GPS - Satellittnavigasjon

Det er ikke noe nytt at menneskene benytter verdensrommet for å finne ut hvor de befinner seg, eller for å bestemme retningene, det som vi også i dag kaller ”himmelretningene”. Det som er nytt de siste tiårene er at vi bruker satellitter, kunstige himmellegemer som går i baner rundt jorda. Disse gir mye nøyaktigere informasjon enn sol og stjerner, og dessuten virker de uavhengig av været.

 

Satelitter rundt jorda

Stadig flere bruker GPS-mottakere for å bestemme hvor de er, men hvordan virker systemet? Hvordan er det mulig å bruke satellitter i verdensrommet som er over 20000 km fra oss, og som beveger seg med en hastighet på nesten 4 kilometer i sekundet? Og hvor nøyaktig kan vi bestemme posisjonen vår?

En vanlig mottaker til turbruk gir en nøyaktighet på noen meter, mens profesjonelle mottakere kan gjøre målingene mye nøyaktigere. Når brøytebilene på Sognefjellet skal åpne veien etter vinteren, vil veien selvfølgelig være skjult under metertykk snø. Da brukes signalene fra navigasjonssatellittene, og veien blir brøytet på riktig sted.

Virkemåte

GPS illustrasjon 1

Prinsippet for GPS-systemet er avstandsmåling fra punkt med kjent posisjon, og dette prinsippet kan vi bruke selv om punktet beveger seg med flere kilometer i sekundet. Hvis vi kjenner avstanden til et punkt, vet vi at vi befinner oss på ei kuleflate med denne avstanden som radius.

 

 

Hvis vi samtidig kjenner avstanden til et annet punkt vet vi at vi også befinner oss på ei kuleflate med dette punktet i sentrum og med denne avstanden som radius. Siden vi vet hvilke to kuleflater vi befinner oss på, må vi nødvendigvis være på den sirkelen som er felles for begge kulene. Hvis vi også kan måle avstanden fra et tredje punkt, kan vi bestemme vår posisjon til de punktene hvor sirkelen skjærer den tredje kuleflata.

 

GPS illustrasjon 1

Som vi ser, er det to punkter som har de egenskapene. Det ene er på jorda, mens det andre kanskje er langt ute i verdensrommet, og da er det ikke vanskelig å vite hvilket punkt vi befinner oss i.

Skal vi få dette til, må vi vite nøyaktig når signalene fra satellittene ble sendt og hvor satellittene var da signalet ble sendt. Dessuten må vi vite nøyaktig når de kommer til vår GPS-mottaker. Og hva er nøyaktig i denne sammenhengen?

 

GPS illustrasjon 3

Vi vet at radiobølgene går 300000 km i hvert sekund. Hvis vi skal finne posisjonen vår med en nøyaktighet på 300 meter, må vi måle tid med en nøyaktighet på 1 milliontedels sekund! Og vi vil ha posisjonen enda nøyaktigere! Mottakeren vår vil ikke ha så nøyaktig klokke. Løsningen er å ta mot signaler fra flere satellitter. Den tilleggsinformasjonen vi da får, bruker vi til å korrigere klokka i mottakeren vår, og jo flere satellitter vi kan motta signaler fra, desto nøyaktigere blir posisjonen.

Når vi slår på en GPS-mottaker, må den finne den første satellitten, lese fra signalene hvor den flyr og når den sender ut signalet sitt, og måle avstanden. Dette kan ta noen minutter, i hver fall hvis vi er på et nytt sted. Denne satellitten forteller også om posisjonen og signalene for de andre satellittene i nærheten slik at det går raskere å finne de andre som er nødvendig for nøyaktig posisjonsbestemmelse.

GPS-systemet har en presisjon som er 15 meter eller bedre. Det arbeides med å forbedre dette systemet ved å opprette en rekke landbaserte stasjoner som samarbeider med de nevnte satellittene (EGNOS). Systemet som helhet kan forbedre nøyaktigheten på GPS til bedre enn5 meter.

Praktisk utnyttelse

En posisjon kan beskrives med lengde og breddegrader, men ofte behøver vi ikke alltid å bekymre oss om slikt. Hvis vi skal finne igjen en fiskeplass på det åpne havet, kan vi trykke på en knapp på GPS-mottakeren og velge at det for eksempel skal være posisjon nummer15. Når vi neste dag skal finne igjen fiskeplassen ber vi mottakeren finne posisjon 15. Den finner da først hvor vi er. Deretter regner den ut avstand og retning til posisjon 15, og hvis vi forteller den hvor hurtig båten går, kan GPS-mottakeren også regne ut og vise hvor lang tid det tar å gå dit.

Hvis vi skal finne igjen en butikk i en stor by i Kina, hvor vi verken kan lese butikknavnet eller gatenavnet, kan vi registrere adressen i mottakeren ved å trykke på en knapp, og denne posisjonen kan overføres til en annen mottaker slik at andre også kan finne stedet.

Det blir stadig mer vanlig å utnytte GPS-mottakere i biler. Navigasjonssystemet registrer posisjonen fra GPS-mottakeren sammen med kilometertelleren og informasjon fra digitale kart. Dermed kan systemet dirigere sjåføren til nøyaktig gateadresse.

GPS-mottakere kan ofte kombineres med mobiltelefoner og andre radioer, og dermed kan både personer og kjøretøy rapportere posisjonen. De kan gjøres stadig mindre, og de kan bygges inn i forskjellig utstyr. Da vil vi få mange nye anvendelser

  • Hjelp til den som har gått seg vill
  • Anrop til nødnummer for medisinsk assistanse, 113, med automatisk posisjon
  • Hjelp til ambulanse under utrykning som skal finne raskeste vei til et ulykkessted
  • Studium av bevegelsene til ville dyr, som ulv og bjørn

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i naturfag

  • Etter 10. årstrinn
    • Teknologi og design
      • beskrive et elektronisk kommunikasjonssystem, forklare hvordan informasjon overføres fra avsender til mottaker, og gjøre rede for positive og negative konsekvenser

Læreplan i geofag - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Geofag 1
    • Geofaglig verktøykasse
      • trekke ut og analysere informasjon fra forskjellige typer geofaglige kart, flybilder, radarplott og satellittbilder
      • innhente, bearbeide og presentere geofaglig informasjon ved bruk av digitale verktøy