Mikä on GPS
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.
Historia
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.
Toimintaperiaate
Navstar-GPS-järjestelmä koostuu kolmesta segmentistä: avaruus, kontrolliverkko ja
käyttäjäosa. Avaruussegmentin muodostavat satelliitit. Vuoden 2007 huhtikuussa satelliitteja oli yhteensä 30, jotka ovat
yli 20 000 km:n
korkeudessa. Kontrolliverkossa tarkkaillaan satelliittien tilaa, ratoja ja toimintoja.
Päävalvontakeskus on Yhdysvalloissa, Colorado Springissä. Päävalvontakeskuksen lisäksi
päiväntasaajan tuntumassa on neljä tarkkailuasemaa. Käyttäjäosan muodostavat
miljoonat GPS-vastaanottimet.
GPS-paikannus perustuu siihen, että satelliitit lähettävät atomikellon ajan ja navigaatiosignaalin, jonka GPS-laite
vastaanottaa. GPS-laite vastaanottaa samanaikaisesti useasta satelliitista signaalia.
Satelliitteja tulee olla vähintään neljä, joista kolmea tarvitaan paikkaratkaisussa
ja neljäs toimittaa tarkan ajan käyttäjän päätelaitteeseen, jossa luonnollisesti
ei ole atomikelloa. Näistä radiosignaaleista se laskee joko pseudoetäisyyttä – käyttämällä
satelliittisignaalin päälle moduloituja pseudosatunnaiskoodeja (PRN) – tai kantoaallon
vaihetta. Pseudoetäisyyden ratkaisu perustuu olennaisesti signaalin kulkuajan mittaukseen.
Paikkaratkaisu pystytään tekemään C/A-koodista (coarse acquisition) eli salaamattomasta
koodista. Toisella radiotaajuudella lähettettävä P-koodi eli salattu koodi tuottaa
tarkemman paikkaratkaisun. Molempia - kantoaalto ja koodi - voidaan käyttää paikannukseen,
jälkimmäisiä tosin vain monimutkaisissa geodeettisissa GPS-tarkkuusvastaanottimissa.
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
- Δt on satelliitin kellovirhe; pieni, tiedetty,
satelliittien lähettämä
- ΔT on vastaanottimen kellovirhe, tuntematon
kuten sen koordinaatitkin.
X, Y, Z ja ΔT 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
halpa kvartsikello, joka on tarkka vain lyhyellä aikavälillä eikä sen aikatietoa
voi käyttää navigaatioratkaisussa.
Pseudoetäisyyden ja todellisen etäisyyden käyttäjän ja satelliittien välillä eli
käyttäjän paikan virhe riippuu marginaalisesti kellovirheestä, mutta ilmakehä (sekä
troposfäärin vesihöyryn tuntematon jakauma että ionosfäärin elektronien määrä, joka
riippuu mm. Auringon aktiivisuudesta) on pysyvä epätarkkuuden lähde. Se tuottaa
muutaman metrin virheen paikkaan. Tätä pyritään korjaamaan mm. Klobucharin algoritmilla.
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.
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.
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 paikkeilla, 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.
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.
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.
GPS:n merkityksestä
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.
Nykyään Venäjä ylläpitää tätä järjestelmää. Kolmanneksi Eurooppa on julistautunut
globaaliksi toimijaksi ja on rakentamassa satelliittipohjaista globaalia suunnistusjärjestelmäänsä,
Galileo-GPS:ää. Myöhemmin
Kiinakin aikoi rakentaa omaa järjestelmäänsä.
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.
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.
GPS:n siviilimerkityksestä
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.
Geotrim ylläpitää Suomessa VRS-korjaussingaalia jonka ansiosta GPS.laitteen tarkkuus
on noin 15mm. luokkaa sivusuunnassa ja noin 25mm. korkeussuunnassa. Singaalia on
saatavana Oulun korkeudelle saakka.
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.
GPS:n häirintä
GPS:n merkityksen kasvaessa sen häirinnästä ja harhauttamisesta tulee osa sodankäyntiä.
Irakin sodassa 2003 yhdysvaltalaiset väittivät irakilaisten käytössä olevan Aviakonversijan
(ven.
"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.
GPS-ohjatut laitteet eivät tarvitse tutkaa, minkä vuoksi niiden hinta on murto-osa
tutkalla varustettujen täsmäaseiden hinnasta.