Fortel meg kva klokka di er, så skal eg seie kvar eg er, er vår vri på eit kjent uttrykk. Dette prinsippet er nemleg viktig når ein ønskjer å finne ut eksakt kvar ein er på jordkloden. Det gjaldt for sjøfarande i seglskutetida, og det gjeld for dagens satellittnavigasjon.

John Harrison var ein sjølvlært tømrar som på 1700-talet fann opp eit skipskronometer som viste kva klokka var i Greenwich same kor kraftige bølgjer skipet var utsett for. Med den kunnskapen kunne styrmannen rekne ut kva lengdegrad båten var på, ved å samanlikne den lokale tida si (12:00 når sola står i sør) med Greenwich-tida som kronometeret viste. Dette revolusjonerte navigasjonen, for no hadde dei full kontroll over både breidde- og lengdegrad, og fartøy kunne reise rundt på havet med mykje større presisjon og tryggleik enn før.

I dag navigerer vi ved hjelp av meir enn hundre navigasjonssatellittar som sviv rundt jordkloden og kontinuerleg kringkastar kva posisjon dei har i verdsrommet, og kva klokka er når signalet vert sendt ut. Basert på denne informasjonen kan ein GNSS-mottakar (Global Navigation Satellite System) rekne ut kvar han er, og vi nyttar informasjonen til effektiv kommersiell skipsfart, lastebiltransport og sjølvsagt militæroperasjonar.

Mange av oss bruker satellittnavigasjon når vi joggar med Runkeeper, syklar med Strava eller finn fram i komplisert bytrafikk. Det finst fire fullt verksame globale posisjoneringssystem i verda i dag. Det er det mest kjende Global Positioning System (GPS) som er styrt av det amerikanske forsvaret. I tillegg finst Glonass, det tilsvarande russiske systemet, det kinesiske BeiDou og EUs Galileo.

EU vil ikkje vere avhengig av navigasjonssystem som kunne slåast av eller manipulerast utan varsel av militære styresmakter i USA eller andre stormakter. Glonass fungerer spesielt godt for navigasjon i nordområda.

Mykje teknologi på må plass for å få globale posisjoneringssystem til å verke, men den grunnleggjande ideen er basert på relativt enkel geometri. Metoden vert kalla trilaterasjon, ein teknikk der ein bruker kjende avstandar frå faste punkt til å finne koordinatane til eit nytt punkt.

Det første som skjer når GNSS-mottakaren din tek imot eit satellittsignal, er at han samanliknar tidspunktet då signalet vart sendt, og tidspunktet då det vart motteke. Signalet har med seg eit klokkeslett, og mottakaren har ei innebygd klokke.

Radiosignal flyttar seg med lysfarten, og sidan vi òg veit kor lang tid signalet har brukt, kan vi rekne ut kor lang avstand det vart sendt frå. Om vi berre får eitt signal, veit vi berre at vi er på ei tenkt kuleoverflate der satellitten ligg i sentrum av kula.

For å finne ut eksakt kvar vi er, treng vi tre satellittsignal til. Om vi har to signal, vil vi kunne plassere oss sjølve på ein sirkel, det vil seie den sirkelen som vert forma av dei punkta der to kuleflater overlappar kvarandre. Om vi får eit signal til, veit vi at vi er på eitt av to moglege punkt på denne sirkelen, og det siste signalet bestemmer kva for eit av desse punkta vi er på. Når vi har fire ulike tenkte kuleoverflater med ulike sentrum, vil dei altså berre ha eitt felles punkt, og då veit vi eksakt kor vi er.

Satellittane svevar om lag 20.000 km over jordoverflata, og eit signal bruker mellom 65 og 100 tusendels sekund på å nå fram til ein mottakar avhengig av kvar mottakaren er. Sidan klokkeslett er så viktig i denne utrekninga, og sidan vi opererer med korte tidsintervall, er presisjonen til klokkene uhyre viktig.

John Harrison brukte mekaniske prinsipp med balansehjul og fjører for å lage klokker som gjekk berre eitt sekund feil på ein månad. Satellittane bruker atomur som er langt meir presise, og som måler tidsintervall ned til ein billiondels sekund (1 pikosekund).

Slike atomur er dyre, og vi kan ikkje ha det i alle GNSS-mottakarane, så i mobilen din er det ein mottakar med kvartsklokke. Han kan måle klokkeslett ned til ein milliarddels sekund (1 nanosekund). Men alle klokker har avvik, og derfor har dei ulike satellittsystema basestasjonar som heile tida sender korreksjonar til atomura i satellittane, slik at dei formidlar rett tid. Galileo har ein slik basestasjon på Svalbard.

Presisjonen er lågare i vanlege folks GPS-system enn det dei har råd til i militæret eller store reiarselskap. Dei som har laga slike billige mottakarar, har sjølvsagt føresett at kvartsklokkene vil gå feil, og derfor har dei laga algoritmar som bruker estimat av posisjonen til også å estimere kor mykje klokka går feil.

Når ein har tilgang til minst fem satellittar, vil ein kunne bruke ein iterativ prosess som justerer lokal klokketid og posisjon heilt til feilen er så liten som han kan bli.

Presisjonen i navigasjonssystema varierer litt. GPS lovar lågast presisjon, cirka éin meter. Rykta vil ha det til at BeiDou snart skal kunne levere posisjonar heilt ned på centimeternivå, men for å få nytte av dette må mottakaren ha klokker som er meir presise enn dei som finst i dagens kommersielle løysingar.

Teknologiar vert ofte nytta til anna enn det dei var tenkte til. Sidan alle atomura i verdsrommet sender ut klokkeslett heile tida, treng vi færre atomur nede på jordoverflata. Presise klokkeslett er viktige innanfor telekom, på straummarknaden og til og med i finansnæringa (på grunn av robotstyrt aksjehandel).

Dei som leverer tenester i desse sektorane, kan ha nøyaktige klokker heile tida ved å bruke dei klokkesletta som kjem seglande inn frå verdsrommet.

Bjørnar Tessem
og Lars Nyre