Satelliittipaikannus

Satelliitit ovat nykyaikaisen paikannuksen ja navigoinnin kulmakivi, jota hyödyntävät niin autonavigaattorit, älypuhelimet kuin maanmittaritkin. Satelliittisignaalien perusteella vastaanotin voi määrittää sijaintinsa muutaman metrin tarkkuudella missä tahansa maapallolla alle minuutissa. Lisäksi sivutuotteena saadaan aikatieto noin sadan nanosekunnin tarkkuudella.

Satelliitin ottama kuva öisestä Euroopasta.

Avustepalveluita käyttämällä tarkkuus voidaan parantaa jopa senttimetriluokkaan. Aiemmin yhdysvaltalaista GPS-järjestelmää pidettiin satelliittipaikannuksen synonyyminä, mutta nykyään kenen tahansa käytettävissä on sen lisäksi myös venäläinen GLONASS ja käyttöönottovaiheessa olevat eurooppalainen Galileo ja kiinalainen BeiDou. Tästä syystä satelliittipaikannukseen viitataan nykyään termillä GNSS, global navigation satellite system.

Paikannus ei onnistu ilman aikaa

Pohjimmiltaan satelliittipaikannus perustuu tarkkaan ajansiirtoon. Jokainen neljästä satelliittipaikannusjärjestelmästä koostuu noin 20–30 satelliitista, joiden kiertorata on noin 20 000 kilometrin korkeudella maanpinnasta. Kaikissa satelliiteissa on tarkka atomikello, jonka perusteella ne lähettävät maahan aikasignaalia sekä oheisdataa, joka kertoo mm. satelliittien sijainnit.

Signaalista saatavan lähetysaikatiedon ja vastaanottimen sisäisen kellon antaman vastaanottoajan erotus voidaan muuttaa etäisyysmittaukseksi kertomalla se radiosignaalien etenemisnopeudella eli valon nopeudella. Samaan järjestelmään kuuluvien satelliittien kellot ovat keskenään samassa ajassa, mutta vastaanottimissa käytetään kelloina tyypillisesti edullisia kvartsikiteitä, eikä niiden kertoma vastaanottoaika ole suoraan vertailukelpoinen lähetysaikojen kanssa.

Kolmiulotteisten paikkakoordinaattien lisäksi neljäntenä tuntemattomana on siis ratkaistava vastaanottimien kellon poikkeama suhteessa satelliitteihin. Yhtälö ratkeaa, kun käytettävissä on vähintään neljä satelliittia, joiden sijainnit tiedetään: useamman satelliitin käyttö parantaa paikannuksen tarkkuutta ja luotettavuutta.

Koska aika kytkeytyy paikannukseen, merkittävä GNSS-käyttäjäkunta ovat myös ajanmäärittäjät. GNSS-signaalien avulla on mahdollista synkronoida keskenään laitteita ja kelloja, jotka sijaitsevat toisistaan kaukana: esimerkiksi sähkövoimaloiden on tuotettava vaihtovirtaa synkronisesti, ja matkapuhelintukiasemien on oltava keskenään samassa ajassa, jotteivat puhelut katkeisi tukiasemalta toiselle vaihdettaessa.

GNSS-vastaanotin ei paljasta sijaintiaan automaattisesti

GNSS-paikannus tarvitsee toimiakseen vain signaalien vastaanottamista, joten sen käyttäjä ei automaattisesti paljasta sijaintiaan järjestelmän ylläpitäjälle tai kenellekään muulle. Tämä on erityisen tärkeä ominaisuus satelliittipaikannuksen alkuperäisessä käyttötarkoituksessa eli sotilaskäytössä.

Siitä riippumatta monet satelliittipaikannusta hyödyntävät laitteet, kuten älypuhelimet, seurantalaitteet ja robottiautot, voivat silti lähettää sijaintinsa muita kanavia pitkin esim. pilvipalveluun tai laitteen valmistajalle käyttötarkoituksensa vuoksi, paikannustarkkuutta parantavien palveluiden käyttämiseksi tai esim. joukkoistettua tiedonkeruuta varten.

Moni asia tuottaa epätarkkuutta

Paikanlaskentaan käytettävän satelliittimittauksen takana on monen toimijan ketju. Ensin järjestelmän ylläpitäjä on ennustanut satelliittien kiertoradat ja niiden sisäisten atomikellojen väliset aikaerot ja lähettänyt nämä tiedot maasta satelliitteihin. Näiden tietojen perusteella satelliitit muodostavat ja lähettävät signaalin, joka kulkee maahan ilmakehän läpi ja pahimmassa tapauksessa vaimenee tai esimerkiksi heijastuu vastaanottimen lähellä sijaitsevista puista ja rakennuksista.

Vastaanottimen paikka joudutaan laskemaan epätarkoista mittauksista: satelliittien rata- ja kellopoikkeamaennusteet eivät ole täydellisiä, ilmakehässä ionosfääri ja troposfääri vääristävät signaalin kulkua, ja vaimeneminen sekä heijastumat hankaloittavat signaalin seuraamista.

Kuluttajakäyttöön tarkoitetun GNSS-vastaanottimen paikannustarkkuus on näistä tekijöistä johtuen tyypillisesti noin viiden metrin luokkaa, mutta joissakin olosuhteissa tarkkuus on heikompi. Pahimmassa tapauksessa satelliitin vikaantumisesta tai poikkeuksellisen suurista ympäristö- tai ilmakehävääristymistä johtuen vastaanottimen laskema paikka voi poiketa todellisuudesta jopa satoja metrejä tai enemmän.

GNSS-paikannuksen merkittävä haaste on myös satelliittisignaalien heikko voimakkuus. Signaalit lähetetään muutamien kymmenien wattien teholla noin 20 000 kilometrin etäisyydeltä, minkä vuoksi ne ovat maan pinnalle saapuessaan taustakohinaa heikompia. Signaalien rakenne on suunniteltu niin, että normaaleissa olosuhteissa niiden seuraaminen onnistuu kohinatason alapuoleltakin, mutta ulkoiset ympäristötekijät, kuten ilmakehän aktiivisuus tai häiritsevät radiolähetykset, voivat muuttaa tilanteen.

Erityisesti sotilaskäytössä satelliittipaikannuksen tahallinen häirintä on tavallista, mutta valitettavasti häirintälaitteita myydään verkkokaupoissa myös tavallisille kuluttajille, myyntipuheena tyypillisesti väite yksityisyydensuojasta. Radiohäirintälaitteiden käyttö on kuitenkin laitonta.

Paikannusvirhe on turvallisuusriski

Noin viiden metrin paikannustarkkuus riittää mainiosti moniin erilaisiin paikkatietosovelluksiin kuten autonavigaattoreihin, hätäpuheluiden paikannukseen, valokuvien sijaintitunnisteisiin ja metsästyskoirien seurantapantoihin. Monissa ammattilaissovelluksissa tarvitaan kuitenkin joko parempaa tarkkuutta tai virhesietoisuutta.

Esimerkiksi lentokoneen laskeutumiseen satelliittipaikannuksen avulla riittää kyllä muutaman metrin paikannustarkkuus, mutta karkeisiin mittausvirheisiin johtavat tekijät on suljettava pois: sadan metrin paikannusvirheellä voisi olla katastrofaaliset seuraukset. Maanmittaus- tai rakennuskäytössä puolestaan paikkatiedolta vaaditaan senttimetriluokan tarkkuutta.

Tiukempiin tarkkuus- ja luotettavuusvaatimuksiin vastaamiseksi on satelliittipaikannusjärjestelmille kehitetty erilaisia avustepalveluita. Nämä perustuvat joukkoon tukiasemia, joiden sijainnit tunnetaan etukäteen tarkasti. Tukiasemat seuraavat GNSS-satelliittien signaalien laatua jatkuvasti ja tuottavat eri käyttäjien tarvitseman avustetiedon reaaliajassa. Esimerkiksi Suomessa on Maanmittauslaitoksen ylläpitämä FinnRef-verkko, joka koostuu kymmenistä tukiasemista ja jonka tuottamia korjauksia käyttäen voidaan saavuttaa puolen metrin paikannustarkkuus.

FinnRefin lisäksi on olemassa kaupallisia palveluita, jotka on kehitetty tuottamaan senttimetritarkkuuden mahdollistavaa korjaustietoa. Parhaimmillaan GNSS-mittauksilla voidaan seurata jopa mannerlaattojen liikkeitä.

SBAS-satelliitti valvoo GPS-satelliitin toimintaa

Erityisesti lentoliikenteen tarvitseman luotettavuuden takaamiseksi on olemassa myös satelliittipohjaisia avustepalveluita (SBAS, satellite-based augmentation system), jotka toimittavat avustetietonsa samankaltaisina signaaleina kuin paikannussatelliititkin. SBAS-satelliitit toimivat geostationäärisillä kiertoradoilla viestintäsatelliittien tapaan. Niiden lähettämää dataa päivitetään maa-asemilta reaaliajassa, mistä syystä ne kykenevät muutamassa sekunnissa varoittamaan esim. vikaantuneesta GPS-satelliitista.

Sitä vastoin GNSS-satelliiteilla ei ole jatkuvaa yhteyttä maa-asemiin, ja niiden oma reagointiviive vikatapauksissa voi olla jopa tunteja. Toisin kuin GNSS-järjestelmät, SBAS-järjestelmät eivät kata koko maapalloa. Euroopan aluetta palvelevan SBAS-järjestelmän nimi on EGNOS, ja esim. Pohjois-Amerikassa vastaava järjestelmä on nimeltään WAAS.

Ensimmäisenä armeijan käytössä

Satelliittipaikannusjärjestelmät voidaan laskea kriittiseksi infrastruktuuriksi, minkä vuoksi neljä eri tahoa haluaa ylläpitää omaa, saman asian ajavaa rinnakkaista järjestelmäänsä. GPS-järjestelmä on ensisijaisesti sotilaskäyttöön tarkoitettu ja USA:n puolustusministeriön ylläpitämä, ja osa sen toiminnallisuudesta on rajattu vain sotilaskäyttöön.

Itse asiassa 2000-luvun alkupuolelle asti GPS-järjestelmä jopa heikensi siviilikäyttöön tarkoitettujen signaaliensa tarkkuutta tahallisesti, mutta tämä ominaisuus on nykyään kytketty pois päältä. GPS tarjosi siviilikäyttäjille pitkän aikaa vain yhtä signaalia yhdellä taajuudella, joskin ammattikäyttöön suunnitellut laitteet ovat osanneet seurata sotilassignaalejakin näiden salauksesta huolimatta.

Uusimmat GPS-satelliitit tarjoavat kaikille käyttäjille avoimia signaaleja jopa kolmella taajuudella, mutta kestää vielä vuosia ennen kuin kaikki vanhat satelliitit on korvattu uusilla: yhden satelliitin käyttöikä on yli kymmenen vuotta. Monitaajuusvastaanottimet kykenevät kumoamaan ionosfäärin aiheuttaman mittausvirheen, mistä syystä uusien taajuuksien käyttöönotto parantaa tarkkuutta kuluttajalaitteillakin.

GLONASS-järjestelmä kehitettiin Neuvostoliiton vastineeksi GPS:lle. Neuvostoliiton hajottua GLONASS jäi vaille ylläpitoa ja ajautui käytännössä käyttökelvottomaan tilaan, mutta 2000-luvun puolella Venäjä on palauttanut sen toimintakykyiseksi.

GLONASS eroaa muista järjestelmistä teknisesti siten, että jokaiselle GLONASS-satelliitille on varattu oma lähetystaajuus. Muissa järjestelmissä kaikki satelliitit lähettävät samalla taajuudella, ja eri satelliitit tunnistetaan signaaliin sisältyvän koodin perusteella. Satelliittikohtaisten lähetystaajuuksien käyttö kuitenkin aiheuttaa haasteita varsinkin ammattilaisvastaanottimissa, minkä vuoksi tulevat GLONASS-satelliittisukupolvet ryhtyvät käyttämään myös koodiin eikä taajuuteen perustuvaa signaalierottelua.

Galileo on ensimmäinen siviilien ylläpitämä GNSS

Toisin kuin vanhemmat sotilaskäyttöön kehitetyt järjestelmät, eurooppalainen Galileo on kokonaan siviilien ylläpitämä. Se tarjoaa kaikille avoimia signaaleja kahdella taajuudella, minkä lisäksi käytössä kolmas taajuus mm. viranomaiskäyttöä ja lisäpalveluita varten.

Galileo-järjestelmä on alusta alkaen suunniteltu GPS:n kanssa yhteensopivaksi, mistä syystä näiden järjestelmien tärkeimmät signaalitaajuudet ovat samat. Varsinaisten navigointipalveluiden lisäksi Galileo täydentää kansainvälistä COSPAS-SARSAT-järjestelmää, joka välittää hätäilmoituksia meripelastusorganisaatioille.

BeiDou-järjestelmä on suunniteltu palvelemaan erityisesti Kiinan aluetta, mikä käy ilmi sen satelliittien radoista: kun muut järjestelmät käyttävät vain noin 20 000 kilometrin korkeudella lentäviä satelliitteja, kuuluu BeiDouhun näiden lisäksi myös geosynkronisia ja geostationäärisiä satelliitteja, (noin 35 000 km ratakorkeus), jotka maasta katsottuna pysyvät Kiinan pituuspiireillä. BeiDou tunnettiin aiemmin myös nimellä Compass.

Neljän koko maailmaa palvelevan GNSS-järjestelmän lisäksi on olemassa paikallisia järjestelmiä kuten japanilainen QZSS ja intialainen Navic.

Sanastoa

  • GNSS, global navigation satellite system: koko maailmaa palveleva satelliittipaikannusjärjestelmä
  • GPS, global positioning system: USA:n puolustusministeriön ylläpitämä GNSS-järjestelmä
  • geosynkroninen: satelliitti, jonka kiertoaika maapallon ympäri on 24 tuntia, eli sama satelliitti näkyy joka päivä samaan aikaan samassa kohdassa Maasta katsottuna. Kiertoradan korkeus Maasta nähden noin 35 000 km
  • geostationäärinen: geosynkronisen radan erikoistapaus, joka kulkee päiväntasaajan suuntaisesti. Satelliitti näyttää pysyvän paikallaan Maasta katsottuna.
  • MEO, medium Earth orbit: geosynkronista rataa matalampi kiertorata. Useimmat paikannussatelliitit käyttävät noin 20 000 km korkuista MEO-kiertorataa, jolla kiertoaika on noin 12 tuntia
  • SBAS, satellite-based augmentation system: avustejärjestelmä, joka ei itse tuota navigointisignaalia vaan antaa tietoa GNSS-järjestelmien signaalien luotettavuudesta
  • ESA, European Space Agency: Euroopan avaruusjärjestö, vastaa Galileo-järjestelmän teknisestä kehityksestä yhdessä Euroopan komission kanssa
  • GSA, European GNSS Agency: Euroopan satelliittipaikannusvirasto, vastaa Galileo- ja EGNOS-järjestelmien tarjoamista palveluista
  • EGNOS, European Geostationary Navigation Overlay Service: Euroopan aluetta palveleva SBAS
  • COSPAS-SARSAT: satelliittijärjestelmä, joka vastaanottaa maasta tulevia hätäsignaaleja, paikantaa niiden lähettäjän ja välittää tiedon pelastusviranomaiselle. 406 MHz taajuus on varattu vain tämän järjestelmän hätäilmoitusten lähettämiseen.
  • ionosfääri: ilmakehän kerros, joka sisältää vapaita ioneja. Ionosfäärin läpi kulkeminen aiheuttaa satelliittien lähettämiin radiosignaaleihin vääristymän, jonka suuruus riippuu signaalin lähetystaajuudesta sekä signaalin kohtaamien vapaiden ionien määrästä. Ionosfääri on GNSS-mittausten merkittävin yksittäinen virhelähde.
  • troposfääri: ilmakehän kerros, jossa tapahtuvat sääilmiöt. Troposfääri hidastaa satelliittien lähettämien radiosignaalien etenemistä; aiheutuneen kulkuviiveen suuruus riippuu säätilasta mutta ei signaalin taajuudesta.
  • FinnRef: Suomen valtion omistama GNSS-mittausasemien verkko, joka on perustettu kansallisen koordinaattijärjestelmän ylläpitoa varten. Verkko tarjoaa myös kaikille avointa korjauspalvelua, jota käyttämällä GNSS-paikannuksen tarkkuus paranee.