GPS, et satellittbasert radionavigasjonssystem hvis utvikling startet i slutten av 1960-årene. Det ble erklært operativt i 1993. Systemet er drevet av det amerikanske forsvarsdepartementet, og romsegmentet består av en nominell konstellasjon på 24 satellitter i 6 langs ekvator jevnt fordelte baneplan. (I august 2009 er 30 operative satellitter i omløp.) Satellittbanene har en høyde på ca. 20 200 km over jordoverflaten, og baneplanene danner en vinkel på 55⁰ med ekvatorplanet. Satellittenes omløpstid er et halvt stjernedøgn (11 timer og 58 minutter). Hovedkontrollstasjonen befinner seg i Colorado Springs, USA. Denne kontrollerer satellittene via et nett av 16 monitorstasjoner som tar imot og evaluerer satellittenes signaler og 12 antennestasjoner for opplasting av data til satellittene. GPS ble opprinnelig utviklet som et rent militært system, men i dag er godt over 90 % av brukerne sivile.

Det grunnleggende prinsippet for posisjonsbestemmelse med GPS er måling av hvor lang tid signalet bruker fra satellitt til mottaker. Mottakerens posisjon og tid beregnes ved hjelp av et likningssystem med fire ukjente: romlig posisjon i tre dimensjoner samt mottakerklokkens avvik fra satellittsystemets tidsreferanse. Det trengs altså signaler fra minst fire satellitter for å bestemme en posisjon i lengde, bredde og høyde.

GPS er et kodedelt system (CDMA = Code-Division Multiple Access) der hver satellitt har en unik kodesekvens, også kalt PRN-kode (Pseudo-Random Noise). Disse PRN-kodene er, sammen med den s.k. navigasjonsmeldingen, en bitstrøm på 50 biter/sek. som inneholder informasjon om bl.a. satellittens banedata, 2-fasemodulert (dvs. 1 og 0 har 180⁰ faseforskjell på bærebølgen) på to ulike bærebølger kalt L1 (1575.42 MHz) og L2 (1227.60 MHz), som sendes ut fra hver satellitt. Fra april 2014 brukes også en tredje bærebølge, L5, på 1176,45 MHz.

PRN-kodene brukes til å bestemme satellittsignalenes ankomsttid i mottakeren. Dette blir kalt kodemåling. Ved å multiplisere forskjellen mellom utsendelses- og ankomsttidspunkt med lyshastigheten fås avstanden mellom mottaker og satellitt. Utsendelsestidspunktet finnes ved hjelp av navigasjonsmeldingen. Helt siden begynnelsen av 1990-årene har satellittene sendt ut to typer PRN-koder kalt C/A-kode og P-kode. (C/A = "Clear/Acquisition", P = "Precision" eller "Protected"). Begge kodene er i utgangspunktet åpne og fritt tilgjengelige, men P-koden er i tillegg kryptert (resultatet etter kryptering kalles Y-kode) og kan derfor benyttes kun i spesielle mottakere. Y-kodemottakere er forbeholdt militære brukere i framfor alt NATO-land, men visse sivile brukere kunne etter søknad til myndighetene i USA få tillatelse. 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 og gjør det mulig for vanlige brukere med 2-frekvensmottakere å få korrigert for ionosfærens innflytelse.

Omtrent i 2018 vil tredje generasjons satellitter (GPS III) begynne å skytes 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 og er kompatibel med Galileos signal på samme bærefrekvens (se nedenfor).

Nøyaktighetspotensialet for avstandsbestemmelse ved hjelp av PRN-kodene er i størrelsesorden en eller noen få meter for C/A-koden og litt under en meter for P-koden. Dette har sammenheng med at C/A-koden sendes ut med 1,023 mill. kodeelement ("chip") per sekund, som tilsvarer en kodeelementlengde på 1 mikrosekund, mens P-koden sendes ut med 10,23 Mchips/s, tilsvarende 0,1 mikrosekund. Med utbredelseshastighet lik lyshastigheten vil altså lengden for et kodeelement i C/A-koden være ca. 300 meter og for P-koden 30 meter. C/A-koden er bare tilgjengelig på L1-frekvensen, og man kan dermed ikke direkte korrigere for ionosfærens innvirkning (se nedenfor).

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 ca 19 cm, dvs. betydelig kortere enn kodeelementene. Derved oppstår imidlertid et flertydighetsproblem fordi fasen er periodisk med en periode på 360⁰ som tilsvarer en bølgelengde, og avstanden til satellitten er et meget stort antall bølgelengder. Problemet kan løses ved at mottakeren måler faseforskjeller mellom signaler fra to og to satellitter samt sammenlikner disse forskjellene med tilsvarende målinger i en annen mottaker i kjent posisjon, s.k. 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 cm-nøyaktighet hvis innbyrdes avstand mellom de to mottakerne ikke overstiger 10 - 20 km. Avstandsbegrensningen kommer av variasjoner i ionosfæren.

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 i dag en unøyaktighet i avstandsbestemmelsen på i underkant av 1 m.

Signalenes utbredelseshastighet i jordens atmosfære (ionosfære + troposfære) avviker noe fra hastigheten i vakuum. Ionosfærens innvirkning er omvendt proporsjonal med bærefrekvensen i kvadrat, slik at en mottaker som måler på to frekvenser vil kunne redusere denne effekten betraktelig, ned fra en avstandsfeil på ca. 5 - 50 m til størrelsesorden 10 cm. For én-frekvensmottakere (dvs. alle som ikke kan bruke P-koden, se ovenfor) inneholder navigasjonsmeldingen modellbaserte koeffisienter som muliggjør reduksjon av ionosfærefeilen med i gjennomsnitt ca. 50 % ved beregninger i mottakeren. Troposfærens innvirkning (avstandsfeil på ca. 2 - 10 m) er ikke frekvensavhengig, og reduksjoner gjøres ut fra innlagte modeller i mottakerne som gir restfeil på noen få dm.

En annen forholdsvis stor feilkilde er signalreflekser fra omgivelsene rundt mottakerantennen, såkalt flerveisinterferens ("multipath"). Ved kodemålinger kan avstandsfeilen bli titalls meter, verst for mottakere som står i ro. Problemet angripes med avansert signalbehandling i mottakerne og (ved presisjonsmålinger) spesielle antennearrangementer. Ved kodemålinger på to frekvenser er reflekser største feilkilde.

Såvel atmosfærefeil som refleksjoner er vanligvis størst for satellitter som er lavt over horisonten. Derfor brukes kun satellitter over en viss minste elevasjonsvinkel, oftest 10⁰.

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

Tallverdiene ovenfor for feilbidrag er s.k. 1-sigmaverdier, dvs. ca. 67 % 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 s.k. geometrifaktor (DOP = "Dilution Of Precision") som er forskjellig i forskjellige retninger, avhengig av retningene til satellittene sett fra mottakeren. Midlere horisontal DOP-faktor (HDOP) er ca. 1,5, dvs. posisjonsfeilen horisontalt blir ca. 50 % større enn feilen i avstandsbestemmelsen. Vertikalfeilen blir i gjennomsnitt ca. 50 % 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 en satellitt er i senit og de øvrige tre er jevnt fordelt i horisontalplanet og har lav elevasjon.

Ved bruk av kun en enkelt mottaker vil man oppnå en posisjonsnøyaktighet på 5–10 m ved kodemåling. En metode for å forbedre denne nøyaktigheten er å benytte såkalt differensiell GPS (DGPS). En mottaker plasseres da i et punkt med kjent posisjon (referansestasjon), og denne genererer korreksjoner til avstandsmålingene. Disse korreksjonene og deres tidsvariasjoner bestemmes ut fra forskjellene mellom beregnede og målte avstander til satellittene. 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 neste 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 kodedifferensiell GPS, og ved bruk av flere referansestasjoner i et nettverk kan avstanden være ennå mye større. EGNOS som sender korreksjoner via satellitter er et eksempel på det sistnevnte. Ved kode- og fasemåling på begge frekvenser samt bruk av forbedret informasjon om satellittbanene og -klokkene er det mulig å oppnå posisjonsnøyaktigheter på noen desimeter med en enkelt mottaker.

Dobbeldifferansemålinger på bærebølgen (beskrevet ovenfor) er en differensiell metode for meget høy nøyaktighet. Når referansemottakeren er innenfor 10 - 20 km, 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.

Ingen som deltok i utviklingen av GPS for 30 - 40 år siden (systemet ble den gang kalt NAVSTAR) kunne forestille seg hvilken omfatning bruken av systemet ville få. I systemets barndom fylte mottakerne et mer enn meterhøyt skap og kostet en formue. Dette skal sammenliknes med dagens håndholdte mottakere i lommeformat med et strømforbruk på under 50 mA og sterkt forbedrede ytelser til en pris av under 1000 kr. Utviklingen er muliggjort ved elektronikkens og informasjonsteknologiens generelle utvikling samt etableringen av et massemarked.

Aktuelle anvendelser av GPS er navigasjon av biler, båter og fly, styring av gods- og persontransporter samt trafikkovervåking. Automatisk stedfesting av nødanrop fra mobiltelefon er i ferd med å bli innført. Mange nye personbiler har i dag som standard 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.

Andre mindre kjente men viktige anvendelser av GPS er tids- og frekvensoverføring over store avstander, deteksjon av jordskjelv, synkronisering av data- og kommunikasjonsnett (f.eks. mobiltelefonnett), styring av kraftnett, og monitorering av platetektoniske bevegelser og kontinentaldrift. Siden forplantningshastigheten av GPS-signalene avhenger av bl.a. 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, f.eks. innendørs og i bygater med høye hus rundt omkring. 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 støttesystemer (f.eks. lokale systemer) brukes.

Markedet for satellittnavigasjonsutstyr er i 2009 på ca. € 10 mrd./år, og det vokser med størrelsesorden 25 %/år. Ca. 800 mill. GPS-mottakere er solgt på verdensbasis.

Bl.a. som følge av utviklingen av det europeiske satellittnavigasjonssystemet GALILEO er det satt i gang en omfattende modernisering og forbedring av GPS. Dette innebærer bl.a. et nytt sivilt signal på L2, samt en helt ny frekvens L5 (1176.45 MHz), begge med lengre og bedre koder. Dette vil bl.a. medføre bedret navigasjonssikkerhet for sivile brukere. Ytelsen til systemet forbedres ved bedre koder, nye modulasjonsmetoder og litt høyere uteffekt fra satellittene. Denne moderniseringen når 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. (Dagens satellitter har en levetid på 12 - 15 år.) Kontrollsegmentet med alle bakkestasjonene er også kraftig utvidet og forbedret. Tredje generasjons satellitter ("GPS III") begynner man å skyte opp i 2017 - 18 etter dagens planer, og disse vil ha 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, slik at mottakerprodusenter kan lage mottakere som benytter GPS- og GALILEO-signaler samtidig.

En av svakhetene ved GPS er at mottakerne er følsomme for jamming og utilsiktede forstyrrelser fra andre signalkilder. Årsaken til følsomheten er framfor alt de svake satellittsignalene. Uteffekten fra satellittene er ca. 25 watt, og minimum mottatt signalnivå på bakken er 10^-16 watt. Dette betyr bl.a. at selv små sendere med noen få watt uteffekt kan blokkere mottakere innenfor mils omkrets. Mer sofistikerte jammere som etterlikner virkelige GPS-signaler kan lure mottakere til å presentere en feilaktig posisjon uten at brukeren merker det. 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.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.