GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Med hjälp av en handhållen GPS-navigator som inte är större än ett cigarettpaket kan vem som helst få reda på sin exakta position på jordklotet. Man kan även få ständigt aktuell information om sin höjd, fart och rörelseriktning. Detta med hjälp av GPS, eller Global Positioning System, som är ett av amerikanska militären utvecklat satellitnavigeringssystem.
VAD ÄR GPS?
GPS, eller Global Positioning System som förkortningen står för, är ett kombinerat positionsbestämnings- och tidreferenssystem som använder sig av satelliter. Systemet används huvudsakligen till positionsbestämning och navigering för flyg, fartyg och markfordon. Intresset är stort för att exakt kunna bestämma en position, såväl inom militären som civilt. Systemet används tex av kriminalvård för att hålla reda på brottslingar och civilt av golfklubbar för att veta hur långt det är till hålet.
Det enda ändvändaren behöver är en mottagare som idag inte behöver vara större än ett cigarettpaket. Priserna på de enklaste GPS-mottagarna är nere kring 1500 kronor. Mottagaren ger information som uppgraderas varje sekund om dess position, fart och förflyttningsriktning. De flesta mottagare har funktioner som gör det möjligt att skriva in koordinater och färdvägar som den sedan kan följa genom att visa riktning och avstånd. Mottagarna kan ha funktioner som gör det möjligt att markera platser man passerar för att sedan få en exakt vägbeskrivning för att hitta tillbaka. Det här kan vara väldigt praktiskt på fartyg då man har man över bord. GPS används av såväl kommersiellt flyg, nöjesseglare som militär.
BAKGRUND
GPS är grundat och kontrollerat av det amerikanska försvarsdepartementet. Det är utvecklat för och styrs av den amerikanska militären. Satellitnavigering är en naturlig utveckling av metoder som grundar sig på användning av sol, stjärnor och planeter. Den första provsatelliten för GPS skickades upp i februari 1978. Systemet förklarades fullt operativt i juli 1995. Meningen med systemet är att den amerikanska försvarsmakten och dess allierade ska ha ett system för exakt positionsbestämning. Systemet är dock även högst intressant för civilister världen över. Ur säkerhetssynpunkt är det en klar fördel att kunna bestämma sin position i samma system som andra när det gäller tex båt- och flygtrafik. Därför tillåter det amerikanska försvarsdepartementet att alla får använda GPS utan någon särskild kostnad förutom själva mottagaren. På grund av att den amerikanska militären inte vill att fientliga styrkor ska få fördelen av exakt positionsbestämning, så sänder de ut störningssignaler via satelliterna som minskar noggrannheten. Störningssignalerna som inte berör den amerikanska militären gör så att noggrannheten med 95% säkerhet ligger inom 100m.
Kostnaden hittills för att utveckla och implementera GPS är mer än 12 miljarder US$.
SYSTEMETS UPPBYGGNAD
GPS består av tre segment; ett rymdbaserat segment, ett kontrollsegment och ett brukarsegment.
Satellitsegmentet består av 24 satelliter som vardera väger 1 ton och har en storlek jämförbar med en vanlig bil. Satelliterna har två vingar med solceller som står för energiförsörjningen. Satelliterna har även två styrraketer som kan kopplas in ifall kursen behöver ändras. De 24 satelliterna är uppdelade i sex olika banor med fyra satelliter i vardera. Avståndet från jorden är 20200 km och de hinner två varv runt jorden på 24 timmar. Det är bara 21 av satelliterna används, de övriga tre är reservsatelliter. Satelliterna i GPS brukar kallas för NAVSTAR, NAVigation System with Time And Ranging.
Kontrollsegmentet består av fem sk monitorstationer, tre markantenner samt en kontroll- och driftledningscentral. De fem monitorstationerna är obemannade och utspridda runt jorden i närheten av ekvatorn så att mätningar kan ske kontinuerligt. Platserna är Ascension Island i Sydatlanten, Diego Garcia i Indiska Oceanen, Kwajalein i Stilla Havet, Hawaii i Stilla Havet samt Colorado Springs i USA. Kontroll- och driftledningscentralen är belägen på Falcon Air Force Base utanför Colorado Springs. De tre markantennerna finns i anslutning till tre av monitorstationerna. Monitorstationerna söker upp alla synliga satelliter och tar emot information om bandata och tid. Monitorstationerna skickar informationen till kontroll- och driftledningscentralen där den uppdateras och korrigeras. Den korrigerade informationen skickas sedan tillbaka till satelliterna via markantennerna tre gånger per dygn.
Brukarsegmentet består av antenner och mottagarprocessorer som ger position, hastighet och exakt tidangivelse.
POSITIONSBESTÄMNING
Det finns två sätt att bestämma sin position med hjälp av GPS. Det vanligaste och snabbaste sättet är sk kodmätning där man mäter tiderna för signalerna från satellit till mottagare. Satelliterna sänder bland annat ut en almanacka som gäller för ett par månader och ständigt uppdateras till mottagaren så att den vet vilka satelliter den ska söka upp. Satelliternas position är känd och även signalernas hastighet. I princip så använder sig sedan mottagarna av den välkända formeln sträckan är hastigheten multiplicerad med tiden.
Det andra sättet att bestämma position är mer exakt men kräver mer avancerade mottagare. Då våglängden är känd så mäts antalet hela våglängder och antalet delar av våglängd. Vågländen ligger runt 20 cm, därmed får man en noggrannhet på några centimeter.
Positioneringen i GPS sker i ett rätvinkligt koordinatsystem. Systemet är ett sk geocentriskt system med jordens medelpunkt som centrum och z-axeln orienterad längs jorden rotationsaxel. X-axeln ligger i meridianplanet genom Greenwich medan y-axeln orienteras så att den tillsammans med x och z bildar ett sk högerorienterat system. De flesta navigatorer omvandlar koordinaterna till longitud och latitud då det är mer användarvänligt. Koordinaterna är definierade av globala geografiska referenssystem.
NOGGRANNHET
Det finns alltid fyra till åtta satelliter synliga för en mottagare. Berg, höga byggnader och liknande kan blockera signalerna som är lättabsorberade. För att kunna bestämma position i longitud, latitud samt höjd krävs det signaler från fyra satelliter samtidigt. Om höjden är känd behövs det bara tre satelliter. Om man dessutom har tiden med en stabil klocka kan man klara sig med två satelliter. Om man utöver dessa villkor har en stationär mottagare eller en känd hastighet så räcker det i alla fall teoretiskt med en satellit.
GPS grundar sig på exakta tidsangivelser. Då signalerna från satelliterna rör sig med nästan ljusets hastighet så krävs bråkdelar av en sekund för positionsbestämning. Varje satellit har därför fyra atomklockor, två med cesium och två med rubidium. Atomuren har ett fel på en sekund på 150000 år. Tiden kontrolleras regelbundet fån kontroll- och driftledningscentralen i Colorado. GPS-tiden är samordnad med den internationella atomtiden UTC, som står för Universal Time Coordinated, genom direkt kontakt med den sk Master Clock vid U.S. Naval Observatory i Washington.
Det finns en del kända fel som kan uppkomma vid GPS-navigering. De vanligaste felen och deras genomsnittliga storlek uppges nedan:
TVÅ VERSIONER
Det finns två versioner av Global Positioning System. Versionerna kallas för SPS och PPS. Satelliterna sänder signaler på två olika frekvenser. SPS använder sig av en frekvens och PPS av båda frekvenserna. SPS står för Standard Positioning Service och är den version som allmänheten får ta del. Signalen som mottagaren får är utsatt för en inprogrammerad störning. Noggrannheten på positionsbestämningen ligger med 95% säkerhet inom 100 meter och med 99,99% säkerhet inom 300m. Tidangivelserna har ett fel som är mindre än 340 nanosekund med 95% säkerhet. Störningarna kan bestå av manipulering av bandata och/eller manipulering av tidfrekvensen.
Den andra versionen är PPS, Precise Positioning Service, och är endast till för den amerikanska militären. Motsvarande noggrannhet uppges var 20 meter med 95% säkerhet.
Då de militära spänningarna världen över minskar, har det amerikanska försvarsdepartementet uppgivit att störningarna kommer att upphöra någon gång mellan år 2000 och 2006.
DGPS
Genom att placera ut en GPS-station på ett ställe vars exakta position är känd, kan man räkna ut det fel som uppkommer på grund av amerikanarnas störningssignal. På det viset får man en säker referenspunkt att jämföra data med. Den GPS-stationen kan sedan lämna ut sina uppgifter om satelliternas fel till andra GPS-navigatorer i området så de kan korrigera sina positionsberäkningar. Det här sättet att komma till rätta med de manipulerade signalerna kallas för Differential GPS, eller DGPS. Med hjälp av DGPS är det möjligt att uppnå noggrannheter på två till tio meter med SPS trots störningarna. Med samma teknik kan man få ned noggrannheten för PPS till 1mm!
Det finns flertalet sådana system runtom i världen. I Sverige har tex Sjöfartsverket byggt upp ett nät med DGPS-sändare placerade i ett antal kustfyrar.
TVÅ TYPER AV MOTTAGARE
Det finns två huvudtyper av GPS-mottagare; multiplexmottagare och flerkanaliga parallella mottagare.
Multiplexmottagaren använder sig av en kanal som samtidigt följer flera satelliter genom att snabbt växla mellan dem. Multiplexmottagarna kan ha flera kanaler som samtidigt samlar in information om satelliternas banor, tidskorrektioner och andra informationer som satelliterna sänder ut.
Flerkanaliga parallella mottagare följer en satellit med varje kanal. När mottagaren väl har fångat in en satellit behöver den inte släppa den förrän satelliten inte är aktuell. Det finns flerkanaliga mottagare som har ända upp till 24 kanaler. En del av dessa mottagare utnyttjar inte enbart de fyra bästa satelliterna. Istället använder information från alla användbara satelliter och jämför mätdata för att minimera positionsfelen.
SATELLITERNAS LIVSLÄNGD
Livslängden hos satelliterna beror främst på två faktorer. Satelliterna drivs av solcellsenergi. De har NiCd-batterier som används då solen skyms av jorden. Batteriernas återuppladdningsförmåga är en faktor som påverkar livslängden Satelliterna har bankorrigeringsraketer som är nödvändiga för att ha kontroll dem. Det medhavda bränslet till dessa raketer är den andra faktorn. Satelliternas livslängd är minst 10 år.
REFERENSER