GPS (paikannusjärjestelmä) — määritelmä, toiminta ja käyttökohteet
Tutustu GPS:ään — satelliittipohjainen paikannusjärjestelmä, sen toimintaan, tarkkuuteen ja monipuolisiin käyttökohteisiin autoista älypuhelimiin ja ulkoiluun.
Maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä, joka tunnetaan yleisesti nimellä GPS, on satelliittipohjainen paikannus- ja ajoitusjärjestelmä, jonka avulla laitteet voivat määrätä sijaintinsa, ajan ja liikkeensä maapallolla, ilmassa ja vesillä. GPS on osa laajempaa maailmalla käytössä olevaa GNSS-kategoriasta (Global Navigation Satellite System), ja sen ylläpidöstä vastaa Yhdysvaltain puolustusministeriö. GPS-signaaleja käytetään monissa sovelluksissa, kuten navigoinnissa, aikapalveluissa ja tutkimuksessa.
Miten GPS toimii
GPS koostuu kolmesta osasta: avaruussegmentistä (satelliitit), ohjaussegmentistä (maadoitus- ja valvonta-asemat) ja käyttäjäsegmentistä (vastaanottimet). Satelliitit lähettävät tarkkoja aikaleimoja ja sijaintitietoja. vastaanotin mittaa signaalin kulkuajan jokaiselta satelliitilta ja laskee etäisyyden. Tästä tiedosta tehdään trilateraatio: kun vastaanotin tietää etäisyydet vähintään neljään satelliittiin, se voi laskea oman sijaintinsa kolmessa ulottuvuudessa (leveys, pituus ja korkeus) ja korjata oman kellonsa virheen.
Tarkkuus ja parannusmenetelmät
GPS:n tarkkuuteen vaikuttavat useat tekijät, kuten signaalin kulku ilmakehän läpi (ionosfääri ja troposfääri), monitie-efektit (signaalin heijastuminen rakennuksista ja maasta), satelliittigeometria ja vastaanottimen laatu. Kuluttajatasoiset GPS-vastaanottimet antavat tyypillisesti sijainnin muutaman metrin tarkkuudella (usein 3–10 m). Tarkkuutta voidaan parantaa:
- SBAS-järjestelmien (esim. EGNOS, WAAS) avulla tarkkuus ja luotettavuus paranevat reaaliaikaisesti.
- Differential GPS (DGPS) -korjaukset ja RTK (Real-Time Kinematic) voivat tuoda tarkkuuden senttimetritasolle ammattikäytössä, kuten maanmittauksessa ja tarkassa koneohjauksessa.
Mitkä tiedot GPS-vastaanotin näyttää
GPS-vastaanotin voi näyttää monenlaisia tietoja: sijainnin (leveys- ja pituusasteet), nopeuden, suuntauksen (kompassisuunta), korkeuden sekä nousu-/laskunopeuden. Useimmissa vastaanottimissa on myös kartta- ja paikkatietopalveluja sekä reitinsuunnitteluominaisuuksia. Lisäksi useimmat laitteet pystyvät tallentamaan jälkiä (track), reittejä ja tapaamispaikkoja, mikä on hyödyllistä retkeilyssä, urheilussa ja ammattikäytössä.
Käyttökohteet
GPS on läsnä monissa arkipäiväisissä ja erikoistuneissa sovelluksissa:
- Autojen navigointijärjestelmät — reittiohjeet, liikennetiedot ja pisteiden haku (esim. hotelleja, ravintoloita ja huoltoasemia).
- Meriliikenne — veneissä ja laivoissa käytetään merikarttoja, tiedot satamista, venesatamista, matalista vesistä, kallioista ja vesiväylistä.
- Ilmailu — lennon navigointi, lähestymiset ja lentoreittien seuranta sekä lentosuunnistusta.
- Ulkoilu ja urheilu — vaellus, pyöräily (pyöräilyä), juoksu ja geokätköily.
- Älypuhelimet ja sovellukset — sijaintipalvelut, paikkatietoihin perustuvat palvelut ja sosiaalinen jakaminen (älypuhelimissa).
- Maatalous — tarkkuusviljely ja koneiden automaatio.
- Rakentaminen ja maanmittaus — tarkat mittaukset ja koneohjaus.
- Hätä- ja turvallisuuspalvelut — sijainnin nopea määrittäminen hälytystilanteissa.
- Logistiikka ja seuranta — ajoneuvojen ja tavaroiden seuranta.
- Tieteellinen tutkimus ja aika-synkronointi — esim. geofysiikka ja verkkojen aikapalvelut.
Rajoitukset ja turvallisuus
GPS ei ole täydellinen. Signaalit ovat heikkoja ja helposti estettävissä tai häirittävissä esimerkiksi:
- rakennusten väliin syntyvä ”urban canyon” ja sisätilat,
- tunneleissa, metsissä ja ahtaissa laaksoissa,
- säähäiriöt ja ionosfäärin vaihtelut,
- tietoinen häirintä (jamming) ja huijaus (spoofing), jotka voivat johtaa virheellisiin sijainteihin.
Yksityisyyden näkökulmasta GPS-sijaintitiedon jakaminen voi paljastaa käyttäjän liikkumismallit. On hyvä tarkistaa sovellusten käyttöoikeudet ja palvelun tietosuoja-asetukset.
Käytännön vinkkejä
- Ulkoilmassa laite saa yleensä nopeammin ja tarkemman paikannuksen; pidä laite vapaassa näkösuhteessa taivaalle.
- Karttasovellukset tukevat usein offline-karttoja — lataa ne ennakkoon, jos verkko on heikko.
- Ammattikäyttöön valitse vastaanotin, joka tukee korjauspalveluita (SBAS, DGPS, RTK) ja ulkoisia antenneja tarvittaessa.
- Pidä kartta- ja laiteohjelmisto päivitettynä turvallisuuden ja toiminnallisuuden varmistamiseksi.
GPS on monipuolinen ja laajasti käytetty teknologia, joka on integroitu päivittäiseen elämään ja moniin ammattialoihin. Ymmärtämällä sen toimintaperiaatteet, rajoitukset ja parannusmahdollisuudet voi valita oikeanlaisen laitteen ja käyttää sijaintitietoja turvallisesti ja tehokkaasti.
GPS-vastaanottimet. Ihmiset voivat kantaa niitä mukanaan havaitakseen, missä he ovat, ja suunnitellakseen, minne ja miten mennä seuraavaan paikkaan.
Miten se toimii
GPS-yksikkö vastaanottaa radiosignaaleja avaruudessa olevilta satelliiteilta, jotka kiertävät Maata. Satelliitteja on 31 kappaletta 20 200 kilometrin (12 600 mi) korkeudella Maan yläpuolella. Kiertoradan kesto on 11 tuntia ja 58 minuuttia. Kunkin ympyrän säde on 26 600 kilometriä (16 500 mi) Maan säteen vuoksi. Kaukana pohjoisnavalta ja etelänavalta GPS-laite voi vastaanottaa signaaleja 6-12 satelliitista samanaikaisesti. Jokaisessa satelliitissa on atomikello, jonka NORAD asettaa huolellisesti useita kertoja päivässä.
Radiosignaalit sisältävät tietoa satelliitin ajasta ja sijainnista, mukaan lukien sen ephemeris. GPS-vastaanotin vähentää nykyisen ajan signaalin lähetyshetkestä. Erotus kertoo, kuinka kauan sitten signaali lähetettiin. Aikaero kerrottuna valonnopeudella on etäisyys satelliittiin. GPS-laite laskee trigonometrian avulla, missä se on kunkin satelliitin sijainnin ja etäisyyden perusteella. Yleensä satelliitteja on oltava vähintään neljä, jotta geometriset yhtälöt voidaan ratkaista. GPS-vastaanotin voi laskea sijaintinsa monta kertaa sekunnissa.
Monet edulliset kuluttajavastaanottimet ovat tarkkoja 20 metrin (66 jalan) tarkkuudella lähes missä tahansa maapallolla.
GPS-laite voi yleensä myös laskea senhetkisen nopeuden. Halvat laitteet, kuten matkapuhelimissa, tekevät tämän vertaamalla nykyistä sijaintia viimeisimpään sijaintiin. Kalliit laitteet, kuten matkustajakoneissa, käyttävät Doppler-ilmiötä ja ovat erittäin tarkkoja.
GPS-satelliitit kiertävät maapalloa neljässä tasossa ja lisäksi päiväntasaajan yläpuolella. Tässä näkyvät siniset satelliitit näkyvät GPS-vastaanottimelle 45° pohjoista leveyttä. Maa estää punaiset satelliitit.
Historia
Erilaisia radionavigointijärjestelmiä on ollut käytössä 1900-luvun puolivälistä lähtien. 1960-luvulla tehtiin kokeiluja, joissa radiolähettimet sijoitettiin satelliitteihin. Yhdysvaltain ilmavoimat suunnittelivat 1970-luvulla uuden järjestelmän, jonka nimi oli aluksi Navstar. Siitä tuli GPS, ja sitä käytti vain Yhdysvaltain armeija. Vuonna 1983 presidentti Ronald Reagan antoi määräyksen, jonka mukaan kuka tahansa voi käyttää järjestelmää, vaikka se oli vielä liian pieni ollakseen kovin hyödyllinen. Korkeimman tarkkuuden signaali oli salattu, ja vain asevoimat saivat käyttää sitä, mutta 1990-luvulla se purettiin väliaikaisesti, ja siitä tehtiin pysyvä vuosisadan vaihteessa.
Jotkin GPS-vastaanottimet ovat erillisiä yksiköitä, joissa on oma virta ja näyttö. Ne olivat enemmistönä 1900-luvulla. Sotilasvastaanottimet näyttivät silloin vain maantieteelliset koordinaatit, tai joissakin ei ollut näyttöä, vaan ne vain antoivat koordinaatit toiselle laitteelle.
Nyt suurin osa GPS-vastaanottimista on osa matkapuhelimia, ja monet niistä on rakennettu rannekelloihin, autoihin ja muihin laitteisiin. Matkapuhelimen GPS-osa on pieni ja yleensä huono, mutta puhelin käyttää apunaan myös matkapuhelintukiasemia ja Wi-Fi-signaaleja.
Muut järjestelmät
On muitakin järjestelmiä, jotka toimivat samalla tavalla. Yksi niistä on Venäjän avaruuteen lähettämä GLONASS. Toinen, joka ei ole vielä valmis, on nimeltään Galileo, ja sen on rakentanut Euroopan unioni.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä (GPS)?
A: GPS on satelliittijärjestelmä, joka on suunniteltu auttamaan navigoinnissa maapallolla, ilmassa ja vesillä.
K: Mitä GPS-vastaanotin näyttää?
A: GPS-vastaanotin näyttää, missä se on, kuinka nopeasti se liikkuu, mihin suuntaan se kulkee, kuinka korkealla se on ja ehkä kuinka nopeasti se nousee tai laskee.
K: Mitä tietoja autojen GPS-vastaanottimet sisältävät?
V: Autojen GPS-laitteissa on matkatietoja, kuten tiekarttoja, hotelleja, ravintoloita ja huoltoasemia.
K: Mitä tietoja veneiden GPS-laitteet sisältävät?
V: Veneiden GPS-laitteet sisältävät merikarttoja satamista, venesatamista, matalista vesistä, kallioista ja vesiväylistä.
K: Mihin muihin toimintoihin GPS-vastaanottimet on tehty?
V: Muut GPS-vastaanottimet on tehty lentosuunnistusta, vaellusta ja retkeilyä, pyöräilyä tai monia muita toimintoja varten.
K: Missä suurin osa GPS-vastaanottimista on?
V: Suurin osa GPS-vastaanottimista on älypuhelimissa.
K: Mitä useimmat GPS-vastaanottimet voivat tehdä?
V: Useimmat GPS-vastaanottimet voivat tallentaa, missä ne ovat olleet, ja auttaa matkan suunnittelussa. Suunniteltua matkaa tehdessä se ennustaa ajan seuraavaan määränpäähän.
Etsiä