Når du åpner kartet på telefonen din og ser den lille blå prikken som viser hvor du befinner deg, virker det nesten som magi. Men bak denne tilsynelatende enkle funksjonen ligger et av de mest imponerende teknologiske systemene mennesker har skapt. GPS, eller Global Positioning System, er et nettverk av satellitter som sirkler rundt jorden og sender ut signaler som gjør det mulig å finne din eksakte posisjon hvor som helst på planeten.
Fra militær hemmelighet til hverdagsteknologi
GPS startet som et hemmelig militærprosjekt under den kalde krigen. Det amerikanske forsvaret begynte utviklingen på 1960-tallet, motivert av behovet for presis navigasjon for ubåter som bar atomvåpen. Systemet ble gradvis bygget ut gjennom 1970- og 80-tallet, med de første satellittene skutt opp i 1978.
En dramatisk hendelse i 1983 endret GPS-ens skjebne. Et koreansk passasjerfly på vei fra New York til Seoul fløy ved en feiltakelse inn i sovjetisk luftrom og ble skutt ned. Alle 269 om bord omkom. President Ronald Reagan bestemte kort tid etter at GPS skulle gjøres tilgjengelig for sivil bruk når systemet var ferdig utviklet, for å forhindre lignende tragedier.
Frem til år 2000 var sivile GPS-signaler bevisst gjort unøyaktige gjennom en funksjon kalt Selective Availability. Dette ga en nøyaktighet på rundt 100 meter, mens militæret hadde tilgang til langt mer presise signaler. Da denne begrensningen ble fjernet, eksploderte bruken av GPS i sivile anvendelser.
Satellitter i perfekt koreografi
GPS-systemet består av minst 24 aktive satellitter som befinner seg 20 200 kilometer over jordoverflaten. De beveger seg i seks forskjellige baner, med fire satellitter i hver bane. Denne plasseringen er nøye beregnet slik at minst fire satellitter alltid er synlige fra ethvert punkt på jorden.
Hver satellitt veier rundt et tonn og er utstyrt med solcellepaneler for strømforsyning. Om bord har de ekstremt nøyaktige atomklokker som holder tiden med en presisjon på noen milliarddeler av et sekund. Disse klokkene er helt avgjørende for at systemet skal fungere.
Satellittene sender kontinuerlig ut radiosignaler som inneholder to viktige typer informasjon: tidspunktet signalet ble sendt og satellittens eksakte posisjon i øyeblikket signalet ble sendt ut. Disse signalene beveger seg med lysets hastighet mot jorden.
Matematikken bak posisjoneringen
Når GPS-mottakeren din, enten det er en telefon eller en dedikert GPS-enhet, mottar signaler fra satellittene, begynner den å regne. Den måler hvor lang tid det tok for signalet å nå frem fra hver satellitt. Siden radiosignaler beveger seg med en kjent hastighet, kan mottakeren beregne avstanden til hver satellitt.
Med avstanden til én satellitt vet mottakeren at den befinner seg et sted på overflaten av en kule rundt satellitten. Med signaler fra to satellitter snevres dette inn til en sirkel der de to kulene krysser hverandre. Tre satellitter gir to mulige punkter, og fire satellitter gir én eksakt posisjon.
I praksis trenger systemet fire satellitter fordi mottakerens klokke ikke er like nøyaktig som atomklokkene i satellittene. Den fjerde satellitten brukes til å korrigere for denne tidsforskjellen. Jo flere satellitter mottakeren kan se, desto mer nøyaktig blir posisjoneringen.
Einsteins relativitetsteori i praksis
Et fascinerende aspekt ved GPS er at systemet ikke ville fungert uten å ta hensyn til Einsteins relativitetsteori. Satellittene beveger seg med høy hastighet i forhold til jorden, noe som ifølge den spesielle relativitetsteorien får tiden til å gå saktere for dem. Samtidig befinner de seg lengre unna jordens gravitasjonsfelt, hvilket ifølge den generelle relativitetsteorien får tiden til å gå raskere.
Nettoeffekten er at klokkene i satellittene går 38 mikrosekunder raskere per døgn enn klokker på jorden. Dette høres kanskje ubetydelig ut, men uten korreksjon for denne effekten ville GPS-systemet akkumulert en feil på over 10 kilometer per dag.
Styrker og begrensninger
GPS har mange åpenbare fordeler. Det fungerer over hele verden, døgnet rundt, i all slags vær. Systemet er gratis å bruke for alle med en mottaker, og nøyaktigheten er vanligvis mellom 5 og 10 meter under åpen himmel. For spesialiserte anvendelser med avansert utstyr kan nøyaktigheten komme ned i centimeter eller til og med millimeter.
Men teknologien har også sine svakheter. GPS-signalene er svake når de når jorden, omtrent like sterke som lyset fra en 25-watts lyspære sett fra 20 000 kilometers avstand. Dette gjør dem sårbare for forstyrrelser. Bygninger, fjell og tett skog kan blokkere eller reflektere signalene, noe som reduserer nøyaktigheten eller gjør det umulig å få posisjon.
Innendørs fungerer GPS vanligvis dårlig eller ikke i det hele tatt. Tunneler og parkeringshus er typiske problemområder. I byer med høye bygninger kan signalene sprette mellom bygningene før de når mottakeren, et fenomen som kalles multipath-effekten, som kan gi betydelige feil i posisjoneringen.
Systemet er også sårbart for jamming og spoofing. Med relativt enkelt utstyr kan noen sende ut signaler som forstyrrer eller overtar GPS-signalene i et område. Dette er en økende bekymring for både sivile og militære brukere.
Andre satellittnavigasjonssystemer
Selv om GPS var først og fortsatt er mest utbredt, er det ikke lenger det eneste globale satellittnavigasjonssystemet. Russland har GLONASS, som ble operativt på 1990-tallet. EU bygger Galileo, som forventes fullført snart. Kina har utviklet BeiDou, som nylig oppnådde global dekning.
Moderne smarttelefoner kan ofte bruke signaler fra flere av disse systemene samtidig, noe som gir bedre dekning og nøyaktighet, særlig i vanskelige forhold som trange bygater.
GPS i hverdagen og fremtiden
I dag bruker vi GPS til langt mer enn bare navigasjon. Landbruket bruker GPS-styrte traktorer for presisjonsjordbruk. Finansmarkedene bruker GPS-tid for å synkronisere transaksjoner. Forskere bruker systemet til å måle bevegelser i jordskorpen og forutsi jordskjelv. Til og med dyr spores med GPS for forskningsformål. I vårt dagliglivs brukes GPS til å gi deg posisjonen på din mobiltelefon til enhver tid, det er helt vesentlig for tjenster som Uber, og mange bruker det som en erstaning til kart og kompass.
Utviklingen fortsetter med forbedrede signaler som gir bedre ytelse i utfordrende miljøer. Nye sivile GPS-signaler introduseres gradvis, og neste generasjon satellitter skytes opp med jevne mellomrom. Kombinasjonen av GPS med andre teknologier som WiFi-posisjonering og mobilmaster gjør at vi kan finne posisjonen vår nesten overalt.
Fra sin opprinnelse som et militært verktøy under den kalde krigen har GPS blitt en uunnværlig del av moderne samfunn. Hver gang du bruker kart-appen, får en pakke levert eller tar et fly, er du avhengig av signaler fra satellitter som suser gjennom verdensrommet tusenvis av kilometer over hodet ditt, i en elegant dans som forbinder deg med resten av verden gjennom tid og rom.