Satelliittipaikannuksen perusteet

Transkriptio

1 Satelliittipaikannuksen perusteet Satelliittipaikannus tarkoittaa vastaanottimen sijainninmääritystä satelliittijärjestelmien lähettämien radiosignaalien perusteella. (public domain, ) Satelliittijärjestelmät GPS ja GLONASS Nykyisistä järjestelmistä käytetyimpiä ovat Yhdysvaltain GPS (Global Positioning System) 32 satelliittia ja jotka kiertävät maata noin kilometrin korkeudessa javenäjän ylläpitämä GLONASS (Globalnaja Navigatsionnaja Sputnikovaja Sistema) noin kilometrin korkeudessa. Tällä hetkellä toiminnassa on 24 GLONASS-satelliittia, jolloin se toimi jo globaalisti. Molemmat ovat kehitetty alun perin sotilaallisin perustein, siviilikäyttö on rinnalla ja rajoitetuin ominaisuuksin. Näiden järjestelmien yhteisestä hyödyntämisestä puhutaan myös lyhenteellä GNSS. COMPASS Beidou (BDS) on puolestaan kiinalaisten paikannusjärjestelmä, joka tällä hetkellä toimii tarkasti vain Kiinan alueella, mutta on tarkoitus laajentaa myös globaaliksi paikannusjärjestelmäksi vuoteen 2020 mennessä, jolloin järjestelmässä olisi 35 satelliittia. Tästä maailmanlaajuisesta järjestelmästä käytetään myös nimeä Compass.

2 GALILEO Euroopan oma ja siviilikäyttöön tarkoitettu Galileo-järjestelmä tulee käsittämään (järjestelmän rakentaminen on kesken ) kaiken kaikkiaan 30 satelliittia kolmella ratatasolla, noin kilometrin korkeudessa. Eroaa GPS- ja GLONASS-satelliittijärjestelmistä siinä, että eurooppalaiseen on tarkoitettu järjestää kaksisuuntainen toiminta myös siviileille. Satelliitti voi siis ottaa vastaan normikäyttäjän lähettämää dataa. Galileo-satelliitit on suunniteltu toimimaan yhdessä GPS-järjestelmän satelliittien kanssa, mikä merkitsee loppukäyttäjille tarkempaa ja luotettavampaa paikannusta. Galileon myötä kasvava satelliittimäärä muun muassa parantaa paikannuksen tarkkuutta ja luotettavuutta erityisesti kaupungeissa, tiheissä metsiköissä sekä reuna-alueilla joissa esteet saattavat haitata signaalien kulkua. Galileo-satelliittiverkko mahdollistaa paikannuksen metrin tarkkuudella luotettavasti, kun GPS:llä se on tällä hetkellä 3-4 metrin luokkaa (ilman korjausdataa). Paremman tarkkuuden takana ovat tarkemmat satelliittikellot. Jos paikannussatelliitin kello heittää nanosekunnin, se tarkoittaa jo 30 sentin heittoa paikannuksessa. Vanhemmat GPS-laitteet pystyvät navigoimaan vain GPS:n ja GLONASS:n avulla, mutta eivät tue vielä Galileoa. Uudemmissa laitteissa yhteensopivuus on jo huomioitu. Älypuhelinpuolella tilanne on ilmeisesti se, että laitteet tukevat jo Galileoa joiltain osin päivitysten jälkeen. Tilanne tulee tietenkin muuttumaan ja kehittymään. Paikannus Satelliittipaikannuksen avulla saavutettu paikannustarkkuus vaihtelee muutamista millimetreistä useisiin kymmeniin metreihin, riippuen toimintaympäristöstä, sääoloista ja käytetystä vastaanotintekniikasta (yksi- vai kaksitaajuuskäyttö; koodi- vai vaihemittaukset; yksi vai useampi vastaanotin). Lisäksi tarkkuuteen vaikuttavat mm. saatavilla olevien lähetyssatelliittien lukumäärä ja asema (geometria). Vastaanotin kykenee tunnistamaan vain näkyvillä olevan satelliitin. (public domain, ) Kuva satelliittien asemasta!

3 Yhden näkyvän satelliitin paikannus Koulutuskeskus Sedu, Ilmajoki Satelliitti kertoo, että paikannuslaite on kilometrin päässä siitä. Tiedon perusteella voidaan piirtää pallo, jonka säde on kilometriä. Paikannin voisi periaatteessa sijaita missä tahansa pallon pinnalla ympyrän muotoisella alueella. (public domain, ) Kaksi satelliittia (Public domain ) Toisen satelliitin signaali kertoo, että paikannin on kilometrin päässä siitä. Siitä voidaan päätellä, että paikannin sijaitsee sillä alueella, missä satelliittien ympärille piirrettyjen pallojen pinnat leikkaavat. Paikka voi siis olla maan sisällä, pinnalla tai avaruudessa. Maan pinnalla leikkaavat kuplat tekevät paikan maan pinnalle kahdessa eri kohdassa, jos pystytään esittämään taso.

4 Kolme satelliittia (Public domain, ) Kolmannen satelliitin signaalista ilmenee, että sen ja paikantimen etäisyys on kilometriä. Siitä tiedetään, että paikannin sijaitsee jommassakummassa niistä kahdesta pisteestä, joissa ensimmäisen, toisen ja kolmannen pallojen pinnat leikkaavat. Toinen pisteistä on maan pinnalla ja toinen avaruudessa. Maan pinnalla on mahdollista 2D-paikannus. Neljäs Neljäs satelliitti kertoo, kumpi edellä mainituista pisteistä on oikea ja antaa osaltaan aikamääreen. 3D-paikannus on mahdollista maan pinnalla. Laitteet vaativat yleensä neljän satelliitin tuen, ennen paikan esittämistä. Joissain laitteissa voidaan säätää tarkkuus-/tuottavuus asteikkoa, jolloin laite hyväksyy tarvittaessa myös heikommat signaalit ja laskee paikan esitysmuodon epätarkemmin. Satelliittipohjaiset tarkennusmenetelmät Eurooppa: EGNOS (Euro Geostattionary Overlay Service) Japani: MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System) Yhdysvallat: WAAS (Wide Area Augmentation System) Esim. EGNOS yltää vain Etelä-Suomeen, keskittynyt Ydin-Eurooppaan. Satelliittipohjaisten menetelmien tilalle on tullut paikallisia ja maakohtaisia tarkennusmenetelmiä, etenkin reuna-alueilla (esim. Suomi) on kehitelty voimakkaasti omia järjestelmiä tarkennukseen (mm. VRS-järjestelmä, jonka tuki on käytössä SEDU Ilmajoki, Ilmajoentiellä).

5 Kuinka paikannus tehdään koodista Esim. GPS-satelliittien paikannuksessa: Koulutuskeskus Sedu, Ilmajoki Kantoaalto kahdella taajuudella L1 = 1575,42 MHz = 19 cm L2 = 1227,60 MHz = 24,4 cm Kantoaaltoon moduloidut C/A ja P-koodit o Signaalin kulkuajan perusteella (aika mitataan atomikelloilla) Lähetys Vastaanotto Aikaero o Kantoaallon vaiheella (vaihe-etäisyys) Virhelähteet Paikannukseen tarvitaan vähintään 4 satelliittia Hei! Purin tallentimelta ajoreittiäsi, miksi olet ajanut navetan ruokintapöydällä? Monitieheijastuminen Ionosfäärinen vaikutus (ilmakehä) Toposfäärinen vaikutus (sadepilvet yms.) Puuston vaikutus

6 Virhelähteinä normikäyttäjälle (jolla ei ole käytettävissä mitään reaaliaikaista korjaustoimintoa) voidaan olettaa karkeasti seuraavat elementit Satelliittien ratavirheet (2 m) Ilmakehän vaikutus signaalien etenemisviiveeseen (2 3 m) Satelliittien kellovirheet (2 m) Monitieheijastuminen (>1 m) Virheet signaalin vastaanotossa ja laskennassa (>1 m) Kuvat eri laitteiden satelliittinäkymistä ja tarkkuuksista Juno 3D-maastotallennin + Pro 6 T-antenni (GNSS-yhteensopiva paketti) Bluetooth-yhteys vastaanottimelle (antennille) VRS-yhteys pois päältä Reaaliaikainen tarkkuus Satelliitit (GPS + Glonass) Paikalliseen koordinaattijärjestelmään liittyvää tietoa TMX-ajouraopastin

7 Satelliittikeli Aiemmin varmistettiin mittaustapahtumia etukäteen tehtävällä satelliittikelin kontrollilla. Kohdennettiin työtehtävä mahdollisimman hyvän kelin ajankohtaan. Nykyisin se on lähinnä vikatilanteiden ja epäonnistuneiden työtehtävien tukitiedoksi tuleva informaatio. Myös huomioitava asia mahdollisissa klobaaleissa kriisitilanteissa ja niiden aikana saatavissa/saamatta olevassa satelliitti-datassa. Maskina käytetään yleensä kymmentä tai viittätoista astetta. Liian alhaalla olevat satelliitit ja niiden lähettämä signaali hylätään, koska niiden dataan sisältyy liian paljon virhemahdollisuutta. Ohessa on näkyvissä aikajanaan sijoittuvat satelliittien reitit. 90 asteen kohta on pään päällä.

8 GPS- ja Glonass-järjestelmien satelliittien radat asemapisteeseen nähden. Korjausmahdollisuudet Reaaliaikainen VRS RTK-palvelu o cm-tarkkuus VRS PRO RTK o 1-2 cm:n tarkkuus VRS H-STAR o 10 cm:n tarkkuus Agri VRS o Useita tarkkuusluokkia

9 Jälkikäteiskorjaus Evo:n tukiasema Oulun yliopiston GPS-tukiasema VRS-tukiasemat Tarkoituksellinen häirintä GPS-satelliittijärjestelmän tarkoituksellinen häirintä ei ole ollut päällä kymmeneen vuoteen. Kriisitilanteet, sodat tai muut maailman laajuiset tapahtumat voivat aiheuttaa tapahtuman, että häirintä kytketään taas voimaan. Työtehtävissä olevat ja ilman reaaliaikaista korjausta olevat laitteet menevät käyttökelvottomaan muotoon. Häirintä satelliittisignaaliin on niin iso, ennakoimaton ja työtapahtumaa sotkeva, että työstä ei käytännössä tule mitään (mm. ajouraopastimet). Jälkikäteiskorjaus auttaa mittaustehtävissä, mutta vaatii ylimääräistä työtä. Uskottavissa on tietenkin se, että GPS-satelliittien järjestelmään on tehty uudemman sukupolven häirintäjärjestelmä, jonka toimivuus ja vaikuttavuudet ovat ennakoimattomat. Meillä vaikuttavan Glonass-satelliittijärjestelmän vastaavasta toiminnasta ei ole yleistä tietoa tai vahvistusta. Toiminto voi olla yksinkertaisesti on/off. Työtehtävä ja laatu pelkillä GPS + GLONASS-järjestelmillä (GNSS) ilman reaaliaikaista korjausta Satelliittikartan muuttuminen reaaliajassa aiheuttaa virhettä.

10 Eilen ajettu linja ei ole tänään paikallaan. Virhe on satelliittikartan mukainen eli vinossa toiseen suuntaan kuin edellisenä päivänä. Virhe on kuitenkin tasaista, jos työtehtävä ei kestä kauaa. Edellisen päivän satelliittikeli ja satelliitit Kuvassa näkyvän reittilinjaston satelliittikeli ja satelliitit Koulutuskeskus Sedu (Sedu, Ilmajoentie) työkäytössä oleva reaaliaikainen AGRI VRS-korjaus Trimnet VRS-verkko (GNSS-tukiasemaverkko) Tukiasemat ympäri maata vastaanottavat GNSS-satelliittisignaaleja (GPS, GLONASS, GA- LILEO, COMPASS) Laskentakeskus käyttää satelliittidataa verkon kaikista tukiasemista, mallintaa ja korjaa reaaliaikaisesti satelliittidatan virheet Laskentakeskus luo käyttäjälle virtuaalitukiaseman ja virhekorjatun korjausviestin mittaukseen Käyttäjän saama korjausdata on automaattisesti määritelty reaaliajassa- tarkasti mittaajan/käyttäjän sijaintiin Tarkkuus riippuu ostetusta sopimuksesta Sedu Ilmajoki saa 1-2 cm:n tarkkuuden Toimivuus 24/7 ja ympäri vuoden Palvelun toimivuus tuottajan vastuulla Edelliset mittaukset/ajolinjat ovat samalla paikalla myös seuraavana päivänä Esittelyvideo VRS-palvelusta (Geotrim Oy) Tarkkuus on käytössä o Ajoura-työskentelyssä (lannoitus yms.) o Pellon/maan tasauslanan käytön yhteydessä (asema/korkeus) o Leikkuupuimuri satokartoituksen yhteydessä o Yleissä mittauksissa maastotallentimen kanssa (rajat, tontit, kaivot, maanalaiset putkistot/linjat)

11 Virtuaalitukiasema, joka voi olla missä vaan työalueella tai läheisyydessä