GPS

GPS-systemet er bygget opp med infrastruktur på bakken og satellitter i rommet
GPS-systemet
Lisens: CC BY SA 3.0
Romsegmentet er basert på minimum 24 satellitter som går i MEO-baner med inklinasjon (i) på 55 grader.
Romsegment
Lisens: CC BY SA 3.0
Satellittnavigasjon er blitt en særdeles viktig form for infrastruktur. Illustrasjonen viser fordeling av brukere av slike tjenester.
GPS-bruksområder
Lisens: CC BY SA 3.0

GPS er et satellittnavigasjonssystem som gir tilgang til navigasjons- og tidstjenester i hele verden. Det gir brukere på land, sjø, i luften og i rommet nøyaktig tredimensjonal posisjon samt svært nøyaktig tidsreferanse. GPS er utviklet og drevet av USAs forsvarsdepartement, og har vært operativt siden 1993.

Faktaboks

uttale:

ge-pe-ess

etymologi:

forkortelse for engelsk Global Positioning System (Globalt posisjonssystem)

også kjent som:

Fullstendig navn var opprinnelig NAVSTAR-GPS (Navigation System using Timing And Ranging – Global Positioning System).

GPS er et av flere tilnærmet like GNSS-systemer, slik som russiske GLONASS, europeiske Galileo og kinesiske BeiDou, men GPS er det desidert mest brukte. I tillegg til posisjons- og tidstjenester har satellittene en gradert militær funksjon knyttet til deteksjon av kjernefysiske sprengninger (Nuclear Detonation Detection System, NDS).

Grunnleggende oppbygging og virkemåte

GPS-systemet er basert på 24 satellitter, som sammen med flere kontrollsenter på jorden, sørger for stabil og tilnærmet lik ytelse, uansett hvor man befinner seg på jorden – dog ikke under vann eller inne i større bygninger. Systemet har siden det ble operativt gradvis blitt fornyet med satellitter som stadig har bedret ytelsen og bidratt med nye tjenester. Siste generasjons satellitter bidrar blant annet med å formidle nødmeldinger fra utløste nødpeilesendere. Selv om GPS ble utviklet som et militært system og inneholder mange rent militære funksjoner er den desidert største utbredelsen i dag i forbrukerelektronikk som mobiltelefoner og treningsutstyr. Den store utbredelsen gjør GPS til et svært viktig element i infrastrukturen i det moderne samfunnet.

Etter GPS ble operativt har flere andre stater bygget egne satellittsystemer eller tilleggstjenester som er kompatible med GPS. Mottagere i de mest avanserte mobiltelefonene nå ha mottagere som baserer navigasjon på flere GNSS-systemer, slik som GLONASS, Galileo og BeiDou – noe som gjør at tjenesten både er mer nøyaktig og mer robust enn om GPS ble benyttet alene.

Enkelt forklart fungerer navigasjon med GPS ved at man måler avstanden til minst tre satellitter samtidig. Ved at man kjenner satellittenes nøyaktige posisjon (bane) vil de målte avstandene dermed beskrive nøyaktige stedlinjer/posisjoner på Jorden. Siden avstandsmålingene er basert på måling av tiden det tar å overføre et radiosignal fra satellitten til mottageren, er systemet avhengig av ekstremt nøyaktige klokker, og i satellittene sitter flere atomur som sørger for dette. De nøyaktige klokkene er også hemmeligheten bak at systemet kan benyttes til svært nøyaktig tidsreferanse (klokke) på jorden.

Overordnet systemoppbygning

Satellittene sender informasjon om bane (efemeride) og tid til mottageren.
Banebeskrivelse
Lisens: CC BY SA 3.0

GPS-systemet deles gjerne inn i tre forskjellige segmenter:

  • Romsegment
  • Bakkesegment
  • Brukersegment

Romsegmentet består av 24 satellitter i seks baneplan. 24 satellitter må til for at alle brukere med fri sikt til horisonten til enhver tid skal kunne ta imot signaler fra minst fire satellitter, noe som kreves for en posisjonsbestemmelse i tre dimensjoner. I tillegg sender utplasserte reservesatellitter navigasjonsdata, hvilket betyr at man ofte i praksis vil kunne ha omkring 30 satellitter operative. De sirkulære satellittbanene har en høyde på cirka 20 180 kilometer over jordoverflaten (Medium Earth Orbit, MEO), og baneplanene danner en vinkel (inklinasjon) på 55° med ekvatorplanet, hvilket betyr at satellittene blir godt synlige også i polare strøk og dermed gir tilnærmet lik ytelse uansett sted på jorden. Satellittenes omløpstid er et halvt stjernedøgn, det vil si 11 timer og 58 minutter. Fundamentalt for ytelsen og virkemåten på GPS er de ekstremt nøyaktige klokkene i satellittene, fire såkalte atomur i hver satellitt. Fra 2018 startet man å skytes opp tredje generasjon satellitter, såkalt Block-III. Med en vekt på 2269 kg er dette relativt store satellitter, og forventet levetid er 15 år.

Bakkesegmentet består av en hovedkontrollstasjon i Colorado Springs i USA. Herfra kontrolleres satellittene via et nett av 16 monitorstasjoner fordelt rundt på Jorden, som tar imot og evaluerer satellittenes signaler. Fra kontrollstasjonen styres også elleve antennestasjoner for opplasting av data til satellittene. Normalt lastes forbedrede bane- og klokkedata opp til satellittene minst én gang i døgnet fra disse. Samlet består bakkesegmentet av 20 bakkestasjoner.

Brukersegmentet består av et stort mangfold på land, sjø, i luften og i rommet. Det kan være stor forskjell på mottagere ut fra brukernes behov. En mottager som er godkjent for bruk i sivil skipsfart eller luftfart vil kanskje ikke være egnet for bruk innen oppmåling på land. GPS ble opprinnelig utviklet som et rent militært system, men i dag er godt over 90 prosent av brukerne sivile. Man skiller gjerne mellom mottagere med forskjellige kapasiteter og egenskaper, vanligst er:

  • Kodebasert (vanlige sivile mottagere, oftest én-frekvent på L1)
  • Fasebaserte (til høypresisjonsanvendelser)
  • Flerfrekvente (mottar L1, L2 og L5, for å kompensere for ionosfærefeil)
  • Militære mottagere (dekoder militære koder (P, Y og M))

Eldre mottagere vil normalt ikke kunne utnytte de nye signalene som er introdusert med andre og tredje generasjons satellitter.

Virkemåte

Prinsippet for stedbestemmelse med GPS er basert på avstandsmåling til minimum tre satellitter.
Posisjoneringsprinsipp
Lisens: CC BY SA 3.0
Illustrasjon av koder og bærebølger som sendes fra satellittene.
Koder og bærebølger
Lisens: CC BY SA 3.0

Det grunnleggende prinsippet for posisjonsbestemmelse med GPS er måling av hvor lang tid signalet bruker fra satellitten til brukerens mottaker. Det sendes ingen signaler den motsatte veien. Dette gir stedlinjer som er avstander fra satellitten (Pseudo Range), og med minimum tre stedlinjer vil man kunne beregne en nøyaktig posisjon (trilaterasjon), normalt referert til WGS-84 datum.

Alle satellittene sender på samme frekvens, men har hver sin unike binære kode (CDMA = Code-Division Multiple Access), også kalt PRN-kode (Pseudo-Random Noise). Disse PRN-kodene er, sammen med den såkalte navigasjonsmeldingen, en bitstrøm på 50 biter per sekund som inneholder informasjon om blant annet satellittens banedata (efemerider/posisjon). Informasjon er tofasemodulert (det vil si 1 og 0 har 180° faseforskjell på bærebølgen) på to ulike bærebølger kalt L1 (1575,42 MHz) og L2 (1227,60 MHz), som sendes ut fra hver satellitt. I 2014 kom også en tredje bærebølge, L5 (1176,45 MHz), i bruk.

PRN-kodene brukes til å bestemme satellittsignalenes ankomsttid i mottakeren. Dette blir kalt kodemåling. Ved å multiplisere forskjellen mellom utsendelses- og ankomsttidspunkt med utbredelsehastigheten (lyshastigheten) fås avstanden mellom mottaker og satellitt.

  • Avstand = overføringstid x utbredelseshastighet
Eksempel: Overføringstiden er 67,3 ms og utbredelsehastigheten er tilnærmet lik 300 000 km/sek. Avstand er da: 67,3x10 -3 x 300 000x10 3 = 20 180x10 3 m = 20 180 km.

Av dette fremgår det at en feil på ett mikrosekund i tidsmålingen vil medføre en feil på 300 meter i avstandsberegningen. Utsendelsestidspunktet finnes ved hjelp av navigasjonsmeldingen. Satellittene sender ut to typer PRN-koder kalt C/A-kode og P-kode. (C/A = «Coarse/Acquisition», P = «Precise»). C/A-koden er fritt tilgjengelige for sivile brukere, men P-koden er kryptert (etter kryptering kalles den Y-kode) og kan kun benyttes i spesielle mottakere forbeholdt militære brukere i NATO-land. Visse sivile brukere kan etter søknad til myndighetene i USA få tilgang på Y-kode.

Signalutvikling og fornying

Signalene som er utsendt fra satellittene har utviklet seg over tid. Her vises hvor de forskjelige signalene er plassert i frekvensspekteret.
Frekvensspektrum
Lisens: CC BY SA 3.0

I 2005 begynte man å skyte opp satellitter med en «sivil» bærebølge på L2-frekvensen, kalt L2C. Dette signalet sendes også med høyere effekt enn det «militære» signalet. Vanlige brukere med mottakere for både L1 og L2 kan da korrigere for feilen som oppstår når radiosignalet går gjennom ionosfæren. Dette på grunn av ionosfærens innflytelse er frekvensavhengig. L2C og L5 sendes av alle nye satellitter som skytes opp. Det tar derfor et antall år før alle satellitter i konstellasjonen har disse signalene ettersom gamle satellitter ikke erstattes så lenge de virker tilfredsstillende. Nominell levetid er tolv år for de nyeste Block IIF-satellittene, men mange tidligere satellitter (Block I og II) med kortere forventet levetid har fungert lengre enn det. Nominell levetid for tredje generasjons satellitter, kalt GPS III, er 15 år.

I desember 2018 ble den første av GPS III-satellittene skutt opp. Disse vil i tillegg til de ovenfor nevnte signalene også sende ut L1C, et nytt sivilt signal på L1-frekvensen med en annen type modulasjon og spektralutnyttelse som gir bedre nøyaktighet. Dette signalet er kompatibelt med Galileos signal på samme bærefrekvens (se nedenfor). I 2023 skal 10 satellitter av denne generasjonen være i bane. Oppskyting av de følgende ca. 20 satellitter, kalt GPS IIIF, vil ta ganske mange år og gi ytterligere forbedringer og utvidelser av systemytelsene. I dette ligger blant annet kommunikasjon med nødpeilesendere (EPIRB) som gradvis skal overta for lavbanesatellittene i COSPAS/SARSAT-systemet.

Nøyaktighet og målemetoder

Nøyaktighetspotensialet for avstandsbestemmelse ved hjelp av PRN-kodene (kodemåling) er i størrelsesorden én meter for C/A-koden og litt under én meter for P-koden (med 95 prosent sannsynlighet). Nøyaktigheten i den horisontale stedsbestemmelsen vil være i samme størrelsesorden for en god mottager, og ca. 1,5 meter i vertikalplanet. Forskjellen i nøyaktigheten mellom kodene kommer av at chiphastigheten i P-koden er ti ganger raskere enn C/A-koden, 10,23 Mchips per sekund versus 1,023 Mchips på C/A koden. Omregnet i lengde medfører dette at P-koden vil være 30 meter (0,1 mikrosekund) og C/A-koden 300 meter (1 mikrosekund). Nøyaktigheten på signalet har gradvis blitt bedre, og ofte blir systemnøyaktigheten oppgitt som «User Range Error» (URE) fra satellitten (Signal in Space, SIS). I 1990 var URE omkring 4,6 meter, og i 2019 var gjennomsnittlig URE nede på ca. 0,5 meter.

En annen metode for å bestemme avstanden til satellitten er fasemåling på bærebølgen. Avstandsoppløsningen ved slik fasemåling er i størrelsesorden noen millimeter, fordi bølgelengden for bærebølgen er cirka 19 centimeter på L1, det vil si betydelig kortere enn kodeelementene. Derved oppstår imidlertid et flertydighetsproblem fordi fasen er periodisk med en periode på 360° som tilsvarer en bølgelengde, og avstanden til satellitten er et meget stort antall bølgelengder (20 180 km tilsvarer vel 106 mill. bølgelengder a 19 cm). Problemet kan løses ved at mottakeren måler faseforskjeller mellom signaler fra to og to satellitter samt sammenligner disse forskjellene med tilsvarende målinger i en annen mottaker i kjent posisjon, såkalt dobbeldifferanse (se nedenfor om differensielle metoder). Ved hjelp av avansert signalbehandling og bruk av statistiske metoder kan gjenstående flertydigheter løses, og mottakerens posisjon i forhold til referansemottakerens kan bestemmes med centimeter-nøyaktighet hvis innbyrdes avstand mellom de to mottakerne ikke overstiger 10–20 kilometer. Avstandsbegrensningen kommer av usikkerhet knyttet til variasjoner i ionosfæren.

I økende grad brukes en metode kalt presisjonsposisjonsbestemmelse (Precise Point Positioning, PPP) som ikke er basert på differensielle metoder. I stedet får mottakeren via andre kommunikasjonskanaler mer nøyaktige data for satellittenes baneparametre og klokkefeil samt ionosfæreforsinkelse enn det navigasjonsmeldingen gir. Derved kan mottakerposisjonen også bestemmes mer nøyaktig. Feilen kan være i størrelsesorden 5 – 10 centimeter fra de beste tjenestene, uansett hvor man befinner seg på jorden.

På grunn av de ekstremt nøyaktige klokkene i satellittene vil man også kunne få svært nøyaktig tidsreferanse i mottagerne. Avhengig av type mottagere vil man typisk ha en nøyaktighet på tidsreferansen på ca. 20 – 100 nanosekunder.

Feilkilder og satellittgeometri

En av de største feilene er forårsaket av usikkerhet i signalutbredelse i ionosfæren. Problemet kan reduseres ved bruk av flere frekvenser (L1, L2 og L5).
Signalutbredelse
Lisens: CC BY SA 3.0
De fleste GPS-mottagere kan vise hvor satellittene står, samt informasjon om geometri (DOP).
Skyplot
Lisens: CC BY SA 3.0
Eksempel på informasjon som kan vises på display på en avansert GNSS-mottager. Her brukes kun GPS-satelliter med SBAS støtte.
Mottagerinformasjon
Lisens: CC BY SA 3.0

Feilkildene ved normal funksjon kan inndeles i tre grupper: satellittene, signalutbredelsen og mottakerne. Satellittfeilene kommer via navigasjonsmeldingen og innebærer unøyaktige banedata og feil i informasjonen om satellittklokkens avvik fra GPS tidsreferanse. Til sammen gir disse to feilene en unøyaktighet i avstandsbestemmelsen på 0,5–1 meter.

Signalenes utbredelseshastighet i jordens atmosfære (ionosfære og troposfære) avviker noe fra hastigheten i vakuum, og siden avstanden beregnes ut fra utbredelseshastighet multiplisert med overføringstiden, vil dette ha betydning. Ionosfærens innvirkning er omvendt proporsjonal med bærefrekvensen i kvadrat. Denne frekvensavhengigheten kan benyttes i flerfrekvensmottagere for å beregne ionosfærefeilen, og dermed bedre nøyaktigheten betraktelig – fra en avstandsfeil på cirka 5–50 meter til størrelsesorden ti centimeter. For enfrekvensmottakere inneholder navigasjonsmeldingen modellbaserte koeffisienter som muliggjør reduksjon av ionosfærefeilen med i gjennomsnitt cirka 50 prosent ved beregninger i mottakeren. Troposfærens innvirkning (avstandsfeil på rundt 2–10 meter) er ikke frekvensavhengig, og reduksjoner gjøres ut fra innlagte modeller i mottakerne som gir restfeil på noen få desimeter.

En annen forholdsvis stor feilkilde er signalreflekser fra omgivelsene rundt mottakerantennen, såkalt flerveisinterferens («multipath»). Ved kodemålinger kan dette medføre at avstandsfeilen bli titalls meter, verst for mottakere som står i ro. Problemet kan reduseres med avansert signalbehandling i mottakerne og ved presisjonsmålinger ved hjelp av spesielle antennearrangementer. Ved kodemålinger på to frekvenser er slike reflekser den største feilkilden.

Så vel atmosfærefeil som refleksjoner er vanligvis størst for satellitter som befinner seg lavt over horisonten. Derfor brukes kun satellitter over en viss minste elevasjonsvinkel, oftest omkring 10°.

Feilbidrag fra mottakerne kommer fra støy i forskjellige former og fra unøyaktigheter i beregningene. Mottakerfeil bidrar med cirka en halv meter til avstandsfeilen.

Tallverdiene for feilbidrag beskrevet over er såkalte 1-sigmaverdier (standardavvik), det vil si cirka 67 prosent av alle måletilfeller inneholder feil som er mindre enn den nevnte verdien. Fordi feilene er statistiske og uavhengige av hverandre, må de adderes kvadratisk, og den totale avstandsfeilen blir kvadratroten av summen av de kvadrerte feilbidragene.

Feil i bestemmelsen av avstand til satellittene gir seg uttrykk i posisjonsfeil. Disse posisjonsfeilene kan beregnes som et veiet produkt av avstandsfeilene og en såkalt geometrifaktor (Dilution Of Precision, DOP) som er forskjellig i ulike retninger, avhengig av retningene til satellittene sett fra mottakeren. Midlere horisontal DOP-faktor, HDOP, er cirka 1,5, det vil si posisjonsfeilen horisontalt blir cirka 50 prosent større enn feilen i avstandsbestemmelsen. Vertikalfeilen blir i gjennomsnitt cirka 50 prosent større enn horisontalfeilen, fordi det er mindre sannsynlig at en satellitt er høyt enn at den er lavt over horisonten. Geometrifaktoren ved bruk av fire satellitter blir minst hvis én satellitt er i senit og de øvrige tre er jevnt fordelt i horisontalplanet og har lav elevasjon.

Differensielle metoder for posisjonsbestemmelse

Vanlig form for differensiell GPS hvor korreksjoner sendes fra en fast bakkestasjon til en mobil bruker (likt system som opereres av Kystverket i Norge).
DGPS
Lisens: CC BY SA 3.0
Prinsipiell oppbygning av et satellittbasert støttesystem for GPS (SBAS), i dette amerikanske WAAS.
SBAS
Lisens: CC BY SA 3.0
Prinsipp for RTK-posisjonering, hvor korreksjoner overføres fra en fast mottager i nærheten.
RTK
Lisens: CC BY SA 3.0

Ved bruk av kun én enkelt mottaker vil man oppnå en posisjonsnøyaktighet på 5–10 meter ved kodemåling og enfrekvent (L1) mottager. En metode for å forbedre denne nøyaktigheten er å benytte såkalt differensiell GPS (DGPS). Alle metoder for slike differensielle tjenester vil forbedre nøyaktigheten og gid brukere melding om det er feil på systemet («integritetsmelding»). En mottaker, ofte kalt referansestasjon, plasseres da i et punkt med kjent posisjon, og denne genererer korreksjoner til avstandsmålingene. Disse korreksjonene og deres tidsvariasjoner bestemmes ut fra forskjellene mellom beregnede og målte avstander til satellittene fra referansepunktet. De bearbeidede resultatene kringkastes over et område slik at brukere i nærheten kan ta imot disse via en radioforbindelse for deretter å korrigere sine egne avstandsmålinger med de mottatte verdiene. Årsaken til at dette gir bedre nøyaktighet er at flere av feilene er like eller nesten like for referansemottakeren og den mobile brukeren. Satellittens klokkefeil er identiske for begge, og innflytelsen fra bane- og atmosfærefeil øker langsomt med økende innbyrdes avstand mellom mottakerne. Avstanden mellom referansestasjon og bruker kan være flere hundre kilometer ved bruk av denne type differensiell GPS, og ved bruk av flere referansestasjoner i et nettverk kan avstanden være enda mye større. I Norge driver Kystverket en slik kjede med referansestasjoner for korreksjon av avstandsmålingene fra GPS.

Distribueres differensielle korreksjoner via satellitter kalles gjerne systemene for Satellite Based Augmentation System, SBAS. SBAS har blitt en standard som blant annet benyttes innen luftfarten, og systemer med regional dekning er tilgjengelige, og har betegnelse som WAAS, MSAS og EGNOS. Systemene bidrar med modell av feilen som forårsakes av ionosfære, samt gir informasjon om det er feil på satellittene, og på den måten gir systemet «integritet». Både DGPS og SBAS-systemene er alle fritt tilgjengelige.

Ved kode- og fasemåling på begge frekvenser samt bruk av forbedret informasjon om satellittbanene og -klokkene er det mulig å oppnå posisjonsnøyaktigheter på under én desimeter med én enkelt mottaker (PPP, se ovenfor). Distribusjon av denne type informasjon skjer normalt som kommersielle tjenester fra geostasjonære kommunikasjonssatellitter, men både operatørene av Galileo og BeiDou har signalisert at dette kan bli frie tjenester distribuert direkte via respektive satellitter.

Dobbeldifferansemålinger på bærebølgen (beskrevet ovenfor) er en differensiell metode for meget høy nøyaktighet (centimeter). Når referansemottakeren er innenfor 10–20 kilometer, har begge mottakerne nesten samme atmosfære- og satellittfeil, kun refleksjonsfeil og mottakerstøy er forskjellig. Også referansestasjoner for bærebølgemålinger kan arrangeres i nettverk for å utvide dekningsområdet. Metoden kalles gjerne RTK (Real Time Kinematic). Målemetoden kan fritt benyttes dersom man har tilgang på en referansemottager (Base) og en mobil enhet (Rover), eller den kan kjøpes fra en tjenesteleverandør. I Norge driver Kartverket en slik kommersiell tjeneste som kalles CPOS (se Satref).

Forstyrrelser, jamming og narring

Til venstre vises en signalgenerator som kan benyttes til å narre (spoofe) en GPS mottager. Til høyre en jammer som kan forstyrre GPS i en omkrets på noen få kilometer.
Jamming og spoofing
Lisens: CC BY SA 3.0

En av svakhetene ved GPS er at mottakerne er følsomme for tilsiktede og utilsiktede forstyrrelser fra andre signalkilder, såkalt jamming. Årsaken til følsomheten er framfor alt de svake satellittsignalene. Uteffekten fra satellittene er cirka 25 watt, og minimum mottatt signalnivå på bakken er 10^-16 watt. Dette betyr blant annet at selv små sendere (jammere) med noen få watt uteffekt kan blokkere mottakere innenfor mils omkrets. Mer sofistikerte jammere som etterlikner virkelige GPS-signaler kan narre mottakere til å presentere en feilaktig posisjon uten at brukeren merker det direkte. Slik narring kalles gjerne «spoofing». Derfor må alle brukere som er kritisk avhengig av en korrekt funksjon ha tenkt igjennom hva de skal gjøre i tilfelle forstyrrelser eller blokkering av mottakeren. Dette gjelder også mottakere som kun brukes som tidsreferanse. Metoder for å gjøre navigasjonstjenestene mer robuste i forhold til jamming kan være integrasjon med treghetssystemer eller andre støttesystemer, avansert signalbehandling eller avanserte antenner. Ellers vil integrasjon med andre satellittnavigasjonssystemer (GNSS) kunne gi en forbedring, men siden alle GNSS-systemene opererer i samme frekvensbånd vil jamming kunne påvirke alle systemene samtidig.

Bruksområder og mottagere

Eksempel på systemer på et skip som er avgengige av GPS-informasjon for å fungere som forventet.
GPS-integrasjon
Lisens: CC BY SA 3.0
Utviklingen av GPS-mottagere har vært enorm. Øverst til venstre en av de første mottagerne som ble utviklet på midten av 1980-tallet. Til høyre for denne vises en GPS-chip som kan finnes i moderne mobiltelefoner. Under vises vanlige mottagere med og uten display.
GPS mottagere
Lisens: CC BY SA 3.0

Ingen som deltok i utviklingen av GPS på 1980- og 90-tallet kunne forestille seg hvor omfattende betydning systemet skulle få. I systemets barndom fylte mottakerne et mer enn en meter høyt skap og kostet godt over én million kroner. Dette skal sammenliknes med dagens håndholdte mottakere i lommeformat med et strømforbruk på under 50 milliampere og sterkt forbedrede ytelser til en pris av under 1000 kroner. Utviklingen er muliggjort ved elektronikkens og informasjonsteknologiens generelle utvikling samt etableringen av et massemarked – ikke minst gjennom utbredelsen av mobiltelefoner.

Aktuelle anvendelser av GPS er navigasjon av biler, båter og fly, styring av gods- og persontransport samt trafikkovervåking. Automatisk stedfesting av nødanrop fra mobiltelefon er i ferd med å bli innført. De fleste nye personbiler har som standard et førerinformasjonssystem som er basert på GPS. Tradisjonell navigasjon, kartlegging og oppmåling har blitt revolusjonert ved innføring av GPS. GPS brukes også for å posisjonsbestemme romfartøyer og satellitter i lave baner og for navigering av droner. På et skip vil GPS mottageren normalt være tilknyttet en rekke forskjellige instrumenter slik som: elektroniske kart (ECDIS), radar, autopilot, ferdskriver (VDR), nødradio (DSC) og annet. Feil på GPS-systemet vil følgelig også kunne få konsekvenser for ytelsen til flere andre systemer.

Andre mindre kjente, men viktige anvendelser av GPS er tids- og frekvensoverføring over store avstander, deteksjon av jordskjelv, synkronisering av data- og kommunikasjonsnett (for eksempel mobiltelefonnett), styring av kraftnett, og monitorering av platetektoniske bevegelser og kontinentaldrift. Siden forplantningshastigheten av GPS-signalene avhenger av blant annet forholdene i troposfæren, kan en ved bruk av GPS-målinger i stasjoner med kjent beliggenhet skaffe til veie informasjon om varierende forhold i troposfæren, for derved å kunne forbedre værvarslingstjenesten.

GPS kan i viss grad også brukes uten fri sikt til satellittene, for eksempel innendørs og i bygater med høye hus rundt omkring («urban canyon»). Dette er muliggjort av nye, følsomme mottakere med avansert signalbehandling som kan nyttiggjøre seg de svekkede signalene. Multiple og variable signalveier er imidlertid et stort problem, nøyaktigheten er ofte sterkt redusert, og det virker ikke overalt. For sikker og nøyaktig posisjonsbestemmelse i slike situasjoner må ofte lokale støttesystemer benyttes.

I 2017 var cirka 5,8 milliarder enheter for satellittnavigasjon (alle GNSS, altså ikke bare GPS) i bruk. For 2020 var dette tallet anslått å ha økt til åtte milliarder. Det totale markedet for satellittnavigasjonsutstyr var forventet å utgjøre cirka 70 milliarder euro i 2025.

Historikk og videreutvikling

Etter at det første satellittnavigasjonssystemet Transit, som var utviklet for USAs marine tidlig på 1960-tallet, startet det amerikanske forsvardepartementet GPS-prosjektet i 1973. Det var Bradford Parkinsen i det amerikanske luftforsvaret (senere professor ved Stanford University) og hans partnere Roger Easton og Ivan Getting som er kreditert oppfinnelsen av GPS-konseptet vi kjenner i dag. Mye basert på erfaring fra Transit- og Timation-systemene, og systemet fikk navnet Navstar-GPS. Utviklingen så en periode ut til å strande fordi mange i luftforsvaret ikke så behov for et slikt system, med påfølgende manglende finansiering. I 1978 ble imidlertid første satellitten (Block-I) skutt opp, og i 1985 var 10 satellitter plassert i bane.

I starten var det ikke klart at det skulle være et system tilgjengelig for sivile brukere. I 1983 ble et passasjerfly av typen Boing 747 Jumbo-jet skutt ned av sovjetiske jagerfly over Sakhalin som følge av feilnavigasjon, og alle de 269 personene om bord omkom. Hendelsen medførte at president Ronald Reagan erklærte at GPS skulle gjøres tilgjengelig for sivile brukere slik at tilsvarende hendelser ikke skulle skje igjen. Fra 1989 startet utplassering av Block-II satellitter som var mer avanserte. Gulfkrigen (1990–1991) var første konflikt hvor det amerikanske forsvaret benyttet GPS til navigasjon og styring av våpensystemer.

I 1993 var 24 satellitter i bane og systemet ble erklært initialt operativt (IOC), og i 1995 ble det erklært fullt operativt (FOC). Den sivilt tilgjengelige delen av systemet (C/A-koden) var på denne tiden beheftet med en bevisst unøyaktighet (Selective Availability, SA) som medførte en redusert nøyaktighet på omkring 100 meter. Denne unøyaktigheten kunne imidlertid effektivt omgås med differensiell-GPS som da fikk rask utbredelse utover 1990-tallet. I 2000 ble SA slått av som følge av et direktiv utstedt av president Bill Clinton i 1996. Dermed ble nøyaktigheten for sivile brukere radikalt forbedret. I 2004 ble det signert en avtale med EU om samarbeid knyttet til europeiske satellittnavigasjonssystemet Galileo. Etter flere analyser som påpekte strukturelle svakheter startet man i 2010 en omfattende oppgradering av bakkesegment og kontrollsenter for å gjøre GPS-systemer mindre sårbart.

Videreutvikling

Blant annet som følge av utviklingen av det europeiske satellittnavigasjonssystemet Galileo er det satt i gang en omfattende modernisering og forbedring av GPS. Dette innebærer blant annet et nytt sivilt signal på L2, samt en helt ny frekvens L5 (1176,45 MHz, se ovenfor), begge med lengre og bedre koder. Utsendt effekt fra nye satellitter vil også være noe høyere. Dette vil blant annet medføre bedret navigasjonssikkerhet for sivile brukere. Denne moderniseringen får full effekt først når alle satellitter har de nye funksjonene, noe som vil ta 10–15 år ettersom satellittene i rommet ikke erstattes før de ikke kan brukes lenger. Tredje generasjons GPS-satellitter (Block-III) begynte man å skyte opp i 2018, og disse har ytelser og funksjoner som er sammenlignbare med Galileos.

Både Galileo og GPS III vil bruke L1-frekvensen og samme modulasjonsprinsipp, men forskjellige koder for dette signalet som er beregnet på massemarkedet. Mottakerprodusenter kan dermed lage mottakere som benytter GPS- og Galileo-signaler samtidig. Denne utviklingen går raskt og innbefatter ikke bare GPS og Galileo, men også russiske GLONASS og kinesiske BeiDou, altså det som ofte sammenfattes under forkortelsen GNSS, Global Navigation Satellite Systems.

Les mer i Store Norske Leksikon

Eksterne lenker

Litteratur

  • Forssell, Børje (1991). Radionavigation Systems. Prentice Hall.
  • Kjerstad, Norvald (2019). Elektroniske og akustiske navigasjonssystemer. Fagbokforlaget.
  • Misra, Pratap og Per Enge (2011). Global Positioning System. Ganga-Jamuna Press, MA, USA.

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg