Derfor svermer det atomklokker i verdensrommet
Uten dem kunne vi ikke visst hvor vi befinner oss.
Uansett om du kjører, seiler eller flyr – hvis du er underveis et sted nyter du i dag som oftest svært godt av det globale satelittnettverket GPS. Men visste du at systemet som sørger for at du finner veien trygt frem dit du skal egentlig bare er en drøss høytsvevende klokker?
For å forstå hvordan det globale posisjoneringssystemet fungerer må vi reise litt bakover i tid, til den kalde krigen, og det amerikanske forsvarets behov for å holde styr på hvor atomubåtene deres befant seg. Hvis ubåtene skulle kunne sende sine missiler til sine sovjetiske mål, og ikke for eksempel til Halden, måtte de nemlig vite både retningen de skulle skytes mot og hvor langt de skulle fly.
Det å finne ut av posisjonen sin mens du er midt utpå havet er dog ikke bare enkelt. Du kan kanskje bruke kart, kompass og stjernenes posisjoner for å få en viss peiling, men når du sitter på en sverm av atomraketter er det greit å være heeelt sikker før du trykker på knappen. Det amerikanske luftforsvaret, med sine strategiske bombefly, hadde også tilsvarende behov.
Einstein og Doppler leverte verktøy
Det var denne problemstillingen som gjorde at GPS ble en realitet, og det ble i tur mulig takket være Albert Einsteins generelle relativitetsteori. I henhold til denne, enkelt forklart, går tiden med en annen hastighet ute i verdensrommet enn her nede, hvor vi er mer utsatt for Jordens tyngdekraft.
Dermed skulle man kunne plassere en svært nøyaktig klokke i bane rundt jorden, og se på hvor forskjøvet viserne på denne klokken er i forhold til en lik klokke på bakken – og basert på dette finne ut hvor langt ute i verdensrommet satelitten måtte være.
I tillegg var det en annen vitenskapsmann ved navn Christian Doppler som hadde oppdaget det som nå kalles Doppler-effekten. Denne går ut på at bølger – enten det dreier seg om lydbølger eller radio – vil fremstå som om de har en annen frekvens hos noen som mottar dem enn de opprinnelig hadde hos avsenderen, dersom disse to beveger beveger seg relativt til hverandre.
Kort sagt: Bølger vil fremstå som mer høyfrekvente hvis de sendes av noe som kommer mot deg, og mer lavfrekvente hvis de sendes av noe som beveger seg vekk fra deg.
Stiller klokka for deg
Med disse gode, gamle og velprøvde teoriene på plass, og med tilgang til et utall milliarder dollar for å ruste opp atomberedskapen i USA, lå alt til rette for å lage et fungerende GPS-system. Alt som trengtes var en sverm av satelitter med atomur ombord, som selv visste hvor de var – og mottakere på bakken som også visste hva klokka i virkeligheten var.
"Satelittene sender utelukkende sine egne posisjonsdata og klokkeslett"
Problemet med dette var bare at atomur koster en god slant penger å produsere, og siden man innså at GPS kunne ha langt flere bruksområder enn å bare sikte inn atomraketter kom man frem til at det ville vært litt upraktisk å basere seg på at alle brukerne hadde medbrakte atomur. Derfor lot man satelittene stille inn klokkene på bakken – som er måten GPS-mottakere fungerer på den dag i dag.
Ved hjelp av de første forløperne til dagens GPS fikk amerikanerne en stor fordel rent militært, men systemene var langt fra perfekte, og man gikk gjennom flere forskjellige varianter før man på begynnelsen av 1980-tallet satte i gang med å utvikle det som skulle bli til dagens system. Først et stykke utpå 1990-tallet hadde man mange nok kompatible satelitter i luften – 24 stykker – til at man virkelig kunne kalle systemet globalt, og dessuten kunne gi brukerne forholdsvis god nøyaktighet overalt.
Man må nemlig ha mange satelitter for å kunne finne skikkelig nøyaktige posisjoner i tre dimensjoner, og i dag består systemet av 31 stykker. Med en høyde på drøyt 20 000 kilometer betyr det at du som regel vil være innenfor rekkevidde av mellom seks og åtte GPS-satelitter, uansett hvor du er; og jo flere du har siktlinje til, jo raskere og presise målinger får du.
Slik fungerer det i dag
Det minste antallet satelitter du må ha kontakt med for å finne ut hvor du er, er i utgangspunktet fire. Hvis du for eksempel står i Oslo, og får kontakt med én satelitt over Spania, en annen over Danmark, en tredje over Ukraina og en fjerde over Tyrkia, vil disse fire tilsammen kunne fortelle deg med stor nøyaktighet hvor langt unna de befinner seg din posisjon.
De vil også vite hvor de selv er, noe de også sier fra om. Med hvert sitt innebygde og svært presise atomur har de også en god idé om hva klokka bør være på sin posisjon – og forskjellene mellom dataene du får fra alle fire, kombinert med teoriene fra Einstein og Doppler, gjør at din GPS-mottaker kan stille sin egen klokke svært presist.
Alle disse dataene kommer også sammen i et regnestykke mottakeren din gjør for deg, og resultatet blir din nøyaktige posisjon på kloden i form av et presist koordinatsystem. Til sist kan dette plottes inn på et kart, som man tidligere måtte ha med seg i papirform, men som i dag i de fleste tilfeller er lagret digitalt i GPS-mottakeren.
Det er denne digitale kopien, enten den kommer fra Google Maps eller bilnavigasjonen din, som gjør at du kan finne frem til gateadresser og slikt – satelittene sender utelukkende sine egne posisjonsdata og klokkeslett. Dette er også grunnen til at det kan ta litt tid å motta en riktig posisjon når du først slår på en GPS-mottaker, ettersom den må oppnå kontakt med minst fire satelitter for å gi deg et resultat.
For å få litt fortgang i denne prosessen benytter også mange moderne GPS-mottakere det mobile GSM-nettet, i form av noe som kalles «assistert GPS», eller bare A-GPS. Dette fungerer slik at mens mottakeren venter på signal fra satelitter sender den et lite ping ut på mobilnettet, og får et mer omtrentlig anslag på hvor i verden du befinner deg nesten helt med en gang.
Militæret slapp GPS fri
Nå var det jo engang slik at GPS-systemet vi alle kjenner i dag egentlig ble utviklet for militær bruk, og forgjengerne til dagens system var også reservert for USAs tropper helt fra starten. Det var ikke før etter at Sovjetunionen i september 1983 sendte opp en jetjager og skjøt ned ned et Boeing 747 passasjerfly, som på vei fra Alaska til Sør-Korea hadde forvillet seg inn i sovjetisk luftrom, at dette endret seg.
Den amerikanske presidenten Ronald Reagan erklærte bare uker etter nedskytningen at neste generasjons satelittnavigasjon – dagens GPS-system, som på tidspunktet var under utvikling – også ville bli åpnet opp for sivil bruk, så fly kunne holde seg på riktig kurs. Ti år senere sto systemet klart til bruk, og hele verden fikk tilgang på god og presis kartnavigasjon.
I år 2000 ble GPS enda mer presist for sivile, da USA lot sivile få full tilgang til nettverkets egenskaper, men de holder fortsatt fast på muligheten til å slå det av i visse regioner dersom de vil nekte sine fiender å benytte systemet. Derfor har Russland i mellomtiden plukket sammen sin egen satelittnavigasjon ved navn GLONASS, og Kina og Japan lager også egne militære navigasjonsnettverk.
Da er det hyggelig å vite at EU arbeider med å få på plass et skikkelig sivilt nettverk, ved navn Galileo. Dette vil gi langt større presisjon – særlig på nordlige breddegrader – med bare noen centimetres feilmargin når det samarbeider med amerikanernes system. Slik håper EU å skape større økonomisk vekst, et bedre dekningsområde, og enda bedre navigasjon for både flymaskiner og enkeltpersoner.
Mange andre typer teknologi hjelper fly å fly trygt, men det er ikke alltid nok:
Hvordan i alle dager kan man miste et digert fly? Her er noen forklaringer »
