GPS
GPS eli Global Positioning System () 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.
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.
Navstar-GPS-järjestelmä koostuu kolmesta segmentistä, jotka ovat avaruus, kontrolliverkko ja käyttäjäosa. Avaruussegmentin muodostavat satelliitit. Satelliitteja on 24 kappaletta noin 20 200 km:n korkeudessa. Jokainen satelliitti kiertää maapallon kaksi kertaa vuorokaudessa. GPS-vastaanotin mittaa aikaa, joka signaalilta kuluu sen siirtyessä satelliitilta vastaanottimelle. Kun satelliittien sijainti tunnetaan, eri satelliiteista tulevien signaalien aikaeron avulla kyetään laskemaan vastaanottimen sijainti. Kontrolliverkossa tarkkaillaan satelliittien tilaa, ratoja ja toimintoja. Päävalvontakeskus on Yhdysvalloissa, Colorado Springsissä. 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 signaalia samanaikaisesti useasta satelliitista. Satelliitteja tulee olla vähintään neljä, sillä päätelaitteen kello ei ole tarkka kuten satelliittien atomikellot. Päätelaitteen kellon ja todellisen ajan ero (kellovirhe) täytyy asettaa yhtälöissä tuntemattomaksi, jolloin tarvitaan vähintään neljän yhtälön ryhmä, jotta ratkaisu on yksikäsitteinen. Tämä vaatii havaintoa vähintään neljästä satelliitista.
Päätelaite laskee vastaanottamistaan radiosignaaleista 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 lähetettävä P-koodi eli salattu koodi tuottaa tarkemman paikkaratkaisun. Molempia - koodi ja kantoaalto - voidaan käyttää paikannukseen, jälkimmäistä tosin vain monimutkaisissa geodeettisissa GPS-tarkkuusvastaanottimissa, sillä kantoaaltoa käytettäessä laskentaa ei voi tehdä reaaliajassa.
Paikannus perustuu pseudoetäisyyden mittaukseen:
formula_1
jossa
formula_7, formula_8, formula_9 ja formula_6 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 muun muassa Auringon aktiivisuudesta) on pysyvä epätarkkuuden lähde. Se tuottaa muutaman metrin virheen paikkaan. Tätä pyritään korjaamaan muun muassa Klobucharin algoritmilla.
GPS-paikannusta voidaan kutsua "hyperboliseksi paikannusmenetelmäksi" koska se perustuu etäisyys"erojen" 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 jollakin tietyllä korkeudella vertailuellipsoidista. Tällöin vastaanottimen korkeuskoordinaattia ei ratkaista, jolloin tuntemattomia suureita on vain kolme (kaksi koordinaattia ja kellovirhe). Tämä oletus on hyvä merellä, jossa korkeuseroja ei ole, mutta esimerkiksi vuoristossa oletusta vakiokorkeudesta ei voi tehdä jos vastaanotin liikkuu.
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 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.
Assisted GPS (A-GPS) eli avustettu GPS kattaa alleen monenlaisia eri tekniikoita.
Vastaanottimien herkkyyden ja toimintanopeuden parantuminen A-GPS:n myötä on johtanut siihen, että jopa sisätiloissa nopeasti toimivia GPS -vastaanottimia on kyetty rakentamaan matkapuhelimiin, joissa on jouduttu tekemään kompromisseja GPS-antennin, virrankulutuksen ja koon suhteen. Samoin A-GPS on auttanut merkittävästi erilaisten henkilö- ja eläinpaikantimien toimintaa.
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 moninkerran 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
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.
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-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):
Eri taajuudet kantavat seuraavia modulaatioita:
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.
Vuoden 2011 alussa on Yhdysvalloissa käyty keskustelua siitä, aikaansaanko Light-Squared-yhtiön kaavaileman satelliittikännykkä-maanpäällinen kännykkä (LTE)-järjestelmän tukiasemat, joiden lähetysteho on miltei 16 000 wattia, häiriöitä GPS-paikannukseen Yhdysvaltain alueella.
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.
Vuonna 1984 Ronald Reagan vapautti Navstar-GPS:n siviilikäyttöön järjestelmän oltua ennen tätä vain Yhdysvaltojen puolustusministeriön käytössä.
Clintonin hallinto poisti häirinnän siviilisignaalista, joka paransi sen paikannustarkkuutta, 1990-luvun lopussa.
Nykyään Venäjä ylläpitää GLONASS satelliittipaikannusjärjestelmää. Euroopan komissio rakentaa globaalia satelliittipaikannusjärjestelmäänsä, Galileo-GPS:ää, joka valmistunee Kiinan Beidou/Compass-järjestelmän kanssa samaan aikaan. Intia on ilmaissut aikeensa toteuttaa globaali satelliittipaikannusjärjestelmä. Täten satelliittipaikannus on osa suurvaltojen ominaisuuksia.
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 merkityksen kasvaessa sen häirinnästä ja harhauttamisesta tulee osa sodankäyntiä. Irakin sodassa 2003 yhdysvaltalaiset väittivät irakilaisten käytössä olevan Aviakonversijan () 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.
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-korjaussignaalia jonka ansiosta GPS-laitteen tarkkuus on noin 15 mm luokkaa sivusuunnassa ja noin 25 mm korkeussuunnassa.
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:
Joissain tapauksissa GPS:n laajaa käyttöä ja uskoa GPS-karttoihin kritisoidaan siksi, ettei enää seurata maastoa ja ympäristöä enää niin tarkkaan kuin kartalla ja kompassilla suunnistettaessa. Esimerkiksi Puolassa kuljettaja ajoi pienikokoisen linja-auton järveen uskoessaan GPS-paikantimen ilmeisesti vanhentunutta karttaa.
Häiriöt gps:ssä voivat aiheuttaa monenlaisia seurauksia. Esimerkiksi tammikuussa 2016 Metsähovin radio-observatoriossa havaittiin aikahyppy GPS-signaalissa. Myöhemmin syyksi paljastui vikaantuneen SVN23-satelliitti käytöstä poiston jälkeen osaan satelliitteista syötetyt väärät parametrit. 13 mikrosekunnin aikavirheen vuoksi GPS-paikannus saattoi heittää useamman kilometrin. Lisäksi muiden muassa BBC:n DAB-digitaaliradio lähetykset keskeytyivät.
GPS-satelliittisarjaan kuuluvat