Global Positioning System (aluperäinen nimi Navstar GPS) eli GPS () on Yhdysvaltain puolustusministeriön kehittämä ja rahoittama satelliittipaikannusjärjestelmä, viralliselta nimeltään Navstar GPS. Se on nykyään yleisimmin käytetty GNSS-järjestelmä (Global Navigation Satellite System) ja arkikielessä sillä saatetaan tarkoittaa yleisesti satelliittipaikannusta.
GPS-satelliittikonstellaatio kiertää Maata noin 20 200 kilometrin ratakorkeudella. Satelliitit on suunniteltu lähettämään signaali vain kohti Maata eli paikannus onnistuu lähinnä niiden radan sisällä mutta vuotavan signaalin avulla on paikannusta onnistuttu käyttämään myös niiden radan ulkopuolella.
GPS-paikantimet lukevat satelliittien lähettämää mikroaaltosäteilyä ja aktiiviantenneilla varustetut paikantimet lähettävät itsekin säteilyyn koodattua informaatiota.
9. maaliskuuta 2016 toiminnassa olevia satelliitteja on 31 kappaletta.
Historia Navstar-GPS:n kehitystyö aloitettiin 1970-luvun puolivälissä ja tarkoituksena oli luoda alun perin sekä sotilas- että siviilikäyttöön soveltuva tarkka ja reaaliaikainen yksisuuntainen paikannusmenetelmä.
Satelliitin radiosignaalin käyttö navigoinnissa syntyi Johns Hopkinsin yliopistossa, kun Sputnik 1:n signaalia mitattiin satelliitin lentäessä Yhdysvaltojen yli lokakuussa 1957. Yhdysvaltain laivaston Polaris-ohjuksin varustettujen ydinsukellusveneiden paikantamista varten kehitettiin 1950-luvun jälkipuolelta alkaen ja 1960-luvun puolivälissä valmiiksi Transit-navigaatiosatelliittijärjestelmä, joka oli Yhdysvaltain laivaston käytössä kunnes GPS korvasi sen 1990-luvulla.
Yhdysvaltain ilmavoimat kehitti Timation- ja laivasto omaa Transitin korvaavaa järjestelmää 1960-luvun lopulta alkaen. Hankkeet yhdistettiin 1970-luvun alkupuolella, jolloin GPS:n kehitys alkoi.
Ensimmäinen navigointikäyttöön tarkoitettu Navstar-satelliitti (Block I) laukaistiin vuonna 1978. Viimeinen ensimmäisen sukupolven Block I -satelliitti laukaistiin lokakuussa 1985. Viimeinen Block I -satelliitti poistettiin käytöstä marraskuussa 1995. Nykyisin käytössä olevat satelliitit ovat toisen sukupolven Block II, Block IIA ja Block IIR -tyyppisiä. 27. huhtikuuta 1995 paikannusjärjestelmä oli täydessä toimintakunnossa (FOC, Full Operational Capability). Toimintakuntoiseen konstellaatioon kuuluu vähintään 24 satelliittia, joista yhtä aikaa voi olla näkyvissä 12.
Vuonna 2010 piti laukaista GPS 2F-satelliitteja, mutta Boeing on niiden toteutuksessa 3,5 vuotta myöhässä ja on kaksinkertaistanut 8 satelliitin toteutuskustannukset. Lockheed-Martin kehittää GPS III-satelliittiversiota. http://www.spacenews.com/military/100330-gao-gps-launch-schedule-may-slip-further.html
Yhdysvallat on 1970-luvulta alkaen panostanut 35 miljardia dollaria GPS-järjestelmään ja sen vuosikustannus on miljardi dollaria.http://www.spacenews.com/satellite_telecom/110304-group-decide-lightsquared-threat-gps.html
Toimintaperiaate ja paikannustarkkuus Navstar-GPS-järjestelmä koostuu kolmesta segmentistä, jotka ovat avaruus, kontrolliverkko ja käyttäjäosa. Avaruussegmentin muodostavat 24 satelliitista koostuva noin 20 200 kilometrin ratakorkeudessa kiertävä satelliittikonstellaatio. Jokainen satelliitti kiertää maapallon kaksi kertaa vuorokaudessa. GPS-vastaanotin mittaa aikaa, joka signaalilta kuluu sen siirtyessä satelliitilta vastaanottimelle. Kun satelliittien sijainti tunnetaan, eri satelliiteista tulevien signaalien aikaeron avulla kyetään laskemaan vastaanottimen sijainti.Käytännön Maamies 1/2009, sivu 60 Kontrolliverkossa tarkkaillaan satelliittien tilaa, ratoja ja toimintoja. Päävalvontakeskus on Yhdysvalloissa, Colorado Springsissä. Päävalvontakeskuksen lisäksi päiväntasaajan tuntumassa on neljä tarkkailuasemaa. Käyttäjäosan muodostavat miljoonat GPS-vastaanottimet.
GPS-paikannus perustuu siihen, että satelliitit lähettävät atomikellon ajan ja navigaatiosignaalin, jonka GPS-laite vastaanottaa. GPS-laite vastaanottaa signaalia samanaikaisesti useasta satelliitista. Satelliitteja tulee olla vähintään neljä, sillä päätelaitteen kello ei ole tarkka kuten satelliittien atomikellot. Päätelaitteen kellon ja todellisen ajan ero (kellovirhe) täytyy asettaa yhtälöissä tuntemattomaksi, jolloin tarvitaan vähintään neljän yhtälön ryhmä, jotta ratkaisu on yksikäsitteinen. Tämä vaatii havaintoa vähintään neljästä satelliitista.
Päätelaite laskee vastaanottamistaan radiosignaaleista joko pseudoetäisyyttä – käyttämällä satelliittisignaalin päälle moduloituja pseudosatunnaiskoodeja (PRN) – tai kantoaallon vaihetta. Pseudoetäisyyden ratkaisu perustuu olennaisesti signaalin kulkuajan mittaukseen. Paikkaratkaisu pystytään tekemään C/A-koodista (coarse acquisition) eli salaamattomasta koodista. Toisella radiotaajuudella lähetettävä P-koodi eli salattu koodi tuottaa tarkemman paikkaratkaisun. Molempia - koodi ja kantoaalto - voidaan käyttää paikannukseen, jälkimmäistä tosin vain monimutkaisissa geodeettisissa GPS-tarkkuusvastaanottimissa, sillä kantoaaltoa käytettäessä laskentaa ei voi tehdä reaaliajassa.
thumb|Simulaatio 24 maata kiertävästä GPS-satelliitista. Paikannus tietyssä pisteessä on mahdollista, kun siitä katsottuna on havaittavissa vähintään neljä satelliittia yhtä aikaisesti.
Paikannus perustuu pseudoetäisyyden mittaukseen:
jossa on vastaanottimen paikka kolmiulotteisessa avaruudessa on satelliitin paikka avaruudessa, lasketaan satelliittien myös lähettämistä ratatiedoista eli efemerideistä on valon nopeus on satelliitin kellovirhe; pieni, tunnettu, satelliittien lähettämä on vastaanottimen kellovirhe, tuntematon kuten sen koordinaatitkin.
, , ja ovat tuntemattomia muuttujia, jotka voidaan ratkaista neljän sopivissa paikoissa olevan satelliitin avulla.
Lauseketta kutsutaan pseudoetäisyydeksi koska siinä on tuntemattomia kellovirheitä. Satelliittikello on erittäin tarkka atomikello. Vastaanottimen kello on yleensä halpa kvartsikello, joka on tarkka vain lyhyellä aikavälillä eikä sen aikatietoa voi käyttää navigaatioratkaisussa.
Pseudoetäisyyden ja todellisen etäisyyden käyttäjän ja satelliittien välillä eli käyttäjän paikan virhe riippuu marginaalisesti kellovirheestä, mutta ilmakehä (sekä troposfäärin vesihöyryn tuntematon jakauma että ionosfäärin elektronien määrä, joka riippuu muun muassa Auringon aktiivisuudesta) on pysyvä epätarkkuuden lähde. Se tuottaa muutaman metrin virheen paikkaan. Tätä pyritään korjaamaan muun muassa Klobucharin algoritmilla.
GPS-paikannusta voidaan kutsua hyperboliseksi paikannusmenetelmäksi koska se perustuu etäisyyserojen eikä etäisyyksien käyttöön. Laskemalla alkuperäisistä havainnoista erotussuureet kahden satelliitin tai kahden mittauspaikan välillä saadaan kellotuntemattomat eliminoiduiksi. Vrt. Decca-järjestelmä.
Vaikka satelliittien minimimäärä on neljä, päästään sitä tarkempaan lopputulokseen mitä useamman satelliitin avulla laskutoimitukset tehdään. Mitä enemmän mittauksessa käytettävät satelliitit ovat erillään toisistaan sitä tarkempi lopputulos saadaan. Paikannus onnistuu myös kolmen satelliitin avulla, kun oletetaan, että vastaanotin on jollakin tietyllä korkeudella vertailuellipsoidista. Tällöin vastaanottimen korkeuskoordinaattia ei ratkaista, jolloin tuntemattomia suureita on vain kolme (kaksi koordinaattia ja kellovirhe). Tämä oletus on hyvä merellä, jossa korkeuseroja ei ole, mutta esimerkiksi vuoristossa oletusta vakiokorkeudesta ei voi tehdä jos vastaanotin liikkuu.
Paikannustarkkuus Navstar-GPS:n tarkkuus on siviilikäytössä vaakasuunnassa muutama metri. Korkeussuunnassa tarkkuus on n. 2–3 kertaa heikompi. 1. toukokuuta 2000 asti Yhdysvaltojen puolustusministeriö heikensi tahallisesti satelliittien siviilikäyttäjiin lähettämät rataelementit ja kellon käyntitiedot (Selective Availability, SA), jota ennen siviilikäyttöön suunnattujen GPS-laitteiden tarkkuus oli vaakasuunnassa 100 metriä ja korkeussuunnassa 156 metriä. Paikannusvirhettä tuovat satelliittien rata- ja kellovirhe, ilmakehä, monitieheijastuminen, satelliittigeometria, paikantimen virheet, tahallinen häirintä ja käyttäjän virheet.
Differentiaalinen GPS Differentiaalinen GPS kehitettiin SA-häirinnän aiheuttaman epätarkkuuden poistamiseen muun muassa merenkulkijoiden tarpeisiin. Kun SA-häirintä (poistui 2000-luvun alussa) oli päällä, paikannustarkkuus oli 100 metrin paikkeilla, mikä ei taannut järin turvallista merenkulkua. Sumuinen sää ja kapea väylä olisivat voineet olla tuhoisa yhdistelmä. Uusi tukiasema, nk. referenssiasema, jonka sijainti oli tarkkaan tiedossa, laski SA-häirinnän aiheuttaman virheen kuuntelemalla satelliittien lähettämää dataa sekä vertaamalla sitä omaan tarkkaan paikkaansa. Näin saatiin laskettua virheen suuruus. Asemia jouduttiin kuitenkin perustamaan useita, sillä virheen suuruus vaihtelee eri paikoissa maapalloa. Esimerkiksi Itämeren alueella liikuttaessa on eri paikoissa käytettävä muutamaa eri referenssiasemaa. Kun kaksi tukiasemaa on kantoetäisyydellä, vastaanotin ei välttämättä tiedä kumpaa lähetystä tulisi kuunnella. Tällöin saattaa signaali jäädä kokonaan saamatta, ja DGPS-vastaanotin ilmoittaa, että paikkakoordinaatit eivät ole saatavilla. Itämerellä tällainen paikka löytyy likipitäen Gotlannin pohjoiskärjen kohdalla.
Järjestelmän hyviin puoliin lukeutuu korjaustiedon lähetys radioteitse paikallisesti, vaikkakin usein maksullisesti, koska DGPS-tukiasemia ylläpitävät kolmannet osapuolet. Valtakunnallisten radioasemien RDS-kanavalta voi kuunnella korjaustietoa Digita Oy:n Fokus-palvelusta, jolloin paikannuksessa päästään parin metrin tarkkuuteen. Merenkulkulaitokselta palvelun saa ilmaiseksi rannikkoalueiden vesillä liikkuessaan. Vaikka SA-häirintä onkin poistettu, auttaa DGPS-järjestelmä ilmakehän aiheuttamien häiriöiden korjaamisessa.
DGPS:n ja GPS:n ohella on olemassa vielä yksi, entistäkin tarkempi tapa paikantaa: relatiivinen GPS. Se perustuu vähintään kahteen samanaikaisesti mittaavaan laitteeseen, joilla koordinaattierot pisteiden välillä määritellään. Maanmittauksessa relatiivinen GPS on hyödyllinen menetelmä.
Assisted GPS
Assisted GPS (A-GPS) eli avustettu GPS kattaa alleen monenlaisia eri tekniikoita.
Yhdessä tunnetussa GPS-avusteessa luetaan satelliittien kiertorata- ja almanakkatiedot matkapuhelinverkkoa hyväksikäyttäen. Kiertorata- ja almanakkatiedot voidaan lukea jopa useita vuorokausia etukäteen, minkä vuoksi vastaanottimelle on avusteesta apua vaikka yhteys matkapuhelinverkkoon katkeaisi. Ennakkotieto nopeuttaa laitteen ensimmäisen paikan saantia, sekä varmistaa merkittävästi GPS-vastaanottimen toimintakykyä heikoissa tai nopeasti muuttuvissa vastaanotto-olosuhteissa, kuten esimerkiksi sisätiloissa, rakennusten välissä tai liikkuvan eläimen paikannuksessa.http://www.u-blox.com/services/index.html http://www.sirf.com/tutorial.html Kiertorata- ja almanakkatietojen lukeminen suoraan satelliiteista vaatii hyvänlaatuisen ja katkeamattoman yhteyden satelliittiin useamman kymmenen sekunnin ajaksi. Kun kiertorata- ja almanakkatiedot ovat olemassa, nopeutuu ensimmäinen käynnistys (Cold start) huomattavasti. Pitempiaikaisessa käytössä on huomattava, että näkyvät satelliitit painuvat horisontin taakse muutaman tunnin välein. Vastaanottimen on kyettävä lukemaan kiertorata- sekä almanakkatiedot uusista horisontin yläpuolelle nousseista satelliiteista. Ilman A-GPS -ominaisuutta hankalissa oloissa tai sisätiloissa oleva vastaanotin voi hukata paikkansa, koska se ei saa luettua satelliiteista kiertorata- ja almanakkatietoja, vaikka satelliittien kuuluvuus riittäisikin paikan laskemiseen.
Toisessa tunnetussa A-GPS:n muodossa käytetään lisäksi avuksi verkko-operaattorilta saatavaa karkeaa arviota GPS-vastaanottimen nykyisestä sijainnista.
Tunnetaan myös A-GPS -ominaisuus, jossa GPS-vastaanotin lähettää A-GPS -palvelimelle "jatkuvasti" tietoa omasta satelliittinäkymästään, jolloin palvelin voi tarkemmin kohdistaa A-GPS -tietoa tai jopa avustaa paikan laskemisessa.