Mange har formodentlig benyttet en GPS navigator til at finde vej i ferien. Men bag GPS teknologien ligger et stykke yderst avanceret kommunikationsteknologi, som kun få kender. Det er telekommunikation i ekstrem grad. Læs her om alle de specielle detaljer - om hvordan man benytter militær præcision til at øge nøjagtigheden i det civile system, om kryptering, om korrektioner for atmosfæriske forhold og om relativitetsteori. Artiklen er opdateret i juli 2011 med de seneste detajler om Galileo og de nye GPS satellitter.
GPS, eller Navstar GPS som systemet egentlig blev døbt, da det amerikanske forsvar udviklede det for mere end 20 år siden, benytter 24 satelitter i såkaldt medium Earth Orbit, dvs. en cirkulær bane med jordens centrum som centrum og en baneradius på 26.600 km (og dermed en højde over jorden på ca. 20.200 km). Faktisk benytter systemet i dag mere end 30 satelitter - de sidste sat i drift så sent som i april måned 2009.
Terminologi
GPS systemet består af tre komponenter: Et Space Segment (SS) et et Control Segment (CS) og et User Segment (US).
Space Segmentet består af de godt 30 satellitter som i GPS sammenhæng kaldes for Space Vehicles (SV). SV'ernes bane er indrettet således, at de omløber jordkloden en gang pr. døgn, og altså passerer samme sted på jordkloden hver 24. time.
Control Segmentet består af en række jordstationer som er i konstant radioforbindelse med hver enkelt SV. Stationerne er spredt på jordkloden og er placeret på Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, og Colorado Springs. Det hele styres fra det amerikanske forsvars Air Force Space Command i Colorado Springs, hvorfra der konstant sendes oplysninger om korrektioner af bane, position og tid til den enkelte SV. Korrektionerne kommer fra oplysninger som monitoreres på jordens overflade i en række kontrolstationer som konstant opsamler og beregner data fra SV'erne. Disse kontrolposter drives af The National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) i USA.
User Segmentet er den enhed som vi kender som den egentlige GPS navigator. Den består af et antennesystem som er indrettet til at modtage på de (op til) 5 forskellige frekvenser som GPS benytter sig af, et ultra præcist processorsystem som er i stand til at måle og beregne på signalerne fra SV'erne, samt naturligvis et display og et tastatur som tillader navigation. I nogle tilfælde indeholder US'et også en eller flere andre kommunikationskanaler f.eks. en seriel port, hvor særlige korrektionsbeskeder kan modtages. Sådanne beskeder betegnes også som differentialkorrektioner og sendes i et RTCM format SC-104. Da kommunikationshastigheden er begrænset er værdien af disse korrektioner dog begrænset. Samtidig har de fleste moderne GPS modtagere indbygget særligt udstyr til korrektion kaldet WAAS (Wide Area Augmentation System).
Kommunikation
Hver enkelt SV sender konstant en Navigation Message. Der sendes med 50 bit pr. sekund, hvilket i dagens teknologi må betegnes som meget langsomt. Den konstante besked indeholder information om den enkelte SV, dens såkaldte almanac og en såkaldt ephemeris. Almanac'en indeholder en komplet beskrivelse af SV'ens omtrentlige bane men med den lave kommunikationshastighed tager det 12,5 minutter at overføre denne information. Den helt præcise position i banen overføres i ephemeris, og denne del af informationen overføres hvert 30. sekund. Det er således ephemeris informationen som gør det muligt for US'en at beregne sin position, mens almanac'en hjælper US'en til at lytte efter andre SV'er i "nærheden".
De to informationstyper forklarer også hvorfor US'er kan være meget lang tid om at beregne sin position. Hvis ikke US'en på forhånd ved hvor den befinder sig, eller har mistet sin grundinformation kan der altså gå over 12 minutter før man har en første positionsberegning. Mange US'er har derfor indbygget kalendere som tilnærmelsesvis ved hvilke satellitter man skal lytte efter, givet at US'en nogenlunde ved hvor på jordkolden den befinder sig. Så længe der ikke sker ændringer i SV'ernes baner fungerer den indbyggede almanac, men selv små baneændringer kan få USen til at droppe sin information, og påbegynde en ny informationsindhentning.
Transmission
Den enkelte SV sender sin navigationsmeddelelse i to forskellige formater: en Coarse/Acquisition (C/A kode) og en Precise (P kode). P koden er normalt reserveret til militært formål og er krypteret så den kun kan forstås af udstyr som kender systemets krypteringsnøgler.
C/A koden består af 1.023 chips (informationselementer i et CDMA spread spektrum system), og der sendes 1.023 Mega chips pr. sekund, svarende til at positionsmeddelelsen modtages en gang hvert millisekund. Alle SVer benytter de samme radiofrekvenser til at sende sine informationer.
Til transmission benyttes der 5 forskellige frekvenser:
- L1 (1575.42 MHz): Kombination af navigations meddelelse C/A og P kode.
- L2 (1227.60 MHz): Krypteret P(Y) kode samt en ny L2C kode som øger nøjagtigheden i SVens positionsbestemmelse. L2C koden udsendes kun af nye satellitter - de såkaldte Block IIR-M.
- L3 (1381.05 MHz): En særlig militær frekvens som benyttes til at angive positionen af f.eks. særligt infrarøde hændelser på jorden (det der i daglig tale kaldes en atomsprængning).
- L4 (1379.913 MHz): Anvendes endnu ikke, men er reserveret til brug for korrektion af atmosfæriske fænomener (omtales senere).
- L5 (1176.45 MHz): Frekvens reserveret til en særlig civil redningstjeneste safety-of-life (SoL). Frekvensen er friholdt og reserveret over hele jordkloden til dette formål.
Positionsbestemmelse
Til den egentlige positionsberegning kræves det, at US'en kender den præcise tid. Det gør US'en ikke nødvendigvis, men den enkelte SV er til gengæld udstyret med et uhyre nøjagtigt atomur. US'en justerer hele tiden sit interne krystal-baserede ur efter SV'enernes ure, og kan derved opnå en tilstrækkelig nøjagtighed.
Fidusen er nu, at US'en med kendskab til SV'ernes bane og den konstante C/A datastrøm kan beregne tidsforskellen imellem eget ur og satellittens ur, og dermed beregne afstanden til satellitten. Da der er tale om meget små tidsintervaller, fungerer målingen på den måde, at US'en ud fra sit eget synkroniserede krystal-ur, generere en identisk C/A sekvens (et såkaldt pseudorange) for hver af de SV's som enheden forventer at modtage meddelelser fra. Bitstrømmen fra en enkelte satellit sammenlignes så med den internt genererede strøm, og tidsforskydningen imellem de to strømme beregnes.
Da radiosignalers hastighed i vakuum og på vej igennem atmosfæren er kendt, kan man ud fra tidsforskydningen direkte udregne afstanden til SV'en.
I det 3-dimensionelle rum kræver det 4 fixpunkter for at beregne sin position. De fleste US'er kan dog begynde at fungere allerede med 3 punkter synlige - idet den 4. positionsangivelse antages at være jordoverfladen. Med 4 punkter fås en ægte positionsbestemmelse inklusive højde over (eller under) jordoverfladen.
Det er indlysende, at nøjagtigheden af positionsbestemmelsen er fuldstændig afhængig af afstandsmålingen til SV'eren, og selv om det lyder enkelt påvirker en lang række faktorer nøjagtigheden. Hvis der ikke korrigeres for disse faktorer, får man typisk en stedangivese som er for ringe til de fleste formål, og derfor indeholder US'erne typisk en række korrektionsamekanismer.
Korrektioner og bedre nøjagtighed
En række faktorer påvirker nøjagtigheden af den position som beregnes ud fra de modtagne signaler. Elektronikken i navigatoren - som sammenligner pseudo ranget med det faktisk modtagne signal - er nøjagtig til omkring 1%, eller hvad der svarer til ca. 10 nS (nano sekunder), hvilket igen svarer til en nøjagtighed på 3 meter. Hvis man øgede transmissionshastigheden af C/A signalet ville man stadig kunne bevare 1% nøjagtighed i modtageelektronikken, og dermed øge nøjagtigheden til omkring 30 cm. Den planlagte nøjagtighed af det kommende europæiske navigationssystem Galileo arbejder med en nøjagtighed under 30 cm.
Desværre er der andet end elektronikkens nøjagtighed som påvirker stedbestemmelsen. Fejlkilderne er:
Kilde Effekt
Ionosfæren ± 5 meter
Fejl i satelitbanen ± 2.5 meter
Fejl i satellittens ur ± 2 meter
Multipath signaler ± 1 meterer
Troposfæriske effekt ± 0.5 meter
Afrundingsfejl ± 1 meter eller mindre
Lægger man alle faktorerne sammen bliver nøjagtigheden ± 15 meter, hvilket ikke altid er nok i f.eks. en bil-navigation. Derfor er der i den enkelte navigationsenhed indbygget en række korrektionsmekanismer som vi ser på i det følgende.
Atmosfæriske afvigelser
Radiobølgernes hastighed fra SV til modtager påvirkes i jordens atmosfære, hvor signalerne bevæger sig en lille smule langsommere end i vakuum. Korrektion for denne afvigelse er ganske vanskelig, fordi tykkelsen af atmosfæren afhænger af både satelittens placering i forhold til modtager og atmosfærens sammensætning, hvor bl.a. fugtighed kan have indflydelse. I ældre GSM modtagere beregnede man en matematisk korrektion som alene tog højde for SV'ens placering, men i de nyere modtagere har man udviklet et mere snedigt system.
Her udnytter man, at SV'en sender med flere forskellige frekvenser. Selv om man ikke er i stand til at dekode indholdet af P(Y) koden som sendes på L2, så kan man udnytte, at de to frekvenser L1 og L2 påvirkes forskelligt på vej igennem atmosfæren. Forskellen er nok til, at modtageren får et eksakt mål for hvor meget der skal kompenseres for atmosfærens påvirkning af L1 signalet, og fejleffekten kan reduceres til få millimeter.
Multipath fejl
I visse situationer kan modtagelsen af et satellitsignal påvirkes ved, at signalet ikke kommer direkte fra antennen, men fra f.eks. et reflekteret signal fra f.eks. en husfacade, glas eller en bjergvæg. Heldigvis er det relativt enkelt at kompensere for sådanne fejl, fordi modtageren har sit meget præcise ur og målesystem. Det reflekterede signal vil altid ankomme senere end det direkte, og vil typisk variere i forsinkelse. Modtageren kan dermed let genkende en refleksion og udelukke den i forhold til det direkte signal - fordi det direkte signal altid er det der ankommer til modtageren først.
Fejl i satellitbane og ur
Som beskrevet tager det 12,5 minutter at overføre informationer om den enkelte satellits bane, og disse informationer er således allerede forældet når de er ankommet til modtager. Heldigvis er baneændringer på GPS satellitter sjældne, og når de foretages sker det typisk i meget små trin og over lang tid, så denne effekt kan næsten udelukkes. Værre er det med satellittens ur. Uret er baseret på et atomur med meget stor præcision, men da satellitten bevæger sig hurtigt i forhold til modtageren er man nødt til at korrigere for både tidsforskydningen i forhold til den generelle relativitetsteori, den specielle relativitetsteori og den såkaldte Sagnac effekt. Vi tager effekterne en ad gangen:
Den specielle relativitetsteori siger, at uret i en enhed som bevæger sig i forhold til observatøren, ser ud til at gå hurtigere end det gør i enheden. Med den hastighed SV'bevæger sig, betyder det, at uret "vinder" ca. 45.900 nS pr. døgn. Til gengæld siger den generelle relativitetsteori, at et ur der er påvirket af et tyngdefelt vinder i forhold til observatørens ur. I GPS satellitternes tilfælde betyder det, at uret "taber" 7.200 nS pr. dag. Den samlede effekt fra relativitetsteorien er altså, at atomuret ombord i SV'en justeres ned så det går nøjagtig 38,7 micro sekunder langsommere pr. døgn.
Tilbage er Sagnac effekten. Kort forklaret går den ud på, at en observatør på den nordlige halvkugle vil rotere samme vej som GSP satellitterne, mens han på den sydlige halvkugle vil rotere modsat, idet jorden roterer under satellitterne som følger en linær - ikke geo-stationær - bane. Effekten vil påvirke hastigheden i øst-vest gående retning på på omkring 100 nS, svarende til 10-15 meters fejlvisning. Da US'en via sin positionsbestemmelse ved, hvor på kloden den befinder sig, er det enkelt at kompencere for Snagnac effekten.
Afrundingsfejl
Opstår i modtagerens beregningsprogrammer, som konstant foretager positionsberegningen. Beregningerne kan kun foretages med et vist antal decimaler, og da der erbejdes med meget store/små tal, samtidig med at regnekraften er begrænset, må en vis afrundingsnøjagtighed accepteres.
Det nye L5 signal
Den 10. april 2009 kl. 11:58:18 (UTC) blev det nyeste af de 5 radiosignaler tændt. Signalet kommer fra en ny generation af GPS satellitter kaldet GPS IIR-20(M). Læs her om det nye signal: L5 - The new GPS signal. Tilbage i 2009 var L5 signalet kun et simpelt testsignal, som alene bestod af en bærebølge, men i april sidste år bleb det første L5 signal med indhold udsendt. Desværre må vi vente i endnu nogle år før L5 er så udbygget at det kan bruges i praksis.
Skal bruges til fly landing
Fidusen ved L5 er at det er placeret i det såkaldte Aeronautical Radionavigation Service (ARNS) bånd, som primært benyttes i flyindustrien. L5 er således tiltænkt anvendelse i fly, hvor både kurs og navnlig landingsinformation (højde informationer) kan udregnes ud fra GPS signalet. Flyindustrien har allerede fastlagt kravene til nøjagtighed (standarden RTCA DO236B (Required Navigation Performance for Area Navigation)). Under landing skal nøjagtigheden ligge på 3,6 meter horisontalt (vandret), og 1 meter vertikalt (lodret, dvs. højde). Den nøjagtighed findes ikke i GPS systemet i dag, men ventes at komme med L5. Samtidig vil Galileo bygge et kompatibelt E5 system og konkurrencen mellem amerikanere og europæere på dette område er intens - ikke mindst fordi der er en meget stor forretning i at forsyne flyindustrien med disse nye navigationssystemer.
Fremtiden er Galileo
Amerikanerne har gennem tiden forbedret på GPS systemet, og de nye avancerede satellitter og ikke mindst det øgede antal, vil bringe nøjagtigheden yderligere op. Det er dog næppe sandsynligt, at GPS systemet som sådan kan give en større nøjagtighed end de omkring 5 meter der kendes fra de bedste navigatorer i dag.
Af geo-politiske og tekniske årsager har EU besluttet at udvikle "næste generations navigation" under navnet Galileo. Det interessante ved Galileo er, at det kommer til at samarbejde med amerikanernes GPS system. L1 og L5 frekvenserne er ens i de to systemer, men Galileo er desuden tildelt 5 MHz i E6 båndet ved 1278,75 MHz.
Galileo får en såkaldt Open Service (OS) som er tilgængelig for alle, med en nøjagtighed på 4 meter horisontalt og 8 meter vertikalt, givet at modtageren benytter både L1 og L5. Modtagere som kun benytter et af båndene vil være nøjagtige ned til 15 meter.
Desuden er det planen at tilbyde en Commercial Service (CS) hvor man mod betaling får adgang til det kodede signal på E6 og dermed en nøjagtighed på 1 meter. Samtidig - og som noget nyt - vil EU tillade opsætningen af lokale stationer så nøjagtigheden bliver i omegnen af 10 cm.
Endelig vil man tilbyde to tjenester med samme nøjagtighed som i OS, kaldet Public Regulated Service (PRS) og Safety-of-Life Service (SoL). Disse to tjenester vil være tilgængelige for offentlige myndigheder.
Som en ekstra facilitet vil alle Galileo satellitterne kunne modtage signaler fra Cospas-Sarsat redningssystemet (det system som alle redningsbåde er udstyret med, og som sender nødsignaler i 406,0 -406,1 MHz området).
Galileo projektet mener efter den nuværende tidsplan at kunne demonstrere et brugbart system i starten af 2015. Dette system ventes at inkludere E5. Amerikanerne ventes først at være klar med dækkende L5 system i løbet af 2017 eller 2018.
Læs mere
- Om Galileo på ESA's hjemmeside
- Om GPS systemet (the American Air Force)
- Mere om GPS (Applied Technology Institute - ATI. Indeholder også historiske betrtagtninger)
- Om relativitetsteori og GPS. (meget interessant og let læst artikel)
