TKK | Tietoverkkolaboratorio | Opetus

GPS Yleiskuvaus Teoria Historia Käytäntö Linkkejä Takaisin aloitussivulle Tekijät Lähteet

GPS:n teoriaa Johdanto Tässä osiossa käsitellään lyhyesti GPS-laitteistoon liittyvää teoriaa. Tarkoitus ei kuitenkaan ole mennä kovinkaan syvällisiin tietoihin, vaan aihetta käsitellään yleismaailmallisesti, eikä tämän kappaleen lukeminen vaadi fysiikan tai matematiikan syvällistä osaamista, perusasioita on kuitenkin hyvä tietää. Ajan ja paikan mittauksista Satelliittipaikannusta käytettäessä ajan mittauksen on oltava tarkkaa niin satelliiteissa kuin vastaanottimessakin. Tämä vaatimus johtuu siitä, että satelliittien käyttämät radioaallot etenevät valon nopeudella. Yksi metri vastaa silloin ajassa mitattuna noin kolmea nanosekuntia. Satelliitteihin onkin asennettu huipputarkat atomikellot, jotka varmistavat satelliittien lähetyksien tapahtumisen ajallaan. Näin tarkat kellot ovat kuitenkin kalliita kapistuksia, eikä sellaisia kovin mielellään haluttaisi sisällyttää tavallisiin GPS-vastaanottimiin. Ongelma on ratkaistu siten, että käytetään paikantamiseen kolmen satelliitin asemesta neljää. Silloin voidaan vastaanottimen kellon käyntivirhettä pitää tuntemattomana muuttujana (neljästä riippumattomasta yhtälöstähän voidaan ratkaista neljä tuntematonta), jolloin vastaanottimien kelloina voidaan käyttää huokeita kideoskillaattoreita. Toinen tarkkuutta vaativa asia GPS-järjestelmässä on satelliittien sijainti. Jotta vastaanottimen sijainti saataisiin kolmiomittauksen tavoin määritettyä, on tietysti oletettava lähettimien sijainti riittävän tarkasti tunnetuksi. Tämä tuntuisi olevan melkoinen haaste, kiertäväthän satelliitit 20 000 km korkeudella ja silti mitattavat paikkaerot ovat pienimmillään metrin luokkaa. Järjestelmä kuitenkin toimii, sillä maa-asemat seuraavat tarkasti satelliittien kiertoratoja ja lähettävät tiedot radioteitse itse satelliitteihin. Satelliitit puolestaan lähettävät nämä tiedot edelleen vastaanottimille tunnistesignaaliensa ohessa. Samalla tavoin lähetetään tietoa mm. maan ionosfäärin radioaaltojen etenemiseen aiheuttamista poikkeamista. GPS-järjestelmän tarjoamat palvelut Tarkka paikanmäärittäminen PPS (Precise Positioning Service) on erittäin tarkka ajan, paikan ja nopeuden määrittämispalvelu. Sen käyttö on rajattua ja oikeuden tämän tyyppisen palvelun käyttöön myöntää U.S Department of Defence. Tämän vuoksi PPS:n käyttämä tieto tulee satelliiteilta salattuna. PPS mahdollistaa kolmiulotteisen paikan määrityksen noin 37 m:n tarkkuudella, ajan määrityksen noin 197 nanosekunnin tarkkuudella. Näin päästään jopa 0,2 m/s tarkkuuteen nopeuden määrityksessä. "Tavallinen" paikanmäärityspalvelu SPS (Standard Positioning Service) sen sijaan on toiminto, joka on kaikkien GPS-käyttäjien saatavilla. Se onkin suunnattu lähinnä siviilikäyttöön, vaikka sillä on käyttöä rauhanajan sotilaskäytössä. Tarkkuudet eivät yllä samalle tasolle kuin PPS:ää käytettäessä. Käytännössä päästään 156 m tarkkuuteen kolmiulotteisessa paikanmäärityksessä ja voidaan saavuttaa ajan määritys 337 ns tarkkuudella. Vaikka SPS on suunnattu kaikille käyttäjille, on sen tarkkuutta mahdollisuus huonontaa, esimerkiksi sotatilanteessa. Vain Yhdysvaltain presidentillä on mahdollisuus määrätä SPS:n epätarkkuuden lisäämisestä. Differentiaali-GPS Differentiaali-GPS perustuu siihen, että tarkasti tunnetussa paikassa otetaan vastaan satelliittien lähettämiä signaaleja. Koska vastaanottopaikka tiedetään, voidaan laskea satelliittien signaaleissa oleva virhe selvittää vertaamalla niitä tunnettuihin, "oikeisiin" signaaleihin. Näin saadaan tietoon sekä tahallisesti signaaleihin lisätty virhe että jonkin verran myös järjestelmään liittyvää tahatonta virhettä. Kun satelliittien virhe on tiedossa, se voidaan ottaa huomioon myös liikkkuvissa vastaanottimissa yksinkertaisesti vähentämällä se satelliittien signaaleista. Virhetiedot vain pitää jotenkin välittää reaaliajassa kiinteältä asemalta paikannukseen käytettäville vastaanottimille. Suomessa esim. Merenkulkulaitos ja Yleisradio tarjoavat tällaista palvelua. YLE:n järjestelmässä differentiaali-GPS:n korjaustiedot lähetetään RDS-viesteinä Radio Suomen lähetysten yhteydessä. Tälle systeemille luvataan jopa alle kahden metrin tarkkuus. GPS:n käyttämät koodit ja signaalit, lyhyt oppimäärä Satelliitit lähettävät signaaleja kahdella taajuudella. Taajuudet ovat 1575 MHz (Link 1) ja 1228 MHz (Link 2). Koodit, joita taajuuksilla lähetetään ovat C/A koodi ja P(Y) koodi, sekä navigointisanoma. C/A koodi on siviilikäyttöön suunnattu, kun taas P(Y) on tarkoitettu edellä mainittuun PPS palveluun. Itse asiassa salattua P-koodia, jota satelliitti lähettää, kutsutaan Y-koodiksi ja tämä on johtanut nimen P(Y) käyttämiseen. Navigointiviesti on sisällytetty C/A- ja P(Y)-koodeihin ja se sisältää satelliitin tietoja, kuten kellokorjauksen, satelliitin kunnosta kertovaa tietoa sekä erilaisia kertoimia, joiden avulla pystytään korjaamaan satelliitin lähettämän signaalin muuttumisesta ilmakehässä aiheutuvaa virhettä.

Tietoverkkolaboratorio on nyt osa Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitosta. Tällä sivulla oleva tieto voi olla vanhentunutta.

Kurssien ajantasainen tieto on MyCourses-palvelussa.