Fagstoff

Satellittnavigasjon

Publisert: 08.10.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut
GPS mottaker

Det er ikke noe nytt at menneskene benytter legemer i verdensrommet til å orientere seg på jorda. Stjernene ble tidlig brukt til å bestemme retning. Polstjerna er nær den geografiske nordpolen, og var derfor velegnet for bestemmelse av himmelretning. Sola, eller solhøyden ved middag, ble tidlig brukt til å bestemme nord-sør-posisjon, breddegrad. Et klassisk problem innen navigasjon er bestemmelse av øst-vest posisjon, da dette er avhengig av nøyaktig klokke. Et stort problem var å konstruere nøyaktige klokker som kunne brukes om bord i skip, som kunne tåle sjøgang og temperaturforskjeller. Nå er satellittbaserte navigasjonssystemer nærmest blitt enerådende. Det er nå to globale systemer i drift, GPS og GLONASS, mens Europa bygger ut Galileo-systemet og Kina bygger ut sitt system BeiDou.

I dag bestemmer vi posisjonen på bakken ved hjelp romteknologi, flere enn 20 satellitter i over 20 000 kilometers høyde, og disse satellittene beveger seg med en hastighet på over 3 km/s. Det amerikanske GPS-systemet kan brukes for nøyaktig geodetisk posisjonsbestemmelse (cm-nøyaktighet), og det kan brukes av små og billige portable mottakere med imponerende presisjon og brukervennlighet og med en nøyaktighet i området meter. Sovjetunionen har utviklet et lignende system. Det er nå flere andre lignende systemer under utvikling. Den europeiske aktiviteten er organisert i det såkalte Galileo-prosjektet og med ESA og Europakommisjonen som pådrivere og med deltakelse av europeisk industri, også norsk.

KnickebeinKnickebein
Opphavsmann: Public domain

 

 

 

 

 

Navigasjon basert på DoplerforskyvningNavigasjon basert på dopplerforskyvning
Forfatter: Gunnar Stette

 

Steilheten for kurven viser avstanden til signalkilden, mens tidspunktet for 0 dopplerskift angir posisjon langs bana.

 

 

 

 

Geometrisk sted for konstant avstand fra én satellittEn satellitt
Opphavsmann: Gunnar Stette

 

 

 

To satellitterTo satellitter
Opphavsmann: Gunnar Stette

 

 

 

 

 

Tre satellitterTre satellitter
Opphavsmann: Gunnar Stette

 

Prinsipper for posisjonsbestemmelse

Retningsmåling

Utvikling av systemer for radionavigasjon begynte under den andre verdenskrig, og det var basert på retningsmåling. Da utviklet tyskerne er system, Knickebein, som ble brukt til å lede bombefly inn over de britiske øyene. Senere har vi fått andre jordbaserte systemer, som Decca, Loran og Omega, som var basert på måling av avstand til kjente referansestasjoner. Alle disse systemene er nå erstattet av rombaserte systemer, i første rekke Navstar, eller GPS(General Positioning System).

Måling av Dopplerforskyvning

Et tidlig satellittsystem, TRANSIT, var basert på utnyttelse av Dopplerforskyvning. Når avstanden til en radiosendere forandrer seg vil frekvensen på det mottatte signalet variere avhengig av hvor raskt avstanden forandrer seg. Hvis avstanden reduseres med en bølgelengde per sekund vil mottatt frekvens øke med 1 Hz. Når avstanden til senderen øker blir frekvensen tilsvarende redusert.

En fordel med dette prinsippet er at en enkel satellitt er tilstrekkelig for å bestemme en posisjon på bakken (når vi kjenner høyden over havet, altså todimensjonalt), men det vil være en tvetydighet. Det er to punkt på jordoverflata som vil ha samme Dopplerforskyvning, og da vet vi i prinsippet ikke på hvilken side av banesporet vi befinner oss. I praksis behøver dette ikke å være noe problem. Hvis vi er i en båt og ett av punktene er på land er problemet trivielt.

Avstandsmåling

Et annet prinsipp er å benytte avstandsmålinger. Hvis vi kjenner nøyaktig når et signal er sendt fra en satellitt, og hvis vi kan registrere nøyaktig tidspunktet for mottaking, vil tidsforsinkelsen være gitt. Med kjent hastighet for radiobølgene vil dermed også avstanden fra satellitten være kjent. Da vil vi vite at vi er på ei kuleflate med satellitten i sentrum og med avstanden som radius.

Ei tilsvarende måling på signal fra en annen satellitt bestemmer posisjonen på en annen kule med kjent radius og med sentrum på den andre satellitten. Siden vi må befinne oss på begge kuleflatene vet vi at posisjonen vår må være på den ringen hvor de to kuleflatene skjærer hverandre. Hvis vi videre vet at vi befinner oss på jordoverflata vil posisjonen være et av skjæringspunktene mellom denne sirkelen og jordoverflata. Det vil være to slike skjæringspunkt.

For posisjonsbestemmelse i tre dimensjoner må vi foreta avstandsmåling fra tre satellitter. Stengt tatt vil måling mot tre satellitter også gi en tvetydighet, men den andre posisjonen vil mest sannsynlig befinne seg i en fullstendig usannsynlig posisjon ute i verdensrommet.

De tre målingene definerer ett punkt i rommet, forutsatt at målenøyaktigheten er perfekt. Det krever at vi har helt nøyaktig klokke. Måling mot en fjerde satellitt gir mulighet for å estimere klokkefeil, og det er denne metoden som brukes av små portable og rimelige mottakere med begrenset klokkenøyaktighet. Jo flere satellitter det måles mot desto bedre er nøyaktighet. Avstandsmåling fra flere kilder er det prinsippet som er valgt for navigasjonssystemene GPS-systemet, GLONASS og Galileo.

Oppgaver

Generelt