Satellittnavigasjon GPS

Slik virker GPS

Moderne satellittnavigasjon som vi finner i alle smarttelefoner, er et teknologisk eventyr. Men hvordan fungerer det egentlig?

Galileo: Bildet viser en av GNSS-satellittene i Galileo-programmet. Til sammen er det et hundretalls slike GNSS-satellitter i de fire globalt dekkende programmene rundt 20.000 km over jordoverflaten. Illustrasjon: ESA / P. Carril
Galileo: Bildet viser en av GNSS-satellittene i Galileo-programmet. Til sammen er det et hundretalls slike GNSS-satellitter i de fire globalt dekkende programmene rundt 20.000 km over jordoverflaten. Illustrasjon: ESA / P. Carril (Pierre Carril)

Moderne satellittnavigasjon som vi finner i alle smarttelefoner, er et teknologisk eventyr. Men hvordan fungerer det egentlig?

Mennesker har alltid hatt behov for å finne ut hvor de er. Det har alltid vært et relativt problem. I forhold til hva? Et fjell, et vann, et fyr? Ulike teknologier har utviklet seg gjennom årtusener for å finne posisjonen, og stjernehimmelen har ofte spilt en stor rolle.

Under andre verdenskrig ble elektronikk for alvor tatt i bruk til navigasjon. Engelskmennene satte opp radiofyr for å lede bombefly til målene når sikten var dårlig. To radiofyr gav flyene mulighet til å krysspeile, selv om nøyaktigheten i målingene var så som så. Jo flere fyr de kunne ta inn, med størst mulig vinkel imellom, jo større nøyaktighet.

Etter krigen var det viktig for skipsfart, og ikke minst ubåter, å finne ut hvor de var. Da ble det tatt i bruk mer avanserte radiobaserte peilesystemer. Her i Norge var Loran C viktig, spesielt for fiskeflåten og for amerikanske atomubåter. Prinsippet var at man kunne finne ut hvor man var ved å måle forskjellen i ankomsttiden til visse signaler fra to eller flere sendere.

Det var lenge et ønske om å plassere radiosenderne i satellittbaner. Parallelt med Loran C kom systemet Transit fra 60-tallet til innpå 90-tallet. Her kunne man lytte etter signaler fra lavtflyvende satellitter og måle dopplerskiftet i det de fløy over. Det var sånn passe nøyaktig, men på et saktegående skip kunne nøyaktigheten bli ned mot 100 meter.

Les også

GPS

Ingen av disse systemene kunne gi posisjon med veldig stor nøyaktighet, og de kunne ikke angi høyde. Derfor bestilte det amerikanske forsvarsdepartementet GPS i 1973. Den første av 30 satellitter i den første generasjonen ble skutt opp i 1978 og den siste i 1994. Dette skulle være et militært system, men allerede på 80-tallet ble det gjort tilgjengelig for sivilt bruk, men ikke med den nøyaktigheten som var forbeholdt forsvaret.

Under den første Gulfkrigen i 1990 beviste systemet sin effektivitet i ørkenen, men fordi de amerikanske soldatene ikke hadde nok mottakere ble sivile mottakere tatt i bruk. Da ble systemet som reduserte nøyaktigheten på disse skrudd av. I 2000 ble det fjernet for godt, og da ble nøyaktigheten forbedret fra rundt 100 meter til 10 meter.

I dag er GPS et av flere satellittbaserte navigasjonssystemer, såkalte GNSS – Global Navigation Satellite System. Det er fire store systemer med global dekning. Europa har Galileo, Russland har GLONASS og Kina har Beidou. GPS har i dag 31 satellitter, og til sammen er det over 100. Som det eldste systemet har GPS gått gjennom flere generasjoner. Satellittene som nå erstatter de som rangeres ut er tredje generasjon, og kan tilby større effekt og bedre sikkerhet.

Langt oppe

Mottaksgeometri: Omtrent slik ser de ulike satellittbanene ut i rommet utenfor jorden, og slik belyser signalene fra GNSS-satellittene jordoverflaten under – og rommet utenfor.

Alle satellittene i de ulike navigasjonssystemene ligger i ulike baner rundt 20.000 til 23.000 km over jordoverflaten. Det betyr at de ligger langt over de vanlige lavbanesatellittene, men under de geostasjonære 36.000 km oppe.

Satellittene går i baner fra 55 grader sør til 55 grader nord. Det betyr at de flyr omtrent over København i nord, men fordi de er så høyt oppe, kan de belyse helt opp til polene. Geostasjonære satellitter rekker ikke så langt nord, fordi de ligger over ekvator.

Siden satellittene også belyser banene til lavtflyvende satellitter, og området litt utenfor jorden i periferien av det belyste området, brukes de til å bestemme nøyaktig posisjon til satellitter. De kan også bestemme objekters posisjon omtrent halvveis til månen.

Les også

Spesielle signaler

Frekvenser: GNSS-satellittene benytter frekvenser i L-båndet mellom 1 og 2 GHz. I det samme området ligger det flere frekvensbånd som benyttes til mobilt bredbånd, og flere kommer i årene fremover.

Satellittene sender signaler på ulike frekvensbånd mellom 1,2 og 1,6 GHz. Noen er sivile, andre militære. Frekvensene er altså ikke så langt unna de vi bruker til mobilt bredbånd. Det er viktig at man ikke forstyrrer signalene med nye mobilbånd, og det må være et tilstrekkelig antall MHz mellom. En typisk radiosender på satellitten har en effekt på bare 250 watt. Med den effekten skal den belyse hele jordoverflaten under. Det betyr at en typisk mottaker på bakken har 10–16 watt inn på antennen. Da er det lett å forstå at GNSS-frekvensbåndet må beskyttes mot at Facebook skriker over et mobilbånd i nærheten.

Til sammenligning kan en mobiltelefon i 4G også ta imot signaler helt ned i 1x10-16 watt og opp til mange tusen ganger sterkere. Selv om det også er smått, er en slik signalstyrke ekstremt mye sterkere enn de som kommer fra navigasjonssatellittene.

I frekvensbåndet som brukes til satellittnavigasjon skal det etableres et nytt mobilbånd fra 1427 til 1518 MHz. Ikke langt unna båndene som benyttes til GNSS. Selv om båndet er definert innenfor disse frekvensene så «lekker det» litt effekt på sidene før den faller til null. Det er umulig å lage så skarpe frekvensfiltre at dette ikke skjer. Til sammen utgjør det nye mobilbåndet og lekkasjene på sidene den såkalte spektrumsmasken. Dette er selvfølgelig EU, som harmoniserer slike bånd i Europa, svært oppmerksomme på. De baserer seg på omfattende tester og vil aldri tillate at mobile frekvenser forstyrrer GNSS-frekvensene.

Det er ikke så lett å flytte rundt på frekvensene GNSS-satellittene benytter. De er plukket ut fordi de skal trenge lett gjennom atmosfæren, som virker dempende på ulike frekvensbånd. Det er et problem ikke mobilbåndene har i samme grad, for her går ikke signalene så langt gjennom atmosfæren. Et annet problem er at det er lett å forstyrre de svært svake GNSS-frekvensene, noe russerne har gjort i Nord-Norge.

Koder

Alle GNSS opererer etter samme prinsipp. Det er ikke lenger slik at man peiler seg inn mot et kjent referansepunkt, men beregner avstanden til satellitter som er i bevegelse.

Et sentralt punkt for å beregne avstand på denne måten, er tid. Altså tiden det tar fra signalet sendes ut fra satellitten til det mottas i f.eks. mobiltelefonen. Har man slik tidsmåling fra minst fire satellitter kan man beregne lengdegrad, breddegrad, høyde og presis tid.

Alle satellittene sender kontinuerlig en kodet bitstrøm, en navigasjonsmelding, som mottakeren kan bruke til å finne ut hvor satellitten var da den sendte meldingen. Koden forteller mottakeren hvilken satellitt som har sendt meldingen, og opplysninger om banedata, hva satellittklokka er, og når signalet ble sendt. Dermed kan mottakeren, f.eks. en smarttelefon, beregne hvor de ulike satellittene er til hvert tidspunkt.

Når en mobiltelefon «ser» en satellitt skjer det ved at den tar inn navigasjonsmeldingen fra den. Selve meldingen har bare en hastighet på rundt 50 bit/s. For at signalene skal ha høy sikkerhet for å komme uforstyrret fram, sendes de med såkalt spredt spektrum. Det betyr at signaleffekten fordeles rundt senterfrekvensen. En mottaker som kjenner spredekoden, vil kunne samle energien i signalet slik at det blir sterkt nok til at det kan dekodes og brukes til å beregne posisjon, hastighet og tid.

Les også

Hvor langt unna?

Klokkene om bord i satellittene er helt sentrale, og de må være ekstremt nøyaktige. Av den grunn, og for å sikre nødvendig redundans, har navigasjonssatellitter opptil fire atomklokker om bord.

I drift: Stadig flere GNSS-satellitter settes i drift. Illustrasjonen viser hvordan de fordeler seg på ulike systemer, med unntak av de satellittene som er under test- og igangkjøring.

Alle satellittsystemene har sin egen systemtid som mottakerne holder rede på. I Galileo sine navigasjonsmeldinger er tidsforskjellen til GPS oppgitt for å gjøre det enkelt for mottakerne å kombinere målinger. Det gjør at man kan beregne nøyaktig posisjon basert på bare fire satellitter ved å kombinere GPS og Galileo. For kombinasjoner med GLONASS og Beidou trengs det en ekstra satellitt for hver av dem.

For å finne avstanden til satellitten må mottakeren beregne tidsdifferansen mellom når signalet ble sendt og når det ble mottatt. Avstanden til satellitten er så tidsdifferansen ganger lyshastigheten c. Det vil si: X = c · Δt. Her snakker vi om tidsmåling med nanosekund-nøyaktighet. Radiosignalene beveger seg med lysets hastighet, så 1 sekund feil i tidsmålingen gir en feil på 300.000 km!

Regner seg inn

Når mottakeren har beregnet avstand til en satellitt, er det eneste den vet at den er på en kuleflate med satellitten i sentrum. Når den kjenner  avstanden til to satellitter, kan den beregne hvor på en sirkel man er. Det vil si sirkelen der to kuleflater skjærer hverandre. Med nok en satellitt får man to punkter på denne sirkelen, og siden mottaker vet at den er et sted nær jordens overflate, finner den et entydig punkt. Målingen fra en fjerde satellitt er nødvendig for å synkronisere den upresise billige klokken i mottakeren med de superpresise klokkene i satellittene. Dermed gjør systemet også mottakeren til en veldig presis klokke.

En GNSS-mottaker må finne 4 ukjente: Lengdegrad, breddegrad høyde og presis tid, og til det trengs fire ligninger, som krever målinger mot minst fire satellitter. Med bruk av enda flere satellitter minsker feilmarginene, og man forbedrer nøyaktigheten, påliteligheten og tilgjengeligheten.

Tidligere brukte slike satellittmottakere mye strøm. En GPS-brikke kunne bruke 200 mW. I dag er strømforbruket en tiendedel, og de kan behandle flere kanaler i flere GNSS-konstellasjoner samtidig. Det gjør at vi i dag har slike mottakere i alle slags smarttelefoner og i mange smartklokker.

Les også

Kilde. Avd. direktør for satellittnavigasjon i Norsk Romsenter, siv.ing. Steinar Thomsen

Kommentarer (21)

Kommentarer (21)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå