GPS

Wikipedia

GPS eli Global Positioning System on Yhdysvaltojen puolustusministeriön kehittämä ja rahoittama satelliittipaikannusjärjestelmä, viralliselta nimeltään Navstar GPS. Se on nykyään yleisimmin käytetty GNSS-järjestelmä (Global Navigation Satellite System), itse asiassa tällä hetkellä ainoa täysin toimiva sellainen. Navstar-GPS:n kehitystyö aloitettiin 1970-luvun puolivälissä ja tarkoituksena oli luoda sekä sotilas- että siviilikäyttöön tarkka, reaaliaikainen ja yksisuuntainen paikannusmenetelmä.

[muokkaa] Historia

Navstar-2 satelliitti

Satelliitin radiosignaalin käyttö navigoinnissa syntyi Johns Hopkinsin yliopistossa, kun Sputnik-1:n signaalia mitattiin satelliitin lentäessä Yhdysvaltojen yli lokakuussa 1957. Yhdysvaltain laivaston ydinsukellusveneiden paikantamista varten kehitettiin 1960-luvun puolivälissä Transit- ja myöhemmin Timation-navigaatiosatelliittijärjestelmät.

Ensimmäinen navigointikäyttöön tarkoitettu NAVSTAR-satelliitti (Block I) laukaistiin vuonna 1978. Viimeinen ensimmäisen sukupolven Block I -satelliitti laukaistiin lokakuussa 1985. Viimeisin Block I -satelliitti poistettiin käytöstä marraskuussa 1995. Nykyisin käytössä olevat satelliitit ovat toisen sukupolven Block II, Block IIA ja Block IIR -tyyppisiä. 27. huhtikuuta 1995 paikannusjärjestelmä oli täydessä toimintakunnossa (FOC, Full Operational Capability). Toimintakuntoiseen järjestelmään kuuluu vähintään 24 satelliittia, joista yhtä aikaa voi olla näkyvissä 12.

Vuonna 1984 Ronald Reagan vapautti Navstar-GPS:n siviilikäyttöön, ennen tätä järjestelmä oli vain Yhdysvaltojen puolustusministeriön käytössä.

[muokkaa] Toimintaperiaate

Navstar-GPS-järjestelmä koostuu kolmesta segmentistä: avaruus, kontrolliverkko ja käyttäjäosa. Avaruussegmentin muodostavat satelliitit. Vuoden 2004 maaliskuussa satelliitteja oli yhteensä 29, jotka ovat yli 20 000 km:n korkeudessa. Kontrolliverkossa tarkkaillaan satelliittien tilaa, ratoja ja toimintoja. Päävalvontakeskus on Yhdysvalloissa, Coloradossa. Päävalvontakeskuksen lisäksi päiväntasaajan tuntumassa on neljä tarkkailuasemaa. Käyttäjäosan muodostavat miljoonat GPS-vastaanottimet.

GPS-paikannus perustuu siihen, että satelliitit lähettävät atomikellon ajan ja sijaintitiedon, jonka GPS-laite vastaanottaa. GPS-laite vastaanottaa samanaikaisesti useasta satelliitista signaalia. Näistä radiosignaaleista se laskee joko pseudoetäisyyttä – käyttämällä satelliittisignaalin päälle moduloituja pseudosatunnaiskoodeja (PRN) – tai kantoaallon vaihetta. Molempia voidaan käyttää paikannukseen, jälkimmäisiä tosin vain monimutkaisissa geodeettisissa GPS-tarkkuusvastaanottimissa. Näistä mittaussuureista GPS-laite laskee sijaintinsa.

Paikannus perustuu pseudoetäisyyden mittaukseen:

$p = \sqrt{(x-X)^2+(y-Y)^2+(z-Z)^2} +c(\Delta t -\Delta T),$

jossa

$X, Y, Z$ on vastaanottimen paikka kolmiulotteisessa avaruudessa
$x, y, z$ on satelliitin paikka avaruudessa, lasketaan satelliittien myös lähettämistä ratatiedoista eli efemeriideista
$Δ t$ on satelliitin kellovirhe; pieni, tiedetty, satelliittien lähettämä
$Δ T$ on vastaanottimen kellovirhe, tuntematon kuten sen koordinaatitkin.

$X$ , $Y$ , $Z$ ja $Δ T$ ovat tuntemattomia muuttujia jotka voidaan ratkaista neljän sopivissa paikoissa olevan satelliitin avulla.

Lauseketta kutsutaan pseudoetäisyydeksi koska siinä on tuntemattomia kellovirheitä. Satelliittikello on erittäin tarkka atomikello. Vastaanottimen kello on yleensä edullinen kvartsikello joka on tarkka vain lyhyellä aikavälillä.

GPS-paikannusta voidaan kutsua hyperboliseksi paikannusmenetelmäksi koska se perustuu etäisyyserojen eikä etäisyyksien käyttöön. Laskemalla alkuperäisistä havainnoista erotussuureet kahden satelliitin tai kahden mittauspaikan välillä saadaan kellotuntemattomat eliminoiduiksi. Vrt. Decca-järjestelmä.

Vaikka satelliittien minimimäärä on neljä, päästään sitä tarkempaan lopputulokseen mitä useamman satelliitin avulla laskutoimitukset tehdään. Mitä enemmän mittauksessa käytettävät satelliitit ovat erillään toisistaan sitä tarkempi lopputulos saadaan. Paikannus onnistuu myös kolmen satelliitin avulla, kun oletetaan, että vastaanotin on maan pinnalla.

[muokkaa] Paikannustarkkuus

Navstar-GPS:n tarkkuus on siviilikäytössä vaakasuunnassa muutama metri. Korkeussuunnassa tarkkuus on n. 2–3 kertaa heikompi. 1. toukokuuta 2000 asti Yhdysvaltojen puolustusministeriö heikensi tahallisesti satelliittien siviilikäyttäjiin lähettämät rataelementit ja kellon käyntitiedot (Selective Availability, SA), jota ennen siviilikäyttöön suunnattujen GPS-laitteiden tarkkuus oli vaakasuunnassa 100 metriä ja korkeussuunnassa 156 metriä. Paikannusvirhettä tuovat satelliittien rata- ja kellovirhe, ilmakehä, monitieheijastuminen, satelliittigeometria, paikantimen virheet, tahallinen häirintä ja käyttäjän virheet.

[muokkaa] Differentiaalinen GPS

Differentaalinen GPS on kehitetty SA-häirinnän aiheuttaman vahingon korjaamiseksi muun muassa merenkulkijoiden toimesta. Kun SA-häirintä (jota ei enää ole) oli päällä, paikannustarkkuus oli 100 metrin kieppeillä, mikä ei taannut järin turvallista merenkulkua. Sumuinen sää ja kapea väylä olisivat voineet olla tuhoisa yhdistelmä. Uusi tukiasema, nk. referenssiasema, jonka sijainti oli tarkkaan tiedossa, laski SA-häirinnän aiheuttaman virheen kuuntelemalla satelliittien lähettämää dataa sekä vertaamalla sitä omaan tarkkaan paikkaansa. Näin saatiin laskettua virheen suuruus. Asemia jouduttiin kuitenkin perustamaan useita, sillä virheen suuruus vaihtelee eri paikoissa maapalloa. Esimerkiksi Itämeren alueella liikuttaessa on käytettävä muutamaa eri referenssiasemaa riippuen paikasta. Tämä taas saatta joissain tilanteissa, jolloin kaksi tukiasemaa on kantoetäisyydellä, vastaanotin ei välttämättä tiedä kumpaa lähetystä tulisi kuunnella, tällöin saattaa signaali jäädä kokonaan saamatta, ja DGPS vastaanotin ilmoittaa, että paikka ei ole saatavilla. Itämerellä tällainen paikka on noin Gotlannin pohjoiskärjen kohdalla.

Järjestelmän hyviin puoliin lukeutuu korjaustiedon lähetys radioteitse paikallisesti, vaikkakin usein maksullisesti, koska DGPS-tukiasemia ylläpitävät kolmannet osapuolet. Valtakunnallisten radioasemien RDS-kanavalta voi kuunnella korjaustietoa Digita Oy:n Fokus-palvelusta, jolloin paikannuksessa päästään parin metrin tarkkuuteen. Merenkulkulaitokselta palvelun saa ilmaiseksi rannikkoalueiden vesillä liikkuessaan. Vaikka SA-häirintä onkin poistettu, auttaa DGPS-järjestelmä ilmakehän aiheuttamien häiriöiden korjaamisessa.

DGPS:n ja GPS:n ohella on olemassa vielä yksi, entistäkin tarkempi tapa paikantaa: relatiivinen GPS. Se perustuu vähintään kahteen samanaikaisesti mittaavaan laitteeseen, joilla koordinaattierot pisteiden välillä määritellään. Maanmittauksessa relatiivinen GPS on hyödyllinen menetelmä.

[muokkaa] GPS-signaali

GPS-satelliitit lähettävät kantoaallon päälle moduloituna ns. näennäissatunnaista signaalia (PRN, Pseudo Random Noise). Signaali ei läpäise kiinteitä rakenteita, joten paikantimen käyttö vaatii suoran "näköyhteyden taivaalle". GPS toimii kahdella päätaajuudella (L1 ja L2):

L1 (1575,4200 MHz) siviilikäytössä
L2 (1227,6000 MHz) sotilaskäytössä salattuna 2003 lähtien
L3 (1381,0500 MHz) sotilaskäytössä globaali ydinräjähdyshälytys (NUDET – Nuclear Detonation)
(L4 (1841,4000 MHz) kokeellinen, ei käytössä)
L5 (1176,4500 MHz) siviilikäyttöön (ehdotus, saatavilla 2005)
(2227,5000 MHz) avaruusalusten telemetriaan (ei arviota saatavuudesta)

Eri taajuudet kantavat seuraavia modulaatioita:

C/A (Coarse/Acquisition) -koodi, joka on jokaiselle satelliitille yksilöllinen. C/A-koodi lähetetään L1-taajuudella. Se on pseudosatunnaisten bittien virta, yksi bitti mikrosekunnissa; kokonaispituus 1024 bittiä eli millisekunti.
P(Y)-koodi, joka lähetetään salattuna molemmilla taajuuksilla. P(Y)-koodi on tarkoitettu sotilaalliseen käyttöön, ja sen purkuun tarvittavat avaimet ovat USA:n hallinnon kontrolloimia. Tämän koodin bittitaajuus on 10 bittiä mikrosekunnissa ja sen toistojakso yksi viikko.
Tieto-osa, joka sisältää satelliittien rata- ja kellotiedot ("efemeriidit") sekä satelliittien terveystilatiedot. Jokainen satelliitti lähettää kaikkien muidenkin satelliittien tiedot.

Nimityksiä L3, L4 ja L5 käytetään myös geodeettisessa GPS-teoriassa, jossa ne ovat ns. ionosfäärivapaa, geometriavapaa ja wide lane –taajuus. Toista käytetään ionosfääritutkimuksessa, ensimmäistä geodeettisessa paikannuksessa. Kaikki kolme ovat havaintojen käsittelyssä muodostettuja kahden signaalin laskennallisia yhdistelmiä eivätkä satelliittien oikeasti lähettämiä signaaleja.

[muokkaa] GPS:n palvelut

GPS tarjoaa kahden tasoista palvelua: SPS (Standard Positioning Service) ja PPS (Precise Positioning Service). SPS on käytössä maailmanlaajuisesti kaikille ilman suoraa maksua. SPS käyttää L1-taajuutta ja tarjoaa n. 5–10 metrin paikannustarkkuuden. PPS on maailmanlaajuisesti käytössä USA:n valtuuttamille käyttäjille. PPS edellyttää paikantimen sotilaallista versiota, joka pystyy P(Y)-koodin purkamiseen. PPS käyttää molempia taajuuksia ja kykenee SPS:ä parempiin tarkkuuksiin.

[muokkaa] GPS:n merkityksestä

[muokkaa] GPS:n yleisestä merkityksestä

GPS-tyyppisten järjestelmien monopolia on verrattu ydinasemonopoliin. GPS:n merkityksestä kertoo ensiksi se, että USA:n globaalilla vastustajalla, Neuvostoliitolla, oli vastaava järjestelmä, GLONASS. Toiseksi Neuvostoliitton, (nykyään Venäjä ylläpitää) piti Glonassia yllä yhtenä viimeisistä satelliittijärjestelmistään. Kolmanneksi Eurooppa on julistautunut globaaliksi toimijaksi ja on rakentamassa satelliittipohjaista globaalia suunnistusjärjestelmäänsä, Galileo-GPS:ää. Galileon kehityksen melkein pysähdyttyä Kiinakin aikoi rakentaa omansa, mutta on nyttemmin tullut mukaan Galileoon.

GPS luo vastaanottimiensa kautta globaalia tietoa. Globaali tieto taas on globaalia valtaa (vrt. Francis Bacon: Tieto on valtaa). Käytännöllisemmin GPS:t antavat mahdollisuuden globaaliin liikkumiseen (erikoisjoukot, lentokoneet, kuljetukset jne.) ja vaikuttamiseen (GPS-pohjaiset aseet), siis globaaliin vaikuttamiseen. GPS poistaa merkittävän osan paikallistuntemuksen edusta liikkeen osana. GPS on siis oleellinen osa globaalien fyysisten toimijoiden välineistöä.

[muokkaa] GPS:n sotilaallisesta merkityksestä

Persianlahden sodassa 1991 Navstar-GPS-laitteet olivat vielä harvinaisia. Niillä oli merkittävä osuus koko sodan voittamisessa siinä, että ne mahdollistivat koukkauksen lännen kautta, halki piirteettömän, tasaisen autiomaan, jossa irakilaisten kokemuksen mukaan ei pysty operoimaan suurilla joukoilla. Harvat GPS-laitteet mahdollistivat suurten joukkojen koordinoinnin piirteettömällä ja tasaisella aavikolla. GPS auttoi koordinoimaan panssarijoukkoja ja polttoainehuoltokolonnia.

GPS-vastaanotin kalliin risteilyohjuksen tutkaa halvempana suunnistusjärjestelmänä yksinkertaisti ja halvensi oleellisesti niiden maalin määrittämistä. GPS-vastaanotin poistaa sään haitallisen vaikutuksen ohjuksen tai muun ohjattavan ammuksen suunnistuksesta. Sää oli merkittävä rajoittava tekijä vielä Persianlahden sodassa 1991, mutta sen jälkeen GPS:n käyttöön perustuvilla aseilla alkoi olla merkitystä Kosovon sodassa 1999 ja Afganistanissa 2001.

Irakin sodassa 2003 GPS sai taktisen sovelluksen aseissa. JDAM-liitopommijärjestelmä mahdollisti GPS:ään perustuvan ja säästä riippumattoman taktisen massavaikutuksen. JDAM maksaa alle 20 000 dollaria, mikä ei ole paljon verrattuna aikaisempiin ratkaisuhin.

[muokkaa] GPS:n siviilimerkityksestä

Geokätkennässä käytettyjä GPS-vastaanottimia ryhmäkuvassa

GPS-järjestelmää käytetään laajasti geodesiassa ja geoinformatiikassa. Geodeettisissa perusverkkojen mittauksissa ns. staattinen GPS on nykyisin standardimenetelmä, ja myös kartoitus- eli detaljimittauksissa käytetään ns. kinemaattista GPS:ää (RTK, Real Time Kinematic).

Geodeettisessa käytössä mitataan yleensä pseudosatunnaiskoodien (PRN) sijasta (tai niiden lisäksi) kantoaaltojen vaihekulmat, jolloin saavutettava tarkkuus on senttimetrien luokkaa metrien sijasta. Ei-reaaliaikaisessa käytössä voidaan lisäksi käyttää jälkilaskennan avulla generoituja rataelementtejä, jolloin tarkkuus kasvaa entisestään.

GPS:n mukana on geodesiassa luotu ensimmäiset aidosti globaaliset, geosentriset vertausjärjestelmät, joiden ansiosta paikkatietojen vaihto kansainvälisestikin helpottuu. Järjestelmien maailmanlaajuinen tarkkuus liikkuu muutaman senttimetrin tasolla, jolloin voidaan jo seurata laattatektoniikkaa ja postglasiaalista maannousua.

Tämän lisäksi GPS tunkeutuu yhä enemmän päivittäiseen elämään. Saatavissa on jo matkapuhelimeen integroitu GPS-paikannus, ja monet taksit ja henkilöautot käyttävät paikkatietojärjestelmään integroitua GPS-paikannusjärjestelmää.

Navstar ja Galileo –GPS:ien siviilimarkkinoiden kasvuun vaikuttavat olennaisesti seuraavat tekijät:

Alueellisten täydennyspalveluiden, kuten WAAS:in (Wide Area Augmentation Network) ja EGNOS:n (European Geostationary Navigation Overlay Service) ynnä muiden tuki-infrastruktuuri
Galileon luoma varmuus siitä, ettei globaalisia paikannusjärjestelmiä voi enää kukaan yksin sulkea.

[muokkaa] GPS:n häirintä

GPS:n merkityksen kasvaessa sen häirinnästä ja harhauttamisesta tulee osa sodankäyntiä. Irakin sodassa 2003 yhdysvaltalaiset väittivät irakilaisten käytössä olevan Aviakonversijan (ven. ООО "Авиаконверсия") valmistamia venäläisiä GPS-häirintälähettimiä. Yhtiön johtaja Oleg Antonov kiisti asian AP:lle antamassaan haastattelussa. Laitteiden merkitystä kuvaa se, että yhdysvaltalaiset tuhosivat kuuden häirintäaseman laitteet, joista yhdet juuri häirittävän GPS:n avulla. ChipCenter.com:in asiantuntija Alex Mendelsohnin mukaan Aviakonversijan laitteet maksavat 40 000 dollaria ja kykenevät häiritsemään GPS:ää satojen kilometrien päähän. Aviakonversijan 1997 esittelemän GPS-häirintälaitteen ulostuloteho on neljä wattia, ja se kykenee torjumaan GPS-signaaleja 200 kilometrin päähän.

Erilaisia GPS-häirintälaitteita on ollut saatavilla maailmalla jo useita vuosia. GPS:n häirintä ja harhautus on väistettävissä muun muassa teknisillä vasta-aseilla, mutta ne lisäävät GPS-pohjaisten aseiden hintoja ja monimutkaistavat näiden aseiden käyttöä. Ensisijaisesti Irakissa kysymys oli 500 ja 1 000 naulan painoisten JDAM-ohjattujen pommien kyvystä ohjautua maaliinsa. Kalliimmat risteilyohjukset voivat hakeutua maaliinsa myös tutkan avulla.