Gps-paikantimista on tullut. Satelliitti näyttää suuntaa

Transkriptio

1 BOEING Satelliitti näyttää suuntaa Gps-järjestelmä tarjoaa reaaliaikaista paikannustietoa ympäri maailman. Satelliittipohjainen navigointijärjestelmä kertoo käyttäjänsä sijainnin muutaman metrin tarkkuudella. TEKSTI: SAMI SUNDELL PIIRROKSET: ILONA SUNDELL Gps-paikantimista on tullut muutamassa vuodessa koko kansan apuvälineitä. Sotilaskäyttöön suunniteltu järjestelmä on yleistynyt tieteellisen ja ammattikäytön kautta jokaisen lomamatkailijan suosikkikartanlukijaksi. Vaikka navigaatiojärjestelmiä on ollut muun muassa ilmailukäytössä jo pitkään, vasta satelliittinavigointi on tehnyt tarkasta paikannuksesta maailmanlaajuisesti saavutettavan palvelun, joka on myös tavallisen kuluttajan käytettävissä. Gps-ominaisuuksilla varustettuja puhelimia löytyy jo useilta valmistajilta, ja erillisiä bluetooth-paikantimia saa muutamalla kympillä. 44 MikroPC 10 / 2007

2 Alkusysäys Sputnikista Satelliittinavigoinnin ensiaskeleet otettiin vuonna 1957, kun Johns Hopkinsin yliopistossa seurattiin Sputnik 1 -satelliitin signaalia sen lentäessä ympäri maapallon ja laskettiin siten satelliitin sijaintia kiertoradalla. Samojen laskelmien huomattiin toimivan myös toisinpäin jos on tiedossa satelliitin sijainti, sen lähettämän signaalin perusteella voidaan laskea vastaanottajan sijainti maapallolla. Ensimmäinen varsinainen satelliittinavigointijärjestelmä oli Yhdysvaltain laivaston Transit, joka kehitettiin ballistisia ohjuksia kuljettavissa sukellusveneissä käytettäväksi. Paikannus perustui doppler-ilmiöön ja toimi jopa yhden satelliitin signaalilla, mutta muuten Transit oli hankala: harvan satelliittiverkon takia päiväntasaajan seudulla saattoi kulua tunteja niin, että horisontin yläpuolella ei näkynyt ensimmäistäkään satelliittia. Transitia käytettiinkin lähinnä kalibroimaan alusten omia paikannusjärjestelmiä säännöllisin väliajoin. Gps kehitettiin Transit-järjestelmän korvaajaksi. Siitä suunniteltiin alusta pitäen reaaliaikainen paikantamisjärjestelmä. Satelliitteja piti olla vähintään 24, ja niiden radat suunniteltiin niin, että kaikkialla maapallolla olisi näkyvissä jatkuvasti vähintään neljä satelliittia. Järjestelmän suunnittelu aloitettiin 1970-luvun puolivälissä, ja ensimmäiset satelliitit saatiin ilmaan vuonna Vuonna 1995 järjestelmä julistettiin viimein täysin toimintakuntoiseksi. Tällä hetkellä gps-järjestelmässä on 30 satelliittia. Gps-järjestelmässä paikannuksen edellytys on neljän satelliitin yhtäaikainen signaali. Useita signaaleja käyttämällä laskennasta saatiin Transitia tarkempaa ja nopeampaa. Mitä useampia satelliitteja gps-vastaanotin näkee, sitä tarkemmin se pystyy sijainnin määrittämään. Kun Neuvostoliitto ampui suljettuun ilmatilaan eksyneen matkustajalentokoneen alas vuonna 1983, siihen asti sotilaskäyttöön varattu gps päätettiin avata myös suurelle yleisölle. Täysin ehdoitta se ei kuitenkaan tapahtunut; siviilijärjestelmään lisättiin keinotekoinen satunnaisvirhe, jonka takia paikannuksessa päästiin vain noin sadan metrin tarkkuuteen. Signaalin sotkemisesta luovuttiin viimein vuonna Gps-järjestelmää kehitetään edelleen. Tarkoituksena on lisätä järjestelmään muun muassa toinen siviilikäyttöön tarkoitettu signaali, jonka avulla voidaan vähentää ilmakehän aiheuttamia virheitä ja parantaa järjestelmän vikasietoisuutta. Myös satelliittien määrää on tarkoitus kasvattaa edelleen ainakin 48 satelliittiin asti. Gps:n kilpailijat Vaikka gps on satelliittinavigaatiojärjestelmistä tunnetuin, se ei ole ainut. Toistaiseksi se on kuitenkin ainut täysin toimintakykyinen satelliittipaikannusjärjestelmä. Glonass (Globalnaja navigatsionnaja sputnikovaja sistema) oli Neuvostoliiton vastaus gps:lle kylmän sodan aikaan. Ensimmäinen Glonass-järjestelmän satelliitti lähetettiin kiertoradalle 1982, ja käyttöön järjestelmä otettiin Siinä, missä gps:ssä kaikki satelliitit käyttävät yhteistä lähetystaajuutta, glonass-järjestelmässä jokaisella satelliitilla on oma kanavansa. Toistaiseksi glonass-satelliitteja ei ole riittävästi maailmanlaajuiseen paikantamiseen. Venäjä on kuitenkin lähettänyt avaruuteen uusia satelliitteja, ja järjestelmän odotetaan kattavan koko maapallo vuonna Venäjä on sopinut glonassyhteistyöstä muun muassa Intian kanssa, ja alkuvuodesta se ilmoitti, että myös tarkempi sotilassignaali annetaan tulevaisuudessa vapaaseen siviilikäyttöön. Galileo on Euroopan vastaus gps-paikannukselle luvulla suunniteltu järjestelmä on tekniikaltaan pitkälti samanlainen kuin amerikkalainen gps. Valmiin järjestelmän on tarkoitus muodostua 30 noin kilometrin ratakorkeudel- Venäläinen Glonass-järjestelmä ei kata koko maapalloa. Kattavuuskartta sivuilla rsa.ru > MikroPC 10/

3 Hyperboloidista pisteeksi GPS-SATELLIITTI LÄHETTÄÄ jatkuvasti tietoa kaikkien järjestelmän satelliittien lentoradoista sekä omaa tarkkaa rataansa ja kellosignaalia. Ratatiedon ja kellonajan avulla gps-vastaanotin voi laskea satelliitin sijainnin taivaalla. Lisäksi signaalissa on jokaiselle satelliitille yksilöllinen, pseudosatunnainen koodi. Vastaava koodi voidaan luoda myös vastaanottimessa, ja näitä kahta koodia vertaamalla gps-laite selvittää, kuinka kauan signaalilta kuluu matkaan satelliitista vastaanottimeen. Signaalin viive voidaan muuttaa helposti etäisyydeksi, sillä sähkömagneettinen signaali kulkee valonnopeudella. Jos jokaisessa gps-vastaanottimessa olisi tarkka, satelliitteihin synkronoitu kello, sijainti voitaisiin määritellä laskemalla vastaanottimen etäisyys kustakin satelliitista. Aivan näin helppoa laskenta ei kuitenkaan ole; satelliitit lähettävät keskenään synkronoitua atomikelloaikaa, mutta vastaanottimen kelloon ei välttämättä voi luottaa. Yksi gps-järjestelmässä käytetty ratkaisu on määritellä sijainti käyttämällä etäisyyksien sijaan etäisyyseroja. Vaikka vastaanottimen kellossa voi olla virhe, virhe on sama jokaiselle satelliitille. Mittaamalla kahden satelliitin signaaliviiveiden erotusta päästään tarkempaan tulokseen kuin pelkkää viivettä mittaamalla. Tällöin puhutaan hyperbolisesta paikannusjärjestelmästä. Kahden satelliitin etäisyyseron perusteella avaruuteen voidaan määrittää hyperboloidipinta, jolla vastaanotin sijaitsee hyperboloidipinnalla etäisyysero on sama kaikissa pinnan pisteissä. Tarkan sijainnin määritteleminen vaatii useita satelliitteja ja niiden etäisyyserojen laskemista. Kahdella satelliitilla sijainti voidaan määritellä pinnalle, kolmas satelliitti sijoittaa vastaanottimen kahden hyperboloidipinnan leikkauskäyrälle. Neljännen satelliitin avulla sijainti voidaan viimein määrittää pisteeksi tuolla käyrällä. Pseudoetäisyydellä perille Vaihtoehtoinen tapa sijainnin määrittämiseksi on käyttää niin sanottuja pseudoetäisyyksiä. Vastaanottimen kelloon ei edelleenkään luoteta, mutta sitä voidaan käyttää lähtökohtana etäisyyslaskennassa. Näin signaaliviiveestä lasketaan satelliitin ja Hyperbolisessa paikannuksessa sijainti määritellään satelliittien etäisyyserojen avulla. Kun kahden satelliitin etäisyysero tiedetään, voidaan niiden välille piirtää lautasmainen hyperboloidipinta, jolla gps-vastaanotin sijaitsee. Kolmannen satelliitin avulla saadaan toinen hyperboloidi. Vastaanotin sijaitsee näillä molemmilla pinnoilla, joten todellinen sijainti on jossakin pintojen leikkauspisteessä. Lisäämällä neljäs satelliitti saataisiin vielä yksi hyperboloidi, jonka avulla voidaan määrittää vastaanottimen tarkka sijainti. Piirroksen yksinkertaistamiseksi tämä vaihe on kuitenkin jätetty pois. Sijainti voidaan määritellä myös kolmiomittaamalla. Tällöin gps-vastaanotin mittaa suoraan etäisyyksiä eri satelliiteista. Jokaisen satelliitin ympärille voidaan piirtää pallo, jonka säteenä on satelliitin etäisyys vastaanottimeen. Kahden satelliitin avulla saadaan kaksi palloa, joiden pinnat leikkaavat ympyränä. Kolmannella satelliitilla voidaan periaatteessa laskea tarkka paikka pisteenä tuolla ympyrällä. Neljättä satelliittia (ei kuvassa) käytetään tarkan ajan ja sijainnin määrittämiseen. vastaanottimen pseudoetäisyys, arvio todellisesta etäisyydestä. Jos etäisyydet kyettäisiin mittaamaan tarkasti, kolmen satelliitin signaali riittäisi sijainnin määrittelemiseen: kunkin satelliitin ympärille voitaisiin piirtää pallopinta, jolla vastaanotin sijaitsee, ja näiden pallojen leikkauskohta määräisi tarkan sijainnin. Koska järjestelmässä on myös tuntematon aikavirhe, tarvitaan sijainnin määrittämiseen neljäs satelliitti, jonka avulla vastaanottimen kellon aiheuttama virhe voidaan korjata. Käytännössä sijainnin laskemisessa on aina epätarkkuutta. Signaalin kulkunopeus vaihtelee ilmakehässä, satelliittien ratamäärittelyissä on pieniä virheitä, ja signaalin heijastuminen esimerkiksi rakennuksista aiheuttaa omia ongelmiaan. Tämän takia laskutavasta riippumatta suuresta satelliittimäärästä on aina etua. Mitä useampia signaaleja vastaanotin kykenee havaitsemaan, sitä vähemmän yhden satelliitin signaalissa oleva virhe pääsee vaikuttamaan. 46 MikroPC 10 / 2007

4 Paikannusjärjestelmät Gps Glonass Galileo Järjestelmän satelliitit Satelliitteja käytössä Ratakorkeus km km km Ratatasojen määrä Radan inklinaatio ( ,8 56 Kiertoaika 11h 58m 11h 15min 14h 4min Tarkkuus vaakasuunnassa 15 m m 4 m pystysuunnassa 35 m 70 m 8 m Kantoaallot (MHz) perussignaali 1575, ,0 1615, , tarkka signaali (2 1227, , Koordinaattijärjestelmä WGS-84 PZ-90 GTRF 1) Inklinaatio tarkoittaa kiertoradan kulmaa suhteessa päiväntasaajaan. 2) Gps-järjestelmässä L2-taajuudella lähetettävä tarkkuussignaali on sotilaskäytössä. Glonass-järjestelmän signaali on vapaassa käytössä, Galileo-järjestelmässä alle metrin tarkkuuteen kykenevä paikannussignaali on suunniteltu maksulliseksi palveluksi. LOCKHEED MARTIN Satelliittin järjestelmä vaatii vuosien ohjelmointityön ennen kuin satelliitti laukaistaan kiertoradalle. Samoja satelliitteja hyödynnetään yleensä sekä siviili- että sotilaskäytössä. la kiertävästä satelliitista. Alunperin vuodelle 2008 suunnitellusta valmistumisesta jouduttaneen kuitenkin tinkimään, sillä toistaiseksi järjestelmästä on saatu avaruuteen asti vasta yksi testisatelliitti. Galileo tarjoaa alusta lähtien vapaaseen käyttöön kahta signaalitaajuutta, joiden yhteiskäytöllä voidaan parantaa paikannustarkkuutta: yhtä signaalia käyttäen päästään noin 15 metrin tarkkuuteen, kahdella taajuudella sijainti saadaan selville jo neljän metrin tarkkuudella. IRNSS on Intian hallituksen suunnittelema satelliittinavigointijärjestelmä tarkkaan paikannukseen Intian niemimaalla. Järjestelmään on suunniteltu seitsemää satelliittia, jotka kaikki olisivat jatkuvasti näkyvissä Intian lähialueilla. Kolmen satelliitin on tarkoitus olla geostationäärisellä radalla ja neljä satelliittia sijoitettaisiin geosynkronisille radoille. Irnss on tarkoitus saada toimintakuntoon ensi vuosikymmenen alkupuolella. Beidou on Kiinan oma satelliittinavigointijärjestelmä. Järjestelmän ensimmäinen vaihe kattaa lähinnä Kiinan alueen, mutta jatkossa järjestelmää on tarkoitus laajentaa kaikkiaan 35 satelliittia kattavaksi, maailmanlaajuiseksi paikannusjärjestelmäksi. Paikannustarkkuudeksi on luvattu noin kymmentä metriä. Beidoun tarkasta toimintatavasta ei ole tietoa, mutta ensimmäiset satelliitit tiettävästi tarjoavat jo paikannustietoa Kiinan alueella. Mielenkiintoiseksi maailmanlaajuisen suunnitelman tekee se, että Kiina on aiemmin ilmoittanut tukevansa Galileo-järjestelmän rakentamista 200 miljoonalla eurolla. Tarkennusta differentiaalisesti Ennen satelliittinavigointia käytössä oli monenlaisia maan pinnalla toimivia radionavigaatiojärjestelmiä, joita käytettiin muun muassa meri- ja ilmailuliikenteessä. Gps houkutteli edullisuudellaan ja maailmanlaajuisella kuuluvuudellaan, mutta sen ongelma oli tarkkuus. Vaikka järjestelmä periaatteessa oli aiempia navigointimenetelmiä tarkempi, siviilisignaalin sekoittaminen aiheutti ongelmia; laivan ohjaaminen sata metriä sivuun väylästä saattaisi tuottaa ongelmia rannikkoalueilla. Differentiaali-gps kehitettiin tarkentamaan gps:n virheellistä signaalia. Järjestelmässä gps-signaalia vastaanotetaan > MikroPC 10/

5 GPS IIR-15-satelliitti on yksi 30:sta maapallon kiertoradalla olevasta gps-satelliitista. tarkkaan määritetyissä paikoissa sijaitsevilla vastaanottimilla. Gps:n määrittelemää paikkaa verrataan vastaanottimen todelliseen sijaintiin, ja tämä sijaintien erotus lähetetään edelleen lähialueille. Koska gps-signaaliin lisätty keinotekoinen virhe muuttui hitaasti, lähettimen tietoja kyettiin käyttämään hyödyksi laajalla alueella. Näin dgps-paikannuksella päästiin aiemmasta sadasta metristä kymmenen metrin tarkkuuteen. Vaikka keinotekoinen virhe on gps-signaalista poistettu, monilla alueilla dgpssignaalia lähetetään edelleen: esimerkiksi Suomessa Digita ja Indagon tarjoavat yhteistyössä maksullista Fokus-palvelua, ja rannikkoalueilla Merenkulkulaitos lähettää korjaavaa dgps-tietoa kahdeksan lähetysaseman turvin. Signaalista on edelleen hyötyä, sillä menetelmällä voidaan korjata muun muassa ilmakehän aiheuttamia paikannusvirheitä. Waas (Wide Area Augmentation System) perustuu differentiaali-gps:n ideaan, mutta siinä korjaussignaali välitetään vastaanottimille satelliitin avulla: koska gpsvastaanottimissa on jo ennestään satelliittiantenni, järjestelmissä voidaan käyttää yhteisiä komponentteja. Waas-tekniikassa maa-asemat laskevat gps-signaaliin korjauksia, jotka jaetaan nopeasti ja hitaasti muuttuviin kom- LOCKHEED MARTIN Gps-linkkejä Miten se toimii Tietoa gps:stä Wikipedian tapaan: en.wikipedia.org/wiki/gps Gps:n toiminta animaatiolla höystettynä: electronics.howstuffworks.com/gps Yhdysvaltain rannikkovartioston gpsstatussivu: Mitä sillä voi tehdä Google Earth Plus tukee myös gps-tietoa: earth.google.com Pääkaupunkiseudun julkinen liikenne joutuu seurantaan: transport.wspgroup. fi/hklkartta FoxyTag listaa liikennevalvontakameroita: Geokätköilyä kautta maailman: S60-puhelimiin tarkoitettu ohjelma tallentaa lenkkireitin: research.nokia. com/research/projects/sportstracker ponentteihin. Nopeasti muuttuvia virheitä ovat muun muassa satelliitin kello- ja sijaintivirheet, ja niihin tehtyjä korjauksia voidaan hyödyntää laajalla alueella. Hitaasti muuttuvia virheitä puolestaan aiheuttavat esimerkiksi ilmakehän ionosfääri, mutta korjaus riippuu vastaanottajan sijainnista. Niinpä satelliitit lähettävät hidasta korjaustietoa useisiin karttapisteisiin, ja vastaanottaja voi näitä käyttäen edelleen tarkentaa alkuperäistä sijaintitietoaan. Waas-järjestelmän avulla paikannus voidaan tehdä jopa alle metrin tarkkuudella niin vaakatasossa kuin korkeussuunnassakin. Waasille on myös eurooppalainen vastine, Egnos. Vuonna 2005 kokeiluvaiheeseen päässyt järjestelmä lähettää jo signaalia, mutta ei ole vielä täysin toimintakuntoinen. Myös Galileo-satelliittipaikannusjärjestelmään on suunniteltu korjaustietoja välittäviä maa-asemia tarkkuuden parantamiseksi. Leica GPS1200 paikantaa sekä gps- että glonass-satelliittien avulla, ja luvassa on myös tuki Galileo-järjestelmälle. Uusilla algoritmeilla päästään mainosten mukaan jopa senttimetrin paikannustarkkuuteen. 48 MikroPC 10 / 2007