En tidlig version af GPS skærm/terminal
Global Positioning System (GPS) er pt. (2011) det
eneste fungerende Global Navigation Satellite System. Brugeren af systemet
anvender en GPS-modtager der på baggrund af signaler fra GPS-satellitter kan
beregne geografisk position og evt. højde over havets overflade. Herudover
sender GPS-satelliterne også et tidssignal, der kan anvendes af radioure. For
at kunne bestemme sin 2D-position skal modtageren samtidigt kunne modtage
signaler fra mindst 3 af de i alt 24 satellitter (1998). Med signaler fra 4
satellitter kan højden tillige bestemmes. Disse satellitter kredser om jorden i
6 forskellige baner (der er altså ca 4 i hver bane) i en højde af ca. 20.200
km. I denne højde er omløbstiden 12 timer.
Systemet blev oprindeligt udviklet af det
amerikanske forsvarsministerium til militært brug under navnet NAVSTAR, men
pga. nedskydningen af et sydkoreansk passagerfly i 1983 blev det besluttet at
det skulle kunne anvendes både i kommercielt og privat øjemed. Den 8. december 1993
blev GPS SPS (Standard Positioning Service) gjort offentlig, med en
forvrængning (scrambling) der forringede nøjagtigheden til 100 m. Militæret
brugte GPS PPS (Precision Positioning Service) uden forvrængning. Amerikanerne
driver stadig systemet og kan i krigssituationer gøre systemet mindre nøjagtigt
eller helt utilgængeligt for alle andre end det amerikanske militær. Den 1. maj
2000 blev forvrængningen SA (Selective Availability) på foranledning af præsident
Clinton slukket permanent, så nøjagtigheden for civile blev væsentlig forbedret.
På baggrund af større uafhængighed er EU i gang med at skabe sit eget
navigationssystem, Galileo. Rusland har i forvejen arvet et lignede system
kaldet GLONASS fra Sovjetunionen.
En GPS-satellit har en projekteret holdbarhed på
omkring 10 år, så nye generationer opsendes løbende. Derfor sker der også en
løbende udvikling af systemet. Samtidig er det planen at øge antallet af
satellitter til 33.
GPS broadcast signal
Virkemåde
Hver satellit har fire atomure om bord. De to er
baserede på cæsium, de andre på rubidium. Med fire uafhængige tidskilder kan
tiden bestemmes meget nøjagtigt. Urene i hver satellit synkroniseres løbende.
Positionsdata skal opdateres dagligt fra kontrolcentrene for at systemets
præcision kan opretholdes. Uden opdatering vil usikkerheden på positioner på
Jorden stige til 425 meter i løbet af 14 dage.
Der er flere grundlæggende bærebølger:
L1 (1575,42 MHz): Den civilt tilgængelige tidskode
(C/A-koden) samt en militær kode.
L2 (1227,60 MHz): En militær tidskode som er krypteret
og derfor ikke til civilt brug. Visse avancerede civile
dobbeltfrekvensmodtagere kan dog uddrage nogle faseinformationer uden at foretage
en engentlig afkryptering, og denne information kan bruges til at øge
præcisionen. På nye GPS satellitter udvides L2 til også at udsende et civilt
signal (L2C); den første L2C udsendelse blev slået til i januar 2006.
L3 (1381,05 MHz): Bruges til militære
overvågningsformål.
L4 (1841,40 MHz): Endnu ikke i brug.
L5 (1176,45 MHz): Endnu ikke i brug, men
planlægges brugt til civile nød- og sikkerhedsformål.
Signalet er på 1023 bit og sendes med en frekvens
på 1,023 MHz, så hele signalet varer et millisekund. På den måde kan
modtagerens tid synkroniseres til nærmeste millisekund. Tiden kan bestemmes
mere nøjagtigt, hvis modtageren også tager hensyn til signalets fase.
Usikkerheden kan komme ned på 10 nanosekunder, hvis forholdene tillader det.
Alle GPS-satellitter sender på samme frekvenser,
men signalerne er kodet forskelligt og adskilles igen ved dekodning. Hver
satellit har et kodningsnummer – kaldet PRN – som beskriver kodesekvensen.
Princippet kaldes CDMA (Code division multiple access) og benyttes også
indenfor bl.a. nogle mobiltelefoni-systemer.
Første gang en GPS-modtager bruges eller efter en
nulstilling tager det op til 15 minutter inden enheden kan give en præcis
position. Opsætningen sker i følgende trin:
• Modtageren lytter efter signaler fra alle
satellitterne. Modtagerens ur sættes til en omtrentlig tid ud fra signalerne.
• Med jævne mellemrum udsendes en
"almanak" med statusinformation om systemet samt en
"ephemeris" med positioner på satellitterne ud fra tiden.
• Når almanakken og ephemeris er modtaget, lyttes
kun efter synlige satellitter. Blandt disse vil typisk blive valgt et
hensigtsmæssigt udvalg som kommer til at indgå i den egentlige
postionsberegning.
• Når satellittens position er kendt kan
tidsforsinkelsen beregnes. Dette kræver ikke en præcis tid på forhånd, da det
er tidsforskellen, der bestemmer afstanden.
Hvis GPS-modtageren er udstyret med flashlager
eller lignende og et ur, kan man senere starte modtageren meget hurtigere,
fordi der allerede er en almanak og en tidligere position.
Kravet om et minimum af synlige satellitter ved
positionsbestemmelse kommer af, at der skal bruges et uafhængigt signal til
hver størrelse der skal bestemmes. Det svarer til, at der skal være en ligning
for hver ubekendt variabel. Tiden er en integreret del af beregningerne, så for
at bestemme positionen i to dimensioner, skal der bruges signaler til tid,
længdeposition og breddeposition. For at få højden med, skal der bruges endnu
et signal. Yderligere signaler kan bruges til bestemmelse af, hvor nøjagtigt
positionen er bestemt.
Præcision
Indtil 2006 (hvor L2C blev introduceret) har
civilt brug af GPS baseret sig på C/A-koden som sendes i L1-signalet. Den var
tidligere overlejret med en SA-kode ("Selective Availability") som
forringede præcisionen, men denne kode blev slået fra i 2000 og gav derved
civile brugere stærkt øget nøjagtighed (typisk 200 meter med SA og 20 meter
uden SA).
Under alle omstændigheder vil en GPS modtager have
en begrænset præcision og det skyldes især de følgende forhold:
• Ionosfæren, som har en stor elektrontæthed og
dermed ret stor indvirkning på signalerne.
• Unøjagtigheder i satellitternes ure.
• Refleksioner af signalerne mod bygninger eller
andet.
Man kan modvirke disse unøjagtigheder på
forskellige måder:
• Bedre modtagerudstyr. Der forskes en del i
udvikling af modtagere og tilhørende antenner som bl.a. kan undertrykke
refleksioner.
• Modtagelse af flere frekvenser (typisk L1+L2).
Dette er et middel til at eliminere forstyrrelser i atmosfæren da man kan måle
tidsforskydninger mellem de to signaler og derved bruge ionosfæremodeller til
at estimere den totale indvirkning. I takt med moderniseringen af GPS-systemer
vil der blive endnu bedre muligheder for at bruge denne metode: I første omgang
introduceres L2C signalet og når L5-frekvensen på et tidspunkt tages i brug vil
man kunne bruge "triple"-frekvensmodtagere.
• Differentiel GPS baserer sig på at man har en
række referencestationer med en præcist etableret position, og her måles til
stadighed hvad unøjagtigheden er på GPS-signalerne. Dette gøres ved at
sammenligne den målte position med referencepositionen. Denne forskel udsendes
så på en eller anden form til GPS-modtagerne i området og de kan da kompensere
for den øjeblikkelige unøjagtighed. Differentiel GPS giver en meget høj
præcision (under 5 cm i mange situationer) men kræver til gengæld at man har en
referencestation i nærheden. Inden for skibsfart bruger man DGPS beacons som
udsender korrektioner i mellembølgebåndet, og inden for luftfart opnår man
noget lignende ved de satellitbaserede SBAS-systemer. Desuden findes der
private referencenet som drives af bl.a. landmålerorganisationer.
Specialiserede
GPS-modtagere
Der findes GPS-modtagere, som er lavet specielt
til tidsbestemmelse. Disse apparater skal monteres fast. Som udgangspunkt behandler
de de modtagne signaler som normalt og beregner den aktuelle position. Når den
er bestemt, bruges kun tidssignalet. Med kun en ubekendt er det i princippet
nok med kontakt til en satellit, men hvis der er adgang til flere, kan tiden
kontrolleres og usikkerheden beregnes. GPS-enheden kan bruges som en
referencetidskilde til en NTP-server. GPS bruger ikke UTC-tid, men en tidsskala
med nulpunkt ved 1. januar 1980.
........................................................................................................................