GPS + Galileo = sant

Morgendagens satellittnavigasjonssystem

GPS + Galileo = sant

EU besluttet for et år siden å igangsette utviklingen av Galileo, et europeisk satellittnavigasjonssystem. Det vil bli operativt i 2008 og med to uavhengige, interoperative systemer som GPS og Galileo, vil satellittnavigasjon virkelig bli det dominerende navigasjonshjelpemiddelet.

Tekst: Jon Winge

Først et lite tilbakeblikk. Noen husker hvordan vi lyttet etter morsesignaler fra en radiopeiler. De fleste har allerede glemt Transit satellittnavigasjon hvor vi fikk oppdatering sånn én gang i timen. Så fikk vi AP-navigatoren, takket være danske Finn Hendils piratvirksomhet for å bryte Decca-monopolet. Plutselig åpnet det seg en ny verden av navigatørkomfort , det var bare å spørre AP’en til råds, så fikk vi lengde og bredde og en masse andre utregninger. I bakgrunnen, altså ute i Nordsjøen og Norskehavet, lå Loran C med tilsvarende signaler, men Finn Gustavsen sørget i Stortinget for å hindre en utbygging som gjorde at båtfolket i Skagerrak fikk noe glede av systemet.

GPSens inntogsmarsj

Fra begynnelsen på 1980-tallet hørte vi om et satellittbasert, globalt posisjoneringssystem – Navstar. GPS ble det kalt, og de første mottakerne var i ryggsekkstørrelse og kostet skjorta. Alle instrumentleverandørene utviklet på spreng og mot slutten av decenniet kom GPS-mottakere i en størrelse som passet mindre båter til en pris rundt 20 000 kroner. Et nytt statussymbol var født til tross for at de fleste klarte seg med AP’en. Selv med sine mangler var den et fabelaktig hjelpemiddel i forhold til radiopeileren. Transitsystemet levde fremdeles så vidt, men det sluknet i takt med utfall av satellittene, og Loran C lå der ute i verden, til glede for folk på Vestlandet og nordover.
Så kom GPS for fullt, et spontant navigasjonssystem som ga en fabelaktig presisjon over alt på kloden. Systemet i sivil degradering (SA) ga en nøyaktighet på ca 30 meter, men denne presisjonen var plutselig ikke god nok for oss, så vi anskaffet et ekstrasystem som heter differensiell GPS – DGPS – som brakte nøyaktigheten ned i noen få meter. I dag er degraderingen opphevet og nøyaktigheten uten DGPS er på rundt ni meter. I våre tider finnes det gjerne ikke bare én, men flere GPS’er i mange båter.

Ikke så trygt likevel

GPS arbeider med så høy frekvens at den ikke er sårbar overfor radiostøy, og satellittene går i så høye baner at det er nesten umulig å ødelegge dem. Vi trodde at systemet var tilnærmet usårbart, inntil den 10. september 2000. Da kom Volpe-rapporten som konkluderte med at GPS-systemet til en viss grad er sårbart overfor terrorangrep. Dagen etterpå fikk verden se hva moderne terror kan føre til.
Dette var vann på mølla for EU og ESA – den europeiske romorganisasjonen og vennene deres. I Europa hadde det nemlig lenge vært ønsket å skape et sivilt, europeisk satellittnavigasjonssystem som skal arbeide parallelt med det militære, amerikanske GPS-systemet og det militære, russiske GLONASS-systemet, som foreløpig mangler satellitter for å være fullt utbygget.
Argumentene er mange. Ett av de viktigste er at sivile brukere alltid vil være prisgitt det som den til enhver tid sittende administrasjonen i USA finner for godt, det være seg nøyaktighet eller pris. Europakomisjonen peker på at de fremtidige bruksområdene nær sagt er uendelige. Det regnes for eksempel med at alle mobiltelefoner kommer til å inneholde en Galileo-mottaker om få år.

Full fart for Galileo

På vårparten i 2001 bevilget EU de nette sum av 100 millioner euro til videreføring av planleggingen, og ESA, hvor Norge også er medlem, bevilget et tilsvarende beløp. Nylig ble systemet endelig vedtatt på EUs ministerråd. Og nå snakker vi virkelig om penger: 3.7 milliarder (3 700 000 000) euro er systemet beregnet til å koste når det er ferdig utbygget og driftsklart i årsskiftet 2007-2008. Det er beregnet at systemet kommer til å generere hele 17 milliarder euro i ny business mens det utvikles og bygges ut, og at det vil knytte til seg 300 millioner nye brukere.
Norge er blitt en viktig deltaker gjennom vårt medlemskap i ESA. Flere norske bedrifter har sikret seg verdifulle kontrakter i knallhard internasjonal konkurranse, og vi hadde dessuten et avgjørende ord med i laget da systemet skulle sluttspesifiseres.
I starten var det snakk om 21 satellitter i 23 km høyde, men antallet ble utvidet til 24. Systemet skulle opprinnelig være basert på geostasjonære satellitter (som står stille over et bestemt punkt), men det gir ikke god tilgjengelighet på nordlige breddegrader ettersom satellittene skulle stå over ekvator. De norske deltakerne klarte å få gjennomslag for et system med 30 satellitter i bane, altså ikke geostasjonære. Det vil føre til den samme nøyaktighet hos oss som i resten av Europa.
Om seks år kan vi glede oss over å navigere sivilt og europeisk, men det betyr ikke at vi må bytte ut GPS-mottakerne våre. Verden går fremover, og Galileo skal bli helt kompatibelt med GPS, slik at samme mottaker kan bruke signalene om hverandre. Amerikanerne har også klare planer om å forbedre GPS, og til sammen vil de to systemene bli det dominerende navigasjonshjelpemiddel verden over i overskuelig fremtid.

Stor nøyaktighet

Galileo-systemet kommer til å ha tre servicegrupper. Den laveste blir den til generell bruk og blir gratis med en nøyaktighet på 15–30 meter ved énfrekvens-mottaking og 5–10 meter med to frekvenser. Den neste gruppen er for kommersiell bruk og vil bli kryptert slik at man må inn i en eller annen abonnementsordning. Den globale nøyaktigheten vil bli 5–10 meter, mens den lokalt vil komme ned i 0,1–1 meter ved bruk av differensiell korreksjon. Den siste servicegruppen vil bli for offentlige tjenester, og nøyaktigheten blir på 4–6 meter ukorrigert og 1 meter ved differensiell korreksjon.
Galileo blir en tjeneste som loves levert kontinuerlig, og det garanteres øyeblikkelig varsel dersom det skulle oppstå feil, noe som ikke alltid er tilfelle med GPS.
Satellittene er under planlegging og tidlig produksjon og de blir meget avanserte. Vekten blir på 700 kg, og det omfatter rubidium atomur samt en hydrogenmaser for å kompensere for urets tidsdrift. Så inneholder den selvsagt siste nytt innen antenne- sender- og mottakingsteknologi. Det hele drives av solstrøm, og satellittene bringes i slik bane at panelene alltid står loddrett på solen for størst mulig energiinnstråling.
Satellittene skal skytes opp med både Ariane- Proton- og Soyuz-raketter, og den siste av dem skal være på plass innen utgangen av 2007. Da har test- og innkjøringsfasen alt vært i gang siden inngangen av 2006, og samtidig blir EGNOS integrert i systemet (se egen ramme). Det hele skal stå klart for full drift 1. januar 2008. Da kommer vi til å oversvømmes med produkter som inkorporerer navigasjon og tidsbestemmelse.

GNSS – det store samarbeidet

GNSS-1 er første generasjon av GNSS som er en kombinasjon av GPS, GLONASS og tre samarbeidende systemer for øket nøyaktighet. De ulike stormakter har tradisjonelt hatt en tendens til å holde kortene tett inntil brystet, men etter Sovjetunionens fall, oppsto en hittil ukjent grad av samarbeid når det gjelder den globale satellittnavigasjon. Samarbeid i rommet er ikke nytt, for allerede i Sovjetunionens tid samarbeidet man om søk- og redningstjeneste med satellitt. Vi kan si det slik at Sarsat/Cospas (USA/USSR) kom til å danne skole når det gjaldt et globalt satellittsamarbeid.
I dag har vi to operative satellittnavigasjonssystemer, det amerikanske GPS og det russiske GLONASS. Når Galileo blir operativt i år 2008, får vi tre systemer og de kommer til å inngå i GNSS-samarbeidet. GNSS står for Global Navigation Satellite System og det omfatter også kommunikasjonssatellitter. Sistnevnte blir viktige bindeledd når det gjelder differensiell forbedring av navigasjonen. GNSS er initiert av ESA (Den europeiske romorganisasjonen), EC (Europakommisjonen) og Eurocontrol (Den europeiske organisasjon for navigasjonssikkerhet i luften).
Utviklingen går i to trinn: GNSS-1 omfatter signaler fra GPS (USA), GLONASS (Russland), EGNOS (Europa) , WAAS (USA) og MSAS (Japan). GNSS-2 blir neste generasjon som også kommer til å omfatte Galileo. Den vil bli et rent sivilt system. Det hevdes at Galileo er strategisk viktig for Europa når det gjelder sikkerhet, uavhengighet, økonomi, industri og livskvalitet.

DGPS – stor nøyaktighet

Sterkt forenklet kan vi si at et satellittnavigasjonssystem som for eksempel GPS arbeider ved at ekstremt nøyaktige instrumenter måler den tiden det tar for satellittenes radiosignaler å nå fram til mottakeren. Det gir den nøyaktige avstanden til satellittene. Hastigheten til radiobølgene er ca 300 000 km/s, så vi snakker om nøyaktig tidsmåling når vi skal ha posisjonsnøyaktighet i meterområdet! I tillegg får mottakeren data omkring satellittenes nøyaktige posisjon. Dette setter den i stand til å beregne sin egen posisjon i forhold til dette, samt en rekke andre ting.
Presisjonen er så god at amerikanerne fryktet at systemet kunne misbrukes. De la derfor inn en liten unøyaktighet i tidssignalene slik at sivile brukere ikke kunne loves en bedre nøyaktighet enn 100 meter i 95 prosent av tiden. I praksis var imidlertid nøyaktigheten under det som kalles SA-koden nærmere 30 meter enn 100 meter.
Nød lærer naken kvinne å spinne, heter det, og det ble derfor utviklet noe som kalles et differensielt system som har et jordbasert nett av mottakere og sendere som befinner seg på helt nøyaktig oppmålte plasser. Disse nøyaktige posisjonene tas inn i ligningene, og vips får man de korreksjonsdata som skal til for å eliminere unøyaktigheten i tidssignalene. I prinsippet kan vi si at det som blir igjen er forstyrrelser i ionosfæren og en ørliten vandring i tid fra atomurene.
Det oppsto et behov for tilsatser eller egne mottakere for det som blir kalt DGPS – Differensiell GPS, og nøyaktigheten kom ned i noen få meter. Det differensielle prinsipp har vist seg å være så godt at det kommer til å leve videre, selv etter at amerikanerne har opphevet SA-koden og altså sender rene og uforfalskede tidssignaler. Det er også lite trolig at amerikanerne noen sinne kommer til å innføre SA-koden igjen. Til det er gode GPS-signaler blitt en for stor og viktig del av USAs infrastruktur.
DGPS-posisjoner er nøyaktigere enn noen gang, og "markedet" utvides. Loran C viser seg å være oppegående fortsatt, og vil kanskje være det i mange år ennå. Det har fått sitt eget differensielle system kalt Eurofix (se egen ramme), og den russiske motparten til GPS, nemlig GLONASS, har også fått sitt DGLONASS. Når Galileo blir operativt, regner vi med at også det kommer til å få sin DGalileo-variant.

EGNOS – fremtidens DGPS gratis

EGNOS er Europas første bidrag til det verdensomspennende GNSS-systemet (se egen ramme). Det blir fullt operativt i 2004 og vil da bestå av tre geostasjonære satellitter (som står i samme posisjon i forhold til jorden hele tiden) og et nettverk av jordstasjoner. Systemet er utviklet i USA og forbedrer de to militære systemene GPS (USA) og GLONASS (Russland). Prinsippet er allerede operativt med USAs WAAS-satellitt, som dekker USA og Canada, og det er under utprøving i Europa ved hjelp av to de to Inmarsat 3-satellittene AOR-E og IOR. Den tredje satellitten vil bli ESAs Artemis som kommer opp senere i år. Satellittene genererer ikke sine egne signaler, slik som GPS og GLONASS, men virker kun som transponder mellom satellittene og bakken.
Hva EGNOS gjør? Jo, til sammen fire master jordstasjoner og 30 tilleggstasjoner mottar og beregner nøyaktigheten til GPS- og GLONASS-signalene og beregner posisjonsavvik i henhold til blant annet atomurenes nøyaktighet og forstyrrelser i ionosfæren. Resultatene sendes tilbake til satellittene som i sin tur sender korreksjonene til alle mottakere som er utstyrt for EGNOS-mottaking. Resultatet er en posisjonsnøyaktighet på fra 1 til 5 meter.
Systemet blir gratis og dessuten direkte kompatibelt med GPS-systemet. Sendingen foregår nemlig i det samme frekvensområdet slik at signalene kan mottas av GPS-mottakeren. I fremtiden vil det altså ikke bli nødvendig med eget DGPS-utstyr eller abonnement. Fremtidens GPS-mottakere kommer nemlig til å få installert programvare som gjør at de kan motta WAAS og EGNOS-signaler og beregne forbedret nøyaktighet ved hjelp av disse.
Raytheon er først ute og har allerede i dag sin modell 300 DGPS-mottaker med alt klart for EGNOS. Den koster rundt kr 7 500, mens morgendagens GPS-mottakere vil ha en EGNOS-funksjon som neppe vil koste noe særlig ekstra.

Hva med Loran C?

Decca er ute mens Loran C foreløpig lever i beste velgående. Går det som mange ønsker, kommer det til å bli stående som supplement til GPS og Galileo et stykke inn i fremtiden, men den internasjonale avtalen om Loran C utløper i 2005, så da får vi se. Loran C er et langbølget, jordbasert radionavigasjonssystem på linje med Decca, og det opererer med mastere og slavestasjoner nesten på samme måte. Det er krefter i sving for å ikke bare bevare, men også oppgradere Loran C-systemet, og det ble dannet en ny organisasjon med dette for øyet, NELS og Norge er med. Ett av de viktigste argumentene for å opprettholde Loran C er at det er så totalt forskjellig fra elektronisk satellittnavigasjon. Risikoen for at begge skal falle ut samtidig er svært lav.
Loran C er jordbasert og langbølget (rundt 100 kHz). Et langbølget system lider av en del svakheter som anomaliteter – uregelmessigheter på grunn av geografiske forhold. Slike radiobølger endrer dessuten karakter fra lys til mørke. Dette overkommer man delvis med moderne elektronikk, hvor apparatene kan kompensere for det som kalles ASF (Additional Secondary Factor) og som skriver seg fra at radiobølger endrer hastighet mellom sjø og land. I et moderne navigasjonssystem kan man ikke akseptere systematiske feil som kan gi avvik på hundre meter, som fremdeles blir resultatet etter ASF-behandling av signalene.
Men så har man lært av DGPS, bare det at man går den andre veien. Der hvor DGPS’en gjør bruk av bakkestasjoner til korreksjon av signalene, gjør Eurofix (se egen ramme) bruk av korreksjondata fra GNSS-satellitter. I praksis bruker man DGPS-signaler under korreksjonen. Loran C virker som bærer av signalene, og de korrigerte Loran C-dataene går til mottakeren med en nøyaktighet som kan sammenlignes med GPS’ens. Forbedringen er til stede så lenge GNSS er i funksjon. Dersom satellittene ramler ut, faller Loran C tilbake til gamle synder og nøyaktigheten blir på typisk 100 – 300 meter.
Loran C har fortsatt mange motstandere. De hevder at om systemet er overflødig med GPS, vil det for alvor bli det når Galileo er operativt. Tilhengerne snur på argumentet og hevder at nettopp dette, som kalles redundans, er den store styrken. Med et totalt forskjellig konsept får man en trygghet som man ikke har dersom man legger alle eggene i én kurv.
Det er fire mastersendere i systemet. (Se kartet.) Til sammen, og i samband med GNSS-statellittsystemet, gir dette tilnærmet full dekning i Nord Europa, men vi får fortsatt ikke optimal dekning i Skagerrak.
Furuno og MLR leverer apparater.

Eurofix gjør Loran C mer nøyaktig

Eurofix er et integrert navigasjonssystem og kombinerer Loran C og DGNSS. Det jordbaserte, lavfrekvente Loran C har et helt annet problemscenario enn satellittbaserte navigasjonssystemer og er derfor svært interessant som backup-system. Det er for unøyaktig for våre dager, men det er mange som ivrer for å beholde Loran C inn i fremtiden, og det er derfor utviklet et differensielt system for denne tjenesten også. Eurofix er utviklet ved det tekniske universitetet i Delft, Nederland. Hovedkomponenten er et satellittbasert radionavigasjonssystem med differensielle signaler fra GPS og/eller GLONASS – eller det fremtidige samarbeidet GNSS, hvor også Galileo kommer til å inngå (se egen ramme), samt de jordbaserte navigasjonssystemene Loran C og motsatsen Chayka (Russland).
Loran C-signalene blir brukt som bærer av et flerkanals kommunikasjonssystem for å sende differensielle korreksjoner og andre meldinger. Kombinasjonen av jordbaserte og satellittbaserte navigasjonssystemer er allerede i ferd med å utnytte begges fordeler til det beste, og vi snakker allerede i dag om differensiell Loran C og Chayka som gir en nøyaktighet som kan måles mot differensiell GPS. Eurofix er med på å gi Loran C bedre kort i kampen for å overleve.

Noen definisjoner

ArtemisESAs Advanced Relay and Technology Mission Satellite.
ChaykaRusslands parallell til Loran C.
CospasDen russiske parallellen til Sarsat.
EGNOSEuropean Geostationary Navigation Overlay Service. Fremtidig europeisk DGPS-system som blir gratis.
ESAEuropean Space Agency. Den europeiske romorganisasjonen.
GalileoDet europeiske bidraget til GNSS-2. Parallell til GPS. Operativt i 2008.
GLONASSGLObal NAvigation Satellite System. Den russiske parallellen til GPS.
GNSSGlobal Navigation Satellite System. Det fremtidige satellittnavigasjonssamarbeidet.
GPSGlobal Positioning System
Inmarsat International Maritime Satellite Organisation
Loran CLOng RAnge Navigation. Jordbasert, langbølget navigasjonssystem fra 2. verdenskrig.
MSASJapansk parallell til EGNOS.
SarsatSearch and Rescue Satelitte. Søk- og redningssatellitt
NELSNorth West European and North Atlantic Loran-C System .
WAASWide Area Augmentation System. Amerikansk forløper til EGNOS