SATELLIITTIPAIKANNUSJÄRJESTELMÄT

PUOLUSTUSVOIMIEN TEKNILLINEN TUTKIMUSLAITOS JULKAISUSARJA SATELLIITTIPAIKANNUSJÄRJESTELMÄT Esa Airos Risto Korhonen Timo Pulkkinen PUOLUSTUSVOIMIEN TEKNILLINEN TUTKIMUSLAITOS DEFENCE FORCES TECHNICAL RESEARCH CENTRE RIIHIMÄKI 2007

Kansi ja kuvitus: Pirjo Laurimaa Julkaisun karttaotteet: Maanmittauslaitos lupa n:o 28/MYY/07 ISBN 978-951-25-1784-8 (nid.) ISBN 978-951-25-1849-4 (PDF) ISSN 1457-3938 Puolustusvoimien Teknillinen Tutkimuslaitos Defence Forces Technical Research Centre Edita Prima Oy Helsinki 2007

Esipuhe Satelliittipaikannuksen sovellukset ovat lisääntyneet voimakkaasti 1990-luvulta alkaen sekä sotilas- että siviilikäytössä. Yhä useammin elektronisten laitteiden ja järjestelmien osana on paikannin. Elektronisesti monimutkaistuva laitteisto verhoaa taakseen useita ominaisuuksia ja toimintaperiaatteita, joita käyttäjä ei tavallisesti ajattele tai tiedä hyödynnettävän. Yleistieto näistä asioista parantaa kykyä käyttää laitetta sekä kykyä arvioida sen rajoitteita. Satelliittipaikannuksen sotilaskäyttö asettaa myös paikannuslaitteille ja -järjestelmille vaatimuksia, joita siviilikäytössä ei yleensä huomioida. Sotilaskäytössä vaaditaan häiriösietoisempia ja turvatumpia tekniikoita. Tämä julkaisu käsittelee kolmea satelliittipaikannusjärjestelmää: GPS-, GLONASS- ja Galileo-järjestelmää. Julkaisu antaa kuvan niiden teknisistä ominaisuuksista ja käytettävyydestä, mutta teoreettisiin yksityiskohtiin ei syvennytä. Järjestelmien toimintaa tarkastellaan myös elektronisen sodankäynnin kannalta. Julkaisu on suunnattu kaikille, jotka tarvitsevat yleiskuvaa satelliittipaikannusjärjestelmistä. Tässä julkaisussa esitetään kirjoitushetken (2007) tiedot. Tekniikan kehittyessä monet yksityiskohdat ovat jo julkaistessa muuttuneet, mutta perusperiaatteet pysyvät kuitenkin samoina. Tekijät haluavat esittää suuret kiitoksensa Pirjo Laurimaalle kuvien piirtämisestä sekä Matias Aunolalle, Juhani Hämäläiselle ja Perttu Silvolalle sisällön oikoluvusta. Riihimäellä 09.08.2007 Tekijät 3

Tiivistelmä Satelliittipaikannus perustuu maata kiertävien satelliittien signaaleiden kulkuaikaviiveiden mittaamiseen ja niistä saatavien etäisyyksien avulla laskettavaan paikkaratkaisuun. Keskeisimmät satelliittipaikannusjärjestelmät ovat amerikkalainen GPS, venäläinen GLONASS ja tulevaisuudessa eurooppalainen Galileo. Järjestelmät ovat ominaisuuksiltaan ja teknisiltä suorituskyvyiltään lähes samankaltaiset. Satelliittipaikannusjärjestelmät ovat suhteellisen alttiita häiriöille ja häirinnälle, sillä signaalitasot maan pinnalla ovat alle kohinatason. Häiriösietoisuutta voidaan parantaa signaalinkäsittelyn avulla. Asiasanat: Satelliittipaikannus, GPS, Galileo, GLONASS, häirintä. 4

Sisällys Lyhenteet... 6 1 Johdanto... 8 2 Satelliittipaikannusjärjestelmien toimintaperiaate... 11 2.1 Järjestelmän segmentit... 11 2.2 Paikantaminen... 12 2.3 Ajanmittaus... 13 2.4 Paikannuksen geometria... 14 2.5 Virhelähteet... 15 2.6 Vastaanottimen toiminta... 17 3 Global Positioning System (GPS)... 19 3.1 Järjestelmän yleiskuvaus... 19 3.2 Nykytila ja ominaisuudet... 20 3.3 Järjestelmän osat... 20 3.4 Signaalit... 21 3.5 GPS:n laajennukset... 23 3.6 Järjestelmän tulevaisuus... 24 4 GLONASS... 26 4.1 Järjestelmän yleiskuvaus... 26 4.2 Nykytila ja ominaisuudet... 26 4.3 Järjestelmän osat... 27 4.4 Signaalit... 28 4.5 Järjestelmän tulevaisuus... 29 5 GALILEO... 32 5.1 Järjestelmän yleiskuvaus... 32 5.2 Järjestelmän osat... 34 5.3 Palvelut... 34 5.4 Galileo-signaalit... 37 6 Häiriöiden vaikutus satelliittipaikannusjärjestelmiin... 40 6.1 Paikannusvastaanottimien häiriöherkkyys... 40 6.2 Tahattomat häiriöt... 44 6.3 Tahalliset häiriöt... 45 6.4 Häiriöiltä suojautuminen... 45 7 Yhteenveto... 48 Viitteet... 50 LIITE 1... 55 LIITE 2... 56 LIITE 3... 57 5

Lyhenteet AS BOC BPSK C/A-koodi CDMA CEA CS CW DAB DGPS DLL DME DOP EGNOS EU FDMA FLL FM Gagan GCC GLONASS GNSS GPS GSM GSS GTRF HOW HP ICD ILS INS IRNSS LAAS LORAN MCS MEMS Anti-Spoofing Binary Offset Carrier Binary Phase Shift Keying, binaarinen vaihemodulaatio Coarse/Acquisition -koodi Code Division Multiple Access Consumer Electronics Association Commercial Service Continuous Wave, moduloimaton kantoaalto Digital Audio Broadcasting Differentiaalinen GPS Delay Locked Loop Distance Measuring Equipment Dilution of Precision, paikannuksen hyvyysluku European Geostationary Navigation Overlay Service Euroopan Unioni Frequency Division Multiple Access Frequency Locked Loop, taajuuslukittu silmukka Frequency Modulation, taajuusmodulaatio Geo-Stationary Augmented Navigation Galileo Control Centres Global naya Navigatsionnaya Sputnikowaya Sistema, Global Navigation Satellite System Global Navigational Satellite System Global Positioning System Groupe Spécial Mobile Galileo Sensor station Galileo Terrestial Reference Frame Handover Word High Precision Interface Control Document Instrument Landing System, mittarilaskeutumisjärjestelmä Inertial Navigation System Indian Regional Navigation Satellite System Local Area Augmentation System Long Range Navigation Master Control Station Micro-Electro-Mechanical System 6

MEO Medium Earth Orbit M-koodi Military-koodi MSAS Multi-Functional Satellite Augmentation System NAVSTAR Navigation System with Time and Ranging OS Open Service P(Y)-koodi Precise-koodi (salattu) PC Personal Computer PLL Phase Locked Loop, vaihelukittu silmukka PPS Precise Positioning Service PRN Pseudo Random Noise, valesatunnainen kohina PRS Public Regulated Service QZSS Quasi-Zenith Satellite System RMS Root Mean Square SA Selective Availability SAASM Selective Availability Anti-Spoofing Module SAR Search And Rescue SCC System Control Center SDCM Russian-wide System For Differential Correction and Monitoring SoL Safety of Life SP Standard Precision SPS Standard Positioning Service STAP Space-Time Adaptive Processor TAI Temps Atomique International, International Atomic Time, kansainvälinen atomiaika TT&C Telemetry, Tracking & Control TV Televisio ULA Ultralyhyet aallot URE User Range Error UTC Coordinated Universal Time, koordinoitu yleisaika UWB Ultra Wideband, ultralaajakaistainen WAAS Wide Area Augmentation System WGS-84 World Geodetic System 1984 VHF Very High Frequency VIRVE Viranomaisverkko VOR Very high frequency Omnidirectional Range 7

1 Johdanto Ensimmäisen satelliittipaikkannusjärjestelmän suunnittelu käynnistyi pian Sputnikin laukaisun jälkeen vuonna 1957, jolloin Yhdysvalloissa syntyi idea satelliitin lähettämän signaalin doppler-siirtymän hyödyntämisestä paikanmääritykseen maanpinnalla. Kehitys ideasta ensimmäisen koesatelliitin laukaisuun kesti ainoastaan puolisentoista vuotta. Järjestelmän nopean kehityksen takana oli tarve tarkkaan, maailmanlaajuiseen, passiiviseen ja mahdollisimman vaikeasti häirittävään ja harhautettavaan paikannusjärjestelmään, jota samoihin aikoihin käyttöön otetut ballistisilla ydinohjuksilla varustetut sukellusveneet tarvitsivat. Ehdotus satelliitin radiosignaalin doppler-siirtymään perustuvasta paikannusjärjestelmästä esiteltiin Yhdysvaltojen laivastolle keväällä 1958. Vuoden 1959 syksyllä laukaistiin ensimmäinen koesatelliitti (Transit 1A), mutta kantoraketin toimintahäiriön takia se ei saavuttanut kiertorataansa. Uusi laukaisu (Transit 1B) onnistui 13.4.1960 ja satelliitti osoittautui toimivan suunnitellulla tavalla. Useiden koesatelliittien laukaisusarja lyhyen ajan kuluessa osoitti järjestelmän toteuttamiskelpoisuuden ja ensimmäinen operatiivinen koesatelliitti laukaistiin vuoden 1962 lopulla. Operatiiviseen käyttöön järjestelmä tuli varsinaisesti vuonna 1964 ja sen käyttö jatkui aina vuoteen 1996, jolloin GPS-järjestelmä (Global Positioning System) korvasi lopullisesti Transitin. Satelliittien toiminta jatkui tämänkin jälkeen ja niitä on käytetty mm. ionosfääritutkimukseen. Yhdysvaltain laivaston Transit-järjestelmälle asettamat vaatimukset olivat [1]: keskimääräisen odotusajan (leveysasteilla ±15 - ±75 ) on oltava alle 4h odotusaika yli 8h sallittu enintään 5 % ajasta maksimiodotusaika 24 h 2D-paikannustarkkuus 0,042 nmi (3 sigma) eli 0,06 nmi (2D) satelliittien ajastusvirhe alle 200 µs Satelliitit laukaistiin lähes ympyränmuotoisille napojen kautta kulkeville radoille, joiden etäisyys maan pinnasta on noin 1075 km. Satelliittien kiertoaika on tällöin noin 107 minuuttia. Järjestelmässä oli yhtäaikaisesti aktiivisena viisi satelliittia. Paikanmääritystä varten Transit-järjestelmä käytti kahta eri perustaajuutta (149,988 MHz ja 399,968 MHz), jolloin ionosfäärin kulkuaikaviiveen vaihtelusta aiheutuvaa virhettä voitiin korjata. Vastaanottimen tarvitsemat tarkat satelliitin rataparametrit sekä tarvittavat korjauskertoimet lähetettiin vaihemoduloituna paikannussignaalin mukana. Paikannustarkkuus yhden satelliitin ylilennon doppler-mittauksella (kesto noin 15 min) oli 80-100 m. Tarkempaa paikkaa tarvittaessa jouduttiin odottamaan useampien satelliittien ylilentoja. Keskimääräinen odotusaika vaihteli vastaanottimen sijainnin mukaan 35:stä 100 minuuttiin. Rajoitteena pitkästä mittausajasta se- 8

kä doppler-taajuuden muutokseen perustuvasta mittauksesta oli myös se, että mittaajan tuli joko pysyä täysin paikallaan mittauksen ajan tai liiketilan tuli olla mahdollisimman tarkoin tunnettu, jotta se voitiin huomioida paikanmäärityksessä. Menetelmä siis soveltui hyvin esimerkiksi laivoihin ja sukellusveneisiin, mutta huonommin nopealiikkeisiin alustoihin, kuten lentokoneisiin ja ohjuksiin. Neuvostoliiton 1960-luvulla käyttöönottamat doppler-taajuuden muutokseen satelliitin ylilennon aikana perustuvat navigointijärjestelmät Tsikada (siviilikäyttöön) ja Parus (sotilaskäyttöön) olivat toimintaperiaatteiltaan hyvin samankaltaisia edellä kuvattuun Transit-järjestelmään verrattuna [2]. Ensimmäinen satelliitti laukaistiin vuonna 1967 ja Parus-sarjan satelliitteja on laukaistu vielä vuoden 2000 jälkeenkin. Transit-järjestelmän suurimpina heikkouksina olivat pitkä paikanmääritykseen tarvittava aika, reaaliaikaisuuden puute sekä sopimattomuus nopeasti liikkuviin alustoihin. Tämän vuoksi jo muutamia vuosia Transit-järjestelmän käyttöönoton jälkeen aloitettiin uuden monipuolisemman paikannusjärjestelmän kehittäminen. Tavoitteena oli mahdollistaa reaaliaikainen paikannus kolmessa ulottuvuudessa kaikkialla maapallolla 24 tuntia vuorokaudessa Transit-järjestelmää paremmalla tarkkuudella. Sekä Yhdysvaltojen meri- että ilmavoimilla oli 1970-luvun alussa käynnissä kilpailevat hankkeet. Merivoimien Timation-järjestelmä ja ilmavoimien 621B-järjestelmä yhdistettiin vuonna 1973 yhdeksi yhteiseksi hankkeeksi, jolla pyrittiin palvelemaan kaikkien puolustushaarojen paikannustarpeita. Käytännössä molemmista hankkeista siirrettiin toteutuskelpoisimmat osat uuteen yhteishankkeeseen. Timation-järjestelmän ytimenä olivat satelliitteihin sijoitetut erittäin tarkat atomikellot, jotka tänä päivänäkin ovat satelliittipaikannusjärjestelmien perusta. 621B-projektista puolestaan hyödynnettiin valesatunnaiseen, laajakaistaiseen hajaspektrisignaaliin perustuva paikannusmääritysmenetelmä, joka on yhä edelleen käytössä satelliittipaikannusjärjestelmissä. Edellä mainittujen kasvaneiden vaatimusten pohjalta käynnistettiin uuden GPSjärjestelmän (Global Positioning System) kehitystyö. Varsinainen järjestelmäsuunnittelu alkoi vuonna 1974 ja ensimmäinen satelliitti laukaistiin vuonna 1978. Ensimmäiset yksitoista satelliittia olivat Block I -sarjan koesatelliitteja, joilla valitun järjestelmäkonseptin toimivuus varmennettiin. Vuonna 1985 laukaistiin ensimmäinen operatiiviseen käyttöön tarkoitettu Block II -sarjan satelliitti. Laajamittaiseen käyttöön GPS-järjestelmä oli valmiina vuonna 1993 ja varsinaiseen operatiiviseen käyttöön se hyväksyttiin vuonna 1995. Järjestelmä osoitti toimivuutensa kuitenkin jo Persianlahden sodassa vuonna 1991. Vastaavalla tavalla, vaikkakin muutamaa vuotta myöhemmin, käynnistyi Neuvostoliitossa uuden Parus/Tsikada-järjestelmää monipuolisemman satelliittipaikannusjärjestelmän kehittäminen. Uuden järjestelmän peruskonseptista tuli monilta osin hyvin paljon GPS-järjestelmän kaltainen. Ensimmäinen uuden GLONASSjärjestelmän (Global naya Navigatsionnaya Sputnikowaya Sistema, Global Naviga- 9

tion Satellite System) satelliitti laukaistiin radalleen vuonna 1982 ja vuoteen 1986 mennessä oli laukaistu yhteensä 10 prototyyppivaiheen satelliittia. Tämän jälkeen aloitettiin varsinaisten operatiiviseen käyttöön tarkoitettujen satelliittien lähettäminen. Satelliittien lukumäärä kasvoi aluksi hitaasti. Vuosina 1994 ja 1995 Venäjän laukaisemien 15 satelliitin ansiosta järjestelmässä oli lyhyen aikaa kaikki 24 satelliittia käytettävissä [3]. Eurooppalaisen satelliittipaikannusjärjestelmän kehittäminen alkoi vuosituhannen vaihteessa Euroopan Unionin päätöksellä. Ensimmäinen ja tähän mennessä ainoa Galileo-järjestelmän koesatelliitti on laukaistu vuonna 2005. Alkuperäisen suunnitelman mukaisesti järjestelmän tulisi olla toiminnassa vuonna 2008, mutta tämän hetken käsityksen mukaan järjestelmä on kokonaisuudessaan toimintakunnossa aikaisintaan vuonna 2011. [4] Kuva 1: Satelliittipaikannusjärjestelmien kehittyminen. 10

2 Satelliittipaikannusjärjestelmien toimintaperiaate GPS, GLONASS ja Galileo ovat toistensa kaltaisia satelliittipaikannusjärjestelmiä, joiden toimintaperiaate on samanlainen. Tässä luvussa kuvataan yleisellä tasolla satelliittipaikannusjärjestelmien rakenne, toimintaperiaate sekä paikannustarkkuuteen vaikuttavia tekijoitä. 2.1 Järjestelmän segmentit Satelliittipaikannusjärjestelmät voidaan jakaa kolmeen toiminnalliseen osaan, jotka ovat hallinta-, avaruus- ja käyttäjäsegmentti. [5, 6] Hallintasegmentin tehtävänä on valvoa ja ylläpitää järjestelmää. Valvontaasemien avulla tarkkaillaan satelliittien tiloja ja ratoja sekä päivitetään käyttäjille lähettäviä tietoja. Hallintasegmentissä on järjestelmän pääkello, johon järjestelmän muita kelloja verrataan. Hallintasegmentin asemien koordinaatit tunnetaan tarkasti, joten ne toimivat järjestelmän muiden osien kiintopisteinä. Avaruussegmentti koostuu satelliiteista. Niiden radat ja määrät on suunniteltu siten, että 3D-paikannus on mahdollista halutulla alueella. Tämä tarkoittaa sitä, että vähintään neljän satelliitin signaalit ovat vastaanotettavissa samanaikaisesti. Satelliitit ovat ainoa käyttäjäsegmentille näkyvä järjestelmän osa kuvan 2 esittämällä tavalla. Käyttäjäsegmentti käsittää paikantimen antenneineen sekä kaikki ne henkilöt ja järjestelmät, jotka hyödyntävät satelliittipaikannusjärjestelmää. Paikantimessa on monikanavainen radiovastaanotin ja laskentayksikkö, joka kykenee määrittämään oman paikkansa satelliittien signaalien ja niiden lähettämien tietojen perusteella. 11

Kuva 2: Satelliittipaikannusjärjestelmän osat: hallinta-, avaruus- ja käyttäjäsegmentti. 2.2 Paikantaminen Nykyään laajimmin käytössä olevat satelliittipaikannusjärjestelmät perustuvat etäisyyden mittaamiseen tarkasti paikantimen ja tietyissä koordinaateissa sijaitsevien satelliittien välillä. Kun tiedetään, että signaali etenee valonnopeudella, voidaan havaitun kulkuajan perusteella laskea, kuinka pitkän matkan signaali on kulkenut. Mittaaminen voidaan tehdä satelliitin lähettämän koodin tai sen lähettämän signaalin kantoaallon vaiheen avulla. Satelliitti lähettää yksilöllistä koodia, josta käytetään lyhennettä PRN (Pseudo Random Noise, valesatunnainen kohina). Koodi näyttää satunnaiselta jonolta ykkösiä ja nollia. PRN-koodi on kuitenkin tunnettu ja tarkasti määritelty matemaattisella algoritmilla. Paikannin ja satelliitti muodostavat samanaikaisesti samaa koodia. Kun verrataan sen omaa koodia vastaanotettuun koodiin, voidaan havaita niiden välillä aikaero kuvassa 3 esitetyn mukaisesti. Ero on täsmälleen yhtä suuri kuin signaalin kulkuaika satelliitista paikantimeen. Näin mitattuja etäisyyksiä nimitetään pseudoetäisyyksiksi, sillä ne sisältävät vastaanottimen kellovirheen vaikutuksen mittaustulokseen. Kellovirhe voidaan kompensoida tekemällä lisämittaus yhteen ylimääräiseen satelliittiin. Koodimenetelmää käyttävät paikantimet ovat yksinkertaisia toteuttaa, halpoja ja siksi myös yleisiä. Menetelmän paikannustarkkuus on muutamia metrejä, mikä riittää useimmissa tapauksissa. 12

Kuva 3: Koodimenetelmän aikaeromittaukset. Vastaanotin erottelee satelliittien lähettämät koodit toisistaan, mukautuu doppler-siirtymään ja tahdistuu koodiin. Paikantimen ja satelliitin välinen etäisyys voidaan mitata koodimenetelmää huomattavasti tarkemmin laskemalla satelliitin ja paikantimen välissä olevien aallonpituuksien lukumäärä ja vajaa aallonpituuden osa. Tällöin menetelmän mittaustarkkuus voi olla senttimetriluokkaa. Koska kaikki kantoaallon jaksot ovat samanlaisia, satelliitin ja paikantimen väliin mahtuvien aallonpituuksien tarkka lukumäärä on vaikea mitata. Apuna käytetään koodimenetelmää, jolla tehdään karkea paikannus ja kantoaaltomittauksen avulla paikkaa tarkennetaan. Toteutukseltaan tällainen paikannin on monimutkainen ja kallis. Parhaimman tarkkuuden saavuttaminen edellyttää myös paikannusjärjestelmän tuottamien virheiden tarkkaa kumoamista, mikä pystytään tekemään vasta jälkikäteen tarkkailuasemilta saatujen mittausten perusteella. [7] 2.3 Ajanmittaus Erittäin tarkka ajanmittaus on satelliittipaikannuksen toimintaedellytys. Paikannus perustuu erittäin pienten aikaerojen mittaamiseen. Yhden millisekunnin virhe ajan mittauksessa tarkoittaa 300 km:n virhettä etäisyydessä. Suuren tarkkuusvaatimuksen takia hallinta- ja avaruussegmentissä on käytettävä atomikelloja. Sen sijaan niiden käyttäminen paikantimissa olisi epäkäytännöllistä. Paikantimissa käytetään tyypillisesti yksinkertaista kvartsikiteeseen perustuvaa kelloa, jonka epätarkkuutta korjataan satelliiteista saatavien PRN-koodien avulla. Satelliittien kautta tapahtuva ajan synkronointi on ongelmallista. Ajastus suoraviivaisesti satelliitin signaalin avulla on mahdotonta signaalien suuren kulkuaikaviiveen vuoksi. Jos satelliitti on 20 000 km:n etäisyydellä vastaanottimesta, niin signaalin kulkuaika on noin 67 ms. Viiveen kompensoimiseksi on selvitettävä todellinen etäisyys satelliittiin. Jos paikantimella ei ole oikeaa aikaa, syntyy kellovirhe, mikä taas puolestaan aiheuttaa virheen etäisyyden mittauksessa. 13

Toistamalla mittaus useampaan satelliittiin saadaan lopulta joukko toisistaan poikkeavia kulkuaikoja. Satelliitit tunnistetaan signaalinsa PRN-koodin perusteella ja niiden radat tunnetaan tarkasti. Satelliitit voidaan ymmärtää kiintopisteinä, joiden suhteen paikannin etsii omat koordinaatit ja ajan, joka vastaa mitattuja kulkuaikoja. Paikantimen on siis ratkaistava samanaikaisesti neljä tuntematonta (pituus- leveysja korkeuskoordinaatit sekä aika). [8, 9] 2.4 Paikannuksen geometria Vastaanottimen paikka määritellään mittaamalla etäisyydet taivaalla näkyviin paikannussatelliitteihin. Paikannuksen geometriaa on havainnollistettu kuvassa 4. Yhden satelliitin avulla tiedetään, että oma paikka on jossakin pallopinnalla mitatun etäisyyden päässä satelliitista (kuva 4, a). Mittaamalla etäisyys toiseen satelliittiin voidaan oma paikka rajata kahden pallon leikkauspisteeseen eli ympyränkehälle (kuva 4, b). Mittaamalla etäisyys kolmanteen satelliittiin saadaan pallopinta, joka leikkaa edellä mainitun ympyränkehän kahdessa pisteessä. Koska toinen näistä pisteistä sijaitsee mahdottomassa paikassa, joko kaukana avaruudessa tai syvällä maan sisällä, voidaan sijainti määrittää yksiselitteisesti (kuva 4, c). Jos paikantimen kello on väärässä ajassa, lasketut koordinaatit ovat virheelliset. Sen vuoksi tarvitaan vielä neljäs satelliitti, jonka avulla paikannin pystyy ratkaisemaan oikean ajan. [8, 9] 14

Kuva 4: Paikannuksen geometria. Aikavirheiden korjaamiseksi tarvitaan vielä neljäs satelliitti. 2.5 Virhelähteet Ionosfäärin aktiivisuus vaihtelee ja se vaikuttaa signaalin kulkuaikaan aiheuttaen jopa kymmenien metrien paikannusvirheen. Ionosfäärin ollessa erityisen aktiivinen, kuten revontulten aikana, voivat nopeat kulkuajan vaihtelut saada aikaan suuriakin hetkellisiä virheitä. Ionosfäärin aiheuttamia virheitä voidaan korjata tekemällä etäisyysmittauksia useammalla taajuudella. Troposfäärin aiheuttama virhe on desimetriluokkaa ja sen aiheuttaa lähinnä epätasainen vesihöyrypitoisuus. Monitie-eteneminen on riippuvainen satelliittipaikantimen käyttöympäristöstä. Jos antennin lähistöllä on heijastavia elementtejä, kuten taloja tai kallioita, voi syntyä tilanne, jossa paikannin ei havaitsekaan suoraan satelliitista tulevaa signaalia, vaan 15

heijastuneen ja viivästyneen signaalin. Tällöin on mahdollista, että paikannukseen syntyy useiden kymmenien metrien suuruinen systemaattinen virhe. Vastaanottimen kohina, joka on peräisin elektroniikasta ja sen signaalinkäsittelyn epätarkkuuksista, synnyttää myös mittaustuloksiin satunnaisia virheitä. Satelliitin aiheuttamia virhelähteitä ovat sen kellon ja ratatietojen epätarkkuus. Jopa satelliitin liikkeestä aiheutuvat suhteellisuusteorian mukaiset vaikutukset kellon käyntiin on otettu huomioon. Esimerkiksi GPS-järjestelmässä näiden virheiden merkitys on normaalissa käytössä vähäinen. Virhelähteitä on koottu kuvaan 5. Taulukossa 1 on esitetty GPS-paikannuksessa satelliittiin mitattuun etäisyyteen virhettä (User Range Error, URE) aiheuttavia tekijöitä ja niiden suuruudet viitteessä [10] esitetyissä mittauksissa. Kuva 5: Satelliittipaikannukseen virheitä aiheuttavia tekijöitä. Taulukko 1: Tärkeimmät GPS-paikannukseen virhettä (URE) aiheuttavat tekijät ja niiden suuruudet. [10] Virheen aiheuttaja Satelliitin rata Satelliitin kello Ionosfääri (1-taajuinen malli) Troposfääri Vastaanottimen kohina Keskimääräinen virhe (RMS) [m] 0,57 m 1,43 m 7 m 0,25 m 0,8 m 16

Lisäksi paikannustarkkuuteen vaikuttaa satelliittigeometria. Tilanteessa, jossa satelliitit ovat lähellä toisiaan, on tarkkuus huonompi kuin tilanteessa, jossa ne ovat jakautuneet tasaisesti eri puolille taivasta. Satelliittigeometrian vaikutusta mittaustarkkuuteen kuvataan DOP-luvulla (Dilution of Precision). Se saadaan nähtävissä olevien satelliittien sisään jäävän tilavuuden käänteisarvona. [11] Kuva 6: Satelliittien sijainnin vaikutus DOP-hyvyyslukuun. 2.6 Vastaanottimen toiminta Tyypillinen GPS-vastaanotin koostuu antennista ja sen läheisyyteen liitetystä esivahvistimesta, välitaajuusosista sekä signaali- ja mikroprosessorista. Antennin vastaanottama signaali siirretään välitaajuudelle, näytteistetään ja jaetaan digitaalisiin kanaviin. Pelkistetty vastaanottimen lohkokaavio on esitetty kuvassa 6. Kanavissa signaalit siirretään kantataajuudelle ja signaaleista poistetaan PRN-koodaus paikallisesti generoidun koodin avulla. Jokaisella vastaanotetun satelliitin signaalilla on nykyaikaisissa vastaanottimissa oma kanavansa, joita tyypillisessä vastaanottimessa on 8-12. Kantoaallon seurannassa voidaan käyttää tavallista vaihelukittua silmukkaa (PLL, Phase Locked Loop), Costas-silmukkaa tai taajuuslukittua silmukkaa (FLL, Frequency Locked Loop). PRN-koodin seuranta perustuu usein aikalukittuun silmukkaan (DLL, Delay Locked Loop). [8, 9] 17

Kuva 7: Tyypillisen paikannusvastaanottimen lohkokaavio. Kun satelliitipaikannin käynnistetään ensimmäistä kertaa, sillä ei ole tietoa ajasta, paikasta eikä satelliittien sijainnista. Tarvittava tieto saadaan satelliiteista. Ensimmäinen tehtävä on löytää kohinatason alapuolella olevat satelliittien signaalit. Satelliittien suuri nopeus aiheuttaa kantoaaltoon -5 +5 khz doppler-siirtymän. Lisäksi myös paikantimen oma liiketila aiheuttaa doppler-siirtymää. Vastaanottimen on etsittävä satelliittien signaaleja pienin taajuusaskelin ja jokaisella askeleella testataan, löytyykö jonkin satelliitin koodi. Kun ensimmäinen signaali on löytynyt, vastaanotin saa lähetteestä tiedon satelliitin rataparametreista ja kellonajasta. Neljännen löydetyn satelliitin jälkeen on mahdollista saada ensimmäinen täydellinen paikkaratkaisu. Jokaisen satelliitin signaalista saadaan lisäksi arvio muiden satelliittien rataparametreistä ns. almanakkaan koottuna. [12] 18

3 Global Positioning System (GPS) GPS on kaikkialla maapallolla toimiva satelliitteihin perustuva paikannusjärjestelmä. Järjestelmän juuret ulottuvat 1960-luvulle, jolloin käytössä olleet amerikkalainen Transit ja venäläinen Tsikada olivat avanneet jo tien satelliittipaikannukselle. Modernin sodankäynnin alueella GPS on tullut merkittäväksi täsmäaseiden tulon ja korostuneen tilannetietoisuusvaatimuksen myötä. Vaikka järjestelmä on amerikkalaisten sotilaskäyttöön kehittämä, tarjoaa se myös paikannustyökalun siviilikäyttäjille. Siviilikäyttäjien mukanaolo GPS-järjestelmässä on mahdollistanut paikannusteknologian ympärille nopeasti kehittyvän liiketoiminnan [13], joka edelleen kehittää myös sotilasvastaanottimissa käytettävää teknologiaa. On arvioitu, että pelkästään siviilikäyttöön tarkoitettujen GPS-vastaanottimien vuosittainen myyntimäärä on jo miljoonien kappaleiden luokkaa. 3.1 Järjestelmän yleiskuvaus Yhdysvaltojen meri- ja ilmavoimien 1960-luvulla alkaneet kehitysohjelmat yhdistettiin lopulta NAVSTAR-ohjelmaksi (Navigation System with Time and Ranging), jonka tuotteena syntyi GPS-konsepti 1973. Ensimmäinen satelliitti lähetettiin 1978. Koko järjestelmä julistettiin toimintakuntoiseksi kuitenkin vasta 1995. GPS suunniteltiin alusta alkaen passiiviseen etäisyyden mittaukseen perustuvaksi; käyttäjä voi paikantaa itsensä pelkästään kuuntelemalla satelliitteja kolmiomittauksen tapaan. GPS-konseptin mahdollistaneet keskeisimmät teknis-tieteelliset seikat olivat hajaspektritekniikka, elektroniikan kehittyminen integroitujen piirien osalta, atomikellojen kehittyminen sekä kyky ennustaa ja ylläpitää satelliittien ratoja. Vaikka GPS:n päätavoite onkin tarjota tarkka paikka, nopeus ja aika sotilas- ja viranomaiskäyttöön, tarjotaan paikannuspalvelu myös siviilikäyttäjille. GPS:ssä onkin käytössä kaksi palvelua: PPS-palvelu (Precise Positioning Service) sotilas- ja viranomaiskäyttöön SPS-palvelu (Standard Positioning Service) siviilikäyttöön. Vuoteen 2000 asti SPS-palvelun laatua huononnettiin tahallisesti SAominaisuudella (Selective Availability), minkä tarkoituksena oli muun muassa rajoittaa siviilipalvelun tarkkuutta. Salattuun PPS-palveluun häiriöitä ei luonnollisesti tuotettu. Valikoiduilla käyttäjillä on salauksen purkuun tarvittavat purkuavaimet. PPS-palvelun salausta kutsutaan lyhenteellä AS (Anti-Spoofing). [5, 14] 19

3.2 Nykytila ja ominaisuudet GPS-järjestelmä on osoittautunut luotettavaksi ja tarkaksi paikannusmenetelmäksi. Järjestelmän suunnittelun perustaksi asetetut tarkkuusvaatimukset on ylitetty sekä siviili- että viranomaispalveluissa. Tämä muun muassa olikin eräs SA:n käyttöön johtaneista syistä. GPS:n paikannustarkkuus riippuu pääasiassa siitä, miten satelliitit sijoittuvat havainnoitsijaan nähden taivaanpallolla. Siviilipaikannuksen tarkkuudeksi annetaan 13 metriä vaakasuunnassa ja 22 metriä pystysuunnassa sekä ajan tarkkuudeksi 40 ns 95 % ajasta [10]. Käytännössä tarkkuus on kuitenkin parempi, parhaimmillaan noin 5 m siviilikäyttöön tarkoitetuilla perusvastaanottimilla. Lisäksi viranomaispalvelussa päästään hieman tätäkin tarkempaan suorituskykyyn. Toisaalta voidaan käyttää myös järjestelmän laajennuksia tai geodeettisiin sovelluksiin tarkoitettuja (kantoaaltomenetelmään perustuvia) laitteita, jolloin päästään alle metrin, jopa senttimetrien tarkkuusluokkaan. 3.3 Järjestelmän osat GPS-järjestelmän katsotaan koostuvan kolmesta segmentistä eli osasta, joita ovat: avaruus-, hallinta- ja käyttäjäsegmentit. Avaruussegmenttiin kuuluvat maata kiertävät satelliitit, joita hallintasegmentti ylläpitää. Varsinaisen paikannuksen tekee käyttäjäsegmentti. Nimellisesti järjestelmän avaruussegmentti koostuu 24 satelliitista, jotka sijaitsevat kuudella eri ratatasolla. Jokaisella ratatasolla on siten neljä satelliittia. Ratatasot ovat kallistuneet (inklinaatio) 55 päiväntasaajaan nähden. Käytännössä radoille on sijoitettu myös varasatelliitteja, joita voidaan käyttää korvaamaan vikaantuneita satelliitteja tai täydentämään tarvittaessa konstellaatiota eli satelliittien sijoittumista taivaalle. Tyypillisesti satelliittien kokonaismäärä on noin 26-28. Satelliitit kiertävät noin 20 200 km:n korkeudella MEO-radalla (Medium Earth Orbit), jolloin kiertoajaksi tulee noin 12 tuntia. Tämän takia samat satelliitit ovat näkyvissä kahdesti vuorokaudessa ja liikeradat ovat lähes samat päivästä toiseen. Lisäksi konstellaatio on valittu siten, että lähes aina käyttäjälle tarjotaan näkyvyys vähintään neljään satelliittiin, usein kuitenkin jopa kahdeksaan. Hallintasegmentti vastaa järjestelmän satelliittien ylläpidosta, valvonnasta ja päivittämisestä. Hallintasegmentti koostuu komentokeskuksesta (Master Control Station, MCS), valvonta-asemista ja antenniasemista. Komentokeskus päivittää satelliittien lähettämää signaalia valvonta-asemien keräämien tietojen avulla. Valvonta-asemat seuraavat ylittävien satelliittien signaaleja passiivisesti ja välittävät tiedot komentokeskukseen. Antenniasemia komentokeskus käyttää yhteydenpitoon satelliittien kanssa. Komentokeskuksen muodostama telemetria-, seuranta- ja hallintadata siirretään antenniasemille, joissa data tallennetaan ja siirretään satelliittiin ylityksen aikana. 20

Käyttäjäsegmenttiin kuuluvat varsinaiset paikannusvastaanottimet. GPS-paikannuslaite vastaanottaa laajakaistaiset, teholtaan kohinatason alapuolella olevat signaalit. Signaalien havainnointi kohinatason alapuolelta on mahdollista, sillä vastaanottimessa tehtävässä korreloinnissa saavutetaan prosessointivahvistusta. Vastaanotossa havainnoitavia suureita ovat signaalien vaiheet, niiden doppler-siirtymät ja PRN-koodien avulla saatavat pseudoetäisyydet. Näiden suureiden hyödyntäminen riippuu suuresti vastaanottimen käyttötarkoituksesta ja suunnittelusta. Varsinainen paikannusratkaisu voidaan tuottaa eri tavoin hyvinkin monimutkaisilla signaalinkäsittelyn algoritmeilla. [8, 9] 3.4 Signaalit GPS-järjestelmässä käytetään suorasekvenssi-hajaspektritekniikkaa, jossa kaikki satelliitit lähettävät samoilla taajuuksilla kuitenkin signaalien toisiaan häiritsemättä. Satelliitit lähettävät kahdella eri kantoaaltotaajuudella, joita merkitään lyhenteillä L1 (f L1 = 1575,42 MHz) ja L2 (f L2 = 1227,60 MHz). Käyttämällä kahta taajuutta voidaan ionosfäärin aiheuttaman viiveen vaikutus poistaa pseudoetäisyyksistä, sillä viiveen suuruus riippuu taajuudesta. L2-taajuus on käytössä pääasiassa vain PPSpalvelussa. Satelliiteissa olevat rubidium- ja cesium-atomikellot tuottavat 10,23 MHz:n perustaajuuden, josta kertomalla saadaan lopulliset kantoaaltotaajuudet. Satelliitit lähettävät oikeakätisesti ympyräpolarisoitua, BPSK-moduloitua (Binary Phase Shift Keying) signaalia. Nykyisten (2005) signaalien spektri on esitetty kuvassa 8. Kuva 8: GPS-signaalien spektrit (2005). Satelliittien kantoaaltosignaalit moduloidaan näennäissatunnaisilla PRN-koodeilla (Pseudo Random Noise Code) ja lisäksi navigointiviestillä. Pelkät PRN-koodit eivät sisällä informaatiota ja ne vaikuttavat täysin satunnaisilta, vaikka ne ovatkin täydellisesti ja yksikäsitteisesti toistettavissa. Tämän vuoksi PRN-koodeja nimitetään valesatunnaisiksi. Usein puhutaan myös datan chippinopeudesta erotuksena bittinopeudesta, kun korostetaan sitä, ettei data sellaisenaan sisällä informaatiota. 21