Människan har alltid ogillat att åka vilse. Efter tillhyggen och jordbruksredskap hör navigationsprylar till de äldsta uppfinningarna. Efter flera tusen år på tronen får kompassen konkurrens som det viktigaste hjälpmedlet för att hitta rätt. Visst har det funnits sextanter, gyrosystem och radiofyrar under årens lopp, men gps är det första alternativet till kompassen som vem som helst kan hantera och ha råd med.
Idén till satellitpositionering föddes under rymdkapplöpningen på 1950-talet när man upptäckte att det gick att räkna ut var satelliter befann sig med hjälp av dopplereffekten genom att mäta frekvensen på deras radiosignaler. USA testade satellitnavigation redan på 1960-talet, men det de första radionavigationssystemen som fungerade över hela världen använde sändare på marken. Det fanns flera olika nätverk av radiofyrar, till exempel Decca, Omega och Loran, men flera system har lagts ned under de senaste tio åren och de system som finns kvar har få användare.
Den första gps-satelliten sköts upp 1978. Från början var Navstar GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System, som systemet egentligen heter, ett helt militärt projekt. En uppmärksammad olycka 1983, där sovjetiskt flyg sköt ned en Boeing 747 från Sydkorea med mer än 250 personer ombord ändrade på det. Passagerarplanet hade navigerat fel och för att undvika liknande tragedier i framtiden utlovade Ronald Reagan att även civila användare skulle få tillgång till gps. Mer än tio år och åtskilliga satellituppskjutningar senare var gps i skarp drift. Sedan de första testerna har 58 gps-satelliter skickats upp. Den senaste lyfte från Cape Canaveral med en Delta2-raket den 17 november förra året och nästa är planerad till i höst.
Så fungerar gps
För att ge täckning över hela jordklotet behövs 24 gps-satelliter, men nyligen har antalet satelliter som sänder utökats till 30 för att ge bättre noggrannhet. Det finns också alltid några extra satelliter i omloppsbana som kan ta över vid behov. För att kunna beräkna positionen behöver gps-mottagaren veta var satelliterna befinner sig i förhållande till olika platser på jorden och hur långt avstånd det är mellan mottagaren och satelliterna. Det klaras av genom att satelliterna skickar ut två olika meddelanden - en kod som används för att beräkna avståndet och ett navigationsmeddelande som innehåller information om satellitens bana. Avståndssignalen kallas C/A-kod (Coarse / Acquisition) och består av ett långt tal som skickas ut i digitalt format 1000 gånger per sekund. Varje satellit har ett unikt tal och talen är utvalda så att mottagaren lätt ska kunna skilja dem åt trots att satelliterna sänder på samma frekvens. Navigationsmeddelandet sänds ut med väldigt låg hastighet - 50 bit/s - och hela meddelandet tar 12 minuter och 30 sekunder att ladda ned. Navigationsmeddelandet uppdaterar gps-mottagarens minne med den så kallade almanackan - information om satelliternas bana och kondition, tid och datum.
Gps-mottagaren kan mäta avståndet till varje satellit eftersom signalen, trots att den färdas med ljusets hastighet, behöver en mätbar tid på sig för att nå ned till jorden. Ombord på varje satellit finns tre rubidium-klockor - en sorts atomur som är billigare än de cesium-klockor som användes i de äldsta gps-satelliterna, men ger tillräcklig precision under satelliternas livslängd. Atomuret styr satellitens sändningar så att avståndssignalen skickas ut vid exakt rätt tidpunkter. Samtidigt skapar mottagaren en egen kopia av avståndssignalen med hjälp av almanackan och den inbyggda kvarts-klockan. Gps-mottagarens klocka är inte lika exakt som atomuren ombord på satelliterna, men eftersom den hela tiden justeras från rymden så blir tidsförskjutningen mellan avståndssignalen från satelliten och gps-mottagarens egen referens ett mycket exakt mått på tiden det tar för signalen att färdas till jorden. Mottagaren känner till tiden och vet hur snabbt radiovågorna färdas - med andra ord är det också möjligt att räkna ut avståndet.
Signalen från en satellit räcker inte för att räkna ut positionen. Satellitpositionen från almanackan och det beräknade avståndet gör att mottagaren vet att den befinner sig någonstans på ytan av ett virtuellt klot med satelliten som mittpunkt. Genom räkna ut sådana klot från minst tre satelliter hittar mottagaren en skärningspunkt - med tre signaler så finns det bara en punkt på jordens yta som har rätt avstånd till de tre satelliterna. Det brukar kallas 2D-fix. Med data från en fjärde satellit går det att räkna ut positionen i tre dimensioner - 3D-fix - och man får även ett mått på höjden. Höjden som gps-mottagaren visar är inte höjden över havet utan höjden över WGS84-ellipsen - en förenklad modell av jordens form som ligger till grund för koordinatsystemet som gps använder. Ibland ligger havsytan under ellipsen, ibland över - det kan skilja upp till 100 meter mellan höjden som gps-mottagaren rapporterar och havsnivån.
Från siffror till kartor
Själva kärnan i gps-mottagaren räknar ut positionen - för att få ut mer information behövs smart programvara. För att gps-företag, till exempel Sirf Technology, ska kunna koncentrera sig på att göra bättre och känsligare mottagare och navigatorutvecklare som Garmin och Wayfinder hålla sig till gränssnitt och finesser så behöver de olika delarna kunna kommunicera med varandra.
Standarden i gps-världen heter NMEA 0183. Det är ett textbaserat protokoll där gps-mottagaren skickar ut position, hastighet, signalkvalitet och andra värden på en serieport eller över en bluetooth-anslutning. NMEA gör det möjligt att hålla nere kostnaden för gps-mottagarna och enkelt använda positionsdata i olika prylar - till exempel för navigatorprogram i mobiler utan inbyggd gps eller för att kombinera position, ekolod och radarbild i en båt.
Träffsäkerheten
Vi är vana vid att få en väldigt exakt position från gps-mottagaren, men kvaliteten har inte alltid varit så bra. Gps-systemet har en "finess" som heter SA (Selective Availability). SA gör det möjligt för amerikanska myndigheter att sänka precisionen för civila gps-användare - antingen i ett mindre område eller över hela världen. Under 90-talet var SA inställt på att långsamt och slumpmässigt förskjuta gps-positionen med upp till 100 meter från den verkliga positionen. Om man lämnade en gps med loggfunktion påslagen i en stillastående bil eller båt så kunde man se hur positionen vandrade i mystiska mönster. Militären, som har tillgång till mottagare som inte påverkas av SA, tyckte att systemet var utmärkt, men andra gps-användare ansåg naturligtvis att SA var skräp. Efter påtryckningar från flyget bestämde sig Clinton-administrationen för att stänga av SA från och med våren 2000. Sedan dess kan alla gps-användare använda sig av en signal som inte är medvetet försämrad. Signalen påverkas fortfarande av störningar i atmosfären, variationer hos atomuren och andra felkällor som sammantaget gör att man kan räkna med att positionen som gps-mottagaren rapporterar ligger inom 15 meter från den verkliga.
För göra positioneringen ännu mer exakt har olika företag och myndigheter runt om i världen placerat ut stationära gps-mottagare på exakt utmätta platser. Från dessa mätstationer sänder man ut information om hur skillnaden mellan gps-positionen och den verkliga positionen ser ut. Tekniken kallas dgps där bokstaven d står för differentiell och var ett måste för många användare under SA-åren. Under 90-talet var det vanligast med dgps som en betaltjänst med speciella mottagare som tog emot korrektionsdata över vhf, rds eller internet. De marksända dgps-tjänsterna har på senare år tappat mycket mark till WAAS (Wide Area Augmentation System) och dess europeiska motsvarighet EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) som sänder dgps-information över stora ytor med hjälp av satelliter. De flesta gps-mottagare som säljs idag har stöd för WAAS/EGNOS och kan ge så bra noggrannhet som 1-2 meter.
Konkurrenterna
Gps är billigt att använda för oss - de amerikanska skattebetalarna får ta notan på de närmare 4 miljarder kronor per år som systemet kostar i drift. Samtidigt innebär det att om politikerna skulle bestämma sig för att slå på SA-störningen igen eller stänga av systemet i delar av världen så tvingas vi att helt enkelt acceptera läget. För att inte användare i Europa ska bli utan positioneringstjänster i en sådan situation har EU dragit igång Galileo-projektet. Tidigast 2012 beräknas Galileo vara i drift med sina 30 satelliter, men det finns fortfarande många frågetecken kring finansieringen och den politiska viljan hos projektets medlemsländer.
Galileo-projektet är inte ensamt om ambitionen att utmana gps. Sovjetunionen utvecklade ett eget system, Glonass (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), men de 43 satelliterna som sköts upp mellan 1982 och 1991 lämnades vind för våg under 1990-talet. I början av 2000-talet var det bara några få av satelliterna som fortfarande fungerade, men Ryssland bestämde sig för att rusta upp systemet fram till år 2009. Glonass är ett militärt system precis som gps, men president Putin meddelade i maj 2007 att hela världen ska få använda Glonass utan kostnad.
Även Indien och Kina har planer på att starta upp satellitpositioneringstjänster. Kinas system Beidou har än så länge begränsad täckning med sina fyra satelliter, men det är inte omöjligt att även det kinesiska systemet får global täckning i framtiden. Två nya satelliter för en tjänst med arbetsnamnet Compass sköts upp i våras och fullföljer man planerna kommer Kina att ha 35 navigationssatelliter i bana inom några år. Indien har fört samtal med både EU och Ryssland om samarbete på positioneringsområdet, men planerar samtidigt ett eget, lokalt system. IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) är kommer att bestå av sju satelliter och väntas bli färdigt inom cirka sju år.
Framtiden för gps
Även om alla de nya systemen fullbordas så har gps monopol i ytterligare några år, men vad händer sedan? Kommer användarna att överge gps till förmån för nykomlingar med modernare teknik?
USA satsar stort på att uppgradera gps under de närmaste fem åren. Projektet kallas GPSIII och innebär fler satelliter, högre sändareffekt och fler frekvenser. Den viktigaste nyheten för oss vanliga användare är den nya, civila signalen som kallas L2C. Genom nya mottagare med "dual-band" som jämför C/A- och L2C-signalerna går det att filtrera bort mycket av de atmosfäriska störningarna och få bättre noggrannhet än idag.
Rymdstyrelser över hela världen är med andra ord fullt sysselsatta med att skjuta upp nya positioneringssatelliter. Förhoppningsvis gör konkurrensen att vi får fler och bättre navigatorer att välja mellan i framtiden.
Läs mer
Satellitsystems officiella sajter
www.glonass-ianc.rsa.ru www.glonass-ianc.rsa... - Glonass
www.gps.gov www.gps.gov>... - gps
ec.europa.eu/dgs/ene... - Galileo
