GPS,
navigering med hög precision

GPS, Global Positioning System, är ett begrepp som kommit för att stanna. Satellittekniken är idag vanlig för navigering till sjöss. Nu förbättras precisionen till endast ett par meters felmarginal. Det innebär inte bara en revolution för sjöfarten. Även på land öppnas nya möjligheter.

Kort introduktion Inte först Navstar GPS Hur fungerar en GPS ?
Störsignal DGPS GPS idag GPS i världen
Vad kan en GPS ? Utecklingskonstnader
och framtidsutsikter

Kort introduktion

GPS, det sattelitbaserade positions- och navigeringssystemet, har blivit mycket populärt framför allt i båtkretsar. Både i reguljär skeppsfart och i fritidsbåtsammanhang har GPS-mottagare blivit snarare regel än undantag.

GPS, eller mera korrekt NAVSTAR GPS, började byggas upp med de första försökssatteliterna i slutet av 70-talet. Dessa kompletterades med produktionssatelliter med början 1989 och fullbordades i maj 1994 då GPS-systemet deklarerades ha uppnått full operations konstellation. I praktiken innebar detta att man nu hade 24 satelliter i sex banplan runt jordklotet.

I varje plan ligger alltså fyra satelliter. Detta för att säkerställa att åtminstone fyra satelliter är "synliga" för din GPS-mottagare, varhelst på jordytan du befinner dig, närhelst under dygnets 24-timmar. I praktiken kan upp till tolv satelliter finnas tillgängliga för mätningar.


GPS block II, är en produktionssatellit som först sköts upp 1989. Av typen block II finns det idag 24 st. Sista uppskjuten 1994
Till index

Inte först

GPS är idag det mest kända systemet, men det är inte det första satellitbaserade navigationssystemet. Redan när den ryska satelliten Sputnik kretsade runt jorden som världens första konstgjorda måne började man tala om möjligheten att mäta frekvensförskjutningarna hos satellitens signaler för att kalkylera fram positioner på jordytan.

Det första riktiga satellitnavigationsystemet blev dock amerikanska flottans SatNavsystem Transit från tidigt 60-tal. Med sex satelliter i skilda banor runt jorden och utsändning av två frekvenser på MHz-bandet kunde man med dopplermätningar kalkylera fram korrekta positioner. Även om Transit varit mycket lyckad så framstår det nu tydligt att Navstar GPS är framtidslösningen. Transit stängdes förövrigt av 1995.

Till index

Navstar GPS

Navstar GPS står för Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System.

Det är ett amerikanskt militärt system och satelliterna är stora enheter med en mängd andra funktioner avsedda för de amerikanska försvarsgrenarna och säkerhetsorganen.
Man skall nu ihåg att hela systemet planerades under det kalla krigets dagar även om dess fulla operationalitet först nått efter Berlinmurens fall.
Numer ingår också civila amerikanska myndigheter som t ex Kommunikationsdepartementet och motsvarigheten till Lantmäteriverket. Även NATO ingår i organisationen.

Till index

Hur fungerar en GPS ?

Positionering med GPS är en avståndsmätning från ett antal satelliter. Teoretiskt krävs det minst två satelliter för att få en tvådimensionell position. En tredimensionell position kräver teoretiskt tre satelliter. I praktiken ökar antalet till tre respektive fyra satelliter för att kunna beräkna den två respektive tredimensionella positionen (Idag kan man dock ta emot signaler från åtminstone fyra satelliter från alla lägen på jorden).

Jämfört med ljusets hastighet är de avstånd som mäts mellan satelliten och mottagaren små. Ett fel på en nanosekund motsvarar ett fel på 0,3 m. Därför är noggrannheten på en GPS-position beroende av extremt exakt mätning av tiden.

Varje satellit har fyra atomklockor med sig. En som den arbetar med och tre i reserv. Dessa tidshållare tar 300 000 år på sig för att komma upp i ett fel på 1 sekund. Trots det uppdaterar markstationerna satelliterna var 12:e timme med tid och bandata.

Vad är det för information som satelliterna sänder ?

Jo, de skickar kontinuerligt ut information om:

  • Tid och datum (tiden representeras av en kod)
  • Satellit ID (vilken satellit det är)
  • Status ("frisk", "sjuk")
  • "Almanac" (data som anger var satelliten är vid varje given tidpunkt)

För att mäta hur lång tid det tar för radiosignalen att gå från satelliten till mottagaren, genererar satelliten och mottagaren en identiskt lika kod. Mottagaren startar sin kod exakt samtidigt med att satellitens kod har skickats ut. När satellitens kod når mottagaren jämförs koderna. Skillnaden är den tid som radiosignalen tar för att gå från satelliten till mottagaren plus det fel som mottagarens klocka har. Tidsdifferensen mellan koderna översätts till ett avstånd och kallas "Pseudo range".


Mätningar av kodfasens mottagningstid från minst 4 satelliter används för att bedömma fyra storheter: position i tre dimensioner (X,Y,Z) och GPS tid (T)

Då vår satellit mottagare fått denna information från 3 satelliter kan den räkna ut var vi befinner oss. Om vi får information från en 4:e satellit kan vi också få information om hur högt vi befinner oss.

Det finns idag 24 satelliter som roterar ett varv runt jorden på 12 timmar på 20 000 km höjd, varav 7 stycken använts vid utprovningen av systemet.

Till index

Störsignal

Hur stor är då noggrannheten ?

Civila GPS-mottagare brukar klara ca. 15 meters noggrannhet, tekniskt i teorin. Nu är det så att USA:s försvar stör denna noggrannhet lite genom att använda något som man kallar för SA (Selective Availability), fritt översatt, selektiv åtkomst. SA-signalen lägger medvetet till ett oregelbundet varierande tidsfel i klocksignalen från satelliterna resulterande i ett kalkyleringsfel i GPS-mottageren.

Navstar GPS ger då i den civila versionen en noggrannhet av 100 meter i 95 % av tiden. SA-signalen är en avsiktlig signaldegradering av rent militära säkerhetsskäl. Man bör hela tiden ha i minnet att systemet utformades i ett helt annat säkerhetspolitiskt klimat. Idag är det ett annat läge, och man skulle kunna tänka sig att amerikanska försvaret tog bort. S.A-signalen. Det har man inte gjort ännu, men man planerar att stänga av SA-signalen 2006 (kanske tidigare).

Det finns ett sätt att omkringgå det medvetna mätfelet. Lösningen heter Differentiell GPS, DGPS, och är ett system för ständig uppdatering och kontroll av GPS-signalerna från satelliterna (se nedan).

Till index

DGPS

Som framstår av huvudtexten, är GPS-systemet militärt, och därför tillåter inte ägarna att satelliterna anger positioner med större noggrannhet än ca 100 meter. Bara USA:s militära myndigheter kan gå förbi störningen och få del av den maximala noggrannheten, som lär ligga någonstans på någon meters felmarginal.

För havsnavigering kan 100 meters noggrannhet räcka, men i många fall behöver man veta sin position betydligt exaktare. Därför har det tagits fram något som i tekniska system som omkringgår satelliternas medvetna felinformation. Ett av dessa är EPOS, som utvecklades av Teracom Svensk Rundradio AB (f.d. Televerket Radio) i Luleå.

Principen är ganska enkel: Teracom har tolv EPOS-stationer med fasta GPS-mottagare i och runt om i Sverige. Eftersom man exakt vet positionen för dessa, kan en dator i varje sådan station räkna ut hur stor felvisningen är hos respektive GPS-satellit i varje ögonblick. Det som räknas fram är skillnaden, differensen mellan den angivna och den korrekta positionen, och därför kallas detta för differentiell GPS, eller DGPS.

Informationen om felvisningen sänder EPOS-stationerna via Kaknästornet i Stockholm ut på riksnätet för radions P3, där uppgifterna ligger som en datakod i RDS-systemet. Den som har en speciell EPOS/RDS-mottagare kan nu ansluta den till sin GPS-navigator, och via ett standardgränssnitt tar navigatorn in felkorrigeringen. Beroende på vilket EPOS-abbonemang man tecknat, får man nu en noggrannhet på 10 meter, alternativt 1-2 meter.


För större bild, klicka här !

Eftersom korrigeringen sänds via P3-sändarna, täcks landet in fullständigt, och Teracom utlovar korrekt funktion ca 100 km ut från Svenska kusten dygnet runt.

Till index

GPS idag

GPS för civilt bruk är idag gratis. Det enda som kostar är hårdvaran, GPS-mottagaren. Åtminstone under den närmaste tioårsperioden säger amerikanska myndigheter att tjänsten skall vara avgiftsfri.

Men några små moln har börjat segla upp vid horisonten. Krafter i den amerikanska senaten har börjat tala om någon form av avgift. Troligen i form av en royalty, som ska betalas av tillverkarna av GPS-mottagarna.


för större bild, klicka här!
Till index

GPS i världen

Det är inte enbart i USA som man utvecklar satellitbaserade positionssystem. I Ryssland håller man på med ett system som heter GLONASS vilket bygger på ungefär samma teknik som Navstar GPS.

Den internationella organisationen för satellitkommunikation Inmansat har lagt fram ett förslag att sätta in GPS-liknande utrustning i sina kommunikationssatelliter. Det skulle innebära att vi i framtiden skulle ha en mottagare som klarar av positioner från fler system.

Till index

Vad kan en GPS ?

En GPS-navigator beräknar positionen, så att man får latitud och longitud, uttryckt i grader och minuter. Genom elektroniken kan man även få andra format, som decimala grader UTM-koordinater (för landkartor) mm. Får navigatorn kontakt med fyra eller fler satelliter, kan den även beräkna den aktuella positionens höjd över havsytan. Dessutom får man en exakt tidsangivelse.

Elektroniken kan även utföra en mängd beräkningar som ger annan användbar information, och kan lagra positionsbestämningar. Navigatorn kan t ex beräkna var man befinner sig i förhållande till en tidigare eller önskad position, och vilken riktning man skall röra sig för att komma dit. Medan man rör sig, kan man få veta kursavvikelse, hastighet, beräknad ankomsttid mm.

Genom att man kan lagra positioner - antingen som instrumentet bestämt eller positioner man hämtat från någon karta – kan man sätta ihop positionerna till en rutt. Man kan alltså lagra enbart positioner, eller lagra positioner i en färdig rutt. Detta är en av de kraftfulla möjligheterna av GPS-systemet, kanske dock inte så viktig för fritidsverksamheten. GPS-systemet används och utvecklas också mycket inom byggindustrin. Ett exempel på detta är Öresundsbrons bygge (se separat rubrik nedan).

Till index

Utvecklingskostnader och framtidsutsikter

GPS har hittills kostat mer än tre miljarder dollar. Systemet drivs av det amerikanska försvarsdepartementet och utvecklades för militära ändamål.

Differentiell GPS har framtiden för sig. Myndigheterna i USA har t ex redan tankar på att man ska ha positionsbestämningssystem i mobila telefoner för att man vid en nödsituation ska kunna lokalisera varifrån ett "112"-samtal har kommit.

Olika bilfabrikanter arbetar aktivt på avancerade system för inbyggnad i bilen. Man skall på en display kunna se var man befinner sig och hur man t ex ska åka för att komma till en adress. Det här kan utformas både för lokaltrafik och resor över hela länder och kontinenter. I en bil med RDS-radio för t ex trafikinformation skulle en EPOS-baserad positionsteknik vara en logisk uppföljning. Svenska Volvo och Saab ligger långt framme i den här utvecklingen. EPOS och Teracoms pionjärarbete på området med RDS-utsänd differentiellkorrektion blir på det här sättet fullvuxet, och har mognat till ett praktiskt användbart hjälpmedel i flertalet situationer där man behöver mycket noggrann lägesbestämning.

Öresundsbron, ett exempel på GPSens användningsområden
(kommentarer hämtat och redigerats från Ny Teknik 96:45)

Ett 175 meter långt tunnelelement på 55 000 ton sänks ned till havsbotten med en precision på åtta millimeter. Och det sker utan att dykare är med och korrigerar placeringen. Det är första gången i världen en tunnel sänks i havet med hjälp av satelliter och referensstationer i ett Global Positioning System, GPS.

-I princip kan vi sitta på kontoret i Köpenhamn och styra utplaceringen av tunnelelementen, säger Niels Uldall, informationschef för "Öresund Tunnel Contractors". Ute i dimman till havs, nästan två mil sydost om fabriken, håller muddringsfartyget "Castor" på att fördjupa havsbottnen i farleden Drogdenrännan och bereda plats för tunneln. Castor styrs av samma satellitsignaler och referenssystem som kommer att användas när tunnelelementen och pelarfundamenten sänks ned i havet. Lastmaskinerna, grävskoporna och lastbilarna som jobbar på den konstgjorda ön ute i dimman styrs också av samma positioneringssystem. Likaså arbetet som pågår på den konstgjorda halvön i Kastrup. Kassunerna, fundamenten som de höga bropelarna står på, placeras ut med GPS-systemet. Nästan allt styrs av GPS-systemet, även om ofta bara delar av det används.

Allt styrs av GPS

Placeringen av tunnelelement och kassuner, mudderverk, övningsfartyg, lastmaskiner och grävskopor - nästan allt som sker när Öresundsförbindelsen byggs, styrs av GPS, Global Positioning System. Det system som används är en vidareutveckling av det civila GPS-system som funnits i åtskilliga år. Det har utvecklats av det holländska företaget Boskalis Westminister, som ingår i konsortiet Öresund Tunnel Contractors. Det vanliga civila GPS-systemet ger positioner i realtid med en noggrannhet på ungefär 100 meter. 3-4 satelliter levererar signaler till mätningarna.

Men tunnel- och brobyggarna behöver bättre precision och använder ette differentiellt GPS-system. Det betyder att satellitmätningarna kompletteras med korrigerande mätningar från fem fasta bas- eller referensstationer i Skåne, Danmark och på den konstgjorda ön. Tack vare dessa referenspunkter går det att uppnå en precision på några meter i realtid.

Den exaktheten är tillräcklig för att exempelvis placera tunnelelementen på plats medan de fortfarande flyter på vattnet.

Men när elementen sänks ned till botten krävs högre exakthet. Mättiden utsträcks till en halvtimma. Då får man så många mätvärden att det går att räkna ut en exakthet på åtta millimeter.

Till index

/Av Mikael Blessborn 990320, KTH