Satellitbaserad positionsbestämning

Satelliter är hörnstenen i modern positionsbestämning och navigering, som används i såväl bilar och smartmobiler som av lantmätare. Mottagaren av satellitsignaler kan på mindre än en minut bestämma sin position med några få meters noggrannhet var som helst på jorden. Som en biprodukt av satellitsignalerna får man också en tidsangivelse med cirka hundra nanosekunders noggrannhet.

Europa på natten.

Med hjälp av stödtjänster kan man rentav uppnå centimeterprecision. Tidigare betraktades amerikanska GPS som synonymen till satellitbaserad positionsbestämning, men nu kan vem som helst också utnyttja ryska GLONASS och två nya system som är under uppbyggnad, europeiska Galileo och kinesiska BeiDou. Därför används nu termen GNSS (Global Navigation Satellite System) när man refererar till satellitbaserad positionsbestämning.

Positionen kan inte bestämmas utan tid

Positionsbestämningen bygger alltid på exakt överföring av tidssignaler. Alla fyra satellitnavigationssystem har ca 20–30 satelliter i en omloppsbana på ca 20 000 km höjd över jordytan. Varje satellit har en oerhört precis atomklocka för sändning av tidssignaler och data om bl.a. satelliternas positioner till jorden.

Differensen mellan radiosignalens avsändningstid och mottagningstiden enligt GNSS-mottagarens inbyggda klocka blir en avståndsmätare när den multipliceras med signalens (=ljusets) hastighet. Satelliterna i samma system har synkroniserade klockor medan mottagarna oftast har förmånliga kvartsklockor, och den visade mottagningstiden är inte direkt jämförbar med avsändningstiderna.

Förutom de tredimensionella koordinaterna behöver man alltså räkna ut en fjärde okänd variabel: mottagarklockans avvikelse mot satelliterna. Ekvationen kan lösas när positionen för minst fyra satelliter är känd: fler satelliter ökar positionsbestämningens noggrannhet och tillförlitlighet.

Kopplingen mellan tid och position gör tidsbestämning till ett viktigt GNSS-användningsområde. Klockor och enheter som är långt ifrån varandra kan synkroniseras med hjälp av GNSS-signaler: t.ex. ska elkraftverk generera växelström synkront och mobilnätets basstationer måste ha samma tid så att samtalet inte bryts vid en övergång mellan två stationer.

GNSS-mottagaren avslöjar inte sin position automatiskt

GNSS-baserad positionsbestämning fungerar utan att mottagaren automatiskt behöver avslöja sin position för systemadministratören eller för någon annan. Det här är särskilt viktig då satellitbaserad positionsbestämning används i dess ursprungliga syfte, dvs. militärt.

Oberoende av detta kan smartmobiler, spårningsutrustning, robotbilar och andra enheter som utnyttjar satellitnavigationssystem sända sin position via andra kanaler till bl.a. molntjänster eller tillverkaren för sitt användningsändamål, för att via stödtjänster få bättre noggrannhet i positionsbestämningen eller t.ex. för datainsamling.

Många felkällor

Satellitbaserad positionsbestämning är en mätkedja med många aktörer. Först ska systemadministratören räkna ut satelliternas omloppsbanor och tidsskillnaderna mellan deras inbyggda atomklockor. Denna information sänds från jorden till satelliterna, som genererar signalerna utifrån den. Signalen når mottagaren via atmosfären och kan i sämsta fall dämpas eller t.ex. reflekteras från närliggande träd eller byggnader.

Mottagarens position kan inte bestämmas exakt:  uträkningen av satelliternas omloppsbanor och klockavvikelser är inte perfekt och signalen förvrängs av jonosfären och troposfären samt blir svårare att spåra när den dämpas och reflekteras.

Dessa omständigheter gör att GNSS-mottagare för privatpersoner typiskt har ca 5 m noggrannhet, men i vissa förhållanden är den sämre. I värsta fall kan fel på satelliten eller osedvanligt stor förvrängning på grund av omgivningen eller atmosfären göra att mottagarens beräknade position är 100 m eller mer från den verkliga.

En väsentlig utmaning i GNSS-baserad positionsbestämning är också de svaga signalerna.  Sändareffekten är några tiotals watt och eftersom satelliterna befinner sig ca 20 000 km bort blir signalerna svagare än bakgrundsbruset när de når jordytan. Signalernas uppbyggnad gör att de normalt även kan spåras under brusnivån, men förhållandena kan förändras av externa faktorer såsom atmosfärisk aktivitet eller störande radiosändningar.

Framförallt i militärt bruk är det vanligt att positionsbestämningen störs avsiktligt, men tyvärr finns det också nätbutiker som säljer störningsutrustning till vanliga konsumenter med integritetsskydd som typiskt försäljningsargument. Det är dock olagligt att använda radiostörningsutrustning.

Fel i positionsbestämningen är en säkerhetsrisk

Ungefär 5 m noggrannhet räcker utmärkt för många applikationer, t.ex. navigationsutrustning i bilar, lokalisering av nödsamtal, fotokoordinater och GPS-halsband för jakthundar. I många professionella tillämpningar behövs dock större noggrannhet eller feltolerans.

Exempelvis är några meters noggrannhet tillräckligt för att landa ett flygplan, men faktorer som leder till grova mätfel måste kunna uteslutas: ett fel på 100 m kan få katastrofala följder. Inom lantmäteri och byggnation krävs däremot centimeterprecision.

Det har utvecklats olika stödtjänster för att möta striktare krav på noggrannhet och tillförlitlighet. Dessa bygger på en grupp basstationer vars exakta position är känd i förväg. Basstationerna följer kontinuerligt upp GNSS-satellitsignalernas kvalitet och hjälper användarna genom att producera data i realtid. Här i Finland finns Lantmäteriverkets FinnRef-nät med tiotals basstationer som genom korrigeringar hjälper användarna att uppnå 0,5 m noggrannhet.

Utöver FinnRef finns det kommersiella tjänster som utvecklats för att möjliggöra en noggrannhet upp till centimeterprecision. Med hjälp av de bästa GNSS-mätningarna kan man t.o.m. följa kontinentalplattornas rörelser.

SBAS övervakar GPS-satelliternas funktion

Då man i framförallt flygtrafiken måste garantera tillförligheten finns det också satellitbaserade stödtjänster (SBAS, satellite-based augmentation system) som sänder data med liknande signaler som GNSS-satelliterna. SBAS-satelliterna har liksom kommunikationssatelliter en geostationär omloppsbana. Markstationer uppdateras med data från SBAS-satelliterna i realtid, och därför kan de inom några sekunder varna för fel på t.ex. en GPS-satellit.

GNSS-satelliter har däremot ingen ständig kontakt med markstationer och reagerar på fel med upp till flera timmars fördröjning. Till skillnad från GNSS täcker SBAS inte hela jorden. SBAS för Europa har fått namnet EGNOS medan motsvarande system för Nordamerika kallas WAAS.

Först i militärt bruk

Satellitnavigationssystem kan räknas till kritisk infrastruktur och därför finns det fyra aktörer som vill upprätthålla parallella system för samma ändamål. GPS är främst avsett för militärt bruk och upprätthålls av USA:s försvarsministerium. Viss funktionalitet är begränsad till militärt bruk.

Fram till början av 2000-talet hade GPS t.o.m. en egenskap som avsiktligt försämrade civilsignalerna men den har numera kopplats bort. I GPS-systemet erbjöds civilanvändare länge bara en signal på en frekvens. Utrustning som utvecklats för professionellt bruk har dock även kunnat spåra militärsignaler trots krypteringen.

De flesta GPS-satelliter sänder öppna signaler till alla användare på upp till tre frekvenser men det kan ta år innan de gamla satelliterna har bytts ut: livslängden för en satellit är över tio år. Multifrekvensmottagare kan kompensera mätfel som jonosfären orsakar. Därmed kan nya frekvenser förbättra noggrannheten även hos konsumentutrustning.
GLONASS utvecklades som en sovjetisk motsvarighet till GPS. Efter Sovjetunionens sönderfall slutade driften av GLONESS, som i praktiken blev obrukbart, men på 2000-talet återställdes dess funktionsförmåga av Ryssland.

GLONASS skiljer sig tekniskt från andra system i att varje satellit sänder på en egen frekvens. I övriga system sänder satelliterna på samma frekvens och signalen innehåller en kod för identifiering av satelliten. Satellitspecifika frekvenser medför dock utmaningar framförallt för professionella mottagare. Kommande GLONASS-generationer kommer därför att övergå till en kodbaserad signalseparering.

Galileo är det första civila GNSS-systemet

Till skillnad från de äldre systemen är europeiska Galileo inte utvecklat för militärt bruk utan drivs helt civilt. Systemet erbjuder öppna signaler för alla på två frekvenser och en tredje frekvens används för bl.a. myndigheter och tilläggstjänster.

Galileo planerades som ett GPS-kompatibelt system och därför är systemens viktigaste signalfrekvenser identiska. Utöver navigationstjänsterna kompletterar Galileo det internationella COSPAS-SARSAT-systemet, som förmedlar nödmeddelanden till sjöräddnings organisationer.

BeiDou har planerats som ett system framförallt för kinesiskt territorium, vilket framgår av satelliternas omloppsbanor: när övriga system använder satelliter på ca 20 000 km höjd har BeiDou dessutom geosynkrona och geostationära satelliter (i en bana på ca 35 000 km höjd), som från marken betraktat håller sig på Kinas längdgrader. BeiDou kallades tidigare också för Compass.

Utöver de fyra globala GNSS-systemen finns det lokala system såsom japanska QZSS och indiska Navic.

Ordlista

  • GNSS, global navigation satellite system: ett satellitnavigationssystem för hela världen.
  • GPS, global positioning system: GNSS-system som upprätthålls av USA:s försvarsdepartement, geosynkront: satellit med 24 tim omloppstid runt jorden, dvs. satelliten är på samma ställe vid samma tidpunkt varje dag från Jorden betraktat. Omloppsbanan är på ca 35 000 km höjd över jorden.
  • geostationär: specialfall av geosynkron bana, går i ekvatorns riktning. Satelliten ser ut att stå stilla från Jorden betraktat.
  • MEO, medium Earth orbit: lägre omloppsbana än den geosynkrona. De flesta GNSS-satelliter använder en MEO-bana på ca 20 000 km höjd med ca 12 tim omloppstid.
  • SBAS, satellite-based augmentation system: förbättringssystem som inte genererar navigeringssignaler utan sänder data om GNSS-signalernas tillförlitlighet.
  • ESA, European Space Agency: Europeiska rymdorganisationen, ansvarar tillsammans med Europeiska kommissionen för den tekniska utvecklingen av Galileo.
  • GSA, European GNSS Agency: Europeiska byrån för GNSS, ansvarig för tjänster som tillhandahålls i Galileo- och EGNOS-systemen.
  • EGNOS, European Geostationary Navigation Overlay Service: SBAS för Europa.
  • COSPAS-SARSAT: satellitsystem som tar emot nödsignaler från jorden, lokaliserar avsändaren och förmedlar uppgiften till räddningsmyndigheten. Frekvensen 406 MHz är reserverad för nödsignaler inom detta system.
  • jonosfär: atmosfärlager med fria joner. Radiosignaler från satelliter förvrängs när de passerar jonosfären. Förvrängningens storlek beror på signalens sändningsfrekvens och mängden fria joner den möter. Jonosfären är den enskilt viktigaste felkällan i GNSS-mätningar.
  • troposfär: atmosfärlager där väderfenomenen inträffar. Troposfären bromsar satelliternas radiosignaler: fördröjningens storlek beror på väderläget men inte på signalens frekvens.
  • FinnRef: nät av GNSS-mätstationer som ägs av finska staten och bildats för underhåll av det nationella koordinatsystemet. Nätverket erbjuder alla en öppen stödtjänst som förbättrar noggrannheten i GNSS-baserad positionsbestämning.