Mikä on GPS ja kuinka tarkka se on?

MIKÄ ON GPS?

Global Positioning System (GPS) on Yhdysvaltain hallituksen omistama satelliittinavigointijärjestelmä, joka koostuu tällä hetkellä vähintään 24 toiminnassa olevasta satelliitista. GPS toimii kaikissa sääolosuhteissa missä päin maailmaa tahansa, 24 tuntia vuorokaudessa, ilman tilaus- tai käyttöönottomaksuja. Yhdysvaltain puolustusministeriö (USDOD) laukaisi satelliitit alun perin kiertoradalle sotilaskäyttöön, mutta ne avattiin siviilikäyttöön 1980-luvulla.

MITEN GPS TOIMII?

GPS-satelliitit kiertävät maapallon kahdesti vuorokaudessa tarkalla kiertoradalla. Jokainen satelliitti lähettää yksilöllistä signaalia ja kiertorataparametreja, joiden avulla GPS-laitteet voivat purkaa ja laskea satelliitin tarkan sijainnin. GPS-vastaanottimet käyttävät näitä tietoja ja kolmiomittausta käyttäjän tarkan sijainnin laskemiseen. Pohjimmiltaan GPS-vastaanotin mittaa etäisyyden kuhunkin satelliittiin sen ajan perusteella, joka lähetetyn signaalin vastaanottamiseen kuluu. Useiden satelliittien etäisyysmittausten avulla vastaanotin voi määrittää käyttäjän sijainnin ja näyttää sen sähköisesti, jotta voit mitata juoksureittisi, kartoittaa golfkentän, löytää tien kotiin tai seikkailla missä tahansa.

Nykyään GPS on sisäänrakennettu kaikenlaisiin laitteisiin, kuten älykelloihin, satelliittiviestimiin, autoihin, veneisiin ja moniin muihin. Laskeakseen 2D-sijaintisi (leveys- ja pituusaste) ja seuratakseen liikettä GPS-vastaanottimen on lukittauduttava vähintään kolmen satelliitin signaaliin. Kun näkyvissä on neljä tai useampia satelliitteja, vastaanotin voi määrittää 3D-sijaintisi (leveysaste, pituusaste ja korkeus). Yleensä GPS-vastaanotin seuraa kahdeksaa tai useampaa satelliittia, mutta se riippuu vuorokaudenajasta ja siitä, missä päin maapalloa olet. Jotkin laitteet pystyvät tekemään kaiken tämän suoraan ranteestasi.

Kun sijaintisi on määritetty, GPS-laite voi laskea muita tietoja, kuten:

• nopeus
• suuntima
• jälki
• matkan pituus
• etäisyys määränpäähän
• auringonnousu- ja -laskuajat
• ja paljon muuta

KUINKA TARKKA GPS ON?

Nykyiset GPS-vastaanottimet ovat erittäin tarkkoja rinnakkaisen monikanavaisen rakenteensa ansiosta. Vastaanottimemme lukittautuvat satelliitteihin nopeasti, kun ne kytketään päälle ensimmäistä kertaa. Ne säilyttävät seurantalukituksen jopa tiheän puuston alla tai kaupunkiympäristössä korkeiden rakennusten välissä. Tietyt ilmakehän tekijät ja muut virhelähteet voivat vaikuttaa GPS-vastaanottimien tarkkuuteen. Garminin GPS-vastaanottimet ovat tyypillisesti 10 metrin tarkkuudella. Tarkkuus on vielä parempi vesillä, koska signaalia häiritseviä esteitä ei ole.

GPS-SATELLIITTIJÄRJESTELMÄ

GPS:n avaruussegmentin tällä hetkellä muodostavat 31 satelliittia kiertävät maapalloa noin 19 000 km:n korkeudella. Nämä satelliitit liikkuvat jatkuvasti ja tekevät kaksi täyttä kierrosta alle 24 tunnissa. Ne kulkevat noin 11 000 km:n tuntinopeudella. Pienet ohjausrakettimoottorit pitävät jokaisen satelliitin oikealla radalla.

Tässä lisää mielenkiintoisia faktoja GPS-satelliiteista:

• GPS:n virallinen nimi Yhdysvaltain puolustusministeriössä on NAVSTAR.
• Ensimmäinen GPS-satelliitti laukaistiin kiertoradalle vuonna 1978.
• 24 satelliitin täysi konstellaatio saavutettiin vuonna 1994.
• Jokainen satelliitti on rakennettu kestämään noin 10 vuotta. Korvaavia satelliitteja rakennetaan ja laukaistaan kiertoradalle jatkuvasti.
• GPS-satelliitti painaa noin 900 kg ja on aurinkopaneelit avattuina noin 5 m leveä.
• GPS-satelliitit toimivat aurinkoenergialla, mutta niissä on varalta akut auringonpimennyksen varalle.
• Lähettimen teho on vain 50 wattia tai vähemmän.
• GPS ottaa parhaillaan käyttöön Block III:a, kolmannen sukupolven satelliitteja.

MUUT GPS-JÄRJESTELMÄT

Maailmalla on muitakin GPS:n kaltaisia järjestelmiä, jotka kaikki luokitellaan maailmanlaajuisiksi satelliittinavigointijärjestelmiksi (GNSS). GNSS on yleistermi, joka tarkoittaa kaikkia satelliittinavigointijärjestelmiä. Useimmat Garmin-vastaanottimet seuraavat GPS-, GLONASS- ja Galileo-järjestelmiä, ja jotkin alueelliset versiot seuraavat jopa BeiDou- ja QZSS-järjestelmiä. Näitä kutsutaan joskus monikonstellaatiovastaanottimiksi, koska ne seuraavat ja käyttävät useita satelliittikonstellaatioita. Yleisesti ottaen ratkaisu on sitä luotettavampi, mitä useampaa satelliittia se seuraa. Uudemmat Garmin-tuotteet voivat seurata lähes 20 tai 30 satelliittia.

MIKÄ ON SIGNAALI

Kun GPS-satelliittien signaalit saavuttavat maan pinnan, ne ovat uskomattoman heikkoja. Signaalit kulkevat näköyhteyttä pitkin, eli ne läpäisevät pilvet, lasin ja muovin, mutta eivät useimpia kiinteitä esineitä, kuten rakennuksia ja vuoria. Nykyaikaiset vastaanottimet ovat kuitenkin herkempiä ja pystyvät yleensä seuraamaan signaalia jopa talojen läpi.

Viime vuosina GPS on lisännyt kiertoradalle laukaistaviin satelliitteihin lisätaajuuden nimeltä L5. Tällä parannetulla signaalilla on suurempi teho ja paremmat seurantaominaisuudet kuin alkuperäisellä L1-signaalilla. Uudemmat Garminin GPS-vastaanottimet käyttävät nyt L5-signaalia tarkkuuden ja luotettavuuden parantamiseen. Tämä monitaajuusratkaisu ( eli sekä L1 että L5) antaa parempia tuloksia puuston alla tai kaupunkien rakennuskanjoneissa.

GPS-signaali sisältää kolmenlaista tietoa:

• Näennäissatunnainen koodi on tunnistekoodi, joka kertoo, mikä satelliitti lähettää tietoa. Näet laitteesi satelliittisivulta, mistä satelliiteista laitteesi vastaanottaa signaaleja.
• Efemeriditiedot tarvitaan satelliitin sijainnin määrittämiseen, ja ne antavat tärkeää tietoa satelliitin kunnosta sekä nykyisestä päivämäärästä ja kellonajasta.
• Almanakkatiedot kertovat GPS-vastaanottimelle, missä kunkin GPS-satelliitin pitäisi olla milloin tahansa usean kuukauden ajanjaksolla, ja ne näyttävät kyseisen satelliitin ja kaikkien muiden järjestelmän satelliittien kiertoratatiedot.
   

GPS-SIGNAALIN VIRHELÄHTEET

Seuraavat tekijät voivat vaikuttaa GPS-signaaliin ja sen tarkkuuteen:

• Ionosfäärin ja troposfäärin viiveet – satelliittisignaalit hidastuvat kulkiessaan ilmakehän läpi. GPS-järjestelmä käyttää sisäänrakennettua mallia tämäntyyppisten virheiden osittaiseen korjaamiseen.
• Signaalin monitie-eteneminen – GPS-signaali voi heijastua esimerkiksi korkeista rakennuksista tai suurista kalliopinnoista ennen kuin se saavuttaa vastaanottimen, mikä pidentää signaalin kulkuaikaa ja aiheuttaa virheitä. L5-signaali parantaa vastaanottimen kykyä erottaa, mitkä signaalit ovat heijastuksia ja mitkä tulevat suoraan näköyhteydeltä.
• Vastaanottimen kellovirheet – vastaanottimen sisäänrakennetussa kellossa voi olla pieniä ajoitusvirheitä, koska se on epätarkempi kuin GPS-satelliittien atomikellot.
• Kiertoratavirheet – satelliitin ilmoittama sijainti ei välttämättä ole tarkka.
• Näkyvien satelliittien määrä – mitä useamman satelliitin GPS-vastaanotin „näkee“, sitä parempi tarkkuus. Jos signaali on estetty, se voi aiheuttaa sijaintivirheitä tai sijaintia ei saada lainkaan. GPS-laitteet eivät yleensä toimi veden alla tai maan alla, mutta erittäin herkät vastaanottimet voivat silti seurata joitakin signaaleja rakennusten sisällä tai puiden alla.
• Satelliittien geometria / varjostus – Satelliittisignaalit ovat tehokkaampia, kun satelliitit sijaitsevat laajoissa kulmissa toisiinsa nähden eivätkä rivissä tai tiiviissä ryhmässä. Tästä syystä korkeus ei yleensä ole yhtä tarkka kuin vaakasijainti.
• Selective Availability (SA) – Yhdysvaltain puolustusministeriö sovelsi aikoinaan satelliitteihin SA:ta, joka teki signaaleista epätarkempia, jotta „viholliset“ eivät voisi käyttää erittäin tarkkoja GPS-signaaleja. Yhdysvaltain hallitus poisti SA:n käytöstä toukokuussa 2000, mikä paransi siviili-GPS-vastaanottimien tarkkuutta.