Satelliittipaikannuksen perusteet

Transkriptio

1 Satelliittipaikannuksen perusteet Koulutuskeskus Sedu, Ilmajoki

2 Satelliittipaikannus tarkoittaa vastaanottimen sijainninmääritystä satelliittijärjestelmien lähettämien radiosignaalien perusteella. Public domain: (NASA material is not protected by copyright unless noted)

3 Satelliittipaikannuksen hyödyntäminen Maatalous Rakentaminen Täkymetrit Laserkeilaus Paikkatieto/GIS GNSS-järjestelmät UAS-kopterit Mobiilikartoitus

4 Satelliittijärjestelmät Yhdysvaltain GPS (Global Positioning System) 32 satelliittia ja jotka kiertävät maata noin kilometrin korkeudessa. Siviileille tarkoitettujen L1 ja L2 kanavien lisäksi on tulossa kolmas taajuus (L5). GLONASS Venäjän ylläpitämä GLONASS (Globalnaja Navigatsionnaja Sputnikovaja Sistema) noin kilometrin korkeudessa. Tällä hetkellä toiminnassa on 24 GLONASS-satelliittia, jolloin se toimi jo globaalisti. Sekä GPS että Glonass ovat kehitetty alun perin sotilaallisin perustein, siviilikäyttö on rinnalla ja rajoitetuin ominaisuuksin. 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. Vuoden 2017 lopulla aloitti toiminnassa 2 uutta satelliittia.

5 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. Uusimmat neljä satelliittia ovat aloittaneet toimintansa 12/2017. 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 reunaalueilla joissa esteet saattavat haitata signaalien kulkua. Galileo-satelliittiverkko mahdollistaa paikannuksen luetettavasti metrin tarkkuudella, 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. Kaikkien näiden järjestelmien yhteisestä hyödyntämisestä puhutaan lyhenteellä GNSS (Global Navigation Satellite System).

6 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 perussatelliittien lisäksi). Lisäksi tarkkuuteen vaikuttavat mm. saatavilla olevien lähetyssatelliittien lukumäärä ja asema (geometria). Vastaanotin kykenee tunnistamaan vain näkyvillä olevan satelliitin. Public domain: (NASA material is not protected by copyright unless noted)

7 Yhden näkyvän satelliitin paikannus 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.

8 Kaksi satelliittia 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.

9 Kolme satelliittia 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.

10 Neljäs Neljäs satelliitti kertoo, kumpi edellä mainituista pisteistä on oikea ja antaa osaltaan aikamääreen. 3Dpaikannus 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.

11 Kuinka paikannus tehdään koodista Esim. GPS-satelliittien paikannuksessa: Kantoaalto kahdella taajuudella L1 = 1575,42 MHz = 19 cm L2 = 1227,60 MHz = 24,4 cm (Uusi L5) Kantoaaltoon moduloidut C/A ja P-koodit Signaalin kulkuajan perusteella (aika mitataan atomikelloilla) Kantoaallon vaiheella Lähetys Vastaanotto Aikaero

12 Virhelähteet Monitieheijastuminen Ionosfäärinen vaikutus (ilmakehä) Toposfäärinen vaikutus (sadepilvet yms.) Puuston vaikutus Isot rakennukset Peltikatot Vesistö Lehvästön peittävyys Näkyvyyden muutos Näkyvyyden esto

13 Kuvat eri laitteiden satelliittinäkymistä ja tarkkuuksista

14 Satelliittikeli Maskina käytetään yleensä kymmentä tai viittätoista astetta. Liian alhaalla olevat satelliitit ja niiden lähettämä signaali hylätään, koska niiden dataan sisältyy liian paljon virhemahdollisuutta. Public domain: (NASA material is not protected by copyright unless noted) Seuraavissa dioissa on näkyvissä aikajanaan sijoittuvat satelliittien reitit. 90 asteen kohta on pään päällä.

15 Satelliittikeli 1

16 Satelliittikeli 2

17 Satelliittikeli 3

18 Satelliittikeli 4

19 Virhelähteet 2 Satelliittien ratavirheet (1-2 m) Ilmakehän vaikutus signaalien etenemisviiveeseen (1 2 m) Satelliittien kellovirheet (1 m) Monitieheijastuminen (>1 m) Virheet signaalin vastaanotossa ja laskennassa (>1 m)

20 Työtehtävä ja laatu pelkillä GPS + GLONASSjärjestelmillä (GNSS) ilman reaaliaikaista korjausta Satelliittikartan muuttuminen reaaliajassa aiheuttaa virhettä.

21 Reaaliaikaisia datan korjausmahdollisuuksia VRS RTK-palvelu cm-tarkkuus VRS PRO RTK 1-2 cm:n tarkkuus VRS H-STAR 10 cm:n tarkkuus Agri VRS Useita tarkkuusluokkia Jälkikäteiskorjauksen vaihtoehtoja * Evon tukiasema * Oulun yliopiston tukiasema * VRS-tukiasemat yms.

22 Koulutuskeskus Sedu (Sedu, Ilmajoentie) työkäytössä oleva reaaliaikainen AGRI VRS-korjaus Trimnet VRS-verkko (GNSS-tukiasemaverkko) Tukiasemat ympäri maata vastaanottavat GNSS-satelliittisignaaleja (GPS, GLONASS, GALILEO, 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 Ajoura-työskentelyssä (lannoitus, ruiskutus yms.) Pellon/maan tasauslanan käytön yhteydessä (asema/korkeus) Leikkuupuimuri satokartoituksen yhteydessä Yleissä mittauksissa maastotallentimen kanssa (rajat, CC BY SA tontit, triikonenkaivot, maanalaiset putkistot/linjat)

23 Paikannuksen ja VRS-korjauksen toiminta Tieto laskentakeskukselle omasta paikasta (kuvat!) Antennin vastaanottaa satelliittien signaalit ja niiden perusteella tiedetään paikka

24 Vertailu