Hur fungerar en GPS

Att navigera efter satelliter är en naturlig del av vår vardag och något vi tar för givet. Principen är gammal, men hur fungerar den?

Satellitnavigeringssystem har blivit en självklar del av många apparater. Tidigare var det bara dedikerade apparater som hade detta, men nu är det inbyggt i telefoner, surfplattor, VHF-radior med mera.

USA var först med sin GPS (Global Positioning System) och är den som flest använder, därför kallas satelitnavigering ofta för GPS. Eftersom detta är den vedertagna termen kommer jag använda det framöver. I tillägg har Ryssland GLONASS som många apparater kan få tillgång till. EU har snart Galileo färdigt. Även Kina har ett satellitnavigeringssystem, Beidou. Det täcker i dag Kina och Stilla havet, men global täckning är på väg.

En del telefoner och kartplottrar ger användare möjlighet att välja vilket system man ska välja. På det sättet kan man undvika att helt förlora möjligheterna till satellitnavigering om något skulle gå fel med USAs satelliter.

En gång i tiden var det inte mer än detta man fick ut från en GPS: Siffror som visade longitud och latitud. De var dessutom i stora enheter. I dag ryms mottagaren i en handhållen VHF och kan visa din position på en digital karta.

Historien bakom GPS

Första grundläggande stegen mot GPS togs redan 1957 när Sputnik kretsade runt jorden och skickade ut radiosignaler. Västerländska vetenskapsmän tog mot signalerna och upptäckte att man fick en dopplerkurva när man analyserade dem. De insåg att med lite information från dessa signaler och kunskap om var man befinner sig kan man ta reda på satellitens bana och hastighet.

Det tog inte lång tid innan man kom på idén att man kan vända på detta. Genom att känna till banan och signaler kan man ta reda på var på jorden man befinner sig. Redan 1960 skickade USA upp en satellit som skulle testa om detta var möjligt. NAVSAT-systemet blev ett faktum och var aktivt fram till GPS tog över 1996.

Hur fungerar en GPS?

USAs system har 24 satelliter, varav tre bara är i reserv. Satelliterna behöver kalibreras med jämna mellanrum. Därför finns det ett antal markstationer som kan skicka information tillbaka till satelliterna som kompenserar för fel som uppstår med tiden.

För att en GPS ska kunna räkna ut positionen skickar satelliterna ut information bland annat om var satelliten är, korrektion för fel i satellitens klocka och korrektion för att signalernas hastighet ändras i atmosfären. Hastigheten är inte konstant, men är beroende av atmosfärens sammansättning som i sin tur påverkas av hur högt solen står på himlen och solfläckar.

Den totala tiden det tar för en signal att nå en mottagare är cirka 66 millisekunder. Trots att det är små variationer som orsakas av varierande avstånd från satelliten till till jorden så klarar GPSen att upptäcka skillnaden och räkna ut avståndet till satelliten.

När vi fått avståndet har vi några okända tal som ska lösas, ett för varje dimension. För att räkna ut en ekvation med flera okända faktorer behöver man lika många ekvationer där dessa faktorer är med.

Genom att beräkna avståndet till tre satelliter är det bara två platser man kan befinna sig på. En av platserna är på jorden, den andra är i rymden. Eftersom det inte är så troligt att du är i rymden kan GPSen visa positionen på jorden som platsen där du befinner dig.

I en tredimensionell värld kan vi lösa tre okända tal genom att använda tre ekvationer vi fått från tre satelliter.

Vi lever inte i en tredimensionell värld. Den fjärde dimensionen, tid, måste vi också ta hänsyn till. Den känner vi inte till.

Satelliterna har klockor med en noggrannhet på 10-9 sekunder. Hade din GPS också haft det skulle vi känna till tidsdimensionen, men då hade få båtägare haft råd att köpa en GPS. För ett kunna korrigera för denna osäkerhet behöver du en fjärde satellit för att få tillgång till en fjärde ekvation.

Att känna till sin position med stor nogrannhet är mycket nyttigt i krig. USA gjorde tidigare positionen mindre exakt för vanliga användare. Det var bara med en DGPS man kunde utnyttja full nogrannhet. De har fortfarande möjligheten att göra din position mindre nogrann om de vill. Det kan antingen göras genom att satellitens positionen inte är korrekt eller att information om satellitens klocka inte är korrekt.

Trodde du att Tomorrow never dies där GPS-signaler störs var ren science fiction? Det är fullt möjligt och något Ryssland anklagas för att göra under NATO-övningar.