Global Positioning System

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
GPS-satellit i bana runt jorden.
Bärbar GPS-mottagare.

NAVSTAR GPS, vanligen kallat enbart GPS, förkortning av Global Positioning System, var länge det enda allmänt användbara systemet för satellitnavigering och drivs av det amerikanska försvarsdepartementet. GPS utvecklades under 1970-talet men sattes inte i drift förrän i maj 1994. En uppsättning av 27 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 användbart i många sammanhang, ett nödvändigt system i modern navigation på land, hav och i luften runt hela världen, såväl som inom geodetisk mätning. GPS har också blivit en viktig och användbar tidsreferens i vårt samhälle, då signalen som sänds ut från satelliterna innehåller tidsinformation från inbyggda atomur.

Beroende på satellitens operationella skick kan en GPS ange hälsotillståndet hos satelliten.

Allmänt[redigera | redigera wikitext]

50th Space Wing.png

Det amerikanska försvarsdepartementet utvecklade systemet under namnet NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging GPS) och lanserade den första experimentsatelliten 1978. Satelliterna är tillverkade av USA:s flygvapen 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 lägga till 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 tre 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. I praktiken måste man dock i många sammanhang räkna med en betydligt sämre noggrannhet, bland annat för att kartorna kan ha rätt stora fel.

Användning av GPS[redigera | redigera wikitext]

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

Navigering[redigera | redigera wikitext]

GPS används över hela världen av människor för navigeringshjälp, bland annat i telefoner, cyklar, bilar, flygplan och båtar. Systemet kan också användas i truckar, skogsmaskiner och andra fordon. Bergsklättrare och vandrare har ofta GPS-mottagare. 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, telefon, bildator eller liknande. Det finns också utrustningar som är tillgängliga för människor med funktionshinder, som till exempel synskador.

Militären[redigera | redigera wikitext]

GPS gör det möjligt för militären 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[redigera | redigera wikitext]

De flesta flygbolag tillåter passagerare att använda GPS-utrustningar under sina flygningar, dock med undantag för start och landning, då annan elektronisk utrustning också är otillåten. Även om risken för en kollision eller incidenter på grund av störningar är minimal så är det viktigt att dessa inte används. Eftersom denna risk finns ställer några få flygbolag som krav att elektronisk utrustning skall hållas avstängd under hela resan, notera att detta gäller passagerarnas utrustning. När flygplanet har fast installerad utrustning, som exempelvis tv-apparater i sätena så passagerare kan se på film, får de ofta användas under start och landning eftersom de har anpassats för att fungera ihop med flygplanets övriga system och har ingått i flygplanets typprov. (Detta med typprov förklarar delvis varför trafikflygplan inte uppgraderar elektronik i passagerarkabinen ombord. Ska något moderniseras måste stora delar av proven göras om.) Allvarligast vore om en ILS-stråle för cockpitens känsliga ILS-instrument (localizer och glideslope) plötsligt störs under en inflygningens slutskede (approachen) i dimma på låg höjd. Ett fel 20 meter fel i sidled eller 5 meter i höjdled kan få förödande konsekvenser på en ILS CAT III(C) inflygning när nollsikt råder.

Historia[redigera | redigera wikitext]

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.

Satelliter som ingick i den första serien, försöksserien, kallas Block I-satelliter. Den andra serien, produktionsserien, kallas Block II. Inom denna serie finns flera generationer, till exempel Block II A, Block II B. Block III-satelliterna kommer att ingå i den tredje serien. Utmärkande för denna serie är den adderade tredje frekvensen L5.

Teknisk beskrivning[redigera | redigera wikitext]

Avståndsmätning[redigera | redigera wikitext]

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. Genom att satelliternas position är känd, då de kontinuerligt övervakas av cirka 15—30 markstationer placerade i huvudsak längs och nära ekvatorn, så 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.

Elevationsgräns är vertikalvinkeln (vinkel över horisonten), som utgör undre gräns för vilka GPS-observationer som skall vara med vid mätning eller beräkning.

Tidsmätning[redigera | redigera wikitext]

Se även: GPS-tid

GPS-systemet bygger på att tidgivningen är mycket noggrann. Detta åstadkoms på flera sätt. Varje satellit har fyra atomklockor ombord - en som används och tre i reserv. För att tidmätningen skall bli noggrann krävs att alla satelliter kan skicka ut sina koder samtidigt inom snäva marginaler. Detta görs genom att satelliternas atomur synkroniseras från en huvudklocka på marken, vilket sker var 12:e timme.

I GPS-mottagaren används en vanlig kvartsoscillator som tidmätare (samma typ som finns i armbandsur). Sådana är mycket noggranna vid tidmätning under någon eller ett par sekunder, men blir mindre noggranna vid längre mätningar än så. Därför synkroniseras mottagarens kvartsoscillator regelbundet med satelliternas klockor (ungefär 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 ur detta beräkna avståndet till den satelliten.

Även andra system nyttjar noggrannheten i GPS-systemets tid för tidssynkronisering till exempel digital-tv eller radiosystem exempelvis Tetrastandarden.

Positionsmätning[redigera | redigera wikitext]

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 1227,60 MHz (L2).[1] 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. P-koden består av en mycket lång följd av binära tvåfasmoduleringarbärvågen med överföringshastigheten 10,23 Mbit/s. P-koden har en period på 267 dygn. Varje veckolångt segment av P-koden är unikt för varje enskild GPS-satellit och återstartas varje vecka. Benämningen P-kod står för precise code eller protected code. Y-koden är en krypterad P-kod. A-S (förkortning för anti-spoofing) är en kryptering av P-koden till en Y-kod för att förhindra att falsk satellitdata ersätter den korrekta signalen.

Sändareffekten ligger på ca. 27 W. Antennförstärkningen är 10-17 dBi. På grund av avstånd och utspädning ligger mottagen effekt kring -160 dBi, alltså upp till 27 dB svagare än bakgrundsbrus.

Kinematisk positionsbestämning är positionsbestämning där GPS-mottagaren är i rörelse. Den oegentliga termen dynamisk positionsbestämning ska inte användas.

När GPS-data samlas samtidigt av två eller flera mottagare kallas det en observationssession. Den tidsperiod som sedan används för beräkningen av positionen benämns beräkningssession och sammanfaller oftast med observationssessionen men kan även bestå av enbart en del av den.

Referenssystem[redigera | redigera wikitext]

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 Rikets Triangelnät (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 koordinatsystemen och vissa GPS-mottagare har detta inbyggt. RT90 håller på att fasas ut och ersätts av SWEREF 99 som är mer anpassat mot WGS84.

Selective Availability[redigera | redigera wikitext]

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 noggrannheten vid absolut mätning med 70-100 meter. Amerikanska försvaret kunde på detta sätt få tillgång till en större noggrannhet 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.[2] Detta gjorde att privatpersoner kunde få tillgång till den förbättrade noggrannheten, 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[redigera | redigera wikitext]

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 Aviaconversiya 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 och orsakar stora problem för motståndaren. Att utnyttja den befintliga signalen och sända falsk information, så kallad "spoofing", är dock betydligt svårare eftersom den militära signalen är krypterad.

Då även GPS-systemet används för tidssynkronisering av andra system till exempel Tetrastandarden så är det svårt att överblicka vilken effekt en utslagning av GPS skulle medföra.[3]

Se även[redigera | redigera wikitext]

Referenser[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ GPS explained
  2. ^ Presidential statement to stop degrading GPS Office of Science and Technology Policy, 1 maj 2000.
  3. ^ Det trådlösa samhällets ökade sårbarhet Peter Stenumgaard, Elektroniktidningen, 1 juni 2008

Externa länkar[redigera | redigera wikitext]