< Tilbage til start >

Hvordan virker en GPS modtager?

Vore forfædre måtte gå til ekstremer for ikke at fare vild. De rejste monumentale landemærker, tegnede detaljerede kort og lærte at læse stjernerne på nattehimlen. 

I dag er det meget meget lettere. For mindre end 1000 kroner kan man købe en "lomme størrelse" dims der til enhver tid kan fortælle dig nøjagtig hvor på jorden du befinder dig. Så længe du har en GPS modtager og frit udsyn til himlen, vil du aldrig kunne blive væk igen.

Når man taler om "en GPS" mener men normalt en GPS modtager. Men GPS systemet (Global Positioning System) er egentlig en konstellation af 24 satellitter i kredsløb omkring jorden. Det amerikanske forsvar udviklede og implementerede dette satellit netværk som et militært navigationssystem, men meget hurtigt blev det gjort tilgængeligt for alle. Den første satellit blev sendt op i 1978 og den fulde konstellation med 24 satellitter blev opnået i 1994.
Hver af disse knap 2 tons solcelle forsynede satellitter cirkler omkring jorden med en hastighed på næsten 3500 km/t i omkring 19.300 km højde, hvor de tager 2 komplette kredsløb pr. døgn. Kredsløbene er arrangeret således at der ethvert sted på jorden på ethvert tidspunkt er mindst 5 satellitter synlige på himlen.

I de første år man brugte GPS systemet var der indlagt en begrænsning i systemet således at der kun kunne opnås en begrænset nøjagtighed ved civilt brug (omkring 100m) - kaldet SA (Selective Availablity). Denne begrænsning blev fjernet i maj 2000 og i dag er en almindelig civil GPS modtagers nøjagtighed nede på 10-20 m typisk 

Principper og matematik.
En GPS modtagers opgaver er at identificere 4 eller flere af disse satellitter, beregne distancen til hver af dem, og bruge denne information til at udlede sin egen position. Hele denne opgave er baseret på det matematiske princip der kaldes trilateration. 

3D trilateration positionering kan forklares på følgende måde - hvis du kender din afstand til en satellit kan du befinde dig i ethvert punkt på den "kugle" som den givne afstand afstanden danner omkring satellitten. Tilføjer man nu en ekstra satellit med endnu en kendt afstand kan man nu begrænse antallet af mulige punkter man befinder sig i til punkter i den ring der dannes hvor de to kugler overlapper hinanden. Tilføjer man nu endnu en satellit er de mulige punkter, som man kan befinde sig i, begrænset til kun to positioner hvor den tredje kugle skærer den ring der dannedes af de to første kugler. Da jorden i sig selv danner en fjerde kugle vil der kun være et sandsynligt punkt tilbage og således elimineres det punkt der ligger ude i rummet et sted. GPS modtageren modtager normalt signal fra fire satellitter eller flere og man vil dermed opnå endnu større nøjagtighed på positionen.

For at lave beregningen skal GPS modtageren kende to ting:
- positionen på mindst 3 satellitter over dig.
- afstanden mellem GPS modtageren og hver af de tre satellitter.

GPS modtageren regner begge disse ubekendte ud, ved at analysere de elektromagnetiske højfrekvens signaler fra GPS satellitten (radiosignaler på 1575MHz). Elektromagnetisk energi (radiobølger) vandrer gennem luften med lysets hastighed (300.000km/sek i vaacum). Ved at beregne hvor lang tid det tager for et signal at ankomme kan afstanden dermed også beregnes. Koden der sendes fra satellitterne indeholder en tidsangivelse såvel som satellittens position og når koden fra tre satellitter modtages kan GPS modtagerens eget ur initialiseres og dermed kan afstanden beregnes udfra forsinkelsen af de efterfølgende signaler.
For at opnå en fornuftig nøjagtighed skal hver satellit have et dyrt "atomur" indbygget, men den enkelte GPS modtager behøver heldigvis kun et almindeligt quartz ur.

Når du måler afstanden til fire satellitter, kan du således tegne fire kugler der alle krydser i et punkt. Tre kugler vil krydse selvom dine beregninger er helt forkerte, men fire kugler vil ikke krydse hinanden hvis dine beregninger er forkerte. Da GPS modtageren laver alle afstandsberegningerne på baggrund af sit indbyggede ur vil distancerne være proportionalt forkerte, og modtageren kan derfor let beregne den nødvendige korrektion der skal til for at de fire kugler krydser hinanden i et punkt. Baseret på dette, bliver modtagerens interne ur nulstillet synkront med uret i satellitterne. Da modtageren gør dette konstant når den er tændt, behøver den ikke det dyre "atomur" for at fungere. 
Den indledningsvise indstilling af modtagerens ur er det der forårsager de forholdsvis lange "koldstarts" tider for en modtager. 

For at afstandsberegningerne kan bruges til noget skal modtageren også kende satellitternes position. Dette er ikke specielt problematisk da satellitterne bevæger sig i en nøjagtig og forudbestemt bane omkring jorden. GPS modtageren gemmer en almanak (dagbog) der fortæller hvor hver satellit bør befinde sig på ethvert tidspunkt. Fænomener som solens og månens træk i satellitterne ændrer deres kredsløb en smule, men det Amerikanske Forsvarsministerium overvåger konstant satellitternes position og sender korrektioner til alle GPS modtagere som en del af GPS koden.

Unøjagtigheder
Systemet virker temmelig godt, men der er unøjagtigheder. For det første antager man at radiosignalerne transmitteres med en konstant hastighed gennem atmosfæren. I virkeligheden forsinker jordens atmosfære den elektromagnetiske energi lidt, specielt gennem ionosfæren og troposfæren. Forsinkelsen varierer afhængig af hvor man er på jorden og det er derfor svært kompensere for fejlen. Der kan ligeledes opstå problemer når signaler reflekteres på større objekter, således at modtageren tror at satellitten er længere væk end den egentlig er. Endelig kan satellitter nogle gang sende dårlige almanak data, der misrapporterer deres position.

Brugen af GPS i praksis.
I nogle GPS modtagere kan der lagres kort i modtagerens hukommelse, nogle tilsluttes en PDA (håndholdt elektronisk kalender) og endelig er der den simple modtager der tilsluttes en PC hvor kortene er lagret.

En standard GPS modtager vil ikke alene placere din position på et kort, men den vil også vise dine bevægelser på kortet mens du kører. Hvis du lader din GPS være tændt når du kører vil GPS'en og det indbyggede ur give dig en masse værdifuld information. 

- Hvor langt har du rejst.
- hvor lang tid har du rejst.
- din hastighed.
- din gennemsnitshastighed.
- et "spor" på kortet der viser hvor du har kørt.
- den estimerede ankomsttid hvis du fortsætter med den samme hastighed.

For at få den sidste oplysning skal du selvfølgelig give modtagen information om hvad der er dit bestemmelsessted. En del af disse funktioner kan også opnås hvis du benytter programmer som MS Autoroute, Det Levende Danmarkskort / Søkort, Route 66 osv. osv.

I mange programmer kan du indkode waypoints (kortnåle) - altså vigtige positioner du vil huske på et senere tidspunkt. Ved at gemme positionerne som waypoints vil det være nemt for dig at finde positionerne igen og ligeledes at dele dem med andre.
Eksempler på waypoints kunne være:

- en god lejrplads
- en god indkøbsmulighed på vejen.
- et godt fiske eller jagt sted.
- et udsigtspunkt 
- der hvor du stillede din bil.
- et godt dykker mål.
- find selv på flere - mulighederne er ubegrænsede

Hvilke af de ovennævnte funktioner du har brug for, og hvilke funktioner det program / eller udstyr du har valgt supportere, er meget forskellige afhængig af modellen på software eller udstyr.

I den sidste ende er GPS modtageren kun en nøjagtig måde at få data omkring den aktuelle position. Hvordan disse data så behandles og processeres er meget forskellig afhængig af den aktuelle konfiguration og dine behov.

Ideen bag GPS systemet er simpel, men den har uendelige muligheder. De betydningsfulde bidrag GPS systemet har ydet til luftfart, skibsfart, militæret, overvågning og endelig fritid, har allerede sikret GPS systemet en plads mellem nogle af de mest revolutionerende opfindelser nogensinde.

Artiklen er frit oversat til dansk fra:

How GPS Receivers Work

by Marshall Brain & Tom Harris

< Tilbage til start >