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-satelliittikonstellaatio kiertää Maata noin 20 200 kilometrin ratakorkeudella.[1] 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.[1]

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 konstellaatioon 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. [2]

Yhdysvallat on 1970-luvulta alkaen panostanut 35 miljardia dollaria GPS-järjestelmään ja sen vuosikustannus on miljardi dollaria.[3]

Toimintaperiaate ja paikannustarkkuus

Navstar-GPS-järjestelmä koostuu kolmesta segmentistä, jotka ovat avaruus, kontrolliverkko ja käyttäjäosa. Avaruussegmentin muodostavat 24 satelliitista koostuva noin 20 200 kilometrin ratakorkeudessa kiertävä satelliittikonstellaatio. 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.[4] 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.[5]

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.

Simulaatio 24 maata kiertävästä GPS-satelliitista. Paikannus tietyssä pisteessä on mahdollista, kun siitä katsottuna on havaittavissa vähintään neljä satelliittia yhtä aikaisesti.

Paikannus perustuu pseudoetäisyyden mittaukseen:

$p={\sqrt {(x-X)^{2}+(y-Y)^{2}+(z-Z)^{2}}}+c(\Delta t-\Delta T),$

jossa

$\scriptstyle X,Y,Z$ on vastaanottimen paikka kolmiulotteisessa avaruudessa
$\scriptstyle x,y,z$ on satelliitin paikka avaruudessa, lasketaan satelliittien myös lähettämistä ratatiedoista eli efemerideistä
$\scriptstyle c$ on valon nopeus
$\scriptstyle \Delta t$ on satelliitin kellovirhe; pieni, tunnettu, satelliittien lähettämä
$\scriptstyle \Delta T$ on vastaanottimen kellovirhe, tuntematon kuten sen koordinaatitkin.

$\scriptstyle X$ , $\scriptstyle Y$ , $\scriptstyle Z$ ja $\scriptstyle \Delta T$ 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 etäisyyserojen 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.

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.

Assisted GPS

Pääartikkeli: A-GPS

Assisted GPS (A-GPS) eli avustettu GPS kattaa alleen monenlaisia eri tekniikoita.

Yhdessä tunnetussa GPS-avusteessa luetaan satelliittien kiertorata- ja almanakkatiedot matkapuhelinverkkoa hyväksikäyttäen. Kiertorata- ja almanakkatiedot voidaan lukea jopa useita vuorokausia etukäteen, minkä vuoksi vastaanottimelle on avusteesta apua vaikka yhteys matkapuhelinverkkoon katkeaisi. Ennakkotieto nopeuttaa laitteen ensimmäisen paikan saantia, sekä varmistaa merkittävästi GPS-vastaanottimen toimintakykyä heikoissa tai nopeasti muuttuvissa vastaanotto-olosuhteissa, kuten esimerkiksi sisätiloissa, rakennusten välissä tai liikkuvan eläimen paikannuksessa.[6] [7] Kiertorata- ja almanakkatietojen lukeminen suoraan satelliiteista vaatii hyvänlaatuisen ja katkeamattoman yhteyden satelliittiin useamman kymmenen sekunnin ajaksi. Kun kiertorata- ja almanakkatiedot ovat olemassa, nopeutuu ensimmäinen käynnistys (Cold start) huomattavasti. Pitempiaikaisessa käytössä on huomattava, että näkyvät satelliitit painuvat horisontin taakse muutaman tunnin välein. Vastaanottimen on kyettävä lukemaan kiertorata- sekä almanakkatiedot uusista horisontin yläpuolelle nousseista satelliiteista. Ilman A-GPS -ominaisuutta hankalissa oloissa tai sisätiloissa oleva vastaanotin voi hukata paikkansa, koska se ei saa luettua satelliiteista kiertorata- ja almanakkatietoja, vaikka satelliittien kuuluvuus riittäisikin paikan laskemiseen.

Toisessa tunnetussa A-GPS:n muodossa käytetään lisäksi avuksi verkko-operaattorilta saatavaa karkeaa arviota GPS-vastaanottimen nykyisestä sijainnista.

Tunnetaan myös A-GPS -ominaisuus, jossa GPS-vastaanotin lähettää A-GPS -palvelimelle "jatkuvasti" tietoa omasta satelliittinäkymästään, jolloin palvelin voi tarkemmin kohdistaa A-GPS -tietoa tai jopa avustaa paikan laskemisessa.

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.

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.[8] Suomessa kiinteiden tukiasemien verkko virtuaaliasemien määrittämiseksi on Maanmittauslaitoksella ja Geotrim Oy:llä.[4]

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.[8] Vastaavat järjestelmät ovat rakenteilla vuonna 2009 Japanissa ja Intiassa (GAGAN).

GPS-signaali

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):

L1 (1 575,42 MHz) siviilikäytössä
L2 (1 227,6 MHz) sotilaskäytössä salattuna 2003 lähtien
L3 (1 381,05 MHz) sotilaskäytössä globaali ydinräjähdyshälytys (NUDET – Nuclear Detonation)
(L4 (1 841,4 MHz) kokeellinen, ei käytössä)
L5 (1 176,45 MHz) siviilikäyttöön (ehdotus, saatavilla 2005)
(2 227,5 MHz) avaruusalusten telemetriaan (ei arviota saatavuudesta)

Eri taajuudet kantavat seuraavia modulaatioita:

C/A (Coarse/Acquisition) -koodi, joka on jokaiselle satelliitille yksilöllinen. C/A-koodi lähetetään L1-taajuudella. Se on pseudosatunnaisten bittien virta, yksi bitti mikrosekunnissa; kokonaispituus 1 024 bittiä eli millisekunti.
P(Y)-koodi, joka lähetetään salattuna molemmilla taajuuksilla. P(Y)-koodi on tarkoitettu sotilaalliseen käyttöön, ja sen purkuun tarvittavat avaimet ovat USA:n hallinnon kontrolloimia. Tämän koodin bittitaajuus on 10 bittiä mikrosekunnissa ja sen toistojakso yksi viikko.
Tieto-osa, joka sisältää satelliittien rata- ja kellotiedot (”efemeridit”) sekä satelliittien terveystilatiedot. Jokainen satelliitti lähettää kaikkien muidenkin satelliittien tiedot.

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.[3]

GPS:n palvelut

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.

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. [9]

Koska GPS-paikannuksen edut ovat ilmeiset, on GPS-laitteista tehty puhtaita sotilasversiota, kuten Rockwell Collins DAGR. [10]

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.[11]

GPS:n siviilimerkityksestä

Geokätköilyssä käytettyjä GPS-vastaanottimia ryhmäkuvassa

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). GPS hyväksyttiin siviili-ilmailukäyttöön vuonna 1993, ja mittarilentosuunnistukseen vuonna 1994,[12] josta alkaen se on hitaasti syrjäyttänyt muita elektronisia suunnistusmenetelmiä, lähinnä radiosuunnistuslaitteita. Käytännössä radiosuunnistus pysyy kuitenkin toissijaisena menetelmänä mahdollisesti jopa 2040-luvulle saakka mm. yllä mainittujen, satelliittijärjestelmien sotilaalliseen ja poliittiseen häirintään liittyvien riskien vuoksi.

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:

Alueellisten täydennyspalveluiden, kuten WAAS:in (Wide Area Augmentation Network) ja EGNOS:n (European Geostationary Navigation Overlay Service) ynnä muiden tuki-infrastruktuuri
Galileon luoma varmuus siitä, ettei globaalisia paikannusjärjestelmiä voi enää kukaan yksin sulkea.

Joissain tapauksissa GPS:n laajaa käyttöä ja uskoa GPS-karttoihin kritisoidaan siksi, ettei enää seurata maastoa ja ympäristöä niin tarkkaan kuin kartalla ja kompassilla suunnistettaessa. Esimerkiksi Puolassa kuljettaja ajoi pienikokoisen linja-auton järveen uskoessaan GPS-paikantimen ilmeisesti vanhentunutta karttaa.[13]

Häiriöt gps:ssä voivat aiheuttaa monenlaisia seurauksia. Esimerkiksi tammikuussa 2016 Metsähovin radio-observatoriossa havaittiin aikahyppy GPS-signaalissa.[14] Myöhemmin syyksi paljastui vikaantuneen SVN23-satelliitin käytöstä poiston jälkeen osaan satelliiteista syötetyt väärät parametrit.[14] 13 mikrosekunnin aikavirheen vuoksi GPS-paikannus saattoi heittää useamman kilometrin.[15] Lisäksi muiden muassa BBC:n DAB-digitaaliradio lähetykset keskeytyivät.[14]

Satelliitit

GPS-satelliittisarjaan kuuluvat [16]

Timation 1, koesatelliitti, 31.5.1967 - Yhdysvaltain ilmavoimat
Timation 2, koesatelliitti, 30.9.1969
NTS 1, koesatelliitti, 14.7.1974 - Yhdysvaltain laivasto
NTS 2, koesatelliitti, 23.6.1977

Navstar 1 (NDS 1) - valmistussarja Block 1, tunnus Navstar SVN 1 GPS-tunnus GPS 1-1, laukaisu 22.2.1978 - 1. GPS-satelliitti
Navstar 2 (NDS 2) - valmistussarja Block 1, tunnus Navstar SVN 2, GPS-tunnus GPS 1-2, laukaisu 13.5.1978
Navstar 3 - valmistussarja Block 1, tunnus Navstar SVN 3, GPS-tunnus GPS 1-3, laukaisu 6.10.1978
Navstar 4, Block 1, Navstar SVN, 4 GPS 1-4, 10.12.1978
Navstar 5, Block 1, Navstar SVN 5, GPS 1-5, 9.2.1980
Navstar 6, Block 1, Navstar SVN 6, GPS 1-6, 26.4.1980
Navstar 7 Block 1 Navstar SVN 7 GPS 1-7 19.12.1981
Navstar 8 Block 1 Navstar SVN 8 GPS 1-8 14.7.1983
Navstar 9 (USA 1) Block 1 Navstar SVN 9 GPS 1-9 13.6.1984
Navstar 10 (USA 5) Block 1 Navstar SVN 10 GPS 1-10 8.9.1984 - 10. GPS-satelliitti

Navstar 11 (USA 10) Block II Navstar SVN 11 GPS 1-11 9.10.1985
Navstar 2-01 (USA 35) Block II Navstar SVN 14 GPS 2-1 14.2.1989
Navstar 2-02 (USA 38) Block II Navstar SVN 13 GPS 2-2 10.6.1989
Navstar 2-03 (USA 42) Block II Navstar SVN 16 GPS 2-3 18.8.1989
Navstar 2-04 (USA 47) Block II Navstar SVN 19 GPS 2-4 31.10.1989
Navstar 2-05 (USA 49) Block II Navstar SVN 17 GPS 2-5 11.12.1989
Navstar 2-06 (USA 50) Block II Navstar SVN 18 GPS 2-6 24.1.1990
Navstar 2-07 (USA 54) Block II Navstar SVN 20 GPS 2-7 23.3.1990
Navstar 2-08 (USA 63) Block II Navstar SVN 21 GPS 2-8 2.8.1990
Navstar 2-09 (USA 64) Block II Navstar SVN 15 GPS 2-9 1.10.1990

Navstar 2A-01 (USA 66) Block IIA Navstar SVN 23 GPS 2-10 26.11.1990
Navstar 2A-02 (USA 71) Block IIA Navstar SVN 24 GPS 2-11 4.7.1991 - 24 satelliittia, konstellaatio ainakin lähellä riittävän tarkkaa paikannuskykyä globaalisti
Navstar 2A-03 (USA 79) Block IIA Navstar SVN 25 GPS 2-12 23.2.1992
Navstar 2A-04 (USA 80) Block IIA Navstar SVN 28 GPS 2-13 10.4.1992
Navstar 2A-05 (USA 83) Block IIA Navstar SVN 26 GPS 2-14 7.7.1992
Navstar 2A-06 (USA 84) Block IIA Navstar SVN 27 GPS 2-15 9.9.1992
Navstar 2A-07 (USA 85) Block IIA Navstar SVN 32 GPS 2-16 22.11.1992
Navstar 2A-08 (USA 87) Block IIA Navstar SVN 29 GPS 2-17 10.12.1992
Navstar 2A-09 (USA 88) Block IIA Navstar SVN 22 GPS 2-18 3.2.1993
Navstar 2A-10 (USA 90) Block IIA Navstar SVN 31 GPS 2-19 30.3.1993

Navstar 2A-11 (USA 91) Block IIA Navstar SVN 37 GPS 2-20 13.5.1993
Navstar 2A-12 (USA 93) Block IIA Navstar SVN 39 GPS 2-21 26.6.1993
Navstar 2A-13 (USA 94) Block IIA Navstar SVN 35 GPS 2-22 30.8.1993
Navstar 2A-14 (USA 96) Block IIA Navstar SVN 34 GPS 2-23 28.10.1993
Navstar 2A-15 (USA 100) Block IIA Navstar SVN 36 GPS 2-24 10.3.1994
Navstar 2A-16 (USA 117) Block IIA Navstar SVN 33 GPS 2-25 28.3.1996
Navstar 2A-17 (USA 126) Block IIA Navstar SVN 40 GPS 2-26 16.7.1996
Navstar 2A-18 (USA 128) Block IIA Navstar SVN 30 GPS 2-27 12.9.1996
n/a Block IIR Navstar SVN 42 GPS 2R-1 17.1.1997
Navstar 43 (USA 132) Block IIR Navstar SVN 43 GPS 2R-2 23.7.1997

Navstar 38 (USA 135) Block IIA Navstar SVN 38 GPS 2A-28 6.11.1997
Navstar 46 (USA 145) Block IIR Navstar SVN 46 GPS 2R-3 7.10.1999
Navstar 47 (USA 150) Block IIR Navstar SVN 51 GPS 2R-4 11.5.2000
Navstar 48 (USA 151) Block IIR Navstar SVN 44 GPS 2R-5 16.7.2000
Navstar 49 (USA 154) Block IIR Navstar SVN 41 GPS 2R-6 10.11.2000
Navstar 50 (USA 156) Block IIR Navstar SVN 54 GPS 2R-7 30.1.2001
Navstar 51 (USA 166) Block IIR Navstar SVN 56 GPS 2R-8 29.1.2003
Navstar 52 (USA 168) Block IIR Navstar SVN 45 GPS 2R-9 31.3.2003
Navstar 53 (USA 175) Block IIR Navstar SVN 47 GPS 2R-10 21.12.2003
Navstar 54 (USA 177) Block IIR Navstar SVN 59 GPS 2R-11 20.3.2004

Navstar 55 (USA 178) Block IIR Navstar SVN 60 GPS 2R-12 23.6.2004
Navstar 56 (USA 180) Block IIR Navstar SVN 61 GPS 2R-13 6.11.2004
Navstar 57 (USA 183) Block IIR-M1 Navstar SVN 57 GPS 2R-14 26.9.2005
Navstar 58 (USA 190) Block IIR-M2 Navstar SVN 52 GPS 2R-15 25.9.2006
Navstar 59 (USA 192) Block IIR-M3 Navstar SVN 58 GPS 2R-16 17.11.06
Navstar 60 (USA 196) Block IIR(M)-17 Navstar SVN 55 GPS 2R-17 17.10.2007
Navstar 61 (USA 199) Block IIR-M5 Navstar SVN 57 GPS 2R-18 20.12.2007
Navstar 62 (USA 201) Block IIR-M6 Navstar SVN 48 GPS IIR-19 15.3.2008
Navstar 63, valmistussarja Block IIR-M, tunnus Navstar SVN 49, GPS-tunnus GPS IIR-20, laukaisu 24.3.2009 - 59. GPS-satelliitti
Navstar 64, Block IIR-21M, SVN 50, laukaisu 17.8.2009
Navstar-2F 1 (USA 213), laukaisu 28.5.2010

Katso myös

Satelliittipaikannus, yleiskuvaus
GLONASS, venäläinen järjestelmä; Venäjällä on käytössä myös Transitin kaltainen Parus-järjestelmä
Galileo, EU:n 2000-luvun alussa kehitteillä oleva GPS:n kaltainen järjestelmä
Beidou, Kiinan kansantasavallan 2000-luvun alussa rakenteilla oleva satelliittipaikannusjärjestelmä
Paikannuslaite, käyttäjien paikantimet
GPS viikon pyörähdys

Lähteet

GPS-paikannus toimii jopa 70 000 kilometrin korkeudella www.avaruus.fi. Viitattu 8.11.2016.
http://www.spacenews.com/military/100330-gao-gps-launch-schedule-may-slip-further.html
http://www.spacenews.com/satellite_telecom/110304-group-decide-lightsquared-threat-gps.html
Käytännön Maamies 1/2009, sivu 60
Markku Poutanen: GPS-paikanmääritys. Ursa, 1999.
http://www.u-blox.com/services/index.html
http://www.sirf.com/tutorial.html
Käytännön Maamies, 1/2009, sivu 59
http://www.spacenews.com/military/100503-gps-problem-sidelines-weapons.html
http://www.rockwellcollins.com/ecat/gs/dagr.html
http://pda.moskova.info/index.php?option=com_content&task=view&id=496&Itemid=31
Twenty Years of GPS and Instrument Flight airandspace.si.edu. Viitattu 4.1.2022. (englanniksi)
http://www.verkkouutiset.fi/tulosta.php?id=136976
Metsähovin radio-observatorio | Kuulumisia kuvun alta blogs.aalto.fi. Viitattu 10.2.2016.
USAn ilmavoimat pimensivät vahingossa BBC:n digiradiolähetykset www.avaruus.fi. Viitattu 10.2.2016.
http://claudelafleur.qc.ca/Navstar.html

Aiheesta muualla

U.S. Naval Observatory (USNO) GPS Operations (englanniksi)
Navstar (englanniksi)
Digita/Fokus
Kaavio GPS:n avulla ohjautuvasta älykkäästä pommista (norjaksi)
Presidentti Bush valittaa 24. maaliskuuta 2003 puhelinkeskustelussa presidentti Putinille venäläisistä aseista (englanniksi)
Tohtori Mihail Pavlovitš Ivanovin ja tohtori Valentin Vladimirovitš Kašinovin GPS-häirintäkokeiden tuloksia 22.–26. huhtikuuta 2001 (englanniksi)
Kuusi GPS:n häirintätapaa (englanniksi)
Yhdysvaltain uskotaan häirinneen GPS:n siviilisignaalia Afganistanissa talebanien toiminnan vaikeuttamiseksi (englanniksi)
International GPS Service (englanniksi)
EUREF (englanniksi)
EGNOS (englanniksi)
http://www.astronautix.com/project/navstar.htm (englanniksi)
Markku Poutanen (1998): GPS-paikanmääritys. URSA, ISBN 951-9269-89-4.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[:1-1] GPS-paikannus toimii jopa 70 000 kilometrin korkeudella www.avaruus.fi. Viitattu 8.11.2016.

[2] ttp://www.spacenews.com/military/100330-gao-gps-launch-schedule-may-slip-further.html

[Nimetön-rDPf-1-3] ttp://www.spacenews.com/satellite_telecom/110304-group-decide-lightsquared-threat-gps.html

[maamies60-4] Käytännön Maamies 1/2009, sivu 60

[5] Markku Poutanen: GPS-paikanmääritys. Ursa, 1999.

[6] ttp://www.u-blox.com/services/index.html

[7] ttp://www.sirf.com/tutorial.html

[maamies59-8] Käytännön Maamies, 1/2009, sivu 59

[9] ttp://www.spacenews.com/military/100503-gps-problem-sidelines-weapons.html

[10] ttp://www.rockwellcollins.com/ecat/gs/dagr.html

[11] ttp://pda.moskova.info/index.php?option=com_content&task=view&id=496&Itemid=31

[12] Twenty Years of GPS and Instrument Flight airandspace.si.edu. Viitattu 4.1.2022. (englanniksi)

[13] ttp://www.verkkouutiset.fi/tulosta.php?id=136976

[:0-14] Metsähovin radio-observatorio | Kuulumisia kuvun alta blogs.aalto.fi. Viitattu 10.2.2016.

[15] USAn ilmavoimat pimensivät vahingossa BBC:n digiradiolähetykset www.avaruus.fi. Viitattu 10.2.2016.

[16] ttp://claudelafleur.qc.ca/Navstar.html