Satelliittipaikannus

Satelliittipaikannus tarkoittaa paikanmääritystä paikallisen tai globaalin kattavuuden satelliittijärjestelmän avulla. Globaalista satelliittipaikannusjärjestelmästä käytetään lyhennettä GNSS (Global Navigation Satellite System).

Alku 1950-luvulla

Ensimmäinen satelliittipaikannusjärjestelmä oli Yhdysvaltain laivaston Transit-satelliittijärjestelmä, jonka ensimmäinen satelliitti laukaistiin avaruuteen vuonna 1959. Transitin kehityksen aikana hanke tunnettiin nimellä NNSS (Navy Navigation Satellite System): Se koostui matalilla polaariradoilla (1075 km) liikkuvista satelliiteista. Sen tarkoitus oli vähentää Yhdysvaltain laivaston ydinsukellusveneiden Pohjoisen jäämeren pinnalla oloaikaa, jota tarvittiin sukellusveneen oman paikan määritykseen, joka oli usein hankalaa pilvien peittäessä tähdet. Navigaatiojärjestelmän avulla sukellusveneen tarvitsi nousta vain osittain pinnalle s.e. vastaanottoantenni sai signaalin satelliiteista. Järjestelmä käytti doppler-menetelmää. Se on nyt käytöstä poistettu. Vastaavat Neuvostoliiton navigaatiojärjestelmät oli Tsikada ja Parus, joka toimii edelleen.
Seuraavan sukupolven Yhdysvalloissa toteutettu navigaatiosatelliittijärjestelmä oli kokeellinen Timation, joka tuli sotilaallisen käytön lisäksi jo mm. huviveneilyn käyttöön. 1980-luvulla kehitetyt Yhdysvaltojen GPS ja Neuvostoliiton GLONASS toivat satelliittipaikannuksen laajaan käyttöön. Venäjän GLONASS on edelleen lähinnä julkisen sektorin käytössä Venäjällä ja merenkulun käytössä globaalisti GPS:ää tukevana paikantimena. GPS:n käyttö on laajentunut liikenteestä matkapuhelimiin ja on selvä markkinajohtaja maailmassa.

Pyrkimys paikannustarkkuuden lisäämiseen

Navstar-GPS:n tarkkuus on siviilikäytössä vaakasuunnassa muutama metri. Korkeussuunnassa tarkkuus on n. 2–3 kertaa heikompi. 1. toukokuuta 2000 asti Yhdysvaltojen puolustusministeriö heikensi tahallisesti satelliittien siviilikäyttäjiin lähettämät rataelementit ja kellon käyntitiedot (Selective Availability, SA), jota ennen siviilikäyttöön suunnattujen GPS-laitteiden tarkkuus oli vaakasuunnassa 100 metriä ja korkeussuunnassa 156 metriä. Paikannusvirhettä tuovat satelliittien rata- ja kellovirhe, ilmakehä, monitieheijastuminen, satelliittigeometria, paikantimen virheet, tahallinen häirintä ja käyttäjän virheet. Moniin tarkoituksiin metrien epätarkkuus on liian suuri, autopaikantimissa ja matkapuhelimen paikantimissa virhe on siedettävä. Paikannustarkkuutta on 1980-luvulta lähtien pyritty lisäämään, mutta tämä vaatii maa-asemien määrän lisäämistä ja paikannuksen virheenkorjausviestin lähettämistä joko tietoliikennesatelliittien tai maapäällisen tietoliikenneverkon kautta. Sisätilapaikannus, joka ei GPS:llä ole mahdollista, vaatisi vielä suurempia investointeja.

Differentiaalinen GPS

Differentiaalinen GPS kehitettiin SA-häirinnän aiheuttaman epätarkkuuden poistamiseen muun muassa merenkulkijoiden tarpeisiin. Kun SA-häirintä (poistui 2000-luvun alussa) oli päällä, paikannustarkkuus oli 100 metrin paikkeilla, mikä ei taannut järin turvallista merenkulkua. Sumuinen sää ja kapea väylä olisivat voineet olla tuhoisa yhdistelmä. Uusi tukiasema, nk. referenssiasema, jonka sijainti oli tarkkaan tiedossa, laski SA-häirinnän aiheuttaman virheen kuuntelemalla satelliittien lähettämää dataa sekä vertaamalla sitä omaan tarkkaan paikkaansa. Näin saatiin laskettua virheen suuruus. Asemia jouduttiin kuitenkin perustamaan useita, sillä virheen suuruus vaihtelee eri paikoissa maapalloa. Esimerkiksi Itämeren alueella liikuttaessa on eri paikoissa käytettävä muutamaa eri referenssiasemaa. Kun kaksi tukiasemaa on kantoetäisyydellä, vastaanotin ei välttämättä tiedä kumpaa lähetystä tulisi kuunnella. Tällöin saattaa signaali jäädä kokonaan saamatta, ja DGPS-vastaanotin ilmoittaa, että paikkakoordinaatit eivät ole saatavilla. Itämerellä tällainen paikka löytyy likipitäen Gotlannin pohjoiskärjen kohdalla.
Järjestelmän hyviin puoliin lukeutuu korjaustiedon lähetys radioteitse paikallisesti, vaikkakin usein maksullisesti, koska DGPS-tukiasemia ylläpitävät kolmannet osapuolet. Valtakunnallisten radioasemien RDS-kanavalta voi kuunnella korjaustietoa Digita Oy:n Fokus-palvelusta, jolloin paikannuksessa päästään parin metrin tarkkuuteen. Merenkulkulaitokselta palvelun saa ilmaiseksi rannikkoalueiden vesillä liikkuessaan. Vaikka SA-häirintä onkin poistettu, auttaa DGPS-järjestelmä ilmakehän aiheuttamien häiriöiden korjaamisessa. 
DGPS:n ja GPS:n ohella on olemassa vielä yksi, entistäkin tarkempi tapa paikantaa: relatiivinen GPS. Se perustuu vähintään kahteen samanaikaisesti mittaavaan laitteeseen, joilla koordinaattierot pisteiden välillä määritellään. Maanmittauksessa relatiivinen GPS on hyödyllinen menetelmä.

Real Time Kinematic

Reaaliaikainen kinemaattinen mittaus on käytetyin GPS-mittausmenetelmä maanmittauksessa. Se perustuu toisen GPS-vastaanottimen käyttöön ensimmäisen vastaanottimen kanssa. Koska toisen GPS-vastaanottimen paikka on tarkasti tiedossa, voi ensimmäinen vastaanotin verrata satelliiteista saamaansa tietoa varmasti tunnetun toisen vastaanottimen paikkaan, jolloin mittaustarkkuus voi parantua senttimetreihin.

Virtual Reference Station

VRS-mittauksessa toista vastaanotinta ei viedä enää tukiasemaksi maastoon, vaan tukiaseman virtuaalinen paikka lasketaan kiinteiden tukiasemien mittausten perusteella ja tieto välitetään VRS-laskentakeskuksesta vastaanottimeen satelliitista saaman tiedon tueksi, jolloin korjaukset tehden tulee mittauksesta tarkka.  Suomessa kiinteiden tukiasemien verkko virtuaaliasemien määrittämiseksi on Maanmittauslaitoksella ja Geotrim Oy:llä.

Sotilaallinen, ilmailu- ja merenkulkukäyttö

Transit oli tehty sukellusveneille. Sille syntyi 1970-luvulla siviilikäyttöä veneilyssä, veneily toimi myös 1980-luvulla GPS:n koemarkkinana ja sovellutuskehityksen arviointikeinona.
GSP:n sotilaallinen käyttö on laajentunut jalkaväkisotilainen suunnistukseen ja tarkkuuspommituksiin. Ohjusaseistus yleensä perustuu itsenäiseen paikannukseen. Yhdysvalloissa on luotu käsite "Navigation Warfare", jossa 2000-luvulla pyritään löytämään kaikissa oloissa toimiva paikannustapa ("robust navigation").
Merenkulku ja ilmailu ovat sodankäynnin lisäksi olleet niin vahvojen tarpeiden aloja, että ovat voineet vaatia satelliittipaikannuksen mittavia investointeja tarpeisiinsa. Osasyynä on toisen maailmansodan aikana synnytettyjen radiotaajuisten paikannusjärjestelmien, joiden maa-asemien määrä nousi 1950- ja 1960-luvuilla paljon, uusimistarpeet. Satelliittipaikannus voi lisäksi olla jatkossa joustavammin muuntuva uusiin tarpeisiin kuin muiden järjestelmien kymmenien tuhansien maa-asemien uudistaminen ja ylläpito.

Yritys- ja yksilökäyttö

Siviilikäyttö on kasvanut hyvin voimakkaasti ja on voimakkain ajuri alan kehityksessä 2000-luvulla. Vasta GPS:n käyttöönotto toi paikantimet laajempaan käyttöön. 1990-luvun puolivälistä eteenpäin satelliittipaikannuslaitteet ovat tulleet yleiseen käyttöön. TomTom teki läpimurron ajoneuvopaikannuksessa - vuonna 2009 autopaikantimia saa alle sadalla eurolla, kun 1990-luvulla autotehtaiden omat paikantimet maksoivat tuhansia euroja. 
Matkapuhelimiin satelliittipaikannuksen toi 2000-luvun alussa salolainen Benefon (vuonna 2009 nimellä GeoCentric). Nokian älypuhelimet on suomalaisille tuttu tuote, jossa on satelliittipaikannin, mutta 2010-luvulla kaikki suuret puhelinvalmistajat myyvät vastaavia laitteita. Ne kärsivät paikannusmoodissa pariston lyhyestä ajasta. TomTomin ja Nokian 2000-luvun alun kalliit karttaostokset muuttivat osaa markkinasta, koska näiden suurten toimijoiden ilmaisjakelukartat luhistivat satelliittipaikannuksen karttayhtiöiden liiketoimintamallin, mm. suomalainen Wayfinder vaihtoi omistajaa tiuhaa tahtia, kunnes viimeinen omistaja, Vodafone, lakkautti sen toiminnan kannattamattomana. Vuonna 2009 95% satelliittipaikannuksen liikevaihdosta on laitteiden myyntiä, arvioidaan, että vuonna 2016 ohjelmistot muodostavat 50% liikevaihdosta. Loppu liittyy edelleenkin laitemyyntiin, joka euromääräisesti voi kasvaa merkittävästi.

Julkisen sektorin verotustyyliset sovellutukset

Paikantimien käyttö on yleistä kaupallisessa liikenteessä yritysten ajoneuvolaivastojen (esim. bussit, rekka-autot, taksit) hallinnassa, rahdin seurannassa, liikkuvaa työtä tekevien työajan seurannassa, erilaisissa turvallisuuteen liittyvissä sovellutuksissa (esim. dementoituneiden paikan seuranta). Erilaiset suurkaupunkien ruuhkamaksujärjestelmät voivat perustua satelliittipaikannukseen. Vuoden 2010 alussa IBM raportoi ensimmäisen suuren kokeilun Hollannissa olleen menestys ja tuoneen merkittäviä hyötyjä  - tosin matalasuhdanne vähensi vastaavana aikana merkittävällä määrällä mm. rekkaliikennettä Alankomaiden teiltä.