6. GPS ja muut paikannusjärjestelmät SISÄLLYS 6.1 Johdanto 6. GPS ja muut paikannusjärjestelmät 6.1 Johdanto 6.2 GPS 6.2.1Mikä GPS on? 6.2.2 Historiaa 6.2.3 Paikannus 6.2.4 Signaali 6.2.5 Virheet ja häirintä 6.2.5.2 Virheet käytännössä 6.2.6 DGPS 6.2.7GPS ja suomalaiset kordinaatistot 6.3 GLONASS 6.4 GALILEO 6.5 GSM-paikannus Erilaiset digitaaliset paikannusjärjestelmät ovat kehittyneet viime vuosien aikana nopeasti. Tietotekniikan kehitys ja niin satelliitti- kuin maanpäällistenkin tukiasemaverkkojen tihentyminen on nopeuttanut uusien paikannusteknologioiden ja standardien kehitystyötä. Monet paikannustekniikat on kehitelty alunperin sotilaskäyttöön, mutta teknologia on siirtynyt nopeasti myös siviilikäyttöön. Uudet digitaalitekniikkaa hyödyntävät paikantimet ovat tulleet jäädäkseen, mutta teknologian jostain syystä pettäessä perinteisiä menetelmiäkin tarvitaan edelleen. Paikannusmenetelmien sovelluksia kehitetään jokaisen ulottuville ja erilaisiin tilanteisiin. Autovalmistajat ovat tuomassa satelliittipaikannukseen perustuvia järjestelmiä ajoneuvonavigointiin, ja retkeilijät tai vesillä liikkujat voivat turvautua omaan GPS - laitteeseensa. Myös monet matkapuhelin- ja verkkovalmistajat ovat kehitelleet uusia paikannusjärjestelmiä. Tulevaisuudessa suurin osa matkapuhelimista tulee todennäköisesti sisältämään matkapuhelinverkon tukiasemiin perustuvan tai satelliittipaikannusta käyttävän järjestelmän. Paikannusjärjestelmät helpottavat ratkaisevasti paikkatiedon keruuta yhdistämällä sijainti- ja ominaisuustiedon tallennuksen. Tiedon kerääjä voi keskittyä erityisalaansa, ja tallentimeen integroitu paikannin huolehtii sijaintitiedon tallennuksesta. Järjestelmät tarjoavat myös mahdollisuuden esimerkiksi ajoneuvojen, alusten tai lentokoneiden reaaliaikaiseen kulunseurantaan vaikkapa internetin välityksellä. Mahdollisuudet ovat rajattomat, ja tekniikan halpeneminen tuo yhä uusia sovelluksia myös tavallisen kuluttajan ulottuville GPS paikantimia käytetään nykyisin niin työssä kuin vapaaaikana CGI+TA file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/paikannusjarjestelmat.html (1 of 2)4.11.2003 13:31:51 GPS Takaisin etusivulle
E-OTD UL-TOA A-GPS Tekijät: Jani Hyttinen, Markus Huhtinen Parannusehdotuksia otetaan vastaan! jhyttine@tp.spt.fi file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/paikannusjarjestelmat.html (2 of 2)4.11.2003 13:31:51
6.2 Global Positioning System 6.2.1 Mikä GPS on? juhhuhuhh GPS eli Global Positioning System on Yhdysvaltain puolustusministeriön (DoD, Department of Defence) kehittämä ja rahoittama satelliittipaikannusjärjestelmä. Tarkoituksena oli rakentaa sotilaskäyttöön tarkka, reaaliaikainen ja yksisuuntainen paikannusjärjestelmä. Sotilaallisen käytön lisäksi järjestelmään suunniteltiin alusta alkaen myös siviilikäyttöön tarkoitettu osa. Järjestelmä on saatu toimintakuntoon v.1994 ja se käyttää nimensä mukaisesti paikantamiseen satelliitteja, joita toimivassa järjestelmässä on 24 kappaletta. Samanaikaisesti niitä voi olla näkyvissä 12 kappaletta, mutta kuusi satelliittia on koko ajan näkyvissä. Satelliitit kiertävät maata yli 20 000 kilometrin korkeudessa. GPS-järjestelmä toimii siis tauotta vuorokauden ympäri kaikkialla maailmassa. Järjestelmän siviiliosaa voidaan hyödyntää maksutta kaikkialla maailmassa, ja kuluttajamarkkinoille on suunniteltu jo tuhansia vastaanottimia keveistä retkeilylaitteista järeisiin karttapohjia sisältäviin GPS-plottereihin. GPS-laitteiden vapaa-ajankäyttö yleistyy nopeasti. Kuvassa n. 200 euron hintainen Garmin etrexpaikannin teipattuna purjelaudan puomiin. Laitteelta voidaan purjehduksen jälkeen purkaa PC: lle reitti ja nopeus eri reitin vaiheissa. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps1.html (1 of 4)4.11.2003 13:31:52
Rannekelloon integroitu GPSvastaanotin liitettynä PC:hen (Suunto). Kuva 1. 24 GPS-satelliittia kiertävät maata kuudella eri ratatasolla 20 200 kilometrin korkeudessa (Dana). Kolme segmenttiä GPS koostuu kolmesta eri segmentistä. Ne ovat: avaruus, kontrolli ja käyttäjä. Avaruusosalla tarkoitetaan 24:aa avaruudessa kiertävää satelliittia, joiden tilaa, ratoja ja toimintaa tarkkailllan jatkuvasti kontrolliverkon avulla. Kontrolliverkko koostuu päävalvonta-asemasta ja useista tarkkailuasemista. Päävalvontakeskus on sotilastukikohdassa Coloradossa ja tarkkailuasemat sijaitsevat Diego Garciassa Intian valtamerellä, Ascensionin saarella Atlantilla, sekä Kwajalein-saarella ja Hawaijilla Tyynellä valtamerellä. Ne tarkkailevat jatkuvasti satelliittien tilaa, päivittävät niiden käyttäjille lähettämiä tietoja, sekä määrittävät paikannuksessa tarvittavia satelliittien rataelementtejä ja kellovirheitä.. Magellanin nykyaikainen GPSnavigaattori, johon voi liittää karttapohjan. Käyttäjäosa on puolestaan GPS-vastaanottimen omistaja tai järjestelmä, joka hyödyntää GPS:n antamaa sijaintia, nopeutta sekä tarkkaa aikaa. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps1.html (2 of 4)4.11.2003 13:31:52
Kuvien lähde:peter H. Dana, The Geographer's Craft Project, Department of Geography, The University of Colorado at Boulder Kuva2. Päävalvontakeskuksen ja neljän tarkkailuaseman sijainti (Dana).. GPS-laitteiden kehittymistä voisi verrata matkapuhelimiin, joiden kehitysvauhti on ollut viime vuosien aikana nopea. Markkinoille tulee jatkuvasti uusia entistä monipuolisempia laitteita, joihin on lisätty uusia käyttäjälle hyödyllisiä ominaisuuksia. Jatkuvasti kehittyvät standardit lisäävät puhelimen suorituskykyä, ja tekevät mahdollisiksi uusien palveluiden tarjoamisen. Vaikka itse GPS-standardi ei olekaan muuttunut, ovat siviilikäyttöön tarkoitetut vastaanottimet kehittyneet niin vastaanottotekniikaltaan kuin palveluiltaankin. Uusimmat GPS-laitteet pystyvät seuraamaan kaikkia kahtatoista samanaikaisesti näkyvissä olevaa satelliittia. Myös näytöt ovat kehittyneet nopeasti, ja laitteisiin on mahdollista ladata erilaisia taustakarttoja. Muistipiirien suorituskyvyn parantuessa laitteet pystyvät tallentamaan entistä enemmän reittejä, reittipisteitä ja niiden ominaisuuksia. Edullisten GPS-paikantimien käyttökelpoisuutta lisäsi ratkaisevasti tarkoituksellisen häirinnän poistaminen järjestelmästä. Vuoden 2000 keväällä Yhdysvaltojen silloinen presidentti Bill Clinton määräsi, että GPS-paikannustarkkuutta tarkoituksellisesti huonontava sotilaallinen häirintäsignaali (S/A, Selective Availability) poistetaan käytöstä. Poiston ansioista GPS-paikannuksen siviilimoodin tarkkuus parani 50-200 metristä 15-30 metriin. GPS-paikannuksen tarkkuutta voidaan parantaa mittaamalla paikannusvirhettä toisella laitteella tunnettuun pisteeseen nähden, ja vähentämällä virhe varsinaisen mittauslaitteen tuloksesta. Tämä ns DGPS-järjestelmä (Differential GPS) oli erityisen tarpeellinen S/A häirinnän ollessa päällä, ja sen avulla voidaan nykyisinkin parantaa havaintojen tarkkuutta mm. ilmakehän aiheuttamien virheiden eliminoimiseksi.. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps1.html (3 of 4)4.11.2003 13:31:52
Historiaa Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps1.html (4 of 4)4.11.2003 13:31:52
Global Positioning System Siviilipuolen spesifikaatiot olivat alusta alkaen julkisia GPS-järjestelmä on ollut toimintakuntoinen 1990-luvun alusta lähtien file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps2.html (1 of 3)4.11.2003 13:31:53 6.2.2 Historiaa Vuonna 1978 laukaistiin ensimmäinen paikannukseen tarkoitettu Navstarsatelliitti (Navstar 1) avaruuteen. Vuotta myöhemmin oli jo saatavilla ensimmäisiä liikuteltavia GPS-vastaanottimia. Vastaanottimien kehitystyön kannalta oli olennaista, että siviilikäyttöön suunnattu osa järjestelmää oli julkinen jo sen suunnitteluvaiheessa. Koska järjestelmän spesifikaatiot olivat laitevalmistajien käytössä, olivat ensimmäiset paikantimet markkinoilla lähes välittömästi järjestelmän käynnistyttyä. Nykyisissä GPS -järjestelmässä on 28 Blokki II/IIA/IIR satelliittia, joiden inklinaatio eli kulma päiväntasaajaan nähden on 55. Ne toimivat kuudella eri ratatasolla ja niiden kiertoaika on kahta minuuttia vaille 12 tuntia eli ½ tähtivuorokautta. Satelliitit siis ilmestyvät näkyviin neljä minuuttia aikaisemmin joka päivä. Blokki I Vuoteen 1985 mennessä 10 Blokki I:n satelliittia oli laukaistu avaruuteen, mutta nykyään ne ovat kaikki poistettu käytöstä, koska ne olivat ns. testisatelliitteja. Viimeinen Blokki I:n satelliitti poistettiin käytöstä vuonna 1995. Blokki II/IIA Blokki II -satelliitit ovat suunniteltu niin, ettei valvonta-asemien (Control Segment) tarvitse olla yhteydessä siihen 14 vuorokauteen. Ensimmäinen Blokki II:n satelliitti laukaistiin vuonna 1989 ja kaikki sarjan satelliitit oli laukaistu vuoden 1990 lokakuussa. Blokki II satelliiteista viisi on poistettu käytöstä tähän mennessä, ja niitä on käytössä on tällä hetkellä (syksy -02) 4 kappaletta. Toisen sarjan (Blokki IIA) satelliitit ovat kehittyneempiä, ja ne GPS-satelliitti
suunniteltiin niin, että ne voivat olla ilman kontrollia 180 vrk eli puoli vuotta. Niitä on tällä hetkellä (syksy -02) käytössä 18 kappaletta. Sekä Blokki II-satelliitit että Blokki IIA-satelliitit sisältävät neljä sisäistä atomikelloa, Selective Availabity-häirinnän sekä Anti-Spoof-järjestelmän. Molemmilla satelliittityypeillä on kaksi kertaa vuodessa huoltokatkos, jolloin ne ovat n.18 tuntia pois käytöstä. Niiden suunniteltu keskimääräinen käyttöikä on hieman yli seitsemän vuotta, joten niitä joudutaan uusimaan melko usein. Kontrollisegmentti ohjaa ja korjaa järjestelmää jatkuvasti Ensimmäinen Blokki IIA satelliitti laukaistiin radalleen marraskuussa v.1990, ja viimeinen seitsemän vuotta myöhemmin v.1997 lokakuussa. Blokki IIR Blokki IIR-satelliitit ovat puolestaan toimintaa täydentäviä satelliitteja ja ne tulevat jatkossa olemaan järjestelmän keskeisiä satelliitteja. Tällä hetkellä niitä on laukaistu onnistuneesti kiertoradalle 6 kappaletta. Niihin on kehitetty uusi navigointijärjestelmä, josta löytyy automaattinen navigointitila. Tällöin yhteydenottoväli kontrollisegmenttiin on 14-180 vrk.. Blokki IIR-satelliitit ylläpitävät ja päivittävät itse navigointitiedot, jolloin yhteydenottoja tarvitaan entistä harvemmin. Blokki IIRsatelliitteja on alettu laukaista vuoden 1997 alusta lähtien ja viimeisin on laukaistu 2001 tammikuussa. Tällä hetkellä on suunnitteilla uusi Blokki IIF -satelliittiperhe. Näihin satelliitteihin on suunniteltu useita koko järjestelmää parantavia muutoksia (mm. uusi taajuus sekä kolmas sotilaskoodi). Satelliitit ohjataan kerran vuodessa takaisin alkuperäiselle radalleen, koska mm. maan vetovoima on saattanut ohjata hieman sivuun radaltaan. Tämän takia ne ovat myös pois käytöstä yleensä n.12 tuntia. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps2.html (2 of 3)4.11.2003 13:31:53
. Kuvan lähde:peter H. Dana, The Geographer's Craft Project, Department of Geography, The University of Colorado at Boulder Kuva 1. Valvonta-asema lähettää satelliitille sen ratatiedot ja korjauksen sen kelloon. Näin GPS-järjestelmä pysyy "kunnossa" ja käyttäjät saavat oikeaa informaatiota olinpaikastaan (Dana). Paikannus Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps2.html (3 of 3)4.11.2003 13:31:53
Global Positioning System 6.2.3 Paikannus GPS-järjestelmän avulla avulla voidaan määritellä vastaanottimen paikka, aika ja nopeus. Vastaanottimen sijainti määritellään pituus-, leveys- ja korkeuskoordinaatein (X, Y, Z). GPS -laite ottaa vastaan satelliittien lähettämän signaalin ja laskee signaaleiden kulkuajan perusteella sijaintinsa. GPS-vastaanotin tarvitsee signaalin samanaikaisesti vähintään neljästä satelliitista määrittääkseen sijaintinsa kolmiulotteisesti. Paikannus perustuu signaalin kulkuaikaan satelliitista vastaanottimeen. Kuva 1. GPS-navigointi vaatii yhteyden neljään satelliittiin (Dana) Paikantaminen tapahtuu laskemalla signaalin kulkuajasta pseudoetäisyys. Satelliitista lähetetty signaali sisältää binäärikoodin. GPS-vastaanotin tuottaa saman koodin oman kellonsa perusteella täsmälleen samaan aikaan. Koodien vaihe-eroa vertaamalla saadaan selville kuinka paljon aikaa koodilta on kulunut matkalla satelliitista vastaanottimeen. Kertomalla tuo aika valon nopeudella saadaan selville vastaanottimen pseudoetäisyys satelliittiin nähden. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps3.html (1 of 3)4.11.2003 13:31:53
Paikannuksessa Kuvien lähde: Peter H. käytettäviä Dana, The Geographer's havaintosuureita voivat Craft Project, Department of Geography, The olla joko binäärikoodi, University of Colorado at tai sitä välittävä Boulder) apukantoaaalto. Todellinen etäisyys saadaan lisäämällä pseudoetäisyyteen vastaanottimen kellovirheestä johtuva etäisyyskomponentti. Jossa: R = Todellinen etäisyys R 0 = Pseudoetäisyys = Kellovirheestä aiheutuva virhe etäisyyden mittauksesssa = Vastaanottimen kellovirhe Tuntemattomia on 4: X, Y, Z-koordinaatit sekä vastaanottimen kellovirhe. Tarvitaan siis 4 etäisyysyhtälöä l. yhteys neljään satelliittiin. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps3.html (2 of 3)4.11.2003 13:31:53
Kuva 2. Paikannus 2-ulotteisessa tapauksessa. Havainnoitsijan paikka H selviää kolmen etäisyysyhtälön perusteella (R1, R2, R3). Kolmiulotteisessa tapauksessa paikannukseen tarvitaan siis yhteys neljään satelliittiin.. Yhden satelliitin avulla tiedetään, että havainnointipiste on säteen R 1 etäisyydellä satelliitista, eli siis R1-säteisen pallon pinnalla. Toisen satelliitin avulla saadaan havainnointipaikka sijoitettua ympyrän kaarelle (kahden "kuplan" leikkauspinta). Kolmannen satelliitin pallo leikkaa em. ympyrää enää kahdessa pisteessä. Näistä toinen voidaan sulkea pois "mahdottomana" sijaintina, ja jäljelle jää siis havainnointipiste. Näiden kolmen satelliitin lisäksi paikantamiseen tarvitaan neljäs satelliitti, jolla ratkaistaan vastaanottimen kellovirhe. Meillä on siis 4 tuntematonta: X, Y, Z sekä dt (vastaanottimen kellovirhe). Jos meillä on yhteys 4 satelliittiin, saamme 4 etäisyysyhtälöä, joista em. tuntemattomat ovat ratkaistavissa. i = 1,2,3,4 Tuntemattomat: (x,y,z) Vastaanottimen koordinaatit t vast Vastaanottimen kellovirhe Tunnetaan: (x i, y i, z i ) Satelliitin paikka mittaushetkellä PRi Mitatun kulkuajan perusteella laskettu pseudoetäisyys t sat Satelliitin kellon poikkeama GPS-ajasta Signaali Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps3.html (3 of 3)4.11.2003 13:31:53
Global Positioning System 6.2.4 Signaali GPS-harjoitus 1 Järjestelmässä on eri koodi siviilikäyttöön ja sotilaskäyttöön GPS -satelliitti lähettää kahta eri kantoaaltoa taajuuksilla L1 = 1575.42 MHz ja L2 = 1227.6 MHz. Molempiin kantoaaltoihin on moduloitu sotilaskäyttöön tarkoitettu P-koodi taajuudeltaan 10.23 MHz ja sen lisäksi L1:een on moduloitu myös julkinen C/A-koodi, jonka taajuus on 1.023 MHz. Em. lisäksi kantoaaltoon moduloidaan myös itse navigointiviesti, jonka taajuus on 50Hz. GPS sisältää kaksi erilaista palvelua. Toinen on Standard Positioning Service (SPS), joka on tarkoitettu kaikille GPS:n käyttäjille. Se perustuu L1-taajuuteen, joka sisältää julkisen C/Akoodin. Toinen palvelu on Precise Positioning Service. Se on tarkoitettu sotilaskäyttöön ja se käyttää hyväkseen sekä L1- että L2-taajuutta. Näin ollen sotilaskäytössä päästään hieman parempiin paikannustarkkuuksiin. Sotilaskäyttöön tarkoitetun P-koodin häiritseminen on myös vaikeampaa. Tarvitset harjoitukseen huokean GPSlaitteen, PC-kaapelin, sekä paikkakuntasi peruskartan asemoituna paikkatietojärjestelmään. Tutustu GPS-laitteesi käyttöliittymään sen verran, että saat nollattua sen jälkilokin (Track log). Käy sen jälkeen kävelemässä laitteen kanssa noin 1-2 km lenkki kartalla selvästi havaittavaa polkua tms. pitkin. Merkitse kartalta selvästi erottuvia pisteitä Waypointeksi ollessasi näillä pisteillä. Pura pisteet (Waypoints) ja Track Log internetistä löytyvällä GPS Utilityilmaisohjelmalla PC:lle. Siirrä ne edelleen paikkatietojärjestelmääsi peruskartan päälle jotian siirtoformaattia käyttäen (Save As). Oliko polku paikallaan? file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps4.html (1 of 3)4.11.2003 13:31:54 Kuva1. Siviilikäyttöön tarkoitettu C-koodi C-koodi sisältää 1023 bittiä ja toistuu 1000 kertaa sekunnissa. Mikäli vastaanotin kykenee erottamaan itse tuottamansa ja vastaanottamansa koodin välillä yhden bitin vaihe-eron, on sen paras mahdollinen tarkkuus yhden bitin edustama matka eli n. 30 cm. Navigointiviesti eli satelliittiviesti sisältää kolmea erilaista informaatiota, mutta se on jaettu viiteen lohkoon. Ensimmäinen lohko sisältää mm. GPS-viikon numeron, satelliitin kellon korjaustermit, datan iän ja tiedon satelliitin tilasta. Toisessa ja kolmannessa lohkossa ovat satelliitin ratatiedot. Lohkot neljä ja viisi sisältävät C-ja P-koodit vlittävän Pseudo Random Noise-coden (lyhemmin PRN), koordinoidun yleisajan, GPS-ajan ja kaikkien satelliittien A/Stilan. PRN-koodissa on myös satelliitin tunnus, joita on kaikkiaan 37 kappaletta. Niistä viisi on varattu maa-asemille ja 32 satelliiteille.
Siviilikoodissa 1 bitti edustaa n. 30 cm matkaa. Kuva 2. GPS-signaalin rakenne Garmin etrex-laitteen jälki (track) tulostettuna espanjalaisen peruskartan (UTM/WGS84) päälle. Kantoaaltoon moduloidaan siviilikoodi, sotilaskoodi sekä satelliittiviesti Yllä olevassa kuvassa on malli siitä miten navigointiviesti lisätään kantoaaltoon. Ensiksi navigointiviesti moduloidaan sekä C/A- että P-koodeihin. Sitten C/A-koodi lisätään L1- taajuuteen ja P-koodi sekä L1- että L2- taajuuksiin. Alla olevassa kuvassa on esimerkki kantoaallosta ja siihen moduloidusta koodista. Punainen on kantoaalto ja musta on joko C/A tai P koodi. Moduloitu kantoaalto on vihreä, jossa vaihe kääntyy 180 astetta aina, kun koodin tila muuttuu. Kuva 3. Kantoaaltoon moduloitu binäärikoodi (Poutanen 1998) Virheet ja häirintä Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps4.html (2 of 3)4.11.2003 13:31:54
file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps4.html (3 of 3)4.11.2003 13:31:54
Global Positioning System GPS-järjestelmän virhelähteitä ovat mm: Ratavirheet Kellovirheet Ilmakehä Satelliittigeometria Monitieheijastuminen S/A 6.2.5 Virheet ja häirintä 6.2.5.1. Virhelähteet GPS-paikannukseen syntyy virheitä kaikissa vaiheissa satelliitista vastaanottimeen. Satelliittien radat muuttuvat mm. maapallon vetovoiman ja pyörimisliikkeen vaikutuksesta ja näin syntyy ratavirheitä. Kellovirheitä esiintyy niin satelliitissa kuin vastaanottimessakin. Troposfääri ja ionosfääri vaikuttavat signaalin kulkunopeuteen, ja tämä aiheuttaa luonnollisesti paikannusvirhettä. Eräs virhelähde on monitieheijastuminen, jolla tarkoitetaan signaalin heijastumista antennin lähistöllä olevista heijastavista elementeistä, kuten vesi tai ikkuna. Tällöin vastaanotin ei havaitsekaan suoraan satelliitista tulevaa signaalia, vaan heijastuneen ja viivästyneen signaalin. Lisäksi paikannustarkkuuteen vaikuttaa satelliittigeometria, eli kuinka lähekkäin seurattavat satelliitit ovat. Tarkin paikannustulos saavutetaan, kun satelliitit ovat suhteellisen kaukana toisistaan, mutta kuitenkin selvästi horisontin yläpuolella. Jos GPS-vastaanotinta käytetään esim. tiheässä metsässä tai korkeiden rakennusten katveessa, niin suora näköyhteys satelliittiin saattaa katketa. Joissain tapauksissa on paikantaminen tällöin mahdotonta, tai jäljelle jäävien satelliittien keskinäinen geometria on paikannuksen kannalta huono. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.html (1 of 5)4.11.2003 13:31:55
Kuva 1. Huono satelliittigeometria, koska satelliitit ovat liian lähellä toisiaan. Paikannustarkkuus huononee (Dana). Kuvien lähde: (Peter H. Dana, The Geographer's Craft Project, Department of Geography, The University of Colorado at Boulder) Yllä olevassa kuvassa satelliittien sijainti (satelliittigeometria) on huono vastaanottajaan nähden, ja paikannuksen tarkkuus kärsii. Alakuvassa tilanne on päinvastainen. Satelliitit sijaitsevat kaukana toisistaan, ja paikannus on tarkempaa ja varmempaa. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.html (2 of 5)4.11.2003 13:31:55
Katveet haittaavat paikannusta tai saattavat estää sen kokonaan Kuva 2. Hyvä satelliittigeometria. Hyvä paikannustarkkuus (Dana). Alla olevassa kuvassa on taas esitetty, kuinka hyvällä satelliittigeometrialla ei ole merkitystä, jos mittauskohdassa on paljon katveita muodostavia esteitä. Jälleen paikannuksen tarkkuus kärsii huomattavasti.. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.html (3 of 5)4.11.2003 13:31:55
S/A on signaalin tarkoituksellista häirintää Kuva 3. Katveet vaikuttavat huomattavasti paikannustarkkuuteen (Dana). Häirintä Anti-Spoofing on menetelmä, jolla P-koodi salataan niin, että sen vastaanotto on mahdotonta. Salatusta P-koodista käytetään myös nimeä Y-koodi. Koodin avain on ainoastaan sotilaskäytössä, eikä sitä ole koskaan julkaistu. GPS-järjestelmän valmistuttua myös C-koodi osoittautui Yhdysvaltain puolustusministeriön mielestä "liian tarkaksi" ja siksi käyttöön otettiin joitakin järjestelmän tarkkuutta tarkoituksellisesti huonontavia menetelmiä. Selective Availability-menetelmällä heikennetään paikannustarkkuutta. Selective Availability (rajoitettu saatavuus) on GPS:n häirintäsignaali, jolla tahallisesti heikennetään paikannustarkkuutta siviilikäytössä. Käytössä on kaksi eri menetelmää. Generoimalla satelliitin kelloon tai rataelementtiin pientä virhettä saadaan C-koodiin perustuvan paikannuksen tarkkuutta pudotettua huomattavasti. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.html (4 of 5)4.11.2003 13:31:55
Kuva 4. SA-häirinnän vaikutus paikannustarkkuuteen (Markku Poutanen / Geodeettinen laitos) Vasemmanpuoleisessa kuvassa on SA-häirintä päällä ja GPS:n paikannustulos vaihtelee maksimissaan lähes 100 metriä. Oikea puoli taas kuvaa tilannetta SA:n ollessa pois päältä, jolloin tarkkuus on selvästi parempi, ja vaihteluväli on suurimmillaan noin 10 metriä. Virheet käytännössä Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.html (5 of 5)4.11.2003 13:31:55
GPS GPS käytännössä Virhekomponenteista tärkein oli S/Ahäirintä 6.2.5.2 GPS-paikannuksen virheet käytännössä Seuraava kuva havainnollistaa eri virhekomponenttien osuutta GPS-vastaanottimen paikannustarkkuuteen. Kuvasta näkyy selvästi, että S/A-häirintä oli selvästi suurin paikannusepätarkkuuden aiheuttaja. Ulkoisella antennilla ja tiedonkeruuyksiköllä varustettu Trimble ProXL-vastaanotin antaa käytännössä huomattavastai tarkempia tuloksia kuin taskukokoiset GPS-vastaanottimet. Syynä mm. antennin laatu. Kuva 1. GPS-paikannuksen virhelähteet (Trimble) S/A-häirinnän poisto parantikin ratkaisevasti halpojen GPS-laitteiden käyttökelpoisuutta. Myös edullisilla laitteilla päästään nykyisin n. 10 m paikannustarkkuuteen, joka on riittävä useimpiin normaalielämän sovelluksiin. US DoD on kuitenkin varannut mahdollisuuden ottaa häirintä takaisin käyttöön tarvittaessa. GPS-Harjoitus2: Tarvitset harjoitukseen huokean GPS-laitteen, PC-kaapelin, sekä paikkakuntasi peruskartan asemoituna paikkatietojärjestelmään. 1. Etsi peruskartalta tunnettuja pisteitä2-4 kpl.parhaita tarkoitukseen ovat esim korkeuskiintopisteet. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.2.htm (1 of 4)4.11.2003 13:31:56
GPS Satelliittigeometriaa voidaan kuvata ns. PDOP-arvolla 2. Hanki pisteiden tarkat KKJkoordinaatit esim. maanmittaustoimistosta. 3.Käy pisteillä, ja merkitse ne GPSlaitteellasi ns. Waypointeiksi. Tutki, onko laitteessasi ns. keskiarvoistustoimintoa l. koordinaatiksi tulee havaintoajan keskiarvo. Mikäli on, koeta yhden havainnon lisäksi esim 10 s ja 1 min keskiarvoja. 4. Pura pisteet PC:lle GPS Utilityohjelmalla, ja siirrä ne WGS84- koordinaatteina paikkatietoohjelmallesi. Vertaa tuloksia maanmittauslaitoksen lukemiin. Monitieheijastuman aiheuttamien virheiden havaitseminen ja korjaaminen voi olla vaikeaa 5. Mikäli havaitset systemaattista virhettä, koeta muunnosta Maanmittauslaitoksen sivulla olevalla muunnosohjelmalla. Muuttuivatko koordinaatit? Voit myös koettaa tahdä KKJmuunnoksen jo GPS Utility ohjelmassa. Mitä tulos kertoo huokeiden GPSlaitteiden tarkkuudesta? file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.2.htm (2 of 4)4.11.2003 13:31:56 Kuvassa on kartoitettu noin 200 euron hintaisella Garmin ETrex-vastaanottimella Yyterinlahden kivet veneilijöitä varten. Paikannuksen tarkkuus ilman korjausta ja 1:40 000 merikortin asemointivirheen huomioiden lienee noin 30-50 m. Mikäli C-koodia käyttävässä GPS-paikannuksessa pyritään mahdollisimman hyvään tarkkuuteen, tulee käyttäjän kiinnittää huomiota ainakin seuraaviin asioihin:
GPS Satelliittigeometria Useissa vastaanottimessa voi säätää satelliittigeometriaa kuvaavan luvun kynnysarvoa, jonka jälkeen paikannus lopetetaan. Trimblen laitteissa säädöstä käytetään nimitystä PDOP-suodin. Tämän arvon pienentäminen parantaa paikannuksen tarkkuutta, mutta asettaa toisaalta suuremman vaatimuksen satelliittigeometrialle. Joissain olosuhteissa tulee arvoa suurentaa, jotta vastaanotin voisi ylipäänsä laskea sijaintinsa. Horisonttimaski Mikäli laite tarjoaa mahdollisuuden säätää ns. horisonttimaskia, voi sitä nostamalla parantaa paikannustarkkuutta. Tällöin signaali tulee jyrkemmin ilmakehän läpi vastaanottimeen, ja ilmakehä huonontaa paikannusta mahdollisimman vähän. Horisonttimaskia joutuu säätämään ylemmäksi myös silloin kun DGPS-tukiasema sijaitsee kaukana mittauslaitteesta. Monitieheijastuminen Monitieheijastumisen aiheuttamia ongelmia voi välttää antennin sijoittelulla heijastaviin pintoihin nähden sekä käyttämällä korkealaatuisia antenneja. Eräiden käyttökokemusten mukaan myös sade ja vesipisarat esimerkiksi puissa voivat aiheuttaa ongelmia. Monitieheijastumisen havaitseminen voi olla vaikeaa, mutta yksittäiset poikkeamat havaintosarjassa voivat selittyä sillä. Tällaiset poikkeamat kannattanee yleensä poistaa aineistosta käsin. DGPS-korjaus ei osaa poistaa monitieheijastumista aiheutuvaa virhettä. Mittausaika Kalliimmat GPS-vastaanottimet tarjoavat mahdollisuuden laskea sijainti havaintoarvojen keskiarvona. Tällöin paikallaan olevan vastaanottimen antama paikannustulos tarkentuu sitä enemmän mitä pidempää mittausaikaa käytetään. Yksittäistä pistettä on syytä mitata tarkkuusvaatimusten mukaan parista minuutista jopa tunteihin. Katveet Katveet saattavat tehdä joskus mittauksen mahdottomaksi. Mikäli paikannustulos tarvitaan ehdottomasti, voi mittausta suunnitella etukäteen useilla ohjelmistoilla. Ne näyttävät satelliittien sijainnin valittuun paikkaan nähden, ja näin voidaan etukäteen valita aika jolloin mahdollisimman monta satelliittia on poissa katvealueilta. Myös antennin sijoittaminen korkealle voi ratkaista ongelman. Tällöin tulee tietenkin muistaa vähentää z-koordinaatista antennin korkeus. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.2.htm (3 of 4)4.11.2003 13:31:56
GPS Pidempi mittausaika parantaa pistemäisen kohteen paikannustarkkuutta Mittaustuloksia on helpoin tarkentaa ns. differentiaalikorjauksen avulla. Tällöin havaintosuuretta korjataan vähentämällä havainnoista tunnetussa pisteessä mitattu paikannusvirhe. Muunnokset GPS-järjestelmän sisäiset koordinaatit ovat aina WGS84-koordinaatteja, jotka ovat hyvin lähellä meilläkin käyttöön otettavaa Euref89-järjestelmää. Nykyiset karttamme käyttävät kuitenkin pääosin KKJ-järjestelmää. Tarvittava muunnos KKJ-koordinaateiksi tehdään joko laskentojen jälkeen vastaanottimessa siirrettäessä sijainteja PC:lle tai PC:n paikkatieto-ohjelmistoissa. Muunnosohjelmien käyttämissä funktioissa ja niiden parametreissä on yllättävän paljon epätarkkuuksia, eikä näin saatuihin koordinaatteihin voi sokeasti luottaa. Käytettävien ohjelmien toimivuus mittausalueella on syytä tarkistaa, ja systemaattisen muunnosvirheen tapauksessa vaihtaa muunnosohjelma paremmaksi. Differentiaalinen GPS Takaisin luvun alkuun file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps5.2.htm (4 of 4)4.11.2003 13:31:56
Global Positioning System DGPS=differentiaalikorjattu GPS 6.2.6 DGPS ja suhteellinen paikannus DGPS eli Differentiaalinen GPS tarkoittaa menetelmää, jossa käytetään toista tunnetussa pisteessä olevaa vastaanotinta hyväksi. Tätä vastanotinta kutsutaan tukiasemaksi (Base Station). Tukiasema mittaa jatkuvasti paikannuksen poikkeamaa oikeista koordinaateista. Tosiasiassa korjaukset tehdään yleensä koordinaattien sijasta tarkkailtavien satelliittien etäisyyksiin, jolloin käyttäjän laite voi vapaasti valita käyttöönsä parhaat satelliitit kaikista näkyvistä. Tästä pääset Hämeen ammattikorkeakoulun Evon GPS-tukiasemalle, jolta saat korjaustiedostot Internetin välityksellä. Tukiasemana käytetään yleensä 12-kanavaista hyvälaatuista vastaanotinta, jonka antenni on sijoitettu mahdollisimman katveettomaan paikkaan. Vastaanotin pystyy kiertoratatietojen ja oman sijaintinsa perusteella laskemaan tarkat etäisyydet satelliitteihin. Kun se samalla myös mittaa etäisyydet normaalin paikantimen tavoin, saadaan mitatun ja lasketun etäisyyden erotuksena selville etäisyyksiä häiritsevät virheet. Jos erotuksilla korjataan tuntemattomassa pisteessä mitattuja satelliittien etäisyyksiä, saadaan korjattujen etäisyyksien avulla koordinaatit laskettua oleellisesti tarkemmin. Jos tukiasema sijaitsee parin sadan kilometrin säteellä varsinaisesta mittauslaitteesta, niin virheet sekä tukiaseman että käyttäjän GPSlaitteen vastaanottamassa signaalissa ovat todennäköisesti hyvin lähellä toisiaan. Korjaus siis olettaa, että paikannusvirhe mittausvastaanottimessa ja tukiasemassa on sama. Differentiaalikorjauksen ansiosta päästään C-koodia hyödyntävässä paikannuksessakin parhaimmillaan alle metrin paikannustarkkuuksiin. Differentiaalikorjauksen tarve on kuitenkin vähentynyt tahallisen häirinnän poistumisen myötä. Korjaus voidaan järjestää mittausvastaanottimen ns. reaaliaikaisena korjauksena tai se voidaan tehdä jälkikäteen. Jälkikäteiskorjaus file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps6.html (1 of 4)4.11.2003 13:31:56
Hyödyllistä tietoa reaaliaikaisesta korjauksesta löydät Digita Oy:n sivuilta. Jälkikäteiskorjauksessa (postprocessing) tukiaseman mittaamat poikkeamat satelliittien etäisyyksissä talletetaan tiedostoiksi, ja tietojen avulla lasketaan havaintovastaanottimen sijainteihin korjaus jälkikäteen. Jälkikorjausdataa saa esimerkiksi HAMK:n Evon tukiasemalta internetin välityksellä. Myös Geodeettinen laitos pitää yllä korjausdataa keräävä havaintoasemaverkkoa. Differentiaalikorjauksen tarkkuus huononee kun havaintolaitteen etäisyys tukiasemasta kasvaa. Alle metrin tarkkuuksiin pääseminen edellyttää yleensä alle 50 km etäisyyttä tukiasemasta. Yhteisvaikutuksena paikannustarkkuuden voidaan arvioida heikentyvän 30 cm jokaista 100 km kohti. Maksimietäisyydeksi suositellaan yleensä 500 km:ä. Mikäli etäisyys on tätä suurempi, tulee mittausvastaanottimen horisonttimaskia yleensä nostaa. Korjauksen onnistumiseksi tulee korjausvastaanottimen ja mittauslaitteen näet seurata samoja satelliitteja.. Mikäli etäisyys tukiasemaan on suuri tai tarkkuusvaatimus korkea, voi käyttäjä perustaa oma tukiaseman. Tukiasema on itse asiassa ainoastaan hyvälaatuinen GPS-vastaanotin, jonka antenni sijoitetaan mahdollisimman tarkasti tunnettuun pisteeseen. Antennin ympärillä ei saa olla katveita aiheuttavia maastoesteitä, puita tai rakennuksia. Mikäli mittausaika on lyhyt (muutamia tunteja) riittää laitteiden oma muisti ja virtalähde, ja tukiaseman voi pystyttää vaikkapa korkeuskiintopisteelle maastoon. RTCM=Radio Technical Commission for Maritime Services Korjaustiedon tallennusväli on säädettävissä. Paras tulos saavutetaan luonnollisesti suurimmalla taajuudella (1 korjaustieto sekunnissa). Muistitilan tarve ja tiedostokoko kuitenkin kasvavat. Mikäli korjaustietoa talletetaan esimerkiksi ainoastaan kerran kymmenessä sekunnissa, tulee mittausvastaanottimen havaintointervallien olla tämän monikertoja (1, 10, 20 jne). 10 sekunnin välein talletettu datakin voidaan tosin muuntaa ohjelmallisesti jäljittelemään sekunnin välein tallennettua tiedostoa, mutta tällöin väliarvot interpoloidaan. Pysyvä tukiasema vaatii luonnollisesti tietokoneen kiintolevyn massamuistiksi. WWW-palvelinohjelmiston avulla korjaustiedostojen jakelu on mahdollista hoitaa internetin välityksellä. Reaaliaikainen korjaus Korjaustieto voidaan lähettää mittauslaitteelle myös radioteitse. Mittauslaitteen tulee tällöin olla varustettu RTCMkorjausvastaanottimella. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps6.html (2 of 4)4.11.2003 13:31:56
YLE:n Focus-palvelu käyttää hyväkseen koko Ylen lähetysverkkoa. Korjausvastaanottimia on seuraavilla paikkakunnilla (syksy -02): Kuva 1. Differentiaalikorjauksen toimintaperiaate (Dana) Vuotso Hyvinkää Seinäjoki Joensuu Oulu Kiiminki Kuva esittää reaaliaikaisen DGPS-järjestelmän toimintaa. Sekä tunnetussa pisteessä oleva GPS-laite että käyttäjän paikannin ovat yhteydessä samoihin satelliitteihin. Tunnetussa pisteessä oleva laite lähettää virheen satelliittien etäisyyksissä käyttäjälle radiolinkin avulla ja käyttäjän vastaanotin "vähentää" virheet omasta paikannustiedostaan. Reaaliaikaisessa korjauksessa on aina muutaman sekunnin viive, joten jälkikäteiskorjaus antaa periaatteessa tarkempia tuloksia. Mikäli viive on alle 10 sekuntia, ei korjauksen tulos kuitenkaan kärsi kohtuuttomasti. Korjaustiedon lähettäminen on mahdollista useilla taajuusalueilla. Yleisradion Focus-palvelu hyödyntää YLE:n lähetysverkkoa, ja lähettää korjausdataa kaikkialla Suomessa Radio Suomen taajuuksilla RDSpalveluna. Myös Merenkulkulaitoksella on järvi- ja merialueet kattava DGPS-palvelu. Kansainväliseen käyttöön on tarjolla palveluita, joissa reaaliaikainen korjaus lähetetään käyttäjälle satelliitin välityksellä. Itse korjausdatan välittäminen ei ole ongelma, mutta tukiasemien verkko saattaa olla käyttäjän kannalta liian harva. Kuluttajien käytössä Yhdysvalloissa ja Kanadassa on satelliittiperustainen ns. WAAS-järjestelmä (Wide Area Augmentation file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps6.html (3 of 4)4.11.2003 13:31:56
Service), jota kykenevät hyödyntämään myös huokeat GPS-laitteet. Järjestelmän laajentaminen Eurooppaan on suunnitteilla. Suhteellinen paikannus Maanmittareiden laitteistot mittaavat koodin vaiheen sijasta kantoaallon vaihetta. Mikäli GPS-järjestelmää hyödynnetään sentti- tai jopa millimetrintarkkaan paikantamiseen, käytetään suhteellisia paikannusmenetelmiä. Niissäkin käytetään toista tai jopa useampaa tunnetussa pisteessä olevaa paikanninta hyväksi, mutta koodien vaiheeron sijasta mitataan kantoaallon vaihe-eroa. Suhteelliset menetelmät edellyttävät yleensä häiriötöntä yhteyttä satelliitteihin, pidempiä mittausaikoja ja raskaampaa jälkikäteislaskentaa. Toisaalta paikantimien välinen etäisyys voidaan laskea jopa millimetrien tarkkuudella, joten laitteistojen käyttö on yleistä maanmittaussovelluksissa. Lue lisää WAASjärjestelmästä! GPS ja suomalaiset koordinaatistot Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps6.html (4 of 4)4.11.2003 13:31:56
GPS ja suomalaiset koordinaatistot 6.2.7 GPS ja koordinaatistot Aika GPS-aika eroaa kontrolloidusta yleisajasta eli ns. UTC-ajasta UTC:hen lisättävien karkaussekuntien osalta. Suurin osa GPS-vastaanottimista kuitenkin lisää GPS-aikaan karkaussekunnit ja näyttää siis käyttäjälle UTC-aikaa. Suomi noudattaa 30 E meridiaanin mukaan määriteltyä vyöhykeaikaa (Eastern European Standard Time), joka poikkeaa UTC:sta + 2 tuntia. Suomen kesäaika (Eastern European Daylight Savings Time) puolestaan poikkeaa UTC:stä + 3 tuntia. Koordinaatistot GPS-aikalaskurin löydät osoitteesta: http://www. mapshots.com/ tools/gps_time.asp Maailmalla on käytössä satoja erilaisia koordinaattijärjestelmiä. GPS noudattaa sisäisesti globaalia koordinaattijärjestelmää (WGS84), jota käyttäen se suorittaa kaikki laskutoimitukset. Yleensä ainoastaan lopputulos lasketaan jotain muunnosta käyttäen käyttäjän toivomaan koordinaattijärjestelmään. Tarkkoja laskelmia haittaa se, että maapallo koostuu nestemäisen ytimen päällä "kelluvista" mannerlaatoista, jotka liikkuvat hitaasti toistensa suhteen. Näin olen koordinaatiston kiintopisteisiin perustuva realisaatio on aina suhteessa johonkin ajanhetkeen l. epookkiin, ja jonkun mittaushetken tietoja tulee korjata tiedolla esim. mannerlaattojen liikkeestä, maankuoren vuorovesi-ilmiöstä jne. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps7.htm (1 of 4)4.11.2003 13:31:57 Suomen KKJ-järjestelmä perustuu ED50-datumiin, jonka referenssiellipsoidi on Hayfordin ellipsoidi vuodelta 1924. Se on suorakulmainen, kolmen asteen kaistoissa oleva tasokoordinaatisto. ED50-koordinaateista päästään KKJ-koordinaatteihin suorittamalla ensin Gauss-Kruger-projektio keskimeridiaanina 27 E, sekä Helmertmuunnos l. koordinaatiston kierto ja siirto. KKJ-koordinaatisto on siis ED50- järjestelmän paikallisesti hieman deformoitunut muunnos (Poutanen 1999). WGS84 GPS-järjestelmä on käyttänyt vuodesta 1987 lähtien referenssijärjestelmänään WGS84- järjestelmää (World Geodetic System 1984). Se on geosentrinen systeemi, johon kuuluva referenssiellipsoidi (f= 1:298.257223563) on lähes sama kuin kansainvälisessä
GRS80-datumissa. WGS84-järjestelmän lähin realisaatio Suomessa on ns. EUREF89-kiintopisteverkko. Tämän kiintopisteverkon perusteella on laadittu ns. EUREF-FINkoordinaattijärjestelmä, joka otetaan käyttöön KKJ:n tilalle lähitulevaisuudessa. GPS:n tuottamat WGS84-koordinaatit vastaavat siis hyvin tarkasti uusia EUREF-FINkoordinaatteja. WGS84-järjestelmän koordinaatit voidaan esittää joko suorakulmaisina XYZkoordinaatteina tai maantieteellisinä koordinaatteina (Φ,λ asteita) ja korkeutena ellipsoidista. Tämä sivu perustuu Markku Poutasen kirjaan GPSpaikanmääritys (URSA 1999) Koordinaatistojen tarkkuus ja globaalisuus (Poutanen 1999). WGS84:stä KKJ:ksi GPS-vastaanottimien antamat WGS84-koordinaatit joudutaan usein muuntamaan KKJkoordinaateiksi GIS-järjestelmiä tai kartalle merkitsemistä varten. Muodollisesti oikea tapa suorittaa tehtävä on muuntaa WGS84-koordinaatit ensin ED50- järjestelmän mukaisiksi. Tämän jälkeen suoritetaan koordinaattien Gauss-Kruger- file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps7.htm (2 of 4)4.11.2003 13:31:57
projisointi tasolle. Saaduille koordinaateille lasketaan vielä Helmert-muunnos tasossa. Em. formaalisesti oikea menettely saattaa olla joihinkin tarkoituksiin liian raskas. Korjaus on mahdollista approksimoida myös kartakkeiden avulla tai laskea yksinkertaisemman polynomikehitelmän avulla.. Karkea muunnos P ja I-koordinaatteihin metreinä WGS84-järjestelmästä KKJjärjestelmään siirryttäessä (Ollikainen 1993). Vasemmalla pohjoiskoordinaatti. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps7.htm (3 of 4)4.11.2003 13:31:57 Käytännön ongelmia Mikäli GPS-vastaanottimen käyttäjä luottaa sokeasti valmistajan laitteeseen syöttämiin muunnoskaavoihin, on systemaattisen virheen mahdollisuus aina olemassa. Valmistajat julkaisevat hyvin harvoin muunnosohjelmiensa lähdekoodia tai muunnoksissa käytettäviä yhtälöitä parametreineen. Korjaus voi antaa hyviä likiarvoja esimerkiksi lähellä projektiokaistan sivuamismeridiaania, mutta virhe saattaa kasvaa nopeasti keskimeridiaanilta loitonnuttaessa. Muunnoksen tarkkuus voi myös olla erilainen maan etelä- ja pohjoisosissa. GPS ja korkeuslukema GPS:n tuottama z-koordinaattilukema on yleensä korkeus vertailuellipsoidin pinnasta. Tämä pinta on hieman eri tasoilla esimerkiksi WGS84-ellipsoidissa ja Suomen KKJjärjestelmässä käytettävässä Hayfordin ellipsoidissa. GPS-järjestelmän tuottama korkeuslukema on lähtökohtaisestikin hieman X- ja Y-koordinaatteja epätarkempi.
Ellipsoidikorkeus eroaa myös vaaitsemalla saatavista ns. ortometrisista korkeuksista. Ortometriset korkeudet lasketaan ns. geoidiin nähden, joka taas on painovoiman samapintakäyrä. Itse asiassa vaaituksen lähtöarvoksi on valittu suhteellisen mielivaltainen N60-taso, joka yhtyy likimain vapaaseen valtameren pintaan. Suomessa nykyisin käytössä oleva FIN95-geoidi on valmiiksi sovitettu N60- järjestelmään. FIN95-geoidikorkeuksien ja GRS80-ellipsoidikorkeuksien välinen ero on Suomen alueella noin 18 m. GPS:n antamista WGS84-korkeuslukemista tulee siis meillä vähentää n. 18 m, jotta päästäisiin likimain peruskartan korkeuskäyrien ilmaisemiin korkeuksiin. GLONASS-järjestelmä Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gps7.htm (4 of 4)4.11.2003 13:31:57
GLONASS 6.3 GLONASS Global Navigation Satellite System eli Glonass on venäläinen yhdysvaltalaisten GPS:ää vastaava järjestelmä, jonka suunnittelu aloitettiin vuonna 1982 Neuvostoliitossa. Glonass koostuu GPS:n tavoin 24 satelliitista kolmella eri ratatasolla. Tällä hetkellä satelliitteja on käytössä vain yhdeksän kappaletta. Tämä johtunee venäläisten satelliittien lyhyestä iästä, ja maan heikohkosta taloudellisesta tilanteesta. Glonass-satelliittien radat on suunniteltu napa-alueiden kannalta paremmin kuin GPS-järjestelmässä. Glonass-satelliittien ratakorkeus on n.19100 km merenpinnasta ja inklinaatiokulma 64,8 astetta. Satelliittien kiertoaika on 11 tuntia 15 minuuttia.. Glonass-satelliitit lähettävät kahta taajuutta. Toinen on perustarkkuuden tarjoama maailmanlaajuinen signaali Standard Precision (SP) ja toinen sotilaskäyttöön korkeamman tarkkuuden tarjoava signaali High Precision (HP). Jokainen satelliitti lähettää signaalia omalla taajuudellaan. L1-taajuus on 1602MHz + 0,5625MHz*n, jossa n on taajuus kanavan numero. Vastakkaisilla satelliiteilla maapalloon nähden on kuitenkin sama taajuus. Siten saadaan taajuuskaistaa vapaaksi muuhun käyttöön. Glonassjärjestelmässäkin on erikseen siviilikoodi ja sotilaskäyttöön suunniteltu koodi, mutta ne eivät ole salattuja eikä niitä myöskään häiritä. Glonass-vastaanotin laskee neljän satelliitin lähettämistä signaaleista koordinaatit, nopeuden ja tarkan ajan. Glonass-paikannuksella päästään muutaman kymmenen metrin tarkkuuteen ja differentiaalikorjauksen avulla n.3-10 metrin tarkkuuteen tukiaseman etäisyydestä riippuen. Glonass-maa-asemia on Venäjän alueella useita. Koko järjestelmän ohjausasema sijaitsee Moskovassa. GALILEO Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/glonass.html (1 of 2)4.11.2003 13:31:57
file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/glonass.html (2 of 2)4.11.2003 13:31:57
GALILEO 6.4 GALILEO Eurooppalaiset ovat olleet tähän asti riippuvaisia muiden satelliittipaikannusjärjestelmistä, mutta ne eivät ole tarjonneet kaikissa tapauksissa riittävää palvelutasoa. Tämän takia EU on päättänyt rakentaa oman muista riippumattoman paikannusjärjestelmän. European Space Agency ESA ja Euroopan komissio ovat aloittaneet valmistelut kolmannen navigointijärjestelmän toteuttamiseksi GPS:n ja Glonassin, rinnalle. Tämä järjestelmä on ristitty Galileoksi. Tarkoituksena on rakentaa järjestelmä, joka tarjoaisi luotettavan ja entistä tarkemman paikannus palvelun ennen kaikkea siviilikäyttöön. Järjestelmän suunnittelu kesti vuodesta 1994 vuoteen 1998 ja vuonna 1999 Euroopan Komissio ilmoittikin uuden siviilijärjestelmän rakentamisesta. Galileon on kaavailtu tulevan operatiiviseen käyttöön vuonna 2006. Galileo tulee käyttämään aluksi muiden järjestelmien satelliitteja, mutta tulevaisuudessa on tarkoitus laukaista käyttöön myös omia satelliitteja. Ensimmäinen Galileo-satelliitti tullaan laukaisemaan näillä näkymin vuonna 2005 ja vuonna 2008 tulee satelliittien määrä olemaan suunnitellun mukainen. Järjestelmä tulee sisältämään 30 satelliittia kolmella eri ratatasolla ja ne tulevat kattamaan koko maapallon. Niistä 27 tulee olemaan operatiivisia satelliitteja ja 3 varasatelliittia. Satelliittien radat ovat 23616 km korkealla ja inklinaatiokulma on 56 astetta. Galileo on suunniteltu siten, että paikantaminen onnistuu melkein missä tahansa maailmassa. Suunnittelussa on huomioitu ennen kaikkea runsaskatveiset alueet kuten suuret kaupungit. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/galileo.html (1 of 3)4.11.2003 13:31:58
Taiteilijan näkemys Galileo-järjestelmästä (ESA- J. Huart) Galileo tulee sisältämään kaksi valvontakeskusta (Galileo Control Centres, GCC) Euroopassa, ja kaksikymmentä tarkkailuasemaa (Galileo Sensor Stations, GSS) eri puolilla maapalloa. Valvontakeskus saa tarkkailuasemilta tietoa satelliiteista, tarkistaa tiedon eheyden ja synkronoi satelliittien ja maaasemien kellosignaalit. Valvontakeskusten ja satelliittien väliseen tiedon välitykseen tulee viisi S-taajuusasemaa ja kymmenen C-taajuusasemaa ympäri maailmaa.. Uutena ominaisuutena Galileo-navigointijärjestelmään tulee Search and Rescue (SAR) -toiminto. SAR toimii siten, että satelliitti sisältää tutkavastaanottimen, joka paikallistaa eksyneen tai muuten hädässä olevan käyttäjän vastaanottimen. Järjestelmä lähettää paikannustiedon avun tarvitsijasta pelastuskeskukseen. Samalla käyttäjä saa laitteeseensa ilmoituksen siitä, että apua on hälytetty. European Geostationary Navigation Overlay Service EGNOS EGNOS on eurooppalaisten ensimmäinen kosketus satelliittinavigointiin. Se käyttää hyväkseen valmiita navigointi järjestelmiä eli GPS:ia ja Glonass:ia. Se on ikään kuin Galileon esivaihe ja se tulee olemaan täysin toimintakunnossa vuonna 2004. EGNOS on siis tehty perustuen valmiisiin satelliitteihin, mutta erona on se että tekniikkaa on parannettu siten, että navigointitarkkuus on parempi kuin kummassakaan valmiissa järjestelmässä. Järjestelmä on suunniteltu kattamaan ainoastaan Euroopan. file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/galileo.html (2 of 3)4.11.2003 13:31:58
GSM-järjestelmään perustuva paikannus Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/galileo.html (3 of 3)4.11.2003 13:31:58
GSM-paikannus 6.5.1 Miksi GSM-paikannus? Matkapuhelimet ovat yleistyneet räjähdysmäisesti viime vuosien aikana. Tänä päivänä 80% suomalaisista omistaa matkapuhelimen. Matkapuhelinvalmistajat ovat miettineet, miten matkapuhelimesta saisi kehitettyä paremman ja monipuolisemman. Puhelimiin on tullut, jatkuvasti uusia ominaisuuksia, joskin toisille ehkä tarpeettomiakin. GSMjärjestelmään perustuva paikannusmahdollisuus on kuitenkin tärkeä ominaisuus, joka voidaan rakentaa tulevaisuuden matkapuhelimiin ja verkkoihin. Soluntunnistusta käyttämällä on pelastettu jo ihmishenkiä Suomessakin.. LIF Nokia, Motorola ja Erikson perustivat yhteisen hankkeen Location Interoperability Forum (LIF) edistämään paikannuspohjaisia palveluita. Tavoite on ratkaista paikannuksen monimutkaisuuteen liittyviä ongelmia sekä uusien paikannusstandardien aikaansaaminen matkapuhelimiin Location Interoperability Forum on määritellyt kolme eri paikannustasoa seuraavasti: 1. Perustaso, joka tarjotaan kaikille käsipäätteille (esim. CGI+TA) 2. Parannettu palvelutaso, joka tarjotaan uusille käsipäätteille paremmalla tarkkuudella (esim. E-OTD) 3. Laajennettu palvelutaso, joka voidaan tarjota uusille käsipäätteille parhaalla tarkkuudella (esim. A-GPS) CGI+TA Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gsm1.html4.11.2003 13:31:58
GSM-paikannus 6.5.2 Cell Global ID + Time Advance (CGI+TA) CGI on menetelmä, jossa paikantaminen tapahtuu soluntunnistusta hyväksi käyttäen. TA puolestaan mittaa tukiasemalta tulevan signaalin kulkuajan, josta saadaan laskettua etäisyys tukiasemaan. Näin voidaan parantaa soluntunnistuksen antamaa tarkkuutta. CGI+TA käyttää hyväkseen vain yhtä tukiasemaa ja se toimii kaikissa GSM-laitteissa Menetelmä ei vaadi muutoksia GSM-verkkoon. Paikannuksen tarkkuus vaihtelee sen mukaan kuinka tiheä verkko on. Kaupunkialueilla tarkkuus on parempi, mutta harvaan asutuilla alueilla solun koko saattaa kasvaa niin suureksi, ettei menetelmä anna kovin luotettavaa tulosta. Parhaimmillaan CGI+TA:n tarkkuus on noin 100-200 metriä.. Kuva 1. CGI + TA-menetelmän toimintaperiaate Tukiasemalta tulevan signaalin kulkuaika näkyy kuvassa ympyränä. Punainen osa siitä kuvaa Time Advance:n tuomaa tarkennusta paikannuksessa soluntunnistuksen lisäksi, ts. paikannuksen kysyjä sijaitsee jossakin kohtaa punaisella kaarella. E-OTD Takaisin etusivulle file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gsm2.html (1 of 2)4.11.2003 13:31:58
file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gsm2.html (2 of 2)4.11.2003 13:31:58
GSM-paikannus 6.5.3 Enhanced Observed Time Difference (E-OTD). Enhanced Observed Time Difference on menetelmä, jossa mitataan kolmesta eri GSM tukiasemasta tulevien signaalien kulkuaikoja. Lisäksi siinä käytetään apuna tunnetussa pisteessä sijaitsevaa mittausasemaa (Location Measurement Units, LMU), jonka kanssa verrataan samoilta kolmelta tukiasemalta tulevia signaalien saapumisaikoja. E-OTD tarvitsee runsaasti laskentatehoa, mutta laskenta voidaan siirtää myös verkon paikannuspalvelimelle. E-OTD tarvitsee toimiakseen muutoksia sekä päätelaitteisiin, että verkkoon. Paikannuksen tarkkuus on luokkaa 50-125 metriä ja vasteaika noin 5 sekuntia. E-OTD:ssa on kaksi laskenta tapaa eli hyberbolinen E-OTD ja "pyöreä" E-OTD. Hyberbolinen E-OTD Termejä: Observed Time Difference (OTD) = kahdelta tukiasemalta tai LMU:lta (mittausasema) tulevien signaalien tuloaikojen erotus Real Time Difference (RTD) = tukiasemien lähettämien signaalien lähetysten aikaero Geometric Time Difference(GTD) = tukiaseman ja päätelaitteen välinen aikaero, jonka laskemiseksi käytetään tunnettuja etäisyyksiä ja radioaaltojen etenemisnopeutta. Etäisyysyhtälö on siis OTD = RTD + GTD Kahdelta tukiasemalta saapuvista signaaleista saadaan muodostettua file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gsm3.html (1 of 3)4.11.2003 13:32:00
hyperbeli tasolle piirrettynä. Paikannuksen aikaansaaminen vaatii kahden hyperbelin leikkauspisteen laskemista. Sen takia kolme tukiasemaa ovat välttämättömiä paikantamiselle. Jos verkko on synkronoitu niin LMU:ta (mittausasemaa) ei tarvita, mutta jos verkko ei ole synkronoitu, niin paikantamiseen tarvitaan tukiasemien lähettämien signaalien aikaero (RTD), joka saadaan mittausasemalta (LMU). Kuva 1. Hyperbolisen E-OTD-menetelmän toimintaperiaate Pyöreä E-OTD Termejä: MOT (The Observed Time at Mobile Station) = päätelaitteen mittaama signaalin saapumisaika LOT (The Observed Time at LMU) LOT = mittausaseman mittaama signaalin saapumisaika ε = mittausaseman ja päätelaitteen kellojen aikaero DMB = päätelaitteen ja tukiaseman välinen geometrinen etäisyys DLB = mittausaseman ja tukiaseman välinen geometrinen etäisyys Paikannusyhtälö on siis DMB - DLB = v (MOT LOT + ε ) missä v on radioaaltojen eli signaalin etenemisnopeus. Tällä yhtälöllä lasketaan kustakin kolmesta tukiasemasta tulevasta signaalista etäisyys, joiden muodostamien ympyröiden leikkauspiste on havainnointipiste. Pyöreässäkin E-OTD:ssa verkon täytyy olla synkronoitu tai sitten tarvitaan erillinen mittausasema (LMU). file:///j /PaikkatietoWWW/paikannus/gsm3.html (2 of 3)4.11.2003 13:32:00