GPS
Från Rilpedia
NAVSTAR GPS, vanligen kallat enbart GPS, förkortning av Global Positioning System, är 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 mer än 24 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 kartografi och lantmäteri. GPS har också blivit en viktig och användbar tidsreferens i vårt samhälle, då signalen som sänds ut från satelliterna innehåller tidsinformation från inbyggda atomur.
Innehåll |
Allmänt
Det amerikanska försvarsdepartementet utvecklade systemet under namnet NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging GPS) och lanserade den första exprimentsatelliten 1978. Satelliterna är tillverkade av US Air Force 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 två 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.
Användning av GPS
GPS används över hela världen av människor för navigeringshjälp, bland annat i bilar, flygplan och båtar. Systemet kan också användas i truckar, skogsmaskiner och andra fordon. Bergsklättrare eller vandrare har ofta GPS-mottagare som enkelt kan greppas i hand och kan fästas i bälten eller liknande. 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, bildator eller liknande. Det finns också utrustningar som är tillgängliga för människor med funktionshinder, som till exempel synskador.
Militären
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
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 varför många flygplan har relativt ålderdomlig elektronik. Ska något moderniseras måste stora delar av proven göras om.)
Historia
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
Avståndsmätning
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. Eftersom satelliternas position är känd 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.
Tidsmätning
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
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 1227,6 MHz (L2). 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 tvåfasmoduleringar på bärvågen 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, med en förstärkning på 10-17 dBi, vilket ger en effektiv effekt på 280-500 W. På grund av avstånd och utspädning ligger mottagen effekt kring -160 dBi, alltså upp till 27 dB svagare än bakgrundsbrus.
Referenssystem
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 är på gång att fasas ut och ersättas av SWEREF 99 som är mer anpassat mot WGS84.
Selective Availability
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[1]. 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
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, s.k. "spoofing", är dock betydligt svårare eftersom den militära signalen är krypterad.
Då även GPS-systemet används för tidssynkronisering av andra system tex Tetrastandarden så är det svårt att överblicka vilken effekt en utslagning av GPS skulle medföra. [2]
Se även
- GPS-mottagare
- Galileo
- GLONASS
- Mobiltelefonspositionering
- Navigation
- SBAS (GPS-mottagerens stöd för olika geografiska regioner)
Referenser
- ↑ Office of Science and Technology Policy, USA. Presidential statement to stop degrading GPS. May 1, 2000.
- ↑ http://etn.se/index.php?option=com_content&view=article&id=47303:det-tradloesa-samhaellets-oekade-sarbarhet&catid=61:debatt&Itemid=178
