– Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Hvem, Hvad, hvor > > Fysikkens Spinoffs > GPS: Global Positionin...

07. juni 2010

 

GPS: Global Positioning System 

Da det amerikanske militær lavede det verdensomspændende navigationssystem, GPS, blev de nødt til at korrigere for effekterne af Einsteins relativitetsteori. Urene på satellitterne går nemlig en lille smule hurtigere end urene her på Jorden.

Albert Einstein, en af det tyvende århundredes vigtigste videnskabsmænd, blev født den 14. marts 1879 i den sydtyske by Ulm og døde i Princeton, USA den 18. april 1955, hvor han tilbragte de sidste ti år af hans liv.

I 1905 offentliggjorde Albert Einstein den specielle relativitetsteori. Ifølge denne teori er lysets hastighed altid konstant. Tid og afstand vil derimod ændre sig under forskellige omstændigheder; fx ved forskellige hastigheder.

Elleve år senere udgav Einstein også den almene relativitetsteori. Denne teori viste, at de forskellige himmellegemer trækker både rummet og tiden sammen omkring sig. Det vil for eksempel sige, at tiden går lidt langsommere på en planet som Jorden, end den gør ude i rummet.

Forestillingen om, at rum og tid kan forandre længde, omvæltede hele vores verdens-billede. Det betød, at lovene i den klassiske fysik kun gælder ved lave hastigheder og korte afstande.
Konsekvenserne af de to teorier strider imod vores almindelige erfaringer. Effekterne er nemlig kun synlige under forhold, som vi aldrig selv oplever. Einstein siger, at tiden går hurtigere, jo mindre påvirkningen fra tyngdekraften er. Men hvordan skal man kunne tro på, at et ur går langsommere på Jorden end i rummet?

I tidens løb er der mange, som har udtænkt forskellige forsøg, for at opklare om de to teorier er korrekte. I 1955 foreslog den tysk-amerikanske fysiker Friedwardt Winterberg et eksperiment, hvor man skulle placere meget nøjagtige atomure på satellitter, for at se om de ville gå hurtigere end urene på Jorden. Eksperimentet var selvfølgelig meget dyrt, og det blev aldrig foretaget.

Den 4. oktober 1957 opsendte det daværende Sovjetunionen verdens første satellit, Sputnik 1

Den kolde krig og Sputnik

Men på samme tid begyndte den kolde krig at udvikle sig. Både i Sovjetunionen og i USA producerede militæret flere og flere atomvåben, for at være sikre på, at fjenden ikke blev stærkere end dem selv. Jo mere præcist atomvåbnene kunne ramme deres mål på den anden side af kloden, jo farligere var de. Derfor blev det pludselig vigtigt at udregne helt nøjagtige positioner. Og derfor gik det amerikanske militær i gang med at forbedre sine navigationsredskaber.

I 1957 sendte russerne Sputnik op. Amerikanerne holdt øje med satellitten, og så begyndte de at forestille sig, hvordan man kunne bruge information fra satellitter til at navigere med. Lidt efter lidt afprøvede de forskellige løsninger. I 1973 holdt de forskellige dele af det amerikanske militær et møde, hvor de kombinerede deres viden. På mødet blev det besluttet at bruge satellitter til at lave et "GPS": et "Global Positioning System". Det vil sige et system, som kan angive brugerens nøjagtige position, overalt på jordkloden.
Straks herefter begyndte man at bygge satellitterne, og sende dem ud i rummet. Men for at kunne koordinere de forskellige signaler fra satellitterne, var det nødvendigt med uhyre præcise ure. Dermed blev Winterbergs forsøg til virkelighed.

Ronald W. Reagan (6. februar 1911–5. juni 2004) var skuespiller, republi-kaner, statsmand, tidligere guvernør i Californien og USA's 40. præsident igennem to valgperioder fra 1981 til 1989.

Einstein havde ret

Og Einstein havde ret: Urene ombord på satellitterne går faktisk hurtigere end ure her på Jorden, og det bliver ingeniørerne nødt til at korrigere for. Da systemet endelig var klar til brug i 1993 var den kolde krig slut. Men GPS-systemet var skabt, og kan vise os vej overalt på Jorden.

I begyndelsen var det meningen, at det kun var militæret, der skulle have adgang til GPS-systemet. Men i 1983 lavede et koreansk fly en navigationsfejl, og blev skudt ned over Sovjetunionen. Derefter besluttede USA's præsident Reagan, at systemet også skulle være tilgængeligt for almindelige mennesker. De første år var der en kode på det åbne signal, så det var meget upræcist. Men koden blev fjernet i 2000, og så blev det almindeligt at købe GPS-modtagere for at finde vej.

GPS kan også bruges til andre ting. Et eksempel er geocaching: En slags skattejagt, hvor man finder små skatte, som andre har lagt ud, ved hjælp af en GPS-modtager.

Sådan fungerer GPS

En GPS-modtager her på Jorden får signaler fra satellitterne ude i rummet, og på den måde kan den regne ud, hvor den befinder sig. Hvis satellitten fx er programmeret til at afsende et signal kokken 12, så kan GPS-modtageren se, hvor lang tid det tager inden signalet er nået frem.

Radiosignalet består af elektromagnetiske bølger, ligesom lys, og derfor er signalernes hastighed også konstant, ligesom lysets. GPS-modtageren kender altså både signalets hastighed, og den tid det tog om at nå Jorden, og derfor ved den nøjagtigt hvor langt væk satellitten er.

GPS-modtageren ved også præcist, hvor satellitten befinder sig i forhold til Jorden. Alle satellitterne flyver nemlig i faste baner. Inde i GPS-modtageren er der en lille almanak, som hele tiden fortæller den, hvor de er henne.
Men radiosignalet fortæller kun noget om afstanden til satelitten - ikke hvilken retning det kom fra. Derfor skal GPS-modtageren have kontakt til mindst tre satellitter. Så får den et krydspunkt, der viser dens egen position.

GPS-modtagerne er en lille smule upræcise på grund af deres ure

De ure, som er ude i satellitterne, kaldes atom-ure. De fungerer ved at tælle svingningerne på cæsium- og rubudium-atomer. Deres afvigelse er kun på et enkelt sekund i løbet af en million år. Når GPS-modtageren skal måle, hvor lang tid det tager satellitternes radiosignaler at nå ned til Jorden, burde den også bruge et atom-ur, for at gøre det helt korrekt.

Men atom-ure er dyre. Et enkelt ur koster mellem 50 og 100.000 dollars. Derfor er der kun almindelige, billige ure i GPS-modtagerne. Og derfor skal GPS-modtageren have kontakt til mindst fire satellitter af gangen, for at fungere ordentligt. Afstanden fra det krydspunkt, som GPS-modtageren beregner, og til den fjerde satellit, kan nemlig fortælle, hvor skæv målingen er blevet. På den måde indstiller det billige ur hele tiden sig selv.