GPS er teknologi som ligger lett i hånden, men tungt i hodet. Les deg til bunns og kom opp igjen! Vi gir deg GPS uten tårer, GPS med et smil og kanskje også GPS med et lite knis. (Bilde: Colourbox.no, montasje av forskning.no)
GPS er teknologi som ligger lett i hånden, men tungt i hodet. Les deg til bunns og kom opp igjen! Vi gir deg GPS uten tårer, GPS med et smil og kanskje også GPS med et lite knis. (Bilde: Colourbox.no, montasje av forskning.no)

Bakgrunn: Slik virker GPS

Enkel å bruke – vanskelig å forstå. Vi gjør det mye lettere – og litt morsomt.

Publisert

Skrevet med faglig hjelp fra Norsk Romsenter

Steinar Thomsen

Fagkonsulent for denne bakgrunnsartikkelen har vært Steinar Thomsen, seksjonssjef for satellittnavigasjon.

Tenk deg at du kunne sende deg selv og en smarttelefon tilbake til det pastellfargede åttitallet, til hockeysveisens tiår, da A-ha skinte som soler på TV.

Folk ville gapt av forundring over den lille rakkeren du dro opp av lomma. Så ville de skult beskjemmet ned på sine kilotunge monstre i bærebager.

Opprømt av suksessen og vel vitende om at du surfet på åttitallets stigende joggebølge ville du toppe deg selv ved å vise hvordan treningsappen plotter inn løpetidene.

Men det ville blitt en nedtur. Ditt alter ego på GPS-kartet – den lille røde blippen – ville aldri dukket opp.

Hva ville vært feil? En liten detalj hadde manglet – nærmere bestemt en sverm av satellitter over deg og din svinnende skare av beundrere.

GPS-satellitt på jobb, avbildet i sitt naturlige miljø, 20 180 kilometer over jorda. De andre 30 satellittene er ikke synlige i bildet. De er for langt unna. Men de er der. Ett sted ute i ensomheten, fordelt på seks forskjellige baner, i trygg avstand fra hverandre. (Foto: (Illustrasjon: NASA))
GPS-satellitt på jobb, avbildet i sitt naturlige miljø, 20 180 kilometer over jorda. De andre 30 satellittene er ikke synlige i bildet. De er for langt unna. Men de er der. Ett sted ute i ensomheten, fordelt på seks forskjellige baner, i trygg avstand fra hverandre. (Foto: (Illustrasjon: NASA))

Radio fra rommet

I dag hjelper over tretti GPS-satellitter oss å holde rede på hvor vi er, fra sine baner høyt over hodene våre.

Men hvordan virker GPS-systemet? Den forklaringen går dessverre også over hodet på de fleste av oss. Her er en forklaring som selv jeg kan forstå – og sikkert også du.

GPS-satellitten er egentlig en radiosender. Radiobølger ligner lysbølger, bare at radiobølgene er mye lengre. De går også med lysets hastighet – 300 000 kilometer i sekundet.

Tid er avstand

Radiosenderen på GPS-satellitten sender ut et signal. La oss si at klokka er ti. Signalet sier: «Nå er klokka ti, og jeg er akkurat HER.»

Så tar du imot dette signalet med GPS-mottakeren. Da er klokka di ett tolvdels sekund over ti. Aha – radiosignalet har brukt ett tolvdels sekund fra satellitten til deg.

Radiosignaler går med lysets fart, 300 000 kilometer i sekundet. En tolvdel av dette blir 25 000 kilometer. Det er avstanden mellom deg og satellitten.

Radiosignalene fra GPS-satellitten sier hvor mye klokka er, og hvor satellitten er. Så sprer radiosignalet seg utover med lysets hastighet – 300 000 kilometer i sekundet. Etter 1/12 sekund har det spredd seg som en kuleflate 25 000 kilometer i alle retninger. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Radiosignalene fra GPS-satellitten sier hvor mye klokka er, og hvor satellitten er. Så sprer radiosignalet seg utover med lysets hastighet – 300 000 kilometer i sekundet. Etter 1/12 sekund har det spredd seg som en kuleflate 25 000 kilometer i alle retninger. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Ikke nok med en

Men hva slags nytte har du av å vite at den stakkars satellitten svirrer rundt et bestemt sted der oppe, 25 000 kilometer unna deg? Det forteller deg ingenting om hvor du er.

Tenk deg at du ser det fra satellittens synsvinkel. Alle de stedene der du kan være, er som en diger kule med satellitten i sentrum og deg på kuleflaten, 25 000 kilometer unna. Det er til liten hjelp.

Konstruktørene av GPS-systemet hadde heldigvis sine lyse øyeblikk. De innså, med et resignert men tappert sukk, at det ikke holdt å sende opp en enslig GPS-satellitt. De måtte ha to.

Ikke nok med to

Hver satellitt har sin mulighetskule for hvor i all verden du kan være. Med to satellitter får du to mulighetskuler. Du må være på begge kulene.

Det skjer bare der kulene skjærer hverandre. De skjærer hverandre i en sirkel.

Aha – nå vet vi hvor du er. Du er på denne sirkelen et sted. Men sirkelen er mange tusen kilometer stor. Fornøyd? Nei.

Tilbake til tegnebrettet, kjære GPS-konstruktører. Eller kanskje heller til oppskytningsrampen.

To GPS-satellitter lager hver sin kule for mulige posisjoner – det vi kaller mulighetskuler. De to kulene skjærer hverandre i en sirkel. Men sirkelen har uendelig mange punkter, den også. Hvilket punkt er du på? To satellitter kan heller ikke gi svar. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
To GPS-satellitter lager hver sin kule for mulige posisjoner – det vi kaller mulighetskuler. De to kulene skjærer hverandre i en sirkel. Men sirkelen har uendelig mange punkter, den også. Hvilket punkt er du på? To satellitter kan heller ikke gi svar. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Bergen eller stratosfæren?

Med tre GPS-satellitter og tre kuleflater begynner det nemlig å hjelpe. For hvor er det de tre flatene skjærer hverandre? Bare i to punkter.

Hva? Du kan da ikke være to steder på en gang? Nei, men her kan GPS-mottakeren din bruke litt sunn fornuft.

La oss si at det ene punktet ligger i Bergen, mens det andre punktet befinner seg et sted oppe i stratosfæren eller 13 kilometer nede i lavaen under Stillehavsryggen.

Hvor er det mest sannsynlig at du oppholder deg? Hvis du nøler med svaret, er du i alle fall ikke bergenser.

Ikke nok med tre

Vel – så vet vi nok til å kunne sette den lille røde blippen på GPS-kartet. Det er bare en hake.

Hvis du skal måle avstandene nøyaktig nok, må du måle tida veldig nøyaktig. Klokka på GPS-mobilen din må følge klokka på satellitten helt nøyaktig.

Nå vet jeg at din mobil er helt uovertruffent god og langt bedre enn min, uansett hvilket merke vi snakker om, men – beklager. Klokka holder ikke mål.

Mulighetskulen til den tredje satellitten treffer skjæringssirkelen fra de to første i to punkt. Bare ett av dem ligger som regel nær jordas overflate, der du er. Slik kan ett av punktene velges ut.  (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Mulighetskulen til den tredje satellitten treffer skjæringssirkelen fra de to første i to punkt. Bare ett av dem ligger som regel nær jordas overflate, der du er. Slik kan ett av punktene velges ut. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Tilbake til oppskytningsrampen. Enda en satellitt freser til værs. Hvordan kan den fjerde satellitten redde dagen – og tidtakinga?

Krympede kuler

Det er litt vanskeligere å forstå. Her er et skudd i mørket. Håper det treffer blink!

Den fjerde satellitten har også sin mulighetskule. Hvis klokka på din superdupermobil gikk helt perfekt, ville denne fjerde kuleflaten treffe ett av de to punktene.

Det ville bli helt klart at du ikke befant deg i stratosfæren eller lavasuppa, men i Bergen.

Men siden klokka ikke går helt likt med satellittklokkene, er alle de fire kulene målt litt feil. Hvis klokka di ligger litt bak riktig GPS-tid, har du målt litt for korte tider fra satellittene til deg. Alle avstandene blir litt for små. Kulene har blitt litt for små.

Kuler som bommer

Hvis klokka di ligger litt foran riktig GPS-tid, har du målt litt for lang tid. Alle avstandene har blitt litt for store. Kulene har blitt litt for store.

Uansett om klokka di går foran eller bak riktig GPS-tid – den fjerde kuleflaten treffer ikke ett av de to skjæringspunktene akkurat. Det er en liten avstand mellom kuleflata og det nærmeste skjæringspunktet.


Denne lille animasjonen forklarer hvordan den fjerde satellitten hjelper til med å stille klokka riktig på GPS-mottakeren i mobilen. (Animasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Kuler som treffer

Nå må vi prøve oss fram. Vi justerer klokka på mobilen din litt bakover. Da vil alle kuleflatene krympe litt.

Hvordan går det nå? Begynner den fjerde kuleflata å nærme seg det nærmeste av de to punktene? Nei, den glir bare lenger og lenger unna. Feil retning. Vi snur.

Nå justerer vi klokka på mobilen din litt framover. Da vil alle kuleflatene vokse litt.

Nå går det bedre. Den fjerde kuleflata begynner å nærme seg ett av punktene. Hurra – vi er på rett vei!

Vi fortsetter å justere klokka til den fjerde kuleflaten akkurat treffer ett av punktene. Hurra! Klokka viser riktig GPS-tid, og du er i Bergen!

Feil si’e ta jorda

Fire satellitter er altså nok til at GPS virker. Betyr det at alle de flittige folkene i GPS-satellittfabrikken kan settes på porten? Nei.

Satellitter har nemlig en stygg uvane. De går rundt jorda. Og de skjems ikke for å forsvinne rundt på baksiden av kloden. Baksiden, det er jo selvfølgelig alltid den siden hvor du ikke er.

Altså mister du kontakten med en eller flere satellitter. Du trenger flere. Du trenger så mange at du alltid har fri sikt til minst fire – helst enda fler, for de har det med å gjemme seg bak fjell og bygninger.

Her ser du GPS-banene, alle seks av dem. Men hvorfor i all verden er det to bilder? Jo, hvis du i likhet med artikkelforfatteren har øvd på å la venstre øye se venstre bilde og høyre øye se høyre bilde, så vil banene tre fram i stereoskopisk dybdeprakt. Tips: Gli inn i en trancelignende avslapning der du ser innover mot noe uendelig fjernt, slik at bildet blir dobbelt – og så møtes igjen på midten. Lykke til! (Foto: (Illustrasjon: Wikimedia Commons))
Her ser du GPS-banene, alle seks av dem. Men hvorfor i all verden er det to bilder? Jo, hvis du i likhet med artikkelforfatteren har øvd på å la venstre øye se venstre bilde og høyre øye se høyre bilde, så vil banene tre fram i stereoskopisk dybdeprakt. Tips: Gli inn i en trancelignende avslapning der du ser innover mot noe uendelig fjernt, slik at bildet blir dobbelt – og så møtes igjen på midten. Lykke til! (Foto: (Illustrasjon: Wikimedia Commons))

Kollisjonssikre

Derfor svirrer hele 31 GPS-satellitter rundt jorda 20 200 kilometer over bakken. Kollisjonsfaren er med andre ord overhengende.

Nei, det er den faktisk ikke. GPS-satellittene er fordelt på seks ulike baner. Alt er gjort for at de aldri skal havne på samme sted til samme tid. Det hadde vært særs lite nyttig.

Det perfekte sammentreffet hadde riktignok blitt et spektakulært fyrverkeri, men selv om blikkboksene hadde sneiet hverandre med en hårsbredd og katastrofen ble unngått, er to GPS-satellitter som står nær hverandre til liten nytte. Hvorfor?

Det viktige poenget er at satellittene er på forskjellige steder. Tenk på alle de overlappende kulene!

Men hva om vi går til ekstremer og setter alle satellittene oppå hverandre? Da oppfører de seg som en satellitt. Null effekt av flere. Hvis satellittene er nær hverandre, går det nesten like ille. Nøyaktigheten lider.

Derfor er det best for satellittene å lystre sersjantens iltre brøl: Spredning så i terrenget!

Ground control to major TomTom

Og GPS har faktisk militære aner. Systemet ble opprinnelig laget for at fartøyer skulle vite hvor de var, og for at raketter skulle finne veien til målet. Fortsatt bruker amerikanske soldater GPS i høyteknologisk krigføring.

Det er fortsatt det amerikanske luftvåpenet som følger satellittene i deres baner fra stasjoner rundt om på kloden.

Hvert annen time – noen ganger oftere – sender de radiosignaler opp til satellittene som forteller dem akkurat hvor de er og hva klokka er – ned til nesten et nanosekund.

Nayibe Ramos er en av flere i USAs luftforsvar som overvåker og oppdaterer GPS-systemet. Bildet er fra 2005, og er tatt i 2d Space Operations Squadron ved Schriever Air Force Base i Colorado. (Foto: Mike Meares, USAF)
Nayibe Ramos er en av flere i USAs luftforsvar som overvåker og oppdaterer GPS-systemet. Bildet er fra 2005, og er tatt i 2d Space Operations Squadron ved Schriever Air Force Base i Colorado. (Foto: Mike Meares, USAF)

Solstormer

Tross all denne nøyaktigheten – feil forekommer. GPS-satellittene lyder Murphys lov: Hvis det er noe som ikke kan gå galt, så går det likevel galt.

Og det som går galt, er klokka. Hvis tidssignalet er ett milliondels sekund feil, betyr det 300 meter feil på bakken. Hvorfor blir tidssignalet feil?

Noen ganger har sola skylda. Stormer av hete gasser fra vår personlige stjerne virvler ned mot jorda og lager nordlys og skyer av elektroner som forstyrrer eller avbøyer og forsinker tidssignalene.

Slike forstyrrelser i atmosfæren kan kartlegges, men er foreløpig vanskelig å varsle. Norske forskere arbeider for å lage et slikt værvarsel for solstormer.

Høyt flyr de, og nyttige er de: Her ser du banene og farten til amerikanske GPS, russiske GLONASS, europeiske Galileo og det kinesiske COMPASS, også kjent som BeiDou. Dessuten er banene til den internasjonale romstasjonen (ISS), romteleskopet Hubble og Iridium-systemet for satellittelefoner tegnet inn. Den geostasjonære banen er lengre ute. Her går mest TV-satellitter med samme omløpstid som jorda. Det vil si at de tilsynelatende henger stille over samme punkt på himmelen og kan tas imot med antenner som er fast monterte. (Foto: (Figur: Cmglee, Geo Swan, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, oversatt og bearbeidet av forskning.no))
Høyt flyr de, og nyttige er de: Her ser du banene og farten til amerikanske GPS, russiske GLONASS, europeiske Galileo og det kinesiske COMPASS, også kjent som BeiDou. Dessuten er banene til den internasjonale romstasjonen (ISS), romteleskopet Hubble og Iridium-systemet for satellittelefoner tegnet inn. Den geostasjonære banen er lengre ute. Her går mest TV-satellitter med samme omløpstid som jorda. Det vil si at de tilsynelatende henger stille over samme punkt på himmelen og kan tas imot med antenner som er fast monterte. (Foto: (Figur: Cmglee, Geo Swan, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, oversatt og bearbeidet av forskning.no))

Rødmende satellitt

Andre ganger går klokka på satellitten feil. Eller satellitten tar feil av hvor den er.

Hvis en satellitt er helt ute å kjøre, kan det amerikanske luftvåpenet gi den status som rød. De tar den ut av det gode selskap helt til den har lært å oppføre seg igjen.

Hvordan kunne du, Albert?

Einstein må også ta sin del av skylda for feilene. Relativitetsteorien sier at både farten til satellittene og tyngdekraften fra jorda påvirker klokkene.

De går ørlite feil – rundt 38 milliondels sekund per dag. Det tilsvarer 10 kilometers feil i avstandsmålingen til satellitten.

Dette vet GPS-klokkemakerne. De har derfor satt opp farten på klokkene aldri så lite. Istedenfor å gå med en telletakt på 10,23 millioner svingninger i sekundet er telletakten 10,22999999543 svingninger i sekundet. Her er guttene som kan holde takten.

Nei, dette kunne du nok ikke forutsett, Albert: Den første GPS-satellitten kom i bane 73 år etter at du formulerte den første delen av din relativitetsteori. Men jammen ble det nødvendig for GPS å justere for de ørsmå tidsforskjellene du forutså. (Foto: National Library of Austria, bearbeidet og endret (tavla) av forskning.no.)
Nei, dette kunne du nok ikke forutsett, Albert: Den første GPS-satellitten kom i bane 73 år etter at du formulerte den første delen av din relativitetsteori. Men jammen ble det nødvendig for GPS å justere for de ørsmå tidsforskjellene du forutså. (Foto: National Library of Austria, bearbeidet og endret (tavla) av forskning.no.)

Clintons første maitale

Før i tida la GPS-folkene faktisk inn en liten feil i tida bare for å være ekle. Nei, kanskje ikke akkurat ekle, men i alle fall for at vi sivilister ikke skulle få like nøyaktig posisjon som folka i felten.

Under Gulfkrigen i 1990-91 laget det problemer. Det var mangel på militære GPS-mottakere, og soldatene måtte bruke sivilistversjonen. Feilen ble kritisk på slagmarken, og militæret slo den av.

Første mai år 2000 bidro president Clinton til arbeidernes kampdag på sin spesielle måte: I en tale forkynte han militær GPS-presisjon til folket – permanent.

GPS-jammer

Men fienden kan også lage trøbbel. Vi med grått hår over ørene husker støysenderen i Kiev, som overdøvet kapitalistiske gladmeldinger og dekadent vestlig rock’n roll.

Den moderne varianten er GPS-jammere. De sender ut falske satellittsignaler og forvirrer GPS-mottakerne.

USAs regjering tror at slike jammere ble brukt både under Irak-krigen og i Afghanistan. Senest i konflikten i Ukraina kan slike jammere ha vært brukt.

Fienden kan også være noe så uskyldig som feil på TV-antenneforsterkere eller annen hverdagselektronikk. Da kan de lage radiostøy. Radiostøy er ikke GPS-gøy.

Det russiske GLONASS og det amerikanske GPS virker sammen for å gi enda bedre nøyaktighet. Samarbeid erstatter konkurranse i verdensrommet. (Foto: White House Photograph Office, bearbeidet av forskning.no)
Det russiske GLONASS og det amerikanske GPS virker sammen for å gi enda bedre nøyaktighet. Samarbeid erstatter konkurranse i verdensrommet. (Foto: White House Photograph Office, bearbeidet av forskning.no)

Multikult i rommet

GPS-satellittene får svingt seg med stadig flere likesinnede fra andre deler av verden.

Russerne har lenge hatt sitt GLONASS. Europa bygger sitt Galileo. Kineserne utvider sitt BeiDou til Global navigation system. Inderne krydrer det hele med GAGAN, som vil gjøre GPS og GLONASS mer nøyaktig.

Og nøyaktigheten kjenner ingen grenser, bokstavelig talt. USA, Europa og Japan har nye støttesystemer som snurper nøyaktighetsnettet enda tettere. Hvordan virker de?

Her er oppskriften: Sett ut GPS-mottakere på bakken. Disse punktene kjenner du posisjonen til veldig nøyaktig. De er en slags fasit.

Mål posisjonen med disse GPS-mottakerne. Stemmer de med fasit? Hvis ikke, mål avviket. Send avviket ut til deg og meg og alle andre brukere via en egen satellitt. Så kan vi – eller rettere sagt GPS-mottakerne våre – justere for feilen.

Amerikanernes støttesystem heter Wide Area Augmentation System (WAAS).  Europa har sitt Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS). Japan har bygget Multi-Functional Satellite Aigmentation System (MSAS).

Men alle følger de slagordet til de tre musketerene: En for alle, alle for en. Har du en mottaker som virker på ett system, så virker det på alle.

Dermed kan for eksempel et europeisk fly med EGNOS-utstyr bruke WAAS i USA for presisjonslandinger.

Åpen slutt

Målet er å få satellittnavigasjon så pålitelig og presis som overhodet mulig. Så skuffende det enn kan høres ut, er ikke alle disse blikkboksene sendt opp for å holde styr på joggerundene dine. De har viktigere oppdrag.

Fly skal kunne lande i den tetteste tåkesuppa med centimeters presisjon. Kravene er ikke stort lavere når megatonnasje med brennbart i buken skal buksere mot boreplattformer.

GPS var begynnelsen. Slutten ser vi knapt. Nå vet du mye mer om hvordan det virker. Hva det kan brukes til, har vi bare så vidt begynt å finne ut av. Men vi har i alle fall kommet langt siden 1980-tallet.

 (Foto: (Illustrasjonsbilde: Colourbox, Adrian Pingstone, montasje ved forskning.no))
(Foto: (Illustrasjonsbilde: Colourbox, Adrian Pingstone, montasje ved forskning.no))