GPS er et globalt satellittnavigasjonssystem (GNSS) drevet av USAs forsvarsdepartement som har vært operativt siden 1993. Systemet gjør at man med stor grad av nøyaktighet kan vite hvor på jorden man befinner seg, og brukes derfor til navigasjon til lands, til sjøs og i luften.

Romsegmentet består av en nominell konstellasjon på 24 satellitter i 6 langs ekvator jevnt fordelte baneplan. 24 satellitter trengs 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. Normalt er imidlertid 31 operative satellitter i omløp. I tillegg finnes noen eldre satellitter i omløp som reserver. Av tekniske årsaker kan det ikke være flere enn 31 operative satellitter, slik systemet er utformet.

De sirkulære satellittbanene har en høyde på cirka 20 180 kilometer over jordoverflaten, og baneplanene danner en vinkel på 55⁰ med ekvatorplanet. Satellittenes omløpstid er et halvt stjernedøgn, det vil si 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 prosent av brukerne sivile.

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. 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 hvert satellittsignal inneholder en unik sekvens av 1 og 0, også kalt PRN-kode (Pseudo-Random Noise). Disse PRN-kodene er, sammen med den s.k. navigasjonsmeldingen, en bitstrøm på 50 biter per sekund som inneholder informasjon om blant annet satellittens banedata, 2-fasemodulert (det vil si 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. Vanlige brukere med mottakere for både L1 og L2 kan da korrigere for ionosfærens innflytelse ettersom denne innflytelsen 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 12 år, men mange satellitter har fungert godt lengre enn det.

I desember 2018 ble den første av tredje generasjons satellitter (GPS III) 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 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 millioner kodeelement («chip») per sekund, som tilsvarer en kodeelementlengde på 1 mikrosekund, mens P-koden sendes ut med 10,23 Mchips/sekund, tilsvarende en elementlengde på 0,1 mikrosekund. Med utbredelseshastighet lik lyshastigheten vil altså lengden for et kodeelement i C/A-koden være cirka 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 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 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 centimeter-nøyaktighet hvis innbyrdes avstand mellom de to mottakerne ikke overstiger 10–20 kilometer. Avstandsbegrensningen kommer av 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 kanaler mer nøyaktige data for satellittenes baneparametre og klokkefeil samt ionosfæreforsinkelse enn det navigasjonsmeldingen gir. Derved kan mottakerposisjonen også bestemmes mer nøyaktig, med feil av størrelsesorden noen 10-talls centimeter.

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. 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 cirka 5–50 meter til størrelsesorden 10 centimeter. For én-frekvensmottakere inneholder navigasjonsmeldingen modellbaserte koeffisienter som muliggjør reduksjon av ionosfærefeilen med i gjennomsnitt cirka 50 prosent ved beregninger i mottakeren. Troposfærens innvirkning (avstandsfeil på cirka 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 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, 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 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 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 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 meter ved kodemåling. En metode for å forbedre denne nøyaktigheten er å benytte såkalt differensiell GPS (DGPS). 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 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 (PPP, se ovenfor).

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.

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 kroner. 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. 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.

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. 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, ofte lokale, brukes.

I 2017 var cirka 5,8 milliarder enheter for satellittnavigasjon (alle GNSS, altså ikke bare GPS) i bruk. Dette tallet forventes å øke til 8 milliarder i 2020. Det totale markedet for satellittnavigasjonsutstyr forventes å være cirka 70 milliarder euro i 2025.

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. Dette vil blant annet 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. Kontrollsegmentet med alle bakkestasjonene er også kraftig utvidet og forbedret. Tredje generasjons GPS-satellitter («GPS 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, slik at mottakerprodusenter kan lage mottakere som benytter GPS- og GALILEO-signaler samtidig. Denne utviklingen går raskt og innbefatter ikke bare GPS og GALILEO, men også det russiske GLONASS og det kinesiske BeiDou, altså det som ofte sammenfattes under forkortelsen GNSS, Global Navigation Satellite Systems.

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 cirka 25 watt, og minimum mottatt signalnivå på bakken er 10^-16 watt. Dette betyr blant annet 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 direkte. 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.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.