GPS

GPS eli Global Positioning System (suom. maailmanlaajuinen paikallistamisjärjestelmä) on Yhdysvaltain puolustusministeriön kehittämä ja rahoittama satelliittipaikannusjärjestelmä, viralliselta nimeltään Navstar GPS. Se on nykyään yleisimmin käytetty GNSS-järjestelmä (Global Navigation Satellite System) ja arkikielessä sillä saatetaan tarkoittaa yleisesti satelliittipaikannusta. 
GPS-satelliitit kiertävät Maata noin 20 200 kilometrin korkeudella.  Satelliitit on suunniteltu lähettämään signaali vain kohti Maata eli paikannus onnistuu lähinnä niiden radan sisällä mutta vuotavan signaalin avulla on paikannusta onnistuttu käyttämään myös niiden radan ulkopuolella. 
GPS-paikantimet lukevat satelliittien lähettämää mikroaaltosäteilyä ja aktiiviantenneilla varustetut paikantimet lähettävät itsekin säteilyyn koodattua informaatiota.
9. maaliskuuta 2016 toiminnassa olevia satelliitteja on 31 kappaletta.

Historia

Navstar-GPS:n kehitystyö aloitettiin 1970-luvun puolivälissä ja tarkoituksena oli luoda alun perin sekä sotilas- että siviilikäyttöön soveltuva tarkka ja reaaliaikainen yksisuuntainen paikannusmenetelmä.
Satelliitin radiosignaalin käyttö navigoinnissa syntyi Johns Hopkinsin yliopistossa, kun Sputnik 1:n signaalia mitattiin satelliitin lentäessä Yhdysvaltojen yli lokakuussa 1957. Yhdysvaltain laivaston Polaris-ohjuksin varustettujen ydinsukellusveneiden paikantamista varten kehitettiin 1950-luvun jälkipuolelta alkaen ja 1960-luvun puolivälissä valmiiksi Transit-navigaatiosatelliittijärjestelmä, joka oli Yhdysvaltain laivaston käytössä kunnes GPS korvasi sen 1990-luvulla.
Yhdysvaltain ilmavoimat kehitti Timation- ja laivasto omaa Transitin korvaavaa järjestelmää 1960-luvun lopulta alkaen. Hankkeet yhdistettiin 1970-luvun alkupuolella, jolloin GPS:n kehitys alkoi. 
Ensimmäinen navigointikäyttöön tarkoitettu Navstar-satelliitti (Block I) laukaistiin vuonna 1978. Viimeinen ensimmäisen sukupolven Block I -satelliitti laukaistiin lokakuussa 1985. Viimeinen 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 2010 piti laukaista GPS 2F-satelliitteja, mutta Boeing on niiden toteutuksessa 3,5 vuotta myöhässä ja on kaksinkertaistanut 8 satelliitin toteutuskustannukset. Lockheed-Martin kehittää GPS III-satelliittiversiota.  
Yhdysvallat on 1970-luvulta alkaen panostanut 35 miljardia dollaria GPS-järjestelmään ja sen vuosikustannus on miljardi dollaria.

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

Differentiaalinen GPS kehitettiin SA-häirinnän aiheuttaman epätarkkuuden poistamiseen muun muassa merenkulkijoiden tarpeisiin. Kun SA-häirintä (poistui 2000-luvun alussa) 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 eri paikoissa käytettävä muutamaa eri referenssiasemaa. Kun kaksi tukiasemaa on kantoetäisyydellä, vastaanotin ei välttämättä tiedä kumpaa lähetystä tulisi kuunnella. Tällöin saattaa signaali jäädä kokonaan saamatta, ja DGPS-vastaanotin ilmoittaa, että paikkakoordinaatit eivät ole saatavilla. Itämerellä tällainen paikka löytyy likipitäen 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.

Real Time Kinematic

Reaaliaikainen kinemaattinen mittaus on käytetyin GPS-mittausmenetelmä maanmittauksessa. Se perustuu signaalin kantoaallon vaihe-eron mittaukseen itse pseudoetäisyyden määrittämisen lisäksi. Koska kantoaallon lähetystaajuus on yli tuhatkertainen itse PRN- signaaliin verrattuna, päästään tekniikalla erittäin tarkkoihin mittaustuloksiin. Menetelmän hankaluudeksi muodostuu se, että koska jokainen signaalin kierros on samanlainen, on mahdotonta pelkästään mittaamalla selvittää kuinka monta kokonaista aallonpituutta signaali heittää, ja tämä aiheuttaa mittaustarkkuuteen allonpituuden tai sen monikerran suuruista virhettä, joka on L1- signaalin tapauksessa noin 20 senttimetriä. Tästä syystä reaaliaikaista kinemaattista mittausta käytetään pseudoetäisyyden mittauksen lisänä, jolloin pseudoetäisyydestä arvioidaan kokonaisten aallonpituuksien lukumäärä

Virtual Reference Station

VRS-mittauksessa toista vastaanotinta ei viedä enää tukiasemaksi maastoon, vaan tukiaseman virtuaalinen paikka lasketaan kiinteiden tukiasemien mittausten perusteella ja tieto välitetään VRS-laskentakeskuksesta vastaanottimeen satelliitista saaman tiedon tueksi, jolloin korjaukset tehden tulee mittauksesta tarkka.  Suomessa kiinteiden tukiasemien verkko virtuaaliasemien määrittämiseksi on Maanmittauslaitoksella ja Geotrim Oy:llä.

EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay Service

Yhdysvalloissa, Kanadassa ja Meksikossa käytetään GPS-mittauksien tarkkuuden parantamiseksi WAAS-tukijärjestelmää. EU kehittää Eurocontrolin kanssa vastaavan järjestelmän EU:n alueelle. Sen nimi on EGNOS ja se siirtyi operatiiviseen käyttöön vuonna 2009, muttei vielä esim. ilmailukäyttöön. Vastaavat järjestelmät ovat rakenteilla vuonna 2009 Japanissa ja Intiassa (GAGAN).

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 sodassa 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.
Vuonna 2010 ilmeni, että uudistettu GPS ei ole yhteensopiva useiden kymmenien yhdysvaltalaisten asejärjestelmien kanssa. 
Koska GPS-paikannuksen edut ovat ilmeiset, on GPS-laitteista tehty puhtaita sotilasversiota, kuten Rockwell Collins DAGR.

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 225 ja 450 kilon 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. Etelä-Ossetiassa käytyjen taisteluiden aikana 2008 GPS-signaalia oli heikennetty siten, että venäläisten joukkojen saaman GPS-signaalin tarkkuus oli vain 300 m.