sänder), status samt uppgifter om var satelliten befinner sig vid varje given tidpunkt.

Avståndsmätningen går till så att man mäter skillnaden i tiden det tar för varje satellits signal att nå mottagaren. Eftersom signalen går med ljusets hastighet går det att räkna ut hur långt det är till satelliten. Eftersom satelliternas position är känd går det sedan också att räkna ut var man befinner sig, latitud och longitud (när man har fått avståndet till minst tre satelliter). För bestämning av altituden måste man ha signaler från minst 4 satelliter.

Tidsmätning

Ljusets hastighet är omkring 300 000 kilometer/sekund. Satelliterna befinner sig på en höjd av omkring 20 000 km, och tiden det tar för signalen att nå jorden är då omkring 0,6 millisekunder. Ett tidsfel på en mikrosekund (0,000001 s) ger ett längdfel på 300 meter. GPS-systemet bygger alltså på att tidgivningen är mycket exakt. Detta åstadkoms på flera sätt. Varje satellit har fyra atomklockor ombord - en som används och tre i reserv. För att tidmätningen skall bli exakt krävs att alla satelliter kan skicka ut sina koder exakt samtidigt. Detta görs genom att satelliternas atomur synkroniseras från en huvudklocka på marken (var 12:e timme).

I GPS-mottagaren används en vanlig kvartsoscillator som tidmätare (samma typ som finns i armbandsur). Sådana är mycket exakta vid tidmätning under någon eller ett par sekunder, men blir inexakta vid längre mätningar än så. Därför synkroniseras mottagarens kvartsoscillator regelbundet med satelliternas klockor (i stort sett varje sekund).

När mottagarens klocka är synkroniserad med satelliternas skapar satelliten och mottagaren samtidigt varsin tidskod. Satelliten skickar ut sin tidskod, och mottagaren tar emot den. Mottagaren vet nu hur lång tid det har förflutit sedan satelliten skickade ut sin kod och kan därför avgöra avståndet till den satelliten.

Positionsmätning

Eftersom satellitens position är känd kan man nu beräkna att vi finns någonstans på ytan till en imaginär sfär med en viss radie (=avståndet till satelliten). Då mottagaren har fått samma information från tre olika satelliter kan den räkna ut var vi befinner oss (i skärningspunkten mellan de olika sfärytorna).

Systemet sänder på två frekvenser: 1575,42 MHz (L1) och 1227,6 MHz (L2). L2 är den militära frekvensen. Dock så använder militära mottagare den civila signalen för att skicka P(y)-kod (för att få högre precision). För att störa ut signalerna behövs en relativt avancerad utrustning.

Sändareffekten ligger på ca 27 W, med en förstärkning på 10-17 dBi, vilket ger en effektiv effekt på 280-500 W. På grund av avstånd och utspädning ligger mottagen effekt kring -160 dBi, alltså upp till 27 dB svagare än bakgrundsbrus.

Referenssystem

GPS-systemet använder sig av referenssystemet WGS84 som ger positionen med longitud och latitud. Svenska sjökort har normalt koordinater och rutnät enligt WGS84. Svenska landkartor använder istället Swedish grid (Rikets rutnät, RT 90) med x- och y-koordinater. Mellan WGS84 och RT 90 kan det skilja upp till några hundra meter inom Sverige. Det finns program som räknar om mellan de olika koordinatsystemet och vissa GPS-mottagare har detta inbyggt.

Höjden som fås med GPS är normalt inte höjden över havet utan ett förenklat system. Inom Sverige varierar avvikelsen mellan +20 till +40 meter över havet. Över hela världen är variationen istället mellan -100 och +80 meter.

Selective Availability

GPS är utvecklat av USA för militära ändamål. För att inte ge andra försvarsmakter samma möjligheter som den egna lades en medveten störning på GPS-signalen. SA försämrade noggranheten vid absolut mätning med 70-100 meter. Amerikanska försvaret kunde på detta sätt få tillgång till en större noggranhet än vad andra kunde få, och fick på det sättet en fördel. Det utvecklades dock system som kunde korrigera GPS-signalen och ta bort SA-försämringen, exempelvis DGPS. Med DGPS kan man till och med åstadkomma en exaktare positionering än med GPS utan SA.

SA slogs av från och med den 2 maj 2000 efter ett presidentbeslut av Bill Clinton[1]. Detta gjorde att privatpersoner kunde få tillgång till den förbättrade noggranheten, något som företag och stater redan kunnat få via DGPS. Eftersom GPS är ett militärt system kan dock SA eller ett liknande system slås på igen utan föregående varning.

SA kunde slås av då det delvis spelat ut sin roll efter uppkomsten av DGPS och liknande system. Inom både EU och Ryssland pågår utveckling av nya modernare system, Galileo och GLONASS. Genom att slå av SA är inte risken lika stor att USA kommer att tappa användare till EU och Ryssland.

Störningar

Vid konfliktsituation kan det vara av intresse för parterna att störa motståndarens tillgång till navigering och precisionsvapen och man har därför utvecklat ett antal olika system för störning av GPS, dock inget känt svenskt. Ett exempel är det ryska Aviaconversija MAKS 1999 som har en uteffekt på 8 W och drivs av ett 12 V -batteri. Systemet väger ca 3 kg. Det stör inom en radie på 45 km i öppen terräng. Att störa GPS är billigt, men orsakar stora problem för motståndaren. Att utnyttja den befintliga signalen och sända falsk information, s.k. "spoofing", är dock betydligt svårare eftersom den militära signalen är krypterad.

Se även

Externa länkar

Referenser

  1. Office of Science and Technology Policy, USA. Presidential statement to stop degrading GPS. May 1, 2000.

Mall:UA

af:GPS bg:Глобална система за позициониране bs:GPS ca:Sistema de posicionament global el:Global Positioning System et:GPS eu:GPS fa:سامانه موقعیت‌یاب جهانی he:GPSid:Global Positioning System is:Global Positioning System ko:GPS lb:Global Positioning System lt:GPS lv:Globālā pozicionēšanas sistēma ms:Sistem Kedudukan Sejagat no:Global Positioning System nrm:Pliaich'chie globale à satellite pl:Global Positioning System ro:Global Positioning System ru:Спутниковая система навигации sh:Globalni pozicioni sistem sk:Global Positioning System sl:GPS sr:Globalni pozicioni sistem ta:பூமியில் இடத்தைக் காட்டும் கருவி th:จีพีเอส tr:GPS vi:Hệ thống định vị toàn cầu yi:GPS zh:全球定位系统