Hva du bør vite om satellittnavigasjon

Hvordan fungerer satellittnavigasjon?
Vær oppmerksom på mulig signalskjerming
Forstyrrelser fra andre radiokilder
Reflekterte signaler kan gi unøyaktig posisjon
Hva er satellittgeometri?

Satellittsystemer tilbyr i dag tilbyr posisjon, navigasjon og tidsangivelse (PNT). USA og Russland opererer i dag hvert sitt globale system, henholdsvis GPS og GLONASS. Begge er militære systemer, men spesielt GPS har fått stor sivil betydning. 

Et tredje system, Galileo, er planlagt å være i drift rundt 2015. Galileo er et system under sivil kontroll, eiet og drevet av Den europeiske union (EU). Kina planlegger sitt eget globale satellittnavigasjonssystem (Beidou) som ventes å bli satt i drift rundt 2020. Slike satellittsystemer går under fellesbetegnelsen GNSS (Global Navigation Satellite Systems). 

Hvordan fungerer satellittnavigasjon?

Et satellittnavigasjonssystem består av satellitter, et bakkesegment med kontroll- og referansestasjoner samt et brukersegment med mottakere. Satellittene utplasseres hovedsakelig i omlag 20 000 km høyde. Denne banehøyden er den mest gunstige for en optimal dekning av jordoverflaten.

Bakkesegmentet består av en sentral kontrollstasjon og flere målestasjoner plassert ulike steder på jordas overflate. Disse stasjonene overvåker navigasjonsytelsen og helsetilstanden til satellittene, og sender data tilbake til kontrollstasjonen for prosessering. Deretter sender kontrollstasjonen korrigert informasjon til hver enkelt satellitt som deretter inkluderer oppdatert informasjon som del av navigasjonssignalet.

Brukersegmentet består av mottakere som beregner sin posisjon basert på navigasjons- og tidssignaler fra satellittene.

For å fastslå din 3D-posisjon (horisontal- og høydeposisjon) må din mottaker motta signaler fra minst fire navigasjonssatellitter. Mottakeren angir avstanden mellom brukeren og hver av satellittene ved å måle tiden som signalet bruker for å tilbakelegge distansen mellom satellitten og mottakerens antenne. Den fjerde satellitten brukes for å synkronisere mottakerens klokke med den felles tidsreferansen som anvendes i alle satellittene.

Generelt gjelder det at jo flere satellitter som kan anvendes, jo bedre posisjonsnøyaktighet er det mulig å oppnå.

Nøyaktig posisjonering forutsetter en nøyaktig beregning av distansen mellom mottakeren og satellitten, og dette innebærer en meget nøyaktig måling av den tiden radiosignalet bruker på å tilbakelegge distansen mellom satellitten og mottakeren. Fordi radiosignaler beveger seg med lysets hastighet, opereres det med tidsenheter på milliarddeler av et sekund (nanosekund).

Eksempelvis vil et tidsavvik på et nanosekund medføre et posisjonsavvik tilsvarende 30 cm.

Mottakeren mottar tidsmerkede signaler fra satellitten og sammenligner dem med tid i mottakerens klokke. All tidsinformasjon kontrolleres av presise atomklokker i satellittene. For at et satellittnavigasjonssystem skal gi god ytelse over alt på kloden, må atomklokkene i satellittene synkroniseres med en felles tidsreferanse på bakken, og satellittbanene må regelmessig beregnes.

Vær oppmerksom på mulig signalskjerming

Satellittsignalene er sårbare for skjerming. Mottak av signaler krever mest mulig fri sikt til satellittene. Mottakeren må ha tilgang til minst fire satellitter for å angi nøyaktig horisontal og vertikal posisjon.

Flere satellitter redusere sannsynligheten for signalskjerming. Illustrasjon: Norsk Romsenter.

Signalene kan svekkes når du bruker mottakeren i byområder med høye bygninger, i daler og fjorder med omliggende fjell, i tette skogsområder, i nærheten av store konstruksjoner og dersom mottaker holdes nært inntil kroppen. Innendørs og i tunneler vil du oppleve at signalet faller helt bort.

Når du ferdes i båt i norske fjordområder omgitt av høye fjell, er antallet synlige navigasjonssatellitter en kritisk faktor for å få nøyaktig posisjon.

Fra rundt 2015 vil flere satellitter redusere sannsynligheten for signalskjerming. Signaltilgjengelighet vil spesielt bli forbedret i bystrøk med høye bygninger, under vanskelige terrengforhold og nær høye konstruksjoner.

Forstyrrelser fra andre radiokilder

Signalene fra GPS-satellitter er i utgangspunktet relativt svake. Den lave sendereffekten på satellittene gjør at signalene lett kan forstyrres. Forstyrrelser kan oppstå dersom annet radioutstyr sender på de samme eller nær frekvensene som benyttes for satellittsignalene. Ofte vil dette være forbigående fenomener eller effekter man kan unngå om man fjerner eller skjermer seg fra kilden.

Reflekterte signaler kan gi unøyaktig posisjon

På fagspråket går reflekterte signaler under betegnelsen flerveisinterferens. Mottakeren kan i enkelte tilfeller vise feil posisjon dersom den fanger opp et signal som er reflektert fra en flate i nærheten av mottakeren i stedet for eller i tillegg til signalet som kommer direkte fra satellitten.

Flerveisinterferens. Illustrasjon: www.kowoma.de.

En slik flate kan være en bygning, en bil, en vann- eller snøflate eller andre reflekterende objekter. Fenomenet kan også oppstå i skogsområder. Når en mottaker er utsatt for reflekterte signaler registrerer den ikke den korrekte avstanden mellom satellitten og mottakerantennen, men derimot avstanden via den reflekterende flaten. De reflekterte signalene bruker lengre tid enn det direkte signalet på å nå mottakeren og forårsaker dermed unøyaktig posisjonering og navigasjon.

Som GPS-bruker må du til enhver tid være oppmerksom på mulige refleksjonskilder i nærheten av mottakeren.

Risikoen for signalrefleksjon er stor i mange brukeromgivelser. Sannsynligheten for uheldige navigasjonsmessige konsekvenser er imidlertid avhengig av brukerkompetanse og kvaliteten på brukerutstyret, og spesielt kommer dette an på antennen.

Flere satellitter vil være tilgjengelige fra rundt 2018, men vil i liten grad bidra til å redusere sannsynligheten for reflekterte signaler. Som bruker må du fortsatt være oppmerksom på eventuelle refleksjonskilder rundt mottakerantennen.

Hva er satellittgeometri?

Satellittenes posisjon på himmelen endrer seg hele tiden og innvirker på posisjonsnøyaktigheten. På fagspråket betyr satellittgeometri satellittenes innbyrdes posisjon på himmelen sett fra brukeren.

Eksempel på ugunstig satellittgeometri: Foto: Wikemedia Commons.

Man skiller mellom god og mindre god satellittgeometri. En mottaker som bare har fri sikt til fire satellitter og der alle er plassert nær hverandre eller på en rett linje på himmelen, vil ha vanskeligheter med å beregne en nøyaktig posisjon.

Fri sikt til satellitter med god spredning over hele himmelen vil gi bedre posisjonsnøyaktighet.

Eksempel på god satellittgeometri: Foto: Wikimedia Commons.

Ugunstig satellittgeometri er ikke en statisk situasjon. Etter hvert som satellittene beveger seg i sine respektive baner vil geometrien variere. Flere satellitter med god spredning  gir bedre satellittgeometri og dermed forbedret ytelse. Risikoen for tap eller degradering av signaler på grunn av ugunstig satellittgeometri er blant annet avhengig av satellittenes innbyrdes posisjon og skjermingsforhold rundt mottakeren.

Sannsynligheten for ugunstig satellittgeometri er blitt redusert gjennom oppskyting av flere GPS- og GLONASS-satellitter. Når det europeiske satellittnavigasjonssystemet Galileo settes i drift fra 2015 vil problemet med ugunstig satellittgeometri gradvis bli så godt som eliminert.