GPS-mittaus

GPS (Global Positioning System) on Yhdysvaltojen puolustushallinnon ylläpitämä maailmanlaajuinen satelliittipaikannusjärjestelmä. Vastaavanlaisia paikannusjärjestelmiä ovat myös venäläinen GLONASS  ja Euroopan Unionin suunnittelema Galileo.

GPS – järjestelmä koostuu 24 satelliitista ja vaihtelevasta määrästä varasatelliitteja. Satelliittien kiertorata on noin 20 000 km:n korkeudella. Kukin satelliitti kiertää maapallon kahdesti vuorokauden aikana.

Satelliitit lähettävät radiosignaalia kahdella eri taajuudella L1 ja L2, joihin paikanmääritys perustuu. Satelliitin signaaliin on lisätty PRN – binäärikoodia (Pseudo Random Noise). Binäärikoodin avulla L1 – signaaliin (sinimuotoiseen kantoaaltoon) on moduloitu paikannuskoodit (C/A – ja P –koodi) ja navigointiviesti sekä L2 – signaaliin vastaavasti P – koodi ja navigointiviesti. C/A – koodi (Coarse acquisition) on siviileille avoin paikannuskoodi ja P – koodi (Precise) on salattu ja varattu sotilaalliseen käyttöön.

Taulukkoon on koottu GPS – signaalien ominaisuuksia.

Paikanmääritys

GPS -paikanmääritys jaetaan absoluuttiseen, differentiaaliseen ja suhteelliseen paikanmääritykseen.

Absoluuttinen paikanmääritys tehdään yhdellä vastaanottimella, esimerkiksi käsinavigaattorilla, satelliittien signaalien C/A - koodihavaintoja käyttäen. Jokainen satelliitti lähettää omaa C/A – koodia, johon vastaanotin lukittuu. Vertaamalla vastaanotetun koodin vaihetta vastaanottimessa generoituun vastaavaan koodiin selviää signaalin kulkuaika ja edelleen etäisyys satelliittiin. Koska satelliittien paikka on lähetetty navigointiviestissä, voidaan vastaanottimen paikka laskea. Paikanmääritys vaatii vähintään neljä satelliittia. Näin neljä tuntematonta, sijainti (jlh) ja vastaanottimen kellon virhe, voidaan määrittää.

Differentiaalisessa paikanmäärityksessä (DGPS)  paikanmäärityksen virheiden pienentämiseksi käytetään differentiaalikorjausta. Korjaukset satelliittien etäisyyteen on määritetty jollakin koordinaateiltaan tunnetulla pisteellä ja ne välitetään vastaanottimelle radion välityksellä. Suomessa differentiaalikorjausta välittävät muun muassa Digita (www.digita.fi) ja Merenkulkulaitos (www.fma.fi). ). DGPS - korjausta välittää myös Geotrim oy GSM/GPRS - yhteyden avulla VRS -verkosta (kts. jäljempänä).

Suhteellinen paikanmääritys perustuu satelliittien signaalien kantoaallon hyväksikäyttöön. Paikanmääritykseen tarvitaan vähintään kaksi vastaanotinta, joista toinen on koordinaateiltaan tunnetulla pisteellä. Mittauksessa määritetään koordinaattieroja vastaanottimien välillä.

Vastaanottimen lukittuessa satelliitin signaaliin vastaanotin mittaa sen hetkisen kantoaallon vaiheen ja aloittaa tulevien kokonaisten aallonpituuksien lukumäärän laskemisen siitä hetkestä eteenpäin. Mittauksen aloitushetkellä satelliitin ja vastaanottimen välisten kokonaisten aallonpituuksien lukumäärä N on tuntematon. N säilyy vakiona koko mittauksen ajan, jos satelliitin signaali ei syystä tai toisesta katkea. Satelliitin liikkuessa radallaan sen etäisyyden muutos näkyy siis vastaanottimen laskemien saapuneiden aallonpituuksien lukumäärässä. Laskennallisesti, kun on havaittu useampaa satelliittia jonkin aikaa, voidaan N määrittää ja sen avulla voidaan edelleen laskea satelliitin etäisyys vastaanottimesta.

Suhteellisen paikanmäärityksen tärkeimmät sovellukset ovat staattinen GPS – mittaus ja RTK – mittaus. Staattinen mittaus tapahtuu jälkilaskentana ja soveltuu esimerkiksi tarkkojen kiintopisteverkkojen mittaamiseen ja erilaisiin deformaatiomittauksiin. RTK – mittauksessa eli reaaliaikaisessa kinemaattisessa mittauksessa vaadittavat laskennat voidaan suorittaa reaaliajassa ja mitattujen pisteiden koordinaatit saadaan heti mittaushetkellä. RTK – mittauksessa tunnetulla pisteellä olevan vastaanottimen ja kartoitusvastaanottimen välille tarvitaan tiedonsiirtoyhteys.

Perinteisen RTK - mittauksen on viime vuosina korvannut kiinteisiin tukiasemiin perustuva verkko-RTK  -menetelmä, jossa kartoitusvastaanottimen tarvitsemat korjaukset määritetään useamman kiinteän tukiaseman havainnoista erillisessä laskentakeskuksessa.

Verkko-RTK -menetelmistä Suomessa ja Maanmittauslaitoksella on käytössä VRS - menetelmä  (Virtual Reference Station).  VRS - menetelmä perustuu siihen, että kartoitusvastaanottimen lähelle luodaan virtuaalinen tukiasema kiinteän tukiasemaverkon havaintojen ja erilaisten virhelähteiden mallinnuksen avulla. 

Käytännössä mittaaminen VRS -verkossa tapahtuu seuraavasti: kartoitusvastaanotin (mittaaja) lähettää sijaintinsa VRS -laskentakeskukseen GSM/GPRS -yhteyttä käyttäen. Laskentakeskus muodostaa virtuaalisen tukiaseman ko. paikkaan eli uudelleen sijoittaa siihen lähimmän todellisen tukiaseman havaintodatan. Määrittää ja interpoloi havaintoihin ko. paikassa vaikuttavat virhelähteet. Tämän jälkeen laskentakeskus aloittaa RTK - korjauksen lähettämisen kartoitusvastaanottimelle ikään kuin se tulisi tukiasemalta, joka sijaitsee aivan mittauspaikan vieressä.

Tällaisella verkkomenetelmällä päästään perinteistä RTK -menetelmää parempaan tarkkuuteen, koska mittaukseen vaikuttavasta, etäisyydestä riippuvasta virheestä päästään eroon lähes kokonaan. Lisäksi menetelmä tuo myös kustannus- ja ajansäästöä, koska omasta tukiasemasta ja sen  pystyttämisestä voidaan luopua.

Virhelähteet ja paikannustarkkuus

GPS – paikannukseen vaikuttavat monet virhelähteet, joista suurin on tällä hetkellä ilmakehä. Ilmakehän ionosfääri ja troposfääri vaikuttavat satelliitin signaaliin etenemisnopeuteen ja sitä kautta ilmenevät virheenä satelliittien etäisyydessä.

Muita virhelähteitä ovat mm. satelliittien radanmäärityksen ja kellon virheet, vastaanottimesta johtuvat virheet ja monitieheijastukset. Jälkimmäinen tarkoittaa sitä, että satelliitin signaali ei tule suorinta tietä vastaanottimen antenniin vaan on heijastunut jostakin esineestä tai pinnasta. Tällaisia ovat esimerkiksi rakennukset, auto, puut, veden pinta jne.

Satelliittien huono keskinäinen sijainti taivaalla heikentää paikannuksen tarkkuutta. Satelliittigeometrian hyvyys ilmaistaan DOP – luvuilla (Dilution Of Precision). Mitä pienempi luku, sen pienempi on satelliittigeometrian vaikutus paikannuksen tarkkuuteen. Satelliittigeometria on riittävän hyvä, kun yleisimmin käytetty PDOP – arvo (Position DOP) on alle 6.

Virheiden vaikutusta voidaan pienentää esimerkiksi ionosfääri -  ja troposfääri -malleilla yksittäisen vastaanottimen tapauksessa. Differentiaalisessa paikannuksessa eri virheistä päästään lähes kokonaan eroon määritettyjen korjausten ansiosta. Suhteellisessa paikannuksessa virhelähteet osin kumoavat toisensa laskentamenetelmästä johtuen, mutta kaksitaajuusvastaanottimilla voidaan ionosfäärin aiheuttama virhe määrittää ja eliminoida.

Taulukossa on annettu karkeat tarkkuusarviot eri paikannusmenetelmille. Erityisesti absoluuttisessa paikannuksessa tarkkuus voi heitellä huomattavasti mittauspaikasta, satelliittigeometriasta ja virhelähteistä johtuen.