Satelliittipaikannus

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

Alku 1950-luvulla
Ensimmäinen satelliittipaikannusjärjestelmä oli Yhdysvaltain laivaston Transit-satelliittikonstellaatio, 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.

Nykyiset satelliittipaikannusjärjestelmät

Nykyiset järjestelmät ovat
 Yhdysvaltain ilmavoimien GPS eli Global Positioning System omaa yli 30 satelliittia (6 ylimääräistä satelliittia). Sen III sukupolven kehittely alkoi vuonna 2009 ja sen päivitys versioon GPS III on alkanut vuonna 2009 (suunnittelu ja valmistus vie vuosia).
 Venäjän GLONASS on vuonna 2010 päivitetty Venäjän alueella tarkkaan paikannukseen kykeneväksi ja muutaman laukaisun jälkeen päivittyy globaalisti kattavaksi järjestelmäksi.
 Venäjän Parus on sotilaallinen Doppler-ilmiöön perustuva paikannusjärjestelmä.
 Kiinan kansantasavallan Beidou kattaa Kiinan alueen. Kiinan satelliittipaikannusjärjestelmä laajenee 2010-luvulla nimellä Compass globaaliksi. 
 Japanin alueen paikannusta tarkentava QZSS-järjestelmä sai alkunsa ensimmäisen QZS-satelliitin tultua laukaistua syyskuussa 2010. Järjestelmä laajentuu kattamaan muutakin Itä-Aasiaa ja Tyynenmeren aluetta vuoteen 2015 mennessä.
 EU:n Galileo-järjestelmä on kehitteillä. Sen ensimmäiset kaksi varsinaista paikannussatelliittia laukaistiin lokakuussa 2011.
 Intian GAGAN, joka tarkentaa GPS-paikannusta lähinnä ilmailun tarpeisiin, tuli operatiiviseksi vuonna 2009. Intian alueellinen IRNSS paikannusjärjestelmä on rakenteilla ja sen pohjalta Intia ilmaisi kesällä 2009 aikeensa rakentaa oma globaali paikannussatelliittijärjestelmä.

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.

Assisted GPS 

Assisted GPS (A-GPS) eli avustettu GPS kattaa alleen monenlaisia eri tekniikoita.

 Yhdessä tunnetussa GPS-avusteessa luetaan satelliittien lentorata- ja almanakkatiedot matkapuhelinverkkoa hyväksikäyttäen. Lentorata- ja almanakkatiedot voidaan lukea jopa useita vuorokausia etukäteen, minkä vuoksi vastaanottimelle on avusteesta apua vaikka yhteys matkapuhelinverkkoon katkeaisi. Etukäteistieto nopeuttaa laitteen ensimmäisen paikan saantia, sekä varmistaa merkittävästi GPS-vastaanottimen toimintakykyä heikoissa  tai nopeasti muuttuvissa vastaanotto-olosuhteissa, kuten esimerkiksi sisätiloissa, rakennusten välissä tai liikkuvan eläimen paikannuksessa.  Lentorata- ja almanakkatietojen lukeminen suoraan satelliiteista vaatii hyvänlaatuisen ja katkeamattoman yhteyden satelliittiin useamman kymmenen sekunnin ajaksi. Kun lentorata- ja almanakkatiedot ovat olemassa, nopeutuu ensimmäinen käynnistys (Cold start) huomattavasti. Pitempiaikaisessa käytössä on huomattava, että näkyvät satelliitit painuvat horisontin taakse muutaman tunnin välein. Vastaanottimen on kyettävä lukemaan lentorata- sekä almanakkatiedot uusista horisontin yläpuolelle nousseista satelliiteista. Ilman A-GPS -ominaisuutta hankalissa oloissa tai sisätiloissa oleva vastaanotin voi hukata paikkansa, koska se ei saa luettua satelliiteista lentorata- ja almanakkatietoja, vaikka satelliittien kuuluvuus riittäisikin paikan laskemiseen.

 Toisessa tunnetussa A-GPS:n muodossa käytetään lisäksi avuksi verkko-operaattorilta saatavaa karkeaa arviota GPS-vastaanottimen nykyisestä sijainnista.

 Tunnetaan myös A-GPS -ominaisuus, jossa GPS-vastaanotin lähettää A-GPS -palvelimelle "jatkuvasti" tietoa omasta satelliittinäkymästään, jolloin palvelin voi tarkemmin kohdistaa A-GPS -tietoa tai jopa avustaa paikan laskemisessa.

Vastaanottimien herkkyyden ja toimintanopeuden parantuminen A-GPS:n myötä on johtanut siihen, että jopa sisätiloissa nopeasti toimivia GPS -vastaanottimia on kyetty rakentamaan matkapuhelimiin, joissa on jouduttu tekemään kompromisseja GPS-antennin, virrankulutuksen ja koon suhteen. Samoin A-GPS on auttanut merkittävästi erilaisten henkilö- ja eläinpaikantimien toimintaa.

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.

Alueellisen paikannustarkkuuden lisääminen ilmailun tarpeisiin
Yhdysvalloissa, Kanadassa ja Meksikossa käytetään GPS-mittauksien tarkkuuden parantamiseksi WAAS-tukijärjestelmää. EU kehittää Eurocontrolin kanssa vastaavan järjestelmän EU:n alueelle. Sen nimi on EGNOS ja se siirtyi operatiiviseen käyttöön vuonna 2009, muttei vielä esim. ilmailukäyttöön.. Vastaavat järjestelmä on rakenteilla vuonna 2011 Japanissa (QZSS ja MSAS) ja otettu vuonna 2009 käyttöön Intiassa (GAGAN).

Ilmailukäyttö on luonut GPS:n paikallisia tarkennusjärjestelmiä
 WAAS Pohjois-Amerikassa ja Meksikossa
 EGNOS EU-alueella
 GAGAN Intiassa
 MSAS Japanissa

Merenkulun käyttöön on rakennettu rannikoilla tarkentavia järjestelmiä, joita on laajennettu usein sisämaahan
 Suomessa ylläpitäjä on Merenkulkuhallinto
 Yhdysvalloissa ylläpitäjä on US Coast Guard

Sovellutukset

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.

Katso myös
 Navigaatiosatelliitti
 Paikannus
 Paikannuslaite
 Paikkatieto

Lähteet

Aiheesta muualla

 ESAn navipedia

Paikannus
Seulonnan keskeiset artikkelit