Miten GPS toimii?

Geokätkölijänä käytät GPS-järjestelmää lähes päivittäin, mutta tiedätkö miten GPS-paikannus toimii? Selitettyämme asiaa useamman kerran eri tilanteissa tuli mieleen, että tämä on aihe josta olisi hyvä kirjoittaa kerralla suuremmallekin yleisölle. Tarkoitus ei ole nyt pureutua yksityiskohtiin, vaan kertoa hyvin yksinkertaistetusti satelliittipaikannuksen perusteista.

Mikä GPS?

GPS, eli Global Positioning System on Yhdysvaltain alkujaan sotilaskäyttöön kehittämä satelliittipaikannusjärjestelmä. Järjestelmään kuuluu 24 satelliittia, joiden lisäksi kiertoradalla on varasatelliitteja rikkoutumisten varalta. Satelliitit kiertävät maata noin 20 200 kilometrin korkeudessa niin, että kerrallaan niitä on näkyy yhteen paikkaan maan pinnalle enintään 12. Jokainen satelliitti kiertää maapallon ympäri kaksi kertaa vuorokaudessa. Yhden satelliitin eliniäksi on laskettu kymmenen vuotta, jonka jälkeen se vaihdetaan uuteen.

Satelliitit saavat virtaa aurinkopaneeleista ja niiden lataamista akuista. Kukin satelliitti lähettää radiosignaalia, joka sisältää lähettäneen satelliitin tunnuksen, signaalin lähetysajan ja tietoja järjestelmän satelliittien kiertoradoista.

GPS-järjestelmän satelliitteja valvotaan Yhdysvaltain Coloradossa sijaitsevassa komentokeskuksessa. Komentokeskuksen lisäksi ympäri maailmaa on antenneja ja seuranta-asemia, joilla järjestelmän toimintaa valvotaan.

GPS-vastaanottimet

GPS-vastaanottimet, eli käsigepsit, älypuhelimet, autonavigaattorit ja veneiden karttaplotterit kuuntelevat satelliittien lähettämää signaalia. GPS-vastaanottimessa on aina radiovastaanotin ja kello. Vastaanotin itse ei lähetä mitään, ellei samassa laitteessa ole muita lähetintä vaativia ominaisuuksia (esim. Bluetooth, langaton internet, GSM).

Paikannus

Vertaamalla signaalissa olevaa signaalin lähetysaikaa laitteen oman kellon aikaan laite pystyy laskemaan kuinka kaukana se on lähettäneestä satelliitista.

Koska signaalien mukana tulee tieto satelliittien radoista, tietää GPS-vastaanotin missä signaalin lähettänyt satelliitti on. Radiosignaali etenee noin 300 000 km/s, joten laite voi laskea kuinka kaukana se sijaitsee lähettäneestä satelliitista, eli nyt päästää jo kartalle.

Yhden satelliitin etäisyydestä ei kuitenkaan voi päätellä tarkkaa sijaintia. GPS-laite tarvitsee vähintään neljän satelliitin signaaliin tarkkaan paikannukseen.

Otetaanpa yksinkertainen rautalankaesimerkki. Seisot jossain päin maailmaa ja kuulet olevasi 100 kilometrin päässä Helsingistä. Sillä tiedolla pystyt paikantamaan itsesi Etelä-Suomeen, Suomenlahdelle tai Viroon. Tämän voi havainnollistaa piirtämällä kartalle Helsingin ympärille ympyrän, jonka säde on 100 kilometriä. Olet jossain tämän ympyrän kehällä.

Jos sinulle kerrotaan, että olet samalla 78 kilometrin päässä Tampereelta, niin mahdollisuudet rajautuvat selvästi. Olet Hämeessä joko Forssan tai Lammin lähellä.

Kolmas etäisyystieto on ratkaiseva. Kun tiedät edellisten lisäksi olevasi 85 kilometrin päässä Turusta, pystyt paikantamaan itsesi Forssaan.

Mutta mihin se neljäs satelliitti tarvitaan? Äskeisessä esimerkissä hieman oikaisimme, sillä emme huomioineet maailmaa kolmiulotteisesti. Voit olla maan pinnalla tai lentokoneessa 10 kilometrin korkeudessa. Kolmiulotteiseen paikantamiseen tarvitaan neljäs sijaintitieto, sillä etäisyyksiä ei voi ajatella ympyröinä vaan ne täytyy kuvitella palloina.

GPS-vastaanottimesi tekee siis jatkuvasti valtavan määrän monimutkaisia laskuja. GPS-laitteen vastaanottamat signaalit muuttuvat koko ajan satelliittien ja sinun liikkuessa.

GPS laskee etäisyyden signaalin kulkemiseen kuluneesta ajasta, joten tarkka aika on paikantamisessa erittäin tärkeää. GPS-satelliiteissa on hyvin tarkat atomikellot, jotka pysyvät tarkasti ajassa. Sadan euron GPS-vastaanottimen kello ei ole lähellekään näin tarkka ja sen aika voi heittää herkästi niin paljon, ettei sijainnin laskeminen sen avulla onnistu. GPS-vastaanottimissa tämä on kuitenkin ratkaistu fiksusti niin, että laite tarkistaa jatkuvasti oman kellonsa aikaa satelliitien signaalien perusteella. Mitä useamman satelliitin signaalin GPS-vastaanottimesi kuulee, sitä varmempi se voi olla sijainnistaan.

Mikä aiheuttaa epätarkkuutta GPS-paikannukseen?

GPS-tuntuu välillä heittelevän ympäriinsä, eikä geokätkön paikka tunnu löytyvän. Virheisiin on monta mahdollista syytä.

Jos satelliitin lähettämä radiosignaali ei tule suoraan laitteeseen tai jokin hidastaa sen etenemistä, niin paikannuslaskut eivät onnistu tarkasti. Radiosignaali voi hidastua esimerkiksi ilmakehän häiriöiden takia. Mutkia signaalin matkaan aiheuttavat esimerkiksi suuret rakennukset, joiden seinistä signaali voi heijastua. Tämän ilmiö huomaa kävellessään GPS:n kanssa suurkaupungin kadulla; GPS:n paikkatieto tuntuu hyppivän pitkin kortteleita vaikka kävelet koko ajan suoraan. Saman huomaa jos käynnistät GPS-laitteen sisätiloissa. Ikkunoiden kautta voi tulla riittävät signaalit summittaiseen paikannukseen, mutta sijainti heittelee ympäriinsä, vaikka GPS-laite olisi koko ajan paikallaan pöydällä. GPS-satelliittien radiolähettimet eivät ole erityisen voimakkaita, eivätkä ne läpäise seiniä tai muita kiinteitä esteitä.

Virheitä voi aiheutua myös itse järjestelmästä. Satelliitin lähettämässä signaalissa voi olla virheitä, sen atomikello voi olla epäkunnossa tai satelliitti voi olla väärällä radalla. GPS-järjestelmän signaalin mukana kulkee tietoa satelliittien toiminnasta ja virheellistä tietoa voidaan korjata, mutta jos korjaavaa tietoa ei ole, niin GPS-laitteesi yrittää pähkäillä sijaintia virheellisen tiedon perusteella.

Kuten kaikkia radioaaltoja, myös GPS-signaalia voidaan häiritä. Geokätköilijätkin ovat kohdanneet GPS-häirintää Moskovassa Kremlin nurkilla. Alun perin sotilaskäyttöön rakennettuun GPS-järjestelmään on myös rakennettu mahdollisuus rajata tarkka paikannus vain tiettyjen käyttäjien käyttöön. Yhdysvallat rajoittikin tarkan paikannuksen käyttöä vuoteen 2000 asti, jolloin häirintä lopulta poistettiin. Tästä innostuneena Oregonissa piilotettiin ensimmäinen geokätkö ja koko geokätköilyharrastus sai alkunsa.

Usein kysyttyä

Toimiiko GPS-paikantimeni ulkomailla?

Kyllä! GPS, eli Global Positioning System on nimensä mukaisesti maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä. Kaikki GPS-vastaanottimet toimivat ympäri maailman.

Toimiiko älypuhelimeni paikannus ilman datayhteyttä?

Kyllä! Jos laitteessasi on sisäänrakennettu GPS-paikannus, niin se toimii ilman datayhteyttäkin koska paikannukseen riittää GPS-signaalin vastaanottaminen, eikä älypuhelimen tarvitse käyttää puhelinverkkoa. Muista kuitenkin ladata geokätköjen tiedot ja kartat etukäteen kännykän muistiin, niin geokätköily sujuu.