VRS-paikannuksella toimivan 3Dohjausjärjestelmän

Jouni Järvilehto VRS-paikannuksella toimivan 3Dohjausjärjestelmän asentaminen raiteentukemiskoneeseen Selvitys Opinnäytetyö Maanmittaustekniikan koulutusohjelma Tammikuu 2007

KUVAILULEHTI Opinnäytetyön päivämäärä 1.1.2007 Tekijä(t) Jouni Järvilehto Koulutusohjelma ja suuntautuminen Maanmittaustekniikan koulutusohjelma Nimeke VRS-paikannuksella toimivan 3D-ohjausjärjestelmän asentaminen raiteentukemiskoneeseen Tiivistelmä Opinnäytetyön tarkoituksena oli saada selville, voidaanko raiteentukemiskoneeseen asentaa satelliittipaikannusjärjestelmä, jonka välittämien siirtotietojen avulla koneella voitaisiin suorittaa raiteen tuentaa. Tarkoituksena oli selvittää, voitaisiinko nykyinen sidontapaalujen käyttö korvata tulevaisuudessa raiteentukemiskoneen koneohjausjärjestelmällä. Tavoitteena oli tuoda esiin eri näkökulmia ohjausjärjestelmän asentamisesta raiteentukemiskoneeseen. Lisäksi tavoitteena oli tehdä selvitystyötä yleisellä tasolla, jotta siitä olisi mahdollisimman paljon hyötyä tulevaisuudessa. Selvitykseen hankittiin materiaalia mm. haastattelemalla VR-Radan henkilöstöä raiteentukemistekniikkaan ja päällysrakennetöihin liittyen. Materiaalia saatiin lisäksi haastattelemalla ohjelmistontarjoajan edustajaa koneohjausjärjestelmässä käytettävästä ohjelmasta. Opinnäytetyön tuloksena koneohjausjärjestelmää ohjaavaksi ohjelmaksi valittiin monipuolinen suomalainen maanmittausohjelma, joka voidaan räätälöidä raiteentukemiskoneen tarpeita vastaavaksi. Ohjelma yhdistää VRS-järjestelmän sekä koneen oman mittajärjestelmän havainnot ja esittää siirtolukemat näytöllä raiteentukemiskoneen kuljettajalle. Lisäksi muita esiin nousseita asioita olivat mm. VRS-järjestelmältä tulevan mittatiedon suodatuksen sekä koneohjausjärjestelmän käyttäjien perehdyttämisen tärkeys. Selvitystyön tuloksia voidaan hyödyntää käyttämällä niitä hyväksi aiheen jatkotutkimuksissa. Opinnäytetyön tuloksia voidaan käyttää myös suunniteltaessa koneohjausjärjestelmän käyttöönottoa joissain muissakin maanrakennusalan työkoneissa. Asiasanat (avainsanat) raiteentukemiskone, satelliittipaikannus, koneohjaus, Oy VR-Rata Ab Sivumäärä Kieli URN 22 Suomi URN:NBN:fi:mamk-opinn200767264 Huomautus (huomautukset liitteistä) Toimeksianto: Oy VR-Rata Ab Kalustopalvelut, Helsinki Ohjaavan opettajan nimi Reijo Aalto Opinnäytetyön toimeksiantaja Kalustopalveluiden tuotepäällikkö Tapani Saarinen, Oy VR-Rata Ab

DESCRIPTION Date of the bachelor's thesis 1.1.2007 Author(s) Jouni Järvilehto Degree programme and option Bachelor of surveying Name of the bachelor's thesis Installing a VRS-guided 3D control system to the tamping machine Abstract The purpose of this thesis was to find out if it is possible to install a satellite navigation system to the tamping machine. The guidance of the system would help the machine to carry out ballast tamping. Another purpose was to find out if it is technically feasible with this system to replace the method of setting up stakes. The main goal was to find different point of views and alternatives in installing a machine control system to the tamping machine. The material for this thesis was mostly collected by interviewing the VR-Rata staff about ballast tamping and railway construction. Information was also obtained by interviewing a representative of a software producer about the software used in the machine control system. As a result of the thesis, the program used to guide the machine control system, was chosen a versatile surveying program. The program can be adapted to meet the needs of the tamping machine. The program will bring together the results from VRS-system and the measurement system of the ballast tamper. After that the program shows the correction values on the screen. Other notable things that came up were the importance of filtering the GPS-data and the orientation of the users of the system. The results of this research can be used by utilizing them in studying the subject in the future. The results of the thesis can also be used when installing a machine control system to other construction vehicles. Subject headings, (keywords) tamping machine, satellite navigation, machine control, Oy VR-Rata Ab Pages Language URN 22 Finnish URN:NBN:fi:mamk-opinn200767264 Remarks, notes on appendices Assignment: Oy VR-Rata Ab Machinery services, Helsinki Tutor Reijo Aalto Bachelor s thesis assigned by Tapani Saarinen Oy VR-Rata Ab Machinery services

SISÄLTÖ 1 JOHDANTO... 1 2 VR-KONSERNI... 2 3 TARKKA GPS-MITTAUS... 3 3.1 RTK... 3 3.2 Virtuaali-RTK... 3 3.2.1 Mittaustoiminta VRS-menetelmällä... 4 3.2.2 Sovellukset... 4 3.3 VRS-laskentakeskuksen toiminta... 5 3.3.1 Ionosfääri- ja troposfäärivirheet... 5 3.3.2 Virtuaalitukiaseman datan luominen... 5 3.3.3 Sijainnin laskenta... 6 3.4 Tarkkuuteen ja toimintaan vaikuttavia tekijöitä... 7 3.4.1 Mittauspaikka... 7 3.4.2 GPS-järjestelmä... 7 3.4.3 VRS-mittauskalusto... 9 3.4.4 Mittaustoiminta... 9 4 RADAN PÄÄLLYSRAKENNETYÖT... 10 4.1 Sepelinpuhdistus... 10 4.2 Sepelinpuhdistustyömaan mittaustyöt... 11 4.3 Raiteen tukeminen... 12 5 SELVITYSPROSESSI... 13 5.1 Selvityksen tarkoitus ja tavoite... 13 5.2 Selvityksen toteuttaminen... 14 5.3 Selvityksen tulokset... 14 5.3.1 Ohjelmisto... 15 5.3.2 Järjestelmän toiminta... 16 6 POHDINTA... 18 LÄHTEET... 22

1 JOHDANTO 1 Sepelinpuhdistuskoneen työskentelyn jäljiltä rata on usein yli 10 senttimetriä profiilikorkeuden alapuolella. Myös sivusuunnassa siirrot voivat olla saman suuruisia. Seulonnan jälkeen rataosuus tuetaan raiteentukemiskoneella yleensä kolmeen kertaan. Ensimmäistä ja toista tuentakertaa varten nosto- ja sivusiirtonuotit on mitattu raiteen viereen pystytetyistä paaluista vatupassilaudalla. Paalujen pystytys sekä sidontatietojen mittaaminen niihin takymetrillä sitoo yhden mittaryhmän pelkästään tähän työhön useiksi viikoiksi riippuen siitä, kuinka pitkä seulottava rataosuus on. Toinen mittaryhmä on lisäksi joutunut tekemään siirtonuotit ensimmäistä ja toista tuentaa varten vatupassilaudalla. Aiheena oli selvittää, onko mahdollista ja hyödyllistä varustaa raiteentukemiskone GPS-laitteella, johon olisi syötettynä radan geometriatiedot. Tukemiskone työskentelisi näiden VRS-järjestelmällä tuotettujen nuottitietojen mukaan ja tekisi ensimmäisen ja toisen tuennan omatoimisesti. Tällöin voitaisiin mahdollisesti luopua raiteen viereen pystytettävistä sidontapaaluista. Opinnäytetyöni aihe määrittyi keskusteltuani VR-Radan rataesimies Hannu Mustikkamaan ja VR-Radan kalustopalveluiden tuotepäällikkö Tapani Saarisen kanssa. Aihe oli minulle ajankohtainen, koska mittasin kesällä mittaryhmäni kanssa sidontalukemia paaluihin ja olin myös mittaamassa paaluista siirtonuotteja sepelinpuhdistustyömaalla. Materiaalia aiheeseen hankin haastattelemalla Saarista raiteentukemis- ja sepelinpuhdistuskoneisiin liittyen sekä koneohjausohjelmistoon liittyen 3D-System Oy:n Markku Salorantaa. VR-Rata on neljän viime vuoden aikana seulonut keskimäärin 60 kilometriä rataa vuodessa. Uskoakseni käyttämällä tätä koneohjausjärjestelmää sepelinpuhdistustyömaan raiteentuentatöissä saavutettaisiin sillä monia hyötyjä, kuten esimerkiksi kustannussäästöjä. Työssäni on aluksi selvitystä koskevaa teoriatietoa. Tämän jälkeen olen selittänyt selvityksen tarkoituksen ja tavoitteen. Työn loppuosassa olen esittänyt selvityksen tulokset ja pohdinnan.

2 VR-KONSERNI 2 VR-konserni on rautatie- ja autoliikennettä harjoittava suomalainen kuljetusalan yritys. Konsernin palveluina ovat lisäksi ratojen rakentaminen ja kunnossapito. Vuonna 2005 liikevaihto oli 1 197 miljoonaa euroa ja palkattua henkilökuntaa 12 791. VR-konserni koostuu kaiken kaikkiaan 22 yhtiöstä. (VR-Yhtymä 2005, 6.) Konsernin suurin yritys on VR Osakeyhtiö, joka on rautatieliikenteen harjoittaja. Oy Pohjolan Liikenne Ab:n tytäryhtiöt vastaavat puolestaan konsernin maantieliikenteen kuljetuksista. Oy VR-Rata Ab:n erikoisalana on ratojen suunnittelu, rakentaminen sekä niiden kunnossapito. (VR-Yhtymä 2005, 6.) Näiden yritysten lisäksi konserniin kuuluvat ravintolatoimintaa harjoittava Avecra Oy ja telepalveluyritys Corenet Oy. VR-konsernin emoyhtiö VR-Yhtymä Oy tarjoaa tytäryhtiöilleen kiinteistö-, talous- ja hallintopalveluita. (VR-Yhtymä 2005, 6.) VR-Yhtymä perustettiin vuonna 1995, ja sen tehtäväksi tuli jatkaa Valtionrautateiden toimintaa. Yhtiöittämisen jälkeen rataverkon hallinta sekä vastuu ratojen kunnosta ja kehittämisestä siirtyi liikenne- ja viestintäministeriön alaiselle Ratahallintokeskukselle. (VR-Yhtymä 2005, 6.) Viimeisen kymmenen vuoden aikana kuljetusmäärät ovat lisääntyneet rautateillä yli 9 % ja samanaikaisesti henkilöstön määrä on vähentynyt noin 30 %. Tämä kertoo rautatieliikenteen tuottavuuden kasvusta. (VR-Yhtymä 2005, 6.) Tavaraliikenteen suurimmat asiakkaat ovat suomalaisia perusteollisuuden yrityksiä, kuten esimerkiksi metsäteollisuuden. Junaliikenteen osuus Suomessa kaikesta tavaraliikenteestä on ollut pitkään noin 25 %. Henkilöliikenteen osuus kaikesta matkustuksesta Suomessa on 5 %. (VR-Yhtymä 2005, 6.) Oy VR-Rata Ab. Oy VR-Rata Ab:n erikoisalaa ovat radanpidon suunnittelu-, rakentamis- ja kunnossapitopalvelut. Yhtiön asiakkaita ovat valtio, kunnat, satamat ja rautatiepalveluita käyttävät yritykset sekä muut radanpidon pääurakoitsijat. VR-Radan ratojen rakentamisen ja kunnossapidon liikevaihto oli 241,5 miljoonaa euroa vuonna 2005.

Ratahallintokeskuksen tilaamien töiden määrä liikevaihdosta oli yli 90 %. Henkilöstön määrä oli 2 382 vuonna 2005. (VR-Yhtymä 2005, 22.) 3 Rautatiesuunnitteluyksikkö vastaa radan sekä sen sähkö- ja turvalaitteiden suunnittelusta. Henkilöstöstä löytyy ratasuunnittelun, silta- ja geotekniikan sekä turvalaite- ja sähköratatekniikan ammattilaisia. (VR-Rata, 8.) Radan rakentamisesta on VR-Radalla pitkäaikainen ja laaja kokemus. Ammattitaitoinen henkilöstö yhdessä uudenaikaisten työkoneiden kanssa takaavat töiden onnistumisen. Rakentamisen osa-alueita ovat radan päällys- ja alusrakennetyöt, silta- ja asemajärjestelytyöt, radan sähköistys ja turvalaitetyöt sekä rautatierakennusprojektien toteuttaminen. (VR-Rata, 11.) 3 TARKKA GPS-MITTAUS 3.1 RTK RTK (Real-Time Kinematic) on kinemaattisen suhteellisen mittauksen menetelmä, jossa käytetään GPS-signaalin vaihehavaintoja. Menetelmän perusajatuksena on alkutuntemattomien ratkaiseminen mittauksen aikana. Verkko-RTK menetelmässä käytetään tukiasemaverkkoa laajentamaan toiminta-aluetta ja mallintamaan paikannukseen liittyviä virheitä. (Häkli & Koivula 2004, 9, 11.) 3.2 Virtuaali-RTK Virtuaalijärjestelmä koostuu useasta eri osasta. Ensimmäinen osa koostuu pysyvistä GPS-tukiasemista, jotka ovat yleensä rakennusten katoilla. Toinen osa koostuu tietoliikenneyhteyksistä, joiden kautta mittausdata siirtyy laskentakeskukseen ja jonka avulla tukiasema saadaan linkitettyä VRS-verkkoon. Järjestelmän toimivuuden kannalta katkoton ja tosiaikainen tiedonsiirto GPS-laitteen ja laskentakeskuksen välillä on välttämätöntä erityisesti virhemallinnuksen onnistumiseksi. Laskentakeskus on järjestelmän kolmas komponentti. Sen tehtävänä on koota tukiasemaverkon tiedot, tarkistaa niiden laatu, mallintaa GPS-virheiden vaikutukset tukiasemaverkon alueelle sekä tuottaa mit-

taajalle VRS-dataa. Järjestelmän viimeisenä osana on mittaaja, joka dataliikenteen avulla kommunikoi laskentakeskuksen kanssa. (Häkli & Koivula 2004, 13.) 4 3.2.1 Mittaustoiminta VRS-menetelmällä Häklin ja Koivulan (2004, 14) mukaan virtuaalijärjestelmän ideana on, että se luo käyttäjän lähelle pysyvän tukiasemaverkon avulla virtuaalisen tukiaseman. Tämän avulla käyttäjä laskee oman sijaintinsa. Aloittaessaan mittauksen käyttäjä lähettää paikkatietonsa maastosta laskentakeskukseen. Tämän jälkeen laskentakeskus muodostaa virtuaalisen tukiaseman käyttäjän lähelle. Luotuaan virtuaalisen tukiaseman laskentakeskus alkaa tuottamaan pysyvän tukiasemaverkon avulla virtuaaliselle tukiasemalle dataa esimerkiksi RTCM- tai CMR-formaateissa. Näiden toimenpiteiden jälkeen käyttäjä voi aloittaa mittauksen käyttämällä virtuaalista tukiasemaa normaalin RTK-tukiaseman tapaan. VRS-järjestelmän pyrkimyksenä on tuottaa mahdollisimman yhtäläistä tietoa kuin todellinen tukiasema samassa paikassa tuottaisi. Tämän ansiosta maastoon saadaan virtuaalista tietoa, jota käytetään todellisilla vastaanottimilla mitattujen havaintojen tukiasemana. (Häkli & Koivula 2004, 14.) 3.2.2 Sovellukset Kun mittauksiin vaadittava tarkkuus on joitakin senttimetrejä, käytetään VRS RTKpalvelua. Vaikka tämä mittaustapa on tarkka, se on myös käyttäjälle vaativampi. Esimerkiksi mittauksen valmisteluihin kuluu aikaa, koska vaihehavaintoihin perustuva paikannus vaatii alustuksen ennen mittaamista. Jokaisella kerralla, kun lukitus satelliittiin katkeaa, joudutaan ratkaisemaan kyseisen satelliitin alkutuntematon uudelleen. Lukittujen satelliittien määrä ei voi vähentyä alle neljään, muuten joudutaan tekemään koko alustus uudestaan. Tällöin joudutaan keskeyttämään mittaukset ja joudutaan ottamaan uudestaan yhteys viiteen satelliittiin. (Häkli & Koivula 2004, 16.)

3.3 VRS-laskentakeskuksen toiminta 5 Laskentakeskuksen tehtävänä on ratkaista alkutuntemattomat ja arvioida VRS-dataa varten ionosfääri- ja troposfääriviiveet. Mittaustoiminnan kannalta välttämätöntä on, että data on virheetöntä ja että virhemallinnus tehdään oikein. (Häkli & Koivula 2004, 16.) Laskentakeskuksen tekemästä pienimmän neliösumman verkkotasoituksesta saadaan lopputuloksena tarvittavat virhe-estimaatit. Virheet jaetaan GPS-signaaliin vaikuttavien ominaisuuksien perusteella ei-dispersiiviseen ja dispersiiviseen virhekomponenttiin. (Häkli & Koivula 2004, 17.) 3.3.1 Ionosfääri- ja troposfäärivirheet Ionosfääri vaikuttaa GPS-signaaliin dispersiivisesti, ja siitä seuraa että signaalin koodi viivästyy ja kantoaallon vaihe aikaistuu. Ionosfäärin aiheuttama etäisyyden muutos eli ionosfäärirefraktio voidaan kuitenkin eliminoida havainnoista pois muodostamalla L1- ja L2-taajuuksista ionosfäärivapaa L3-lineaarikombinaatio. (Häkli & Koivula 2004, 18.) Troposfäärin aiheuttama viive mitattuun etäisyyteen rajoittaa GPS-mittausten tarkkuutta. Zeniitin suuntaan viive on yleisimmin n. 2,3 m, mutta pienemmillä korkeuskulmilla viive kasvaa paljon suuremmaksi. (Häkli & Koivula 2004, 19.) 3.3.2 Virtuaalitukiaseman datan luominen Laskentakeskus muodostaa virtuaalidataa käyttäjän lähelle yleensä lähimpänä olevan oikean tukiaseman datasta. Virtuaalinen data käsitellään siten, että kaikki havaintosuureet keskistetään viittaamaan tavoiteltuun virtuaaliaseman paikkaan. Jotta tämä olisi mahdollista, täytyy sekä tukiaseman koordinaatit että halutun virtuaaliaseman koordinaatit tietää. Tämän jälkeen koordinaattien avulla muutetaan päätukiaseman koodi- ja vaihe-etäisyyshavaintoja siten, että ne vastaavat virtuaalitukiasemassa tehtyjä mittauksia. Näin saadaan päätukiaseman GPS-data keskistettyä jokaiselle epookille ja havaintosuureelle. Lopputuloksena saadaan virtuaaliasemalle dataa, joka viittaa sen koordi-

naatteihin. Näiden toimenpiteiden jälkeen data on vasta geometrisesti korjattu eikä siinä ole vielä mukana muita virhelähteitä. (Häkli & Koivula 2004, 19, 20.) 6 Häkli ja Koivula (2004, 21) toteavat, että päätukiaseman ja virtuaalitukiaseman sijaintipaikoissa ilmakehän aiheuttamat virheet ovat erilaisia, joten niiden välinen ero selvitetään mallintamalla. Tukiasemaverkon tukiasemille tehdään korjaukset, joissa tukiasemien alkutuntemattomat kiinnitetään niiden tunnettuihin arvoihin. Tämän jälkeen L1:n ja L2:n vaihehavaintojen jäännösvirheistä pystytään arvioimaan korjaukset ajanhetkelle ja satelliiteille. Koko tukiasemaverkon alueelle pyritään mallintamaan tukiasemilla tunnetut virheet. 3.3.3 Sijainnin laskenta VRS-palvelun käyttö aloitetaan yhteydenotolla palvelun tarjoajan laskentakeskukseen datayhteydellä. Kun käyttäjän lisenssioikeus on selvitetty, hänen vastaanottimensa lähettää oman likimääräisen sijaintinsa NMEA-viestinä laskentakeskukseen. Tämän jälkeen laskentakeskus aloittaa luomaan virtuaalidataa maastoon, lähetettyjä koordinaatteja vastaavaan paikkaan. Seuraavaksi laskentakeskus aloittaa VRS-datan lähettämisen käyttäjän vastaanottimelle ja käyttäjä voi aloittaa mittauksen. (Häkli & Koivula 2004, 22.) Laskentakeskuksen aloitettua virtuaalidatan lähettämisen, on liikkuvan vastaanottimen mahdollista aloittaa alustus. Nykyisin yleisesti käytössä olevalla LAMBDAmenetelmällä kyetään ratkaisemaan alkutuntemattomien likiarvot ja määritetään floatratkaisun perusteella etsintäavaruus. (Häkli & Koivula 2004, 22.)

3.4 Tarkkuuteen ja toimintaan vaikuttavia tekijöitä 7 3.4.1 Mittauspaikka Jokaisella kerralla, kun yhteys johonkin satelliittiin katkeaa, joudutaan alustus tekemään uudelleen. Tämän vuoksi on näkyvyys satelliitteihin erittäin tärkeää. Yksittäiset kohteetkin, kuten esimerkiksi puut, voivat aiheuttaa ongelmia näkyvyydessä. (Häkli & Koivula 2004, 23.) Mittauksia tulisi tehdä paikoissa, joilla on 20 asteen korkeuskulman yläpuolella esteetön näkyvyys. Maastosta ja mittausolosuhteista riippuen yleisesti on kuitenkin käytetty katkaisukulmana 10-15 astetta. (Häkli & Koivula 2004, 24.) Tilannetta, jossa GPS-signaali tulee suoran reitin sijaan jostakin pinnasta heijastuneena, kutsutaan monitieheijastukseksi. Jos signaali saapuu heijastuneena, on mitattu etäisyys satelliitin ja antennin välillä tällöin väärä. On myös mahdollista, että sama signaali tulee antenniin sekä suoraan, että heijastuneena jostakin kohteesta. Erityisesti alhaisilla korkeuskulmilla on monitieheijastuksen riski suurempi. Heijastukset vaikuttavat sekä koodihavaintoihin, että vaihehavaintoihin. Koodipseudoetäisyyteen heijastus voi aiheuttaa jopa kymmenien metrien ja vaihehavaintoihin korkeintaan noin viiden senttimetrin virheen. (Häkli & Koivula 2004, 24.) Korkeajännitelinjoista, radio- ja televisiomastoista sekä GSM- ja radiolähettimistä syntyvät sähkömagneettiset kentät voivat häiritä GPS-signaalia. (Häkli & Koivula 2004, 25.) 3.4.2 GPS-järjestelmä Alkutuntemattomien ratkaisuun tarvitaan VRS-mittauksissa vähintään yhteys viiteen yhteiseen tukiaseman ja liikkuvan yksikön välillä olevaan satelliittiin. Tämän jälkeen vaaditaan mittausten suorittamiseen vähintään neljä satelliittia. Jos satelliitteja on kuitenkin havaittavissa enemmän, niiden käyttö parantaa yleensä mittausten tarkkuutta. Satelliittihavaintojen tekoon käytettävä katkaisukulma tulee valita mm. maanpinnan

muotojen ja muiden olosuhteiden mukaan. Tilanteessa, jossa satelliitteja on jo kylliksi havaittavissa, on katkaisukulman laskeminen turhaa. (Häkli & Koivula 2004, 25.) 8 Häkli ja Koivula (2004, 26) korostavat, että satelliittien sijainti taivaalla vaikuttaa siihen onko satelliittigeometria hyvä vai huono. Tapauksessa, jossa satelliitit ovat vain toisella puolella taivasta tai ne ovat sijoittuneet jonomaiseen muotoon, on satelliittigeometria huono. Satelliittien sijoittuessa tasaisesti taivaalla sekä matalalle että korkealle, on satelliittigeometria hyvä. Satelliittigeometrian vuoksi GPS-mittauksissa on z-koordinaateissa huonompi tarkkuus kuin tasokoordinaateissa. Tämä aiheutuu siitä, että horisonttitason alapuolella olevia satelliitteja ei kyetä havaitsemaan korkeussuunnassa, ja täten geometria jää huonoksi korkeutta määritettäessä. Vaakasuunnassa tätä ongelmaa ei ole, koska satelliitteja voidaan havaita joka suunnasta ja näin geometria pysyy hyvänä. Pohjoisessa korkeustarkkuutta heikentää myös se, että satelliitit havaitaan täällä alempana. Tarkkuutta z- koordinaateissa heikentävät lisäksi ionosfäärin ja troposfäärin aiheuttamat virheet, koska niillä on eniten vaikutusta korkeuteen. (Häkli & Koivula 2004, 27.) GPS-signaalin kulkuun vaikuttavia ilmakehän kerroksia on kaksi. Ylemmässä kerroksessa, ionosfäärissä olevien elektronien määrä ja sen vaihtelu vaikuttavat erisuuruisesti GPS-satelliitilta tuleviin L1- ja L2-taajuuksiin. Tämä ero voidaan kuitenkin poistaa laskennassa kaksitaajuushavaintojen avulla. (Häkli & Koivula 2004, 28.) Ilmakehän alemman kerroksen, troposfäärin vaikutus on kuitenkin molempiin taajuuksiin samanlainen ja sen vaikutusta mallinnetaan jollakin troposfäärimallilla. Mallinnuksella kyetään yleensä poistamaan 90 prosenttia troposfäärin vaikutuksesta. Jäljellä jäävä osa on mahdollista ratkaista laskennassa tuntemattomana, tai se voidaan myös jättää kokonaan ratkaisematta. (Häkli & Koivula 2004, 28.) Ilmakehän kerrosten aiheuttamien virheiden suuruus kasvaa alemmilla korkeuskulmilla mitattaessa, koska GPS-signaali joutuu kulkemaan pidemmän matkaa ilmakehän läpi (Häkli & Koivula 2004, 29).

9 Etäisyys lähimpänä olevaan GPS-tukiasemaan ei ole tärkeä tekijä mittausten tarkkuutta ja toimintaa ajatellen. Tämä johtuu siitä, että virtuaalinen tukiasema luodaan käyttäjän läheisyyteen. Tällöin päästään eroon etäisyydestä riippuvista virheistä lähes kokonaan. Liikuttaessa kauemmas luodusta virtuaaliasemasta alkaa virhe kuitenkin kasvaa. (Häkli & Koivula 2004, 30.) 3.4.3 VRS-mittauskalusto VRS-kalustosta riippuen voi mittaustulosten luotettavuus olla eri laitteistoilla hyvinkin erilainen. Erilaiset algoritmit alkutuntemattomien ratkaisussa sekä laitteissa käytettävät asetukset voivat olla syynä tähän. Useimmissa mittauslaitteissa on mahdollista käyttää raja-arvoja koskien esimerkiksi laitteen laskemaa tarkkuutta tai satelliittigeometrian DOP-lukua. Raja-arvot olisi hyvä asettaa, koska tällöin laite ei mittaa liian huonoissa olosuhteissa eikä epätarkkoja tuloksia pääse syntymään. (Häkli & Koivula 2004, 30.) Kun GPS-laitteen asetuksissa on ollut valittuna sama antennityyppi kuin itse mittauksia suoritettaessa, voidaan varmistua siitä, että tuloksiin ei ole tullut korkeusvirhettä (Häkli & Koivula 2004, 31). Laskentakeskuksen ja liikkuvan yksikön välinen tietoliikenne voidaan toteuttaa joko GSM- tai GPRS-yhteydellä. GSM-yhteys on näistä kalliimpi vaihtoehto, koska siitä tulee käyttäjälle mittausdatan siirtokustannuksia. GPRS-yhteyden kustannukset puolestaan perustuvat yleensä vain siirretyn datan määrään eikä yhteysaikaan. (Häkli & Koivula 2004, 31.) 3.4.4 Mittaustoiminta Häkli ja Koivula (2004, 31) toteavat, että mittausten onnistumiseen ja tarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat esimerkiksi käyttäjän tekemät mittauspaikan, -ajanhetken ja katkaisukulman valinnat. Käyttäjän valitsemilla mittausparametreilla voi olla suuri vaikutus mittausten onnistumiseen ja oikeilla päätöksillä kyetään minimoimaan virheiden määrää havainnoissa.

10 Useimmissa VRS-laitteissa alustuksen luotettavuustasona käytetään vähintään 99,9 prosenttia. Joissakin laitteissa on kuitenkin mahdollista laskea luotettavuustasoa alemmaksi, jolloin myös väärän ratkaisun mahdollisuus kasvaa. (Häkli & Koivula 2004, 32.) VRS-mittauksissa ainoa tapa selvittää, onko alkutuntemattomat ratkaistu väärin, on toistomittausten suorittaminen samalla pisteellä tai kontrollimittausten suoritus tunnetulla pisteellä. Toistomittaukset suoritetaan aina suorittamalla alkutuntemattomien ratkaisu uudelleen. Virheellisen tuloksen saamisen mahdollisuus useammalla peräkkäisellä alustuksella on todettu lyhyellä aikavälillä pieneksi. (Häkli & Koivula 2004, 32.) Koordinaattijärjestelmänä pitäisi VRS-mittauksissa käyttää WGS84:ää, koska GPSlaskenta tulisi suorittaa satelliittiratojen määrittämässä koordinaatistossa. Suomessa ei ole tarkkoja WGS84-koordinaatteja, mutta identtisiä niille ovat kansalliset tai alueelliset ITRF-koordinaatistoihin perustuvat koordinaatistot. (Häkli & Koivula 2004, 33.) 4 RADAN PÄÄLLYSRAKENNETYÖT 4.1 Sepelinpuhdistus Vanhan päällysrakenteen tukikerroksen seulomista raidetta purkamatta kutsutaan tukikerroksen puhdistukseksi. Liikenteen kuormittama ja kunnossapitotoimien aiheuttama jauhautunut sepeli saadaan seulonnan avulla palautettua raekooltaan oikeaksi. Tukikerroksen sepeli on puhdistettava, koska sepelin likaantuessa se myös routii helpommin. Tämä puolestaan aiheuttaa tukikerroksen kantavuuden heikkenemistä. Sepelinpuhdistusvaiheen aikana voidaan tukikerroksen alle asentaa routalevyt estämään roudan pääsy alusrakenteeseen. (Ratahallintokeskus 2004, 17.) Tukikerroksen tehtävänä on pitää raide geometrisesti oikeassa asemassa. Lisäksi tukikerros jakaa raiteen päälle tulevan kuormituksen tasaisesti alusrakenteelle ja muodostaa raiteelle kantavan alustan. Yleisimmin tukikerroksen materiaalina käytetään raidesepeliä. (Ratahallintokeskus 2002, 6.)

11 Sepelinpuhdistuskoneen alla liikkuvat kaivuterät irrottavat vanhan sepelin pölkkyjen alta ja siirtävät sen kuljetinhihnalle. Hihna kuljettaa maa-aineksen seulontalaitteeseen joka erottelee sepelin niin, että vain raekooltaan oikeankokoinen sepeli pääsee takaisin tukikerrokseen. Muu maa-aines kulkeutuu koneen kuljetinhihnoja pitkin joko jätesepelivaunuihin tai maaston niin salliessa se lasketaan ratapenkereen viereen. (Ratahallintokeskus 2004, 17.) 4.2 Sepelinpuhdistustyömaan mittaustyöt Sepelinpuhdistuskoneen työskentelyn jäljiltä raide on usein yli 10 senttimetriä profiilikorkeuden alapuolella. Sivusuunnassa siirrot voivat olla samaa luokkaa. Seulonnan jälkeen rataosuus tuetaan raiteentukemiskoneella yleensä kolmeen kertaan. Ensimmäistä ja toista tuentakertaa varten nosto- ja sivusiirtonuotit on mitattu raiteen viereen pystytetyistä paaluista. Nuoteiksi kutsutaan raiteentukemiskonetta varten mitattuja raiteen sivusiirto- ja nostoarvoja. Puupaaluihin on mitattu takymetrillä naulat osoittamaan raiteen profiilikorkeutta ja niihin on merkitty profiilin mukainen etäisyys raiteen keskilinjasta. Nuotit on mitattu käyttämällä ns. vatupassilautaa. Kolmatta eli viimeistä tuentaa varten nuotit on mitattu takymetrillä. Sidontapaalut on yleensä pystytetty 20 metrin välein n. kolmen metrin päähän radan keskilinjasta (kuva 1). Paalujen pystytys sekä sidontatietojen mittaaminen niihin takymetrillä sitoo yhden mittaryhmän pelkästään tähän työhön useiksi viikoiksi riippuen siitä, kuinka pitkä seulottava rataosuus on. Toinen mittaryhmä on lisäksi joutunut tekemään siirtonuotit ensimmäistä ja toista tuentaa varten vatupassilaudalla. Nykyinen menetelmä sitoo siis useita työntekijöitä pelkästään siihen, että ensimmäiseen ja toiseen tuentaan saadaan nosto- ja sivusiirtonuotit.

12 KUVA 1. Radan varteen pystytettyjä sidontapaaluja 4.3 Raiteen tukeminen Tärkeimmät raiteentuennan tavoitteet ovat tarvittavan korkeusaseman luominen ja radan asemavirheiden poistaminen. Näin halutaan luoda tasaisesti tiivistetty ja kantokykyinen tukipinta ratapölkyille ja varmistutaan, että kuormitus jakautuu tasaisemmin niiden päälle. (VR-Rata 2005, 6-7.) Raiteentukemiskoneen toiminta. Tukemiskoneen oma mittausjärjestelmä perustuu kolmen mittakelkan toimintaan. Etumittakelkka mittaa radan aseman ja välittää siirtotiedot keskimmäiselle mittakelkalle. Takamittakelkka puolestaan mittaa ja tallentaa tiedot radan uudesta asemasta. (Saarinen 2006.) Tukemiskoneella voidaan suorittaa raiteentuentaa kahdella tavalla. Yksi tapa on hankkia siirtotiedot esimerkiksi takymetrillä mitatuista nuoteista. Siirtotiedot voidaan syöttää koneen järjestelmään ja automatiikka hoitaa raiteentuennan itsenäisesti. Korkeus- ja sivusiirrot voidaan asettaa myös käsisäätöisesti tuennan aikana. Vaihtoehtoisesti siirtotiedot saadaan koneella suoritetulla mitta-ajolla, jolloin tuettava rataosuus ajetaan läpi

koneen tallentaessa radan aseman. Näiden tallennettujen arvojen perusteella tuenta voidaan suorittaa. 13 Toinen tuentatapa perustuu Noptel-laserin käyttöön. Laserkelkka kuljetetaan suoralla rataosuudella esimerkiksi 300 metrin päähän ja kohdistetaan tukemiskoneeseen nähden. Tällä menetelmällä tuettaessa lasersäde ohjaa tukemiskonetta tekemään rataan oikeansuuruiset korjaukset. EMSAT-mittausvaunu. Raiteentukemiskoneita valmistavilla yrityksillä on tarjota GPS-järjestelmiä työkoneisiinsa. Itävaltalainen Plasser & Theurer on kehittänyt erillisen raidegeometrian mittausvaunun tukemiskonetta varten. EMSAT-mittausvaunu mittaa raiteen aseman satelliittipaikannuksella, tarkemmin sanottuna reaaliaikaisella kinemaattisella mittauksella. Järjestelmä toimii siten, että vaunu ajaa ensin tuettavan osuuden läpi ja mittaa sekä tallentaa sen tiedot. Rataosalla täytyy olla etukäteen satelliittipaikannuksella mitattuja kiintopisteitä. Läpiajetun rataosan tiedot on siirrettävissä tukemiskoneelle, joka näiden tietojen avulla voi suorittaa raiteen tukemisen. (Plasser & Theurer 2005.) 5 SELVITYSPROSESSI 5.1 Selvityksen tarkoitus ja tavoite Selvityksen tarkoituksena oli saada selville, voidaanko raiteentukemiskoneeseen asentaa satelliittipaikannusjärjestelmä, jonka välittämien siirtotietojen avulla koneella voidaan suorittaa raiteen tuentaa. Tarkoituksena oli selvittää, voitaisiinko nykyinen sidontapaalujen käyttö korvata tulevaisuudessa raiteentukemiskoneen koneohjausjärjestelmällä. Selvityksen tavoitteena oli tuoda esiin eri näkökulmia ohjausjärjestelmän asentamisesta raiteentukemiskoneeseen. Tavoitteena oli myös tehdä selvitystyötä yleisellä tasolla, jotta siitä olisi mahdollisimman paljon hyötyä tulevaisuudessa.

5.2 Selvityksen toteuttaminen 14 Aloitin selvityksen perehtymällä satelliittipaikannukseen ja VRS-mittauksiin tutustumalla erilaisiin aihetta käsitteleviin lähteisiin. VRS-järjestelmä on uudenaikainen sekä toimiva, ja se sopii mielestäni tämän tyyppiseen käyttötarkoitukseen. Tämän jälkeen otin selvää raiteentukemiskonetyypeistä ja niiden soveltuvuudesta sepelinpuhdistustyömaan tuentatöihin. Haastattelin raiteentukemis- ja sepelinpuhdistuskoneisiin liittyen VR-Radan kalustopalveluiden tuotepäällikköä Tapani Saarista sekä koneohjausohjelmistoon liittyen 3D-System Oy:n Markku Salorantaa. Valitsin yhden tukemiskonetyypin esimerkkitapaukseksi, koska se sopi mielestäni parhaiten tällaiseen tilanteeseen. Perehdyin koneen tekniikkaan ja työskentelytapoihin materiaalin avulla. Haastattelujen, selvityksen teorian sekä muun materiaalin perusteella tein omia ehdotuksiani järjestelmän kokoonpanosta ja toimintatavasta. Nämä ehdotukseni olen koonnut tämän selvityksen tuloksiksi. 5.3 Selvityksen tulokset Valitsin esimerkkiin raiteentukemiskone Plasser & Theurer 09-16 CSM:n (kuva 2) keskusteltuani asiasta Tapani Saarisen kanssa. Saarisen (2006) mukaan 09-16 soveltuu sellaisiin tuentatöihin hyvin, joissa nostot ja sivusiirrot ovat suuria. Tämä johtuu siitä, että koneen runko on kestävä, eikä se suistu helposti kiskoilta. Sepelinpuhdistustyömaalla korjausarvot (erityisesti nostoarvot) ovat yleensä melko suuria, johtuen poistuvan maamassan määrästä. Sepeliseulan perässä tehtävä raiteentukeminen ei vaadi koneelta suurta tukemisnopeutta, joten siinäkin mielessä vain yhden pölkyn kerrallaan tukeva 09-16 on perusteltu valinta. KUVA 2. Raiteentukemiskone Plasser & Theurer 09-16 CSM 09-16-mallin tukemiskoneita on VR-Radalla käytössä kaksi. Yhdessä 09-32-mallin kanssa ne ovat ja tulevat olemaan käytetyimpiä tukemiskoneita perusparannustyömailla

15 nyt sekä tulevaisuudessa. Neljän viime vuoden aikana ovat kaksi 09-16-tukemiskonetta tukeneet yhteensä noin 385 kilometriä rataa vuodessa. Samalla ajanjaksolla on sepelinpuhdistustyömailla tuettu rataa valmiiksi 60 kilometriä vuodessa. (Saarinen 2006.) Sepelinpuhdistuksen jälkeen rata tuetaan yleensä läpi vähintään kolmeen kertaan, joten todellinen tuentamatka on moninkertainen mainittuun 60 kilometriin verrattuna. Koneohjausjärjestelmän mittaustyypiksi valitsin VRS-mittauksen, koska se sopii hyvin liikkuvaan mittaustyöhön kun erillisiä tukiasemien pystytyksiä ei tarvitse tehdä. Tämä mahdollistaa sen, että järjestelmällä voidaan heti raiteentukemiskoneen työskentelypaikalle saapumisen jälkeen aloittaa alkutuntemattomien ratkaisu. Takymetrillä suoritettava koneohjaus ei mielestäni monestakaan syystä sovellu käytettäväksi raiteentukemiskoneen ohjauksessa. Yksi syy on se, että raiteentukemiskone liikkuu työskennellessään ja näin näköyhteys takymetriin voi katketa monestakin syystä. Tällaisia syitä voivat olla mm. eteen tulevat esteet, kuten puut, muut työntekijät ja työkoneet. Lisäksi takymetrin pystytyksessä on oma vaivansa, joten työskentelyn aloittamiseen jouduttaisiin varaamaan enemmän aikaa. Rautateillä suoritettavia mittauksia ajatellen Ratahallintokeskuksen (2003, 11, 12) asettamat vaatimukset mittaustyölle toteutuvat VRS-menetelmää käytettäessä, koska heidän mukaansa mittausverkko tulisi sitoa Euref-fin-satelliittijärjestelmään käyttäen ainakin osaksi Euref-fin-peruspisteitä. Vaihtoehtoina ovat myös mittausverkon sitominen Geodeettisen laitoksen FinnRef-verkon pisteisiin tai muuhun tarkat Euref-finkoordinaatit sisältävään tukiasemaverkkoon, kuten esimerkiksi VRS-verkkoon. 5.3.1 Ohjelmisto Yksi koneohjausjärjestelmän tärkeimpiä osia on järjestelmässä käytettävä ohjelmisto. Sen tulee tarjota kaikki tarvittavat ominaisuudet, mutta samaan aikaan sen on oltava myös mahdollisimman helppokäyttöinen. Ohjelmistoksi valitsin suomalaisen 3D-System Oy:n 3D-Win:in. Ohjelma on monipuolinen maanmittausalan ohjelma, johon voidaan perusohjelman lisäksi liittää myös erilaisia lisäosia. Valintaani tukee se tekijä, että ohjelmaa on menestyksellä käytetty erilaisten maanrakennuskoneiden ohjausjärjestelmissä. 3D-System voi tarvittaessa muokata oh-

jelmaansa asiakkaan tarpeiden mukaan. Näin on jo toimittu esimerkiksi tiehöylien ja stabilointikoneiden koneohjausjärjestelmissä (Saloranta 2006). 16 3D-Win-ohjelma voidaan asentaa raiteentukemiskoneen WinALC-ohjaustietokoneelle. VRS-mittauksella saadut mittaustiedot voidaan ohjelmassa lukea suoraan geometriatietojen päälle, jolloin saadaan näkyviin nosto- ja sivusiirtotiedot (Saloranta 2006). Tämän lisäksi on 3D-Win:lle vielä saatava tiedot tukemiskoneen omalta mittajärjestelmältä. Ohjelman on siis saatava koneen kiinteän kohdan eli mittapisteen koordinaatit selville. Salorannan (2006) mukaan ohjelmaan voidaan myös piirtää tukemiskoneesta eräänlainen rautalankamalli, joka saadaan liikkumaan näytöllä reaaliaikaisesti kolmiulotteisella grafiikalla. Rataosan paaluluku esitetään näytöllä a-mittana ja sivusiirto b-mittana sekä lisäksi noston määrä. 5.3.2 Järjestelmän toiminta Koneohjausjärjestelmä toimii yhdessä raiteentukemiskoneen oman mittajärjestelmän kanssa. Tukemiskonetta käytetään samaan tapaan, kuin että olisi saatu siirto- ja nostoarvot esimerkiksi takymetri-mittauksista. Toimintatapojen ero on siinä, että koneohjausjärjestelmää käytettäessä siirtoarvot saadaankin reaaliaikaisesti VRS-mittauksella. Ohjausjärjestelmä vaatii ns. mittapisteen, jota verrataan jatkuvasti geometriaan. Tässä järjestelmässä mittapisteenä on tukemiskoneen keskimittakelkan kohdalla oleva raiteen keskilinja. GPS-antennin paikka tukemiskoneessa on sidottava mittapisteeseen siten, että antennin ja mittapisteen välinen ero on selvillä ja sitä voidaan käyttää korjausarvojen määrittämisessä. Järjestelmän toiminta edellyttää, että tiedonsiirto raiteentukemiskoneessa on kaksisuuntaista. Ohjelman on siis saatava tiedot tukemiskoneen omalta järjestelmältä siitä, missä asennossa kone on. Kun saadaan lisäksi sijaintitiedot VRS-laitteen kautta, saadaan mittapisteen koordinaatit selville ja 3D-Win näyttää siirtotiedot käyttäjälle. Tiehöylien koneohjausjärjestelmissä käytetään mittatiedon suodatusta, jolloin ohjelma suodattaa toisistaan poikkeavia havaintoja. Mittatietoa on saatu järjestelmälle 5-15