Global Positioning System

Global Positioning System (GPS) er et nettverk bestående av omtrent 30 satellitter som er plassert i bane rundt jorden av USAs forsvar. Systemet gjør det mulig for en mottaker å fastsette egen posisjon med svært stor nøyaktighet overalt i verden, under nær sagt alle værforhold. Systemet omtales til daglig som «GPS» (Global Positioning System). Det finnes flere globale navigasjons­satellitt-systemer (Global Navigation Satellite Systems (GNSS)), hvorav NAVSTAR er ett.
GPS var opprinnelig laget for militært bruk. I 1973 beordret det amerikanske forsvarsdepartementet at det skulle utvikles et navigasjons­system som kunne gi koordinater i sanntid i alle tre dimensjoner (bredde, lengde og høyde). Systemet skulle blant annet kunne brukes under alle værforhold og være rombasert. Den første satellitten ble skutt opp i 1978. I 1994 ble den siste satellitten skutt opp før systemet var fullt operativt. I 1980-årene ble systemet stilt til disposisjon for sivil bruk, da fortrinnsvis innenfor sjøfart og andre maritime aktiviteter. GPS virker under alle værforhold, hvor som helst i verden og hele døgnet, såfremt signalene fra satellittene ikke stoppes av massive objekter som husvegger eller fjell. Systemet er tilgjengelig og gratis å bruke for alle.
NAVSTAR er et akronym som står for NAVigation System using Timing And Ranging.

GPS-systemets virkemåte

NAVSTAR-satellittene kretser rundt jorden to ganger per døgn i nøyaktig beregnete baner, og sender radiosignaler som inneholder blant annet opplysninger om tidspunktet signalet ble sendt ut fra satellitten, om satellittens bane og andre satellitters bane. GPS-mottakeren tar imot denne informasjonen og regner ut sin egen posisjon ut fra avstand og posisjon i forhold til satellittene den tar imot signaler fra. Signaler fra tre satellitter gir en todimensjonal posisjonsangivelse: bredde og lengde. Hvis mottakeren har kontakt med fire satellitter eller mer, kan posisjonen rapporteres i tredimensjonalt format: bredde, lengde og høyde. Satellittene inneholder meget nøyaktige atomur, og på bakgrunn av forskjellen kan GPS-mottakeren sammenligne tidspunktet et signal er sendt fra en satellitt med tidspunktet det ble mottatt. Tidsforskjellen forteller GPS-mottakeren hvor langt unna satellitten er. Nå, med avstandsmål fra noen flere satellitter, fastsetter GPS-mottakeren sin posisjon. Mange mottakere kan også vise den eksakte posisjonen grafisk på et kart.
Fordi tid kan angis så nøyaktig med GPS, kan satellittene også brukes til å styre klokker.

Digitale kart

Det finnes flere typer digitale kart som kan lastes inn i GPS-mottakeren, beregnet for bilkjøring, navigasjon til sjøs, flyging og for fotturister. Disse kan programmeres med veipunkter, ruter og alarmer som gjør det enklere å navigere i ukjent terreng/farvann. I mange situasjoner er det likevel viktig å ha tradisjonelle navigasjonshjelpemidler som papirkart, kompass, klokke, passer og linjal i tilfelle strømforsyning eller radiosignaler svikter.

Kartreferanser

GPS-mottakerne kan gi posisjonsbestemmelse i et stort antall typer kartreferanser. Den vanligste internasjonalt er grader og desimalminutter (desimalgrader samt grader, minutter og sekunder brukes også), nord eller sør og øst eller vest. UTM-koordinater er et annet standard rutenett for hele kloden som brukes mye på gradteigskart (f.eks. de norske topografiske kartene i målestokk 1 : 50 000). Dette brukes bla. av militæret, AMK-sentraler, ambulanser, politi, hjelpekorps, brannvesen og skogbrannovervåkning. Det militære koordinatsystemet MGRS som er en enklere måte å skrive dette på, brukes fremdeles på disse kartene.

Nøyaktighet

Nøyaktigheten for en vanlig mottaker under meget gode forhold kan være på ca. 7 meter (uten korreksjons­signaler). Korreksjons­signaler fra landbaserte GPS-stasjoner kan forbedre nøyaktigheten ytterligere til noen centimeter, men dette krever spesialutstyr. GPS blir med denne nøyaktigheten brukt til blant annet veibygging, tomteoppmåling og brøyting av vei. Før 2. mai 2000 var det sivile posisjons­signalet av militære hensyn satt til en nedre nøyaktighets­grense på ca. 100 meter, men etter denne datoen har alle tilgang til et mer presist signal.
I Europa ble det satellittbaserte korreksjonssystemet EGNOS erklært operativt 1. oktober 2009. Flere år før dette var mange mottakere klare for å motta slike signaler. For de mottakerne som kan behandle disse korreksjons­signalene, forbedres nøyaktigheten til rundt 2 meter.

Virkemåten

En GPS-mottaker må være låst på signalet fra minst tre satellitter for å kalkulere en to-dimensjonal posisjon (bredde, (nord/sør) og lengde, (øst/vest)) og bevegelse. Med fire eller flere satellitter i sikte, fastsetter mottakeren sin tre-dimensjonale posisjon (bredde, lengde og høyde). Etter at posisjonen er fastsatt, kan GPS-enheten kalkulere annen informasjon, slik som fart, peiling, spor, turlengde, avstand til destinasjon, soloppgang og solnedgang.
NAVSTAR krever svært nøyaktige tidsberegninger. For at GPS-systemet skal virke, er det nødvendig å ta hensyn til relativistisk tidsforskyvning, et fenomen forbundet med relativitetsteorien, både den spesielle og den generelle. I korte trekk går dette ut på at ett sekund for en observatør på jorden, ikke er den samme tidslengden som ett sekund for en satellitt med enorm fart i bane rundt jorden – eller omvendt. Dermed blir beregningen av tidspunkt og tidsforskjeller enda mer komplisert, og noe man absolutt må ta hensyn til i beregningen av posisjon. GPS er derfor et håndfast bevis for at de relativistiske bevegelses­ligningene er korrekte.

Militært bruk

Det var det amerikanske forsvaret som begynte å bruke NAVSTAR GPS, blant annet til styring av missiler (eksempelvis Tomahawk-missiler) og bomber (JDAM). Det brukes også til navigerings­systemer ombord i fly, båter og liknende.
Det norske forsvaret har gjort forsøk på å «jamme» GPS-systemet ved å sette opp en falsk GPS-stasjon som bevisst sendte feilinformasjon.

Privat bruk

GPS er i dag i utstrakt sivil bruk, i biler, fly, båter, ubåter, bobiler og for turgåere. De ledende produsentene av GPS-mottakere for privat bruk er: Garmin, Magellan, Mio og TomTom. 

GPS har også gitt blinde og svaksynte en mulighet å bevege seg i ukjente omgivelser uten ledsager. (Artikkel om GPS for synshemmede)