Vetenskapsmetodik, CDT212 Mälardalens Högskola, Västerås 2007-10-16 Magnus Andersson, CIDEV4 man04011@student.mdh.se GPS-SYSTEMET Figur 1: GPS-satellit
SAMMANFATTNING Att kunna överblicka har genom historien varit något som människan strävat efter. Från metoder som med mer eller mindre primitiva sätt gav förmågan att kunna överblicka har utvecklingen de senaste årtiondena gått raskt framåt. Efter att den första satelliten (Sputnik) sköts upp 1957 har möjligheten att navigera med hjälp av satelliter växt fram. GPS-systemet som finns idag är ett mycket avancerat och komplext system som klarar av mycket av det som människan drömt om när det gäller förmågan att överblicka. Positionsbestämning med GPS-systemet görs genom att en mottagare, på positionen som önskas bestämmas, tar emot signaler från satelliter och beräknar avstånd till dessa genom att klocka tiden det tar för signalen att färdas mellan satellit och mottagare. GPS-systemet kräver minst fyra stycken satelliter för att kunna göra en positionsangivelse. I dagens läge finns det 31 stycken aktiva GPS-satelliter och deras banor är planerade så att det ska finnas mellan fyra och åtta satelliter som är synliga samtidigt överallt på jorden dygnet runt. Satelliterna är utrustade med atomur för att garantera exakta tidsangivelser. Galileo är ett europeiskt satellitnavigeringssystem som är under utveckling. Detta system ska garantera funktion och noggrannhet för den civile användaren. Även detta system är globalt. 2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING... 2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING... 3 INLEDNING... 4 GPS-SYSTEMET... 4 Historia... 4 Funktion och användning... 4 Allmänt... 4 Satelliter... 6 Kontrollstationer... 7 Användare... 8 Galileo... 8 SLUTSATSER... 8 REFERENSER... 9 Bildreferenser... 9 3
INLEDNING I denna rapport beskrivs kortfattat och förenklat hur Global Positioning System (GPS) fungerar och vad det kan användas till. Navigering är förmodligen det vanligaste användningsområdet för den civile användaren, men även att kunna överblicka, till exempel att rita kartor och se förändringar i naturen, är viktiga aspekter när det gäller GPS-systemet. GPS-systemet är ett mycket komplext tekniskt system. Avancerad fysik, matematik och programmering krävs för att det ska fungera. Den här rapporten är för kort för att kunna beskriva på detaljnivå, istället ger den förhoppningsvis en överblick i ämnet. I rapporten nämns genomgående militären (USA) som skapare och ansvarig för GPSsystemet, till benämningen militären (USA) räknas då även övriga amerikanska statliga instanser som är inblandade. Det ges även några exempel på hur GPS-tekniken används samt lite kort information om det europeiska satellitnavigeringssystemet Galileo ett globalt system som ska garantera civil användning. GPS-SYSTEMET Historia Människan har alltid haft ett behov och en vilja att kunna överblicka. Egyptierna, grekerna och romarna hade alla olika sätt att tillförskansa sig överblick, ett exempel var att bygga torn för att kunna få längre siktsträcka, menar Hofmann-Wellenhof med flera i [Hofma01]. Stjärnor kunde även användas för att bestämma positioner, men sikten påverkades av väder och noggrannheten var inte bättre än att felen kunde vara flera hundra meter [Hofma01]. Ett stort steg i rätt riktning var när den ryska satelliten Sputnik sköts upp 1957. Efterforskningar gjordes om att genom dopplereffekt, det vill säga frekvensförskjutningar, på satellitens signaler kunna göra positionsbestämmelser. På 1960-talet kom också ett system, som kallades för TRANSIT, som använde sig av mätningar av dopplereffekt [SvWik07]. När det fanns möjlighet att använda sig av satelliter utvecklades också en metod som med hjälp av kameror kunde bestämma avstånd till satelliten. Detta var dock en metod som var svårarbetad, eftersom fotograferingen av en satellit var tvungen att göras på exakt samma tidpunkt på två separata observationsplatser. Även detta var en metod som var väderkänslig [Hofma01]. TRANSIT som var det första satellitbaserade navigationssystemet, ersattes 1978 av de första GPS-satelliterna, kallade Block-I [EnWik07]. Den riktiga benämningen för GPS-systemet är egentligen NAVSTAR-GPS (Navigation System with Time and Ranging-Global Positioning System), men kallas vanligtvis bara för GPS [Lechn00]. Funktion och användning Allmänt Principen för positionsbestämning med GPS-systemet är att med hjälp av punkter, satellitens position och jordens centrum, beräkna den position (punkt) som söks. Detta görs med hjälp av triangulering. Förenklat kan denna metod beskrivas genom att tiden det tar för signalen 4
(färdas alltid i ljusets hastighet) att ta sig mellan satelliten och mottagaren (på den position som ska bestämmas) ger avståndet ρ (se Figur 1 nedan) [Hofma01]: Figur 2: Avstånd Enligt detta sätt att beräkna krävs det tre stycken satelliter för att bestämma den sökta positionen. De tre satelliterna kan ses som centrum i varsin sfär där ρ är radien. Skärningen mellan de tre sfärernas ytor ger de obekanta variablerna för att lösa avståndsekvationerna S enligt ρ = ρ ρ (se Figur 1 ovan) [Hofma01]. R I själva verket använder sig dock GPS-systemet av minst fyra stycken satelliter vid beräkning av position. Detta beror bland annat på att klockorna i mottagarna inte håller tillräcklig noggrannhet för tidsangivelse, även fast de hela tiden synkroniseras med satelliternas atomur, och därför medför ett visst fel i beräkningen av avståndet ρ. Fyra stycken satelliter krävs därför för att kompensera för detta fel i avståndsberäkningen. Istället för avståndet ρ används istället benämningen pseudoavstånd [Hofma01]. Att det är viktigt med en exakt standard när det gäller tid, eftersom systemet beräknar avstånd med hjälp av tidsåtgång för signaler att färdas, ses ganska tydligt med enkla beräkningar. Med ljusets hastighet på signalerna ger ett tidsfel på en mikrosekund (0,000001 sekunder) ett fel i sträcka på ungefär 300 meter [SvWiki07]. GPS-systemet var från början utvecklat för militära (USA) ändamål och för att inte riskera att bli utsatta för fientliga anfall där fiendens vapensystem använde sig av GPS-navigering, inkluderades ett tillägg som kallas för Selective Availability (SA) [EnWik07]. Detta är en medveten störning som påverkar höjdangivelsen med hundratals meter (växelverkan). SA är för närvarande avstängt, men kan utan förvarning aktiveras. Grafen nedan (Figur 2) visar höjdangivelsen vid en markstation omkring en tidpunkt för avstängning av SA [Hofma01]: 5
Figur 3: Höjdangivelse med och utan SA Noggrannheten för positionsangivelser, även utan SA och andra möjliga medvetna störningar aktiverade, är bättre för militären (USA) då de har andra möjligheter att använda de olika signalerna från satelliterna än den civile användaren. Även standarden på militära och civila mottagare skiljer sig. För militären (USA) kan positioner bestämmas med en noggrannhet som ligger på centimeternivå, för den civile användaren handlar det istället om meternivå vid positionsangivelser [EnWik07]. Kostnaderna för att hålla GPS-systemet fungerande är stora. Uppgifterna om hur mycket det kostar går isär, men ligger förmodligen mellan 400 och 750 miljoner dollar (USD) per år [SvWik07] [EnWik07]. Trots detta behöver användarna av GPS-systemet inte betala några avgifter för att få utnyttja tekniken, utöver kostnader för mottagare [EnWik07]. Satelliter För närvarande finns det 31 stycken GPS-satelliter som är aktiva [EnWik07]. Dessa har en omloppsbana som befinner sig ungefär 20 200 km över jorden. Satelliternas banor är planerade så att det finns mellan fyra och åtta satelliter som är synliga samtidigt överallt på jorden dygnet runt [Hofma01]. Enligt Hofmann-Wellenhof med flera i [Hofma01] så kan satelliten ses som en plattform för datorer, atomklockor, radiosändare och annan utrustning för att få systemet att fungera. Satelliternas banor ligger i sex olika plan som inte roterar med avseende på avlägsna stjärnor, det vill säga satelliterna är riktade mot jordens centrum på samma sätt hela tiden. Varje satellit färdas två hela varv runt jorden under ett stjärndygn (ett stjärndygn är ungefär 23 timmar och 56 minuter) [EnWik07]. Det finns olika typer av satelliter, som skiljer sig lite från varandra på grund av utveckling och uppdatering [Hofma01]. Tabellen nedan (Tabell 1) visar de olika kategorierna av GPSsatelliter, hur många uppskjutningar som gjorts och hur många satelliter som fortfarande är aktiva [EnWik07]: 6
Namn: Uppskjutningsperiod: Antal satelliter, inkl haverier: Block I 1978-1985 11 0 Block II 1985-1990 9 0 Block IIA 1990-1997 19 16 Block IIR 1997-2004 12 12 Block IIR- M 2005-3 3 Totalt: 54 31 Aktiva : Tabell 1: GPS-satellittyper Signalerna, L1-L5, från satelliterna sänder på olika frekvenser och har olika användare och användningsområden. Frekvenserna är [EnWik07]: L1 = 1575,42 MHz L2 = 1227,60 MHz L3 = 1381,05 MHz L4 = 1379,91 MHz L5 = 1176,45 MHz Exempel på hur signalerna används är: L1 används för civila ändamål; L1, L2 och L3 används i militärt syfte; L4 är under utveckling; L5 planeras bli en säkerhetssignal för civilt användande [EnWik07] [Alkan05]. Kontrollstationer Det finns ett antal markbelägna kontrollstationer med uppgift att kontrollera satelliternas banor, synkronisera tid och ladda upp data till satelliterna. Huvudkontrollstation finns belägen i Colorado Springs, Colorado (på Shriver Air Force Base). Dessutom finns det kontrollstationer på Hawaii, Ascension Island i södra Atlanten, Diego Garcia i Indiska oceanen och Kwajalein i norra Stilla havet. Dessa stationer har exakt atomursstandard och mottagare som hela tiden mäter avstånd till de satelliter som är synliga på horisonten [Hofma01]. Kontrollstationerna bearbetar data från satelliterna och skickar tillbaka korrektioner angående omloppsbana och tid [Lechn00]. De olika typerna av satelliter klarar av olika lång tid utan kontakt med kontrollstationerna, enligt tabellen (Tabell 2) nedan, dock hålls hela tiden kontakt med satelliterna när de passerar stationerna [Hofma01]: Block II I II IIA IIR Varaktighe t 3-4 dagar 14 dagar 180 dagar > 180 dagar Tabell 2: Varaktighet 7
Användare GPS-systemet var från början ett militärt system (USA), och en användare är definitivt militären. Allt från vapensystem och koordinering av trupper till enskild navigering för soldater är användningsområden av GPS-systemet för militären [Hofma01]. Även försvarsmakten i Sverige brukar GPS-system i viss utsträckning, exempelvis i de obemannade flygfarkosterna för spaning UAV-systemet där det är GPS-systemets navigeringsfunktioner som används [Försv07]. En möjlighet till användning, som inte är navigering eller positionsbestämning, är att kunna få exakt tidsangivelse. Att kunna synkronisera med den exakta tiden, som atomuren i GPSsatelliterna håller, är till stor nytta för många laboratorier, företag och liknande [EnWik07]. För den civile andvändaren är det möjligheten att kunna navigera som är det huvudsakliga området. Allt från mottagare som bara anger koordinater till mottagare som innehåller kartor och på så vis kan visa med en figur, till exempel föreställande en bil, vilken position du befinner dig på. Det finns även mottagare med program som gör beräkningar hur långt det är kvar till angivet mål, samt vid vilket klockslag du är framme (hänsyn tas då till rådande hastighetsbegränsning). Priserna på dessa mottagare har sjunkit mycket på senare år och kommer förmodligen att fortsätta med det. Användningsområdena är många och det är bara fantasin som sätter stopp. Ett exempel på hur GPS-tekniken kan användas är ett projekt, där vägverket (Sverige) har huvudansvaret, som ska öka trafiksäkerheten. Genom att GPS-satelliter kontrollerar fordons hastighet kan skyltar skippas och hastighet varieras med hänsyn till trafik och väder med mera. Fordonens hastighet ska regleras med bland annat varningssystem (uppmärksammar föraren, som själv får reglera hastighet) i fordonet och aktiva gaspedaler. Projektet ska ge bättre flyt i trafiken [NyTek00]. Galileo Galileo är ett navigationssystem (globalt) som är under utveckling i Europa. Galileo ska fungera tillsammans med NAVSTAR-GPS-systemet, men ska garantera civil användning till skillnad från NAVSTAR-GPS där medveten störning kan kopplas in utan förvarning [Esain07]. Tanken är att Galileo ska underlätta för icke-militär användning, till exempel moderna företag [Alkan05]. Systemet Galileo ska även utrustas med en säkerhetsfunktion där en nödställd ska kunna skicka en signal som via satellit går vidare till en station som kan starta en räddningsaktion [Esain07]. I december 2005 sköts den första satelliten upp, detta var ett test, och ytterligare uppskjutning av två satelliter, även de test, planeras i slutet av 2007. Det fungerande systemet beräknas använda sig av 30 satelliter. Ansvarig för Galileo är European Space Agency (ESA) [Esain07]. SLUTSATSER GPS-systemet är ett system med många möjligheter. Det går att inkludera GPS-teknik i många olika applikationer det är bara fantasin som begränsar. Att det är ett komplext system råder det ingen tvekan om. Det krävs mycket avancerad kunskap för att kunna förstå hur GPSsystemet fungerar på detaljnivå. Förhoppningsvis har denna rapport gett en inblick i hur tekniken fungerar i stora drag. 8
Navigering och positionsberäkningar, som begreppet GPS-systemet vanligtvis leder tanken till, är inte enda användningsområdet. I rapporten är det nämnt att till exempel möjligheten till synkronisering av tid är en viktig funktion för många laboratorier, företag och liknande. Militären (USA) har mycket bättre noggrannhet i sina positionsangivelser än vad den civile användaren har. Det handlar om centimeternivå istället för meternivå. Detta beror på utrustningens standard. Det kan även vara värt att notera att i och med militärens (USA) möjlighet att lägga till medveten störning på satellitsignalerna kan noggrannheten för den civile användaren kraftigt försämras när som helst utan förvarning. På grund av detta ska det bli intressant att se hur det europeiska globala satellitnavigeringssystemet Galileo, som ska garantera civil användning, utvecklar sig. REFERENSER [Alkan05] R. M. Alkan, H. Karaman & M. Sahin, GPS, GALILEO and GLONASS Satellite Navigation Systems & GPS Modernization, Istanbul Technical University, Faculty of Civil Engineering, Department of Geodesy & Photogrammetry, Turkey, 2005 [EnWik07] Wikipedia, The Free Encyclopedia, Global Positioning System, http://en.wikipedia.org/wiki/global_positioning_system (3 oktober 2007) [Esain07] European Space Agency (ESA), Galileo Navigation; What is Galileo?, http://www.esa.int/esana/gggmx650ndc_galileo_0.html (5 oktober 2007) [Försv07] Försvarsmakten, UAV Ugglan, http://www2.mil.se/sv/materiel-ochteknik/flyg/uav-systemet-ugglan (6 oktober 2007) [Hofma01] B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger and J. Collins, GPS Theory and Practice, SpringerWienNewYork, ISBN 3-211-83534-2, 2001 [Lechn00] Wolfgang Lechner, Stefan Baumann, Global navigation satellite systems, Computers and Electronics in Agriculture, No. 25, pages 67-85, 2000 [NyTek00] Ny Teknik, Bättre flyt när satelliter får bestämma farten, http://www.nyteknik.se/art/10303 (6 oktober 2007) [SvWik07] Wikipedia, Den fria encyklopedin, GPS, http://sv.wikipedia.org/wiki/gps (3 oktober 2007) Bildreferenser Figur 1: Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8d/gps_satellite_nasa_art-iif.jpg (3 oktober 2007) Figur 2: B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger and J. Collins, GPS Theory and Practice, SpringerWienNewYork, ISBN 3-211-83534-2, 2001, page 5 Figur 3: B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger and J. Collins, GPS Theory and Practice, SpringerWienNewYork, ISBN 3-211-83534-2, 2001, page 18 5:a 9