Nu får GPS konkurrens

Där landhöjningen är som störst i Sverige, mellan Skellefteå och Piteå, reser sig marken med 1 centimeter om året. I sydligaste Skåne sjunker tvärtom landet med 1 millimeter årligen.

Sedan en tid tillbaka kan man mäta dessa förändringar mycket noggrant. På ett stort antal platser i Sverige finns det instrument som på millimetern när kan berätta hur marken rör sig. Det är en noggrannhet som är förbluffande med tanke på att huvudkällan till mätningarna kommer från satelliter 20 000 kilometer ovanför jordytan.

Det som gjort dessa mätningar möjliga är det amerikanska satellitnavigeringssystemet GPS (global positioning system). Men enbart satelliterna räcker inte för millimeternoggrannhet, utan det behövs en hel del beräkningar för att eliminera de många felen på vägen mot korrekta mätvärden.

– När jag arbetade med min doktorsavhandling 1985 minns jag att vi pratade om någon decimeters precision, tio år senare var vi nere på centimeter och nu är det alltså millimeter, säger Jan Johansson som forskar vid Chalmers tekniska högskola, Onsala rymdobservatorium och Sveriges provnings- och forskningsinstitut i Borås.

En viktig del av denna utveckling är de 74 referensstationer som är spridda över Sverige. De tar emot satellitsignaler och kan sedan beräkna och kompensera för olika felkällor, till exempel störningar i atmosfären.

Första satelliten

Nu är det dags för ytterligare ett steg mot större noggrannhet. I slutet av 2005 skickar det europeiska rymdorganet ESA upp en första provsatellit för det nya navigeringssystemet Galileo. En konkurrent till GPS.

Med den extremt höga noggrannhet som GPS-systemet ger i dag kan man undra över meningen med Galileo. Är det egentligen inte bara ett dyrt prestigeprojekt?

– Från början tyckte jag nog att det var onödigt, säger Jan Johansson.

Men ju mer involverad han har blivit i systemets utveckling, desto mer har han kommit att gilla det. Med fler satelliter och satelliter i andra banor, till exempel mer gynnsamma för navigering på nordliga breddgrader, ökar säkerheten.

För många användare rör det sig dock om marginella skillnader. Det krävs fyra satelliter för att bestämma en position med en nogrannhet som räcker för de flesta användare.

– I våra tillämpningar behövs det fem sex satelliter, och med det kommande systemet bör vi komma upp i 15-20 stycken, säger Jan Johansson.

Kalla kriget

GPS utvecklades redan på 1960-talet, mitt under det kalla kriget, och företrädarna för Galileo betonar att GPS är ett militärt projekt. Galileo är däremot ett kommersiellt projekt, även om de flesta som kommer att använda det inte kommer att betala något. När vissa delar av GPS är förbehållna militären, är vissa delar av Galileo i stället reserverade för kunder som betalar. Förhoppningen från EU är att Galileo ska gå med vinst.

Ett annat viktigt argument för Galileo är att systemet ska minska beroendet av USA. Även om GPS sägs vara internationellt, finns det inga garantier för att USA vid en allvarlig kris inte skulle minska tillgängligheten.

Att USA vill behålla en viss kontroll var också skälet till att amerikanerna från början försökte motarbeta tillkomsten av Galileo. Bland annat släppte man vissa hemliga delar i GPS och deklarerade att systemet är en internationell resurs. Genom att öka attraktiviteten hos GPS ville man minska behovet av ytterligare ett system. Ett system som USA inte skulle ha kontroll över.

Men EU lät sig inte avskräckas, tvärtom sporrades man, och om tidsplanen håller ska samtliga 30 satelliter vara i omlopp år 2008.

Ytterligare ett argument för Galileo är att högteknologiska projekt som detta ska hjälpa europeiska industriföretag att skaffa sig spjutspetskompetens. Man hoppas kunna kopiera framgångsrecept som Arianeraketen och Airbusflygplanen.

Press på GPS

En viktig effekt av Galileo är att det sätter press på GPS. Amerikanerna har aviserat en rejäl uppgradering av GPS, där det förbättrade systemet – kallat GPS III – kommer att ha prestanda i klass med Galileo.

Efter en tid av frostiga transatlantiska relationer är det nu försoning som gäller, och systemen ska vara synkroniserade och så lika att de kan användas av en och samma mottagare.

Till förbättringarna jämfört med dagens system hör att både Galileo och GPS kommer att sända med starkare och tydligare signaler. Och de kommer att ha ännu noggrannare atomur ombord.

– Allt bygger på tidmätning, det är hjärtat i hela i systemet, säger Jan Johansson.

Ombord på varje Galileosatellit kommer det därför att finnas flera atomur. De ska på exaktast möjliga sätt både mäta tidens gång och generera frekvensen som radiosignalerna sänds på. Som det ser ut just nu är det två typer av ur som kommer att finnas ombord. Den ena baseras på grundämnet rubidium, den andra på väte. Båda är utmärkta på korta tidsförlopp, vilket är det som är viktigt här. Variationer över timmar och dygn tar i stället stationerna på marken hand om.

– Väteatomklockan är överlägsen rubidium i det mesta, men den är också dyrare, tyngre och har kortare livslängd. Därför är en kombination av de två atomuren en lösning som ger både hög noggrannhet och hög driftsäkerhet, förklarar Jan Johansson.

I dag sänder GPS på två frekvenser, 1 227 och 1 575 megahertz. De är valda för att ge minsta möjliga motstånd i atmosfären. Blir frekvensen för hög kan signalen stoppas upp av regn och vattenånga, och är den för låg blir påverkan från elektronerna i de övre delarna av atmosfären för stor.

Okodad information

Den ena frekvensen är civil, medan den andra är krypterad och avsedd för militären. Det sistnämnda ställer till vissa problem vid beräkningar som kräver särskilt stor noggrannhet. Galileo kommer att sända okodad information på båda kanalerna, och troligen kommer man dessutom att öppna en tredje frekvens. Förhoppningen är att GPS följer efter.

Att signalerna från satelliterna störs av atmosfären kan faktiskt utnyttjas till något positivt. Man kan till exempel beräkna hur mycket vattenånga som finns i atmosfären. Sådana data kan användas i väderprognoser. Ett europeiskt forskningsprojekt där man har installerat 400 mätpunkter runt om i Europa är just avslutat, och nu går det därför att använda satellitmätningar av vattenånga i väderprognoserna.

– Särskilt när vädret är under snabb förändring, till exempel vid häftiga åskväder, blir prognoserna bättre med data från dessa mätningar, säger Jan Johansson.

Tusen gånger per sekund

När både kvalitet och kvantitet hos satellitnavigeringen ökar, kan man mäta inte bara noggrannare utan också oftare. I dag mäter man oftast högst en gång i sekunden. Men det finns instrument framtagna i Sverige av SaabEricsson Space som mäter hela 1 000 gånger per sekund.

– Vi har använt GPS för att mäta på långsamma effekter, som landhöjningen, men nu kan vi jobba med kortare tider, säger Gunnar Elgered vid Chalmers tekniska högskola och Onsala rymdobservatorium.

Som exempel nämner han övervakning av broar, jordbävningar, vulkanutbrott och områden där det är risk för jordskred.

– Det finns områden i Göta älvdal som det vore mycket intressant att studera, säger han.

Förhoppningen är att man ska upptäcka små rörelser och därmed i god tid kunna förutsäga när ett jordskred är på gång. I vissa tillämpningar kan det handla om att några timmar före det verkliga raset kunna se avvikelser som inte är större än någon millimeter.