Satelliittipaikannus

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

Historia

 1950-luku 
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.

Globaalit satelliittipakannusjärjestelmät
alt=Kiertoratojen kokojen vertailuja.|pienoiskuva|GPS-, GLONASS-, Galileo-, BeiDou-2- ja Iridium-konstellaatioiden, Kansainvälisen avaruusaseman, Hubble-avaruusteleskoopin sekä geostationaarisen kiertoradan (ja sen kaatopaikkaradan) kokojen vertailu, Van Allenin säteilyvyöhykkeet ja Maa mittakaavassa.Katsoaksesi kuvan animoitua versioita, klikkaa kuvaa. Klikkaamalla kuvassa olevia tekstejä, pääset niistä kertoviin artikkeleihin (aukeavat englanninkieliseen Wikipediaan).

Vuonna 2023 käytössä on seuraavat satelliittipaikannusjärjestelmät käyttöönottojärjestyksessä:

 GPS 

Ensimmäinen laukaisuvuosi: 1978.

Yhdysvaltojen Global Positioning system (GPS) koostuu jopa 32 keskikorkealla Maan kiertoradalla (MEO) olevasta satelliitista kuudella eri kiertoradalla. Satelliittien tarkka lukumäärä vaihtelee, kun vanhempia satelliitteja poistetaan käytöstä ja korvataan uusilla. Vuodesta 1978 toiminnassa ollut ja vuodesta 1994 lähtien globaalisti saatavilla ollut GPS on maailman eniten käytetty satelliittinavigointijärjestelmä.

 GLONASS 

Ensimmäinen laukaisuvuosi: 1982

Entinen Neuvostoliittolainen ja nykyinen Venäläinen, Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, (GLObal NAvigation Satellite System eli GLONASS), on avaruuteen sijoitettu satelliittinavigointijärjestelmä, joka tarjoaa siviilikäyttöön tarkoitetun radionavigointisatelliittipalvelun ja jota käyttää myös Venäjän avaruuspuolustusvoimat. GLONASSilla on ollut täysi maailmanlaajuinen kattavuus vuodesta 1995 lähtien ja sillä on 24 aktiivista satelliittia.

 BeiDou 

Ensimmäinen laukaisuvuosi: 2000

BeiDou alkoi nyt käytöstä poistettuna Beidou-1:nä, joka oli Aasia-Tyynenmeren paikallinen verkosto geostationaarisilla kiertoradoilla. Järjestelmän toinen sukupolvi, BeiDou-2, tuli toiminnalliseksi Kiinassa joulukuussa 2011. BeiDou-3-järjestelmän on ehdotettu koostuvan 30 MEO-satelliitista ja viidestä geostationaarisesta satelliitista (IGSO). 16 satelliitin alueellinen versio (kattaa Aasian ja Tyynenmeren alueen) valmistui joulukuuhun 2012 mennessä. Maailmanlaajuinen palvelu valmistui joulukuuhun 2018 mennessä. 23. kesäkuuta 2020 BDS-3-konstellaation käyttöönotto saatiin päätökseen viimeisen satelliitin onnistuneen laukaisun jälkeen Xichangin satelliittilaukaisukeskuksessa.

 Galileo 

Ensimmäinen laukaisuvuosi: 2011

Euroopan unioni ja Euroopan avaruusjärjestö sopivat maaliskuussa 2002 oman vaihtoehdon kehittämisestä GPS:lle, nimeltään Galileo-paikannusjärjestelmä. Galileo tuli toiminnalliseksi 15. joulukuuta 2016 (globaali varhainen toimintavalmius). Alun perin 10 miljardin euron kustannuksella arvioitu 30 MEO-satelliitin järjestelmä oli alun perin suunniteltu tulemaan toiminnalliseksi vuonna 2014. Ensimmäinen kokeellinen satelliitti laukaistiin 28. joulukuuta 2005. Galileon odotetaan olevan yhteensopiva modernisoidun GPS-järjestelmän kanssa. Vastaanottimet pystyvät yhdistämään Galileon ja GPS:n satelliittien signaalit, mikä lisää merkittävästi tarkkuutta. Vuonna 2023 Galileo järjestelmä koostuu 28 aktiivisesta satelliitista. Galileo järjestelmän peruspalveluiden on tarkoitus olla täysin valmiit vuonna 2024.

Paikalliset satelliittipaikannusjärjestelmät

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.

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.

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 riittänyt merenkulun tarpeisiin. 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.

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.http://www.u-blox.com/services/index.html  http://www.sirf.com/tutorial.html  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. Käytännön Maamies, 1/2009, sivu 59 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. http://www.spacedaily.com/reports/Software_Will_Take_Half_Of_The_Total_Nav_Market_By_2016_999.html

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 http://www.spacedaily.com/reports/NXP_And_IBM_Announce_Results_Of_Landmark_Road_Pricing_Trial_999.html - tosin matalasuhdanne vähensi vastaavana aikana merkittävällä määrällä mm. rekkaliikennettä Alankomaiden teiltä.

 Satelliittipaikannuksen häirintä 

Satelliittipaikannus perustuu noin 22 000 kilometrin korkeudella olevien satelliittien lähettämään signaaliin. Maan kamaralla signaali on jo varsin heikko, joten se on helppo peittää. Satelliittipaikannuksen käyttämistä estämään pyrkivät häirintälaitteet lähettävät tyhjää roskasignaalia samoilla taajuuksilla ja näin jumittavat paikallisesti paikannuksen toiminnan. Häirinnässä voidaan myös syöttää taajuudelle väärää tietoa, jolloin GPS-vastaanotin paikantaa itsensä väärään sijaintiin. Tätä kutsutaan harhauttamiseksi.

Häirintälaitteista käytetään myös nimitystä  ”jammeri” eli jumitin (jammer ). Pienimmillään härintälaite voi olla auton tupakansytyttimestä virtansa saava "kuluttajamalli", jonka vaikutus voi olla enimmilläään joitain satoja metrejä. Suuremmillaan valtiolliset toimijat häiritsevät paikannusta toisten valtioiden alueella satoja kilometrejä. Suomessa laki ei kiellä laitteiden ostamista tai omistamista, mutta niiden käyttö on kiellettyä.

Katso myös
 Navigaatiosatelliitti
 Paikannus
 Paikannuslaite
 Paikkatieto

Lähteet

Aiheesta muualla

 ESAn navipedia

Luokka:Paikannus
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit
*