miniatyr|Exempel på ett simulerat GPS med 24 satelliter. De gröna strecken visar vilka och hur många satelliter som är synliga (och därmed mottagbara) för en GPS-mottagare utan hinder vid jordytans horisont. miniatyr|GPS-satellit i bana runt jorden. miniatyr|Bärbar GPS-mottagare.
NAVSTAR GPS, vanligen kallat enbart GPS (förkortning av Global Positioning System) är ett system för satellitnavigering och länge det enda allmänt användbara. Det utvecklades under 1970-talet av det amerikanska försvarsdepartementet men sattes inte i drift förrän i maj 1994. En uppsättning av 27 satelliter (24 ordinarie och tre i reserv) är 2015 i drift. Detta ger möjlighet för alla med en GPS-mottagare att bestämma sin position (longitud, latitud och altitud), oavsett väder, dag som natt – och var som helst på jorden.
GPS har under de senaste åren blivit användbart i många sammanhang, som ett nödvändigt system i modern navigation på land, hav och i luften runt hela världen, såväl som inom geodetisk mätning. GPS har också blivit en viktig och användbar tidsreferens i vårt samhälle, då signalen som sänds ut från satelliterna innehåller tidsinformation från inbyggda atomur.Lilje 2007, s. 9
Andra liknande system är ryska Glonass och kinesiska Compass (Beidou-3) och europeiska Galileo.
Allmänt miniatyr|stående|vänster Matematikern Gladys West brukar anges som en av de matematiker som la grunden för GPS-tekniken. Hon var anställd vid Naval Support Facility Dahlgren från 1956 och hade till uppgift att räkna på omloppsbanor för de satelliter USA skickade upp i rymden. Hon analyserade data från olika satelliter och kunde på så sätt sätta ihop beräkningar för formen på jordens yta.
Det amerikanska försvarsdepartementet utvecklade systemet under namnet NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging GPSLilje 2007, s. 10) och lanserade den första experimentsatelliten 22 februari 1978. Satelliterna är tillverkade av USA:s flygvapen och kostnaden för att upprätthålla dessa är runt 400 miljoner USD per år, inklusive ersättning av satelliter. GPS är tillgängligt för alla och gratis i privat bruk.
I slutet av 2005 skickades den första satelliten i serien av den andra generationens GPS upp till uppsättningen av GPS-satelliterna, för att erbjuda ny kapacitet och fler tjänster, där bland annat en civil GPS-signal, L2C, för ökad noggrannhet och tillförlitlighet. Fram till 2015 har ytterligare åtta satelliter i generationen skickats upp, för att utöka täckningen av L2C och lägga till en tredje och fjärde signal till systemet, såväl som för militära ändamål.
Möjligheten att precisera sin position ytterligare kommer att utökas under de närmaste åren bland annat med WAAS, den amerikanska motsvarigheten till EGNOS, vilket är tillgängligt sedan augusti 2000. WAAS erbjuder signaler med en noggrannhet av tre meter för kompatibla mottagare. Inom en snar framtid kommer GPS att kunna erbjuda en noggrannhet på upptill en centimeter över kortare avstånd, med hjälp av bland annat differentiell GPS. I praktiken gäller dock i många sammanhang en betydligt sämre noggrannhet, bland annat för att kartorna kan ha rätt stora fel.
Satelliterna i GPS-systemet är utplacerade i sex olika banor på cirka 22 000 km höjd och med en omloppstid på tolv timmar. Banhöjden är i satellitsammanhang av "medelhöjd" och kan bland annat jämföras med kommunikationssatelliter som kretsar i banor på upp till 2 000 km över jordytan.
Vid varje enskilt tillfälle är statistiskt sett minst sex satelliter tillgängliga för GPS-användare, oavsett plats på jordytan; detta är dock ingen kravspecifikation i systemet. Beroende på satellitens operationella skick kan en GPS ange hälsotillståndet hos satelliten.
Ur användarens perspektiv handlar GPS om envägskommunikation, där satelliten skickar ut signaler som GPS-mottagaren tar emot. Mellan kontrollstationerna på marken och satelliten sker dock kommunikation åt båda hållen.Lilje 2007, s. 11
Användning av GPS miniatyr|Satellit för NAVSTAR GPS. miniatyr|höger|Taxi i Kyoto utrustad med GPS.
Navigering GPS används över hela världen av människor för navigeringshjälp, bland annat i telefoner, cyklar, bilar, flygplan och båtar. Systemet kan också användas i truckar, skogsmaskiner och andra fordon. Bergsklättrare och vandrare har ofta GPS-mottagare. Även piloter för glidflygplan eller liknande använder ofta GPS för att fastställa avståndet till landningsplatser för att öka sin precision. Billigare GPS-mottagare följer ofta med en handdator, telefon, bildator eller liknande. Det finns också utrustningar som är tillgängliga för människor med funktionshinder, vid till exempel synskador.
Absolut navigering är navigering som sker direkt i förhållande till GPS-satelliterna. Motsatsen är relativ navigering, vilken sker i förhållande till en referensstation på jordytan. Jämför även differentiell GPS.
Militären GPS gör det möjligt för militären att förbättra sina vapen, inklusive precisionsvapen som kryssningsrobotar, såväl som att få bättre lokalkännedom. Satelliterna är också utrustade med detektorer för att lokalisera kärnvapen, vilket är det viktigaste för projektet Vela. Civila GPS-mottagare är begränsade med altituden för att dels förhindra att dessa används som improviserade missiler. Den militära utrustningen är också mer utvecklad än den civila.
Flygpassagerare De flesta flygbolag tillåter passagerare att använda GPS-utrustning under sina flygningar, dock med undantag för start och landning, då också annan elektronisk utrustning är otillåten.
Historia GPS var inte det första satellitbaserade systemet för positionsbestämning. Redan med Sputnik (som hade en radiosändare) diskuterades möjligheten att mäta frekvensförskjutningar (dopplereffekt) hos satellitens signaler för att beräkna positioner på jorden. Man märkte i USA att man kunde beräkna Sputniks bana väldigt exakt, och man förstod att man kunde beräkna sin position genom att jämföra observationer av satelliten med tidigare observationer från en känd plats.
Under tidigt 1960-tal lanserades den amerikanska flottans system Transit, som med hjälp av dopplermätningar kunde beräkna positioner på jorden. Navstar GPS började byggas upp under 1970-talet. Den första testsatelliten sköts upp 1978 och den första produktionssatelliten 1989. Systemet driftsattes i maj 1994, när det fanns 24 satelliter i sex olika banplan runt jorden. Året därpå stängdes det gamla Transit-systemet ned.
GPS utvecklades av USA:s försvar för bland annat navigering av robotar, men det har också kommit att få en bred civil användning.
Satelliter som ingick i den första serien, försöksserien, kallas Block I-satelliter. Den andra serien, produktionsserien, kallas Block II. Inom denna serie finns flera generationer, till exempel Block II A, Block II B. Block III-satelliterna kommer att ingå i den tredje serien. Utmärkande för denna serie är den adderade tredje frekvensen L5.
Livslängden för de tidiga GPS-satelliterna var 7,5–10 år, beroende på generation. Satelliterna i generationen som började utplaceras 2005 (GPS IIF) är planerad att verka i upp till 15 år.
Driftledningscentralen (engelska: master control station, MCS) för GPS-systemet är den markstation från vilken driften av satellitsystemet leds. Driftsledningen för GPS ligger i Colorado Springs i USA.
För drift av GPS-systemet används monitorstationer (markstationer som löpande registrerar satellitsignaler och övervakar systemet) i Hawaii, Colorado Springs, Ascension, Diego Garcia och Kwajalein.
SVN-numret är ett identifikationsnummer för en GPS-satellit och utgörs av ett löpnummer i uppskjutningsordning. SVN är en förkortning för Satellite Vehicle NAVSTAR.
GPS är idag (mitten av 2010-talet) ett av tre färdigetablerade system för satellitnavigering; de två andra är ryska Glonass och kinesiska Beidou. Fram till 2020 färdigställs även det europeiska systemet Galileo.
Avstånds- och tidmätning
Positionsbestämning med GPS bygger på avståndsmätning med trilateration från ett antal satelliter. Satelliterna skickar kontinuerligt ut information om exakt tid och datum (i kodad form), identitet (vilken satellit som sänder), status samt uppgifter om var satelliten befinner sig vid varje given tidpunkt. GPS-systemet bygger på att tidgivningen är mycket noggrann. Detta åstadkoms på flera sätt. Varje satellit har fyra atomklockor ombord – en som används och tre i reserv. För att tidmätningen skall bli noggrann krävs att alla satelliter kan skicka ut sina koder samtidigt inom snäva marginaler. Detta görs genom att satelliternas atomur synkroniseras från en huvudklocka på marken.
Avståndsmätningen går till så att man mäter skillnaden i tiden det tar för varje satellits signal att nå mottagaren. Eftersom signalen går med ljusets hastighet går det då att räkna ut hur långt det är till satelliten. Med hjälp av att jämföra de olika satelliternas klockslag hos mottagaren, går det att med hjälp av triangulering bestämma positionen hos GPS-mottagaren oberoende vilken tid GPS-mottagaren är inställd på. För detta krävs information från minst 4 satelliter. Det krävs också att positionen hos satelliten är känd; detta sker genom att satelliten beräknar sin position i dess omloppsbana och dessutom rekalibreras dagligen ifrån markstationer.
Positionsmätning Banor, spårstationer och koder En baninmätning inom GPS innebär en bestämning av en satellits bana med optiska eller elektroniska hjälpmedel, exempelvis med hjälp av dopplereffekten.
En spårstation (engelska: tracking station) är en markstation med noggrant bestämd position i ett globalt koordinatsystem där satelliter observeras i syfte att bestämma deras banor. För drift av satellitsystemet finns spårstationer i Hawaii, Colorado Springs, Ascension, Diego Garcia och Kwajalein.
Eftersom satellitens position är känd går det att beräkna positionen på ytan till en imaginär sfär med en viss radie (=avståndet till satelliten). Då mottagaren har fått samma information från tre olika satelliter kan den räkna ut positionen (i skärningspunkten mellan de olika sfärytorna).
Systemet sänder på två frekvenser: 1575,42 MHz (L1) och 1227,60 MHz (L2).GPS explained L2 är den militära frekvensen. Dock så använder militära mottagare den civila signalen för att skicka P(y)-kod (för att få högre precision). För att störa ut signalerna behövs en relativt avancerad utrustning. P-koden består av en mycket lång följd av binära tvåfasmoduleringar på bärvågen med överföringshastigheten 10,23 Mbit/s. P-koden har en period på 267 dygn. Varje veckolångt segment av P-koden är unikt för varje enskild GPS-satellit och återstartas varje vecka. Benämningen P-kod står för precise code eller protected code. Y-koden är en krypterad P-kod. A-S (förkortning för anti-spoofing) är en kryptering av P-koden till en Y-kod för att förhindra att falsk satellitdata ersätter den korrekta signalen.
Sändareffekten ligger på cirka 27 W. Antennförstärkningen är 10–17 dBi. På grund av avstånd och utspädning ligger mottagen effekt kring −160 dBi, alltså upp till 27 dB svagare än bakgrundsbrus.
Kinematiska bestämningar Kinematisk positionsbestämning är positionsbestämningar där GPS-mottagaren är i rörelse. Kinematisk relativ positionsbestämning är en kinematisk positionsbestämning i förhållande till en referensstation på jordytan. GPS-mätning sker samtidigt med en referensstation och med en rörlig GPS-mottagare. Relativ positionsbestämning ger högre precision än absolut positionsbestämning som är positionsbestämning med mätning enbart direkt i GPS-mottagaren. Vid optimala förhållanden uppnås noggrannheter på 1–2 cm i horisontalplanet och ca 4–5 cm i höjd.
Relativ positionsbestämning är bestämning av relativa positioner mellan två eller flera mottagare vilka samtidigt observerar samma satellitnavigering som sker direkt i förhållande till GPS-satelliterna.