Seppo Tötterström Katsaus VRS-teknologian nykytilaan ja tulevaisuuteen VRS-teknologia on jo vakiintunut viime vuosina päämenetelmäksi tarkoissa GPS/GNSS-mittaussovelluksissa niin Suomessa, Euroopassa kuin useissa muissakin maissa ympäri maailman. VRS:n kyky mallintaa ja minimoida reaaliaikaisesti GNSS-signaaleihin vaikuttavia virhelähteitä mahdollistaen tarkat ja luotettavat mittaustulokset niin paikallisella kuin valtakunnallisellakin tasolla sekä VRS:n tuottavat ja monipuoliset mittausmenetelmät ovat ratkaisevasti vaikuttaneet VRS-teknologian laajaan käyttöönottoon eri maissa ja organisaatioissa. Tänä päivänä VRS-teknologiaa käytetään laajalti erilaisissa reaaliaikaisissa ja jälkilaskentaan perustuvissa tarkoissa GNSSsovelluksissa niin maanmittauksen, rakentamisen, paikkatiedon, ympäristön kuin tutkimuksen tarpeisiin. VRS:ää 10 vuotta Suomessa VRS-teknologia on ollut jokapäiväisessä toiminnassa Suomessa jo yli 10 vuotta. Geotrim Oy aloitti vuosituhannen vaihteessa kehittämään tehokkaampia menetelmiä satelliittimittauksille ja tämän tuloksena vuonna 2000 syntyi VRS-teknologiaan pohjautuva tukiasemaverkkojärjestelmä Suomeen. Ensivaiheessa vuosina 2000 2001 tehtiin eri tahojen toimesta laajoja tutkimuksia VRSjärjestelmän ja -teknologian toimivuudesta sekä ominaisuuksista erilaisissa GPSmittaussovelluksissa Suomen olosuhteissa. Tästä VRS laajeni tuotantokäyttöön 9
VRS-teknologian levinneisyys maailmalla. VRS-verkko ja laskentakeskus Suomessa, VRSnet.fi. VRS-järjestelmän toimintaperiaate. vuonna 2002 2003 Etelä-Suomen alueelle. Maanmittauslaitoksen mukaan tulo VRS-verkon käyttäjäksi vuonna 2003 oli ensi arvoinen tärkeää verkon laajenemisen nopeuttamiseksi ja valtakunnallisen kattavuuden mahdollistamiseksi. Vuoden 2005 keväällä VRS-verkko saavutti täyden valtakunnallisen peiton mahdollistaen tarkat reaaliaikaiset ja jälkilaskentaan perustuvat satelliittimittaukset ympäri Suomen. VRS-järjestelmän kehitys on jatkuvaa ja alkuvaiheen GPS-järjestelmästä siirryttiin ensin Glonass-järjestelmän kehittymisen myötä GPS/Glonass-järjestelmään ja siitä edelleen multisatelliittijärjestelmään GNSS:ää tukevaksi, joka huomioi myös tulevaisuuden kehityksen satelliittijärjestelmissä ja -teknologioissa. Esimerkkejä satelliittijärjestelmien kehityksestä tulevina vuosina ovat mm. GPS:n modernisoinnin jatkuminen, Glonassin uudistuminen, eurooppalaisen Galileo-järjestelmän käyttöönotto sekä mahdollisesti muiden globaalien satelliittijärjestelmien kuten kiinalaisen Compass-järjestelmän mahdollinen mukaantulo GNSS-perheeseen. VRS-järjestelmän jatkuvaan kehittymiseen liittyy keskeisenä osana uusimpien satelliitti-, järjestelmä-, ohjelmisto-, tietoliikenne- ja laiteteknologioiden hyödyntäminen. Uuden teknologian käyttöönottoon liittyy aina myös vastustusta ja epäilystä sen toimivuudesta. Syynä on yleensä tietämättömyys tai tiedon puute. Näin oli myös VRS:n osalta alkuvaiheessa. Tietämyksen lisääminen ja käyttäjiltä saadut realistiset käyttökokemukset varmistivat kuitenkin jo varhaisessa vaiheessa VRS:n hyväksynnän myös Suomessa. VRS:n osalta on tehty niin Suomessa kuin kansainvälisestikkin vuosien mittaan lukuisa määrä erilaisia riippumattomia tutkimuksia, joissa on todennettu VRS:n hyötytekijät niin tarkkuudessa, luotettavuudessa, mittausmenetelmien monipuolisuudessa ja kustannustehokkuudessa sekä todettu VRS varmaksi ja luotettavaksi palveluksi. Nykyisin VRS:n hyötyjä ei enää kyseenalaisteta vaan VRS on ollut jo vuosia hyväksytty ja tunnustettu teknologia sekä suunnannäyttäjä mittaustekniikan soveltajille ja käyttäjille. Voidaan ansaitusti todeta, ettei GPS/GNSS-mittauksissa ole enää paluuta vanhaan liikuteltavaan tai kiinteään yksittäistukiasemaratkaisuun tai niistä johdettuun yksittäisten tukiasemien muodostamaan ns. verkkoon, joissa kaikissa on toiminnallisia, laadullisia ja tuottavuuteen liittyviä merkittäviä haittatekijöitä. Tällä hetkellä VRS-verkko on edelleen ainut todellinen tukiasemaverkkoratkaisu Suomessa, joka kykenee reaaliaikaiseen 10
ilmakehän ja muiden GNSS-signaaleihin vaikuttavien häiriötekijöiden tehokkaaseen virheenmallinnukseen sekä monipuolisesti tarjoamaan reaaliaikaista ja jälkilaskentaan perustuvaa palvelua kattavasti eri tarkkuusluokan GNSS-sovelluksille. Maailmalla VRS-teknologiaan perustuvia tukiasemaverkkojärjestelmiä on jo yli 60 maassa ja yli 250 verkossa. Pääosa maailmalla käytössä olevista tukiasemaverkoista käyttää nimenomaan VRS-teknologiaa. Mistä VRS-järjestelmä muodostuu ja miten se toimii Suomessa Suomessa on käytössä Geotrim Oy:n ylläpitämä GNSS-satelliittiteknologiaan perustuva valtakunnallinen VRS-tukiasemaverkkojärjestelmä, joka koostuu yli 90 GNSS-tukiasemasta ja laskentakeskuksesta Vantaalla sekä sen tuottamasta VRS-palvelusta. Vuoden 2010 alussa VRSverkolle annettiin uusi nimi, VRSnet.fi, kuvaamaan VRS-teknologian merkitystä satelliittimittauksessa ja tukiasemaverkkojärjestelmän kehitystä valtakunnallisella tasolla. VRSnet.fi perustuu suljettuun, valvottuun ja ehdottoman luotettavaan tiedonsiirtoverkkoon, joka on hyväksytty viranomaiskäyttöön. VRS-järjestelmä tuottaa mittaustulokset suoraan Euref-Fin koordinaatistossa ja lisäksi muissa koordinaattijärjestelmissä. VRS-järjestelmä on tarkka ja homogeeninen koko Suomen alueella. VRSnet.fi-palvelun avulla mittaaja pystyy tekemään GPS/GNSS-mittaukset niin reaaliaikaisella DGPS-, H-Star- ja RTK-tekniikalla kuin jälkilaskennallakin kaikkialla Suomessa ilman omaa tai toisen osapuolen yksittäistä tukiasemaa. Käyttäjä tarvitsee vain yhden liikkuvan GPS/ GNSS-vastaanottimen eli tuottavanpään mittausten suorittamiseksi. VRS-järjestelmän ydin on edistyksellinen ohjelmistoteknologia, jolla pystytään reaaliaikaisesti mallintamaan ja minimoimaan ilmakehän aiheuttamat ja muut signaaleihin vaikuttavat häiriöt ja virheet GNSS-mittauksissa. VRS-järjestelmä luo automaattisesti reaaliaikakäyttäjälle virtuaalitukiaseman ja yksilöllisen virhekorjatun korjausviestin mittaukseen mahdollistaen näin optimaaliset mittaustulokset maantieteellisestä sijainnista riippumatta. VRSnet.fi tarjoaa monipuoliset palvelumuodot eri tyyppisiin mittaussovelluksiin 24/7/365-palveluna ympäri vuoden. Palvelumuodosta ja laitteistosta riippuen tarkkuusluokkia ovat 1 mm, 1 cm, 10 cm, 30 cm, 50 cm ja 1 m. VRSnet. fi on avoin kaikille laitemerkeille, mobii- Esimerkki reaaliaikamittausten tyypillisistä tarkkuuksista eri menetelmillä. Ennuste auringonpilkkujakson aktiivisuudesta (http://solarscience.msfc.nasa.gov). Jakauma VRS-verkon käyttäjäorganisaatioista Suomessa. 11
Joskus mittauskohteet ovat mittaajan työskentelyolosuhteiden osalta haastavat. VRS RTK -mittausta Inarinjärvellä 2009. litiedonsiirtotekniikoille ja GPS/GNSSmittaussovelluksille. VRS-järjestelmän merkitys käyttäjille ja organisaatioille VRS:n merkitys koostuu monista yksityiskohdista, joista muodostuu laaja kokonaisuus. Käyttäjätasolla hyödyt tulevat esille esimerkiksi käytön vaivattomuutena, nopeampina ja helpompina mittauksina sekä toimintavarmuutena. Organisaatiotasolla taas hyötyjä ovat esimerkiksi tarkemmat ja luotettavammat mittaustulokset, parempi koordinaatiston hallinta, pienemmät investointi-, ylläpito,- huolto- ja päivityskustannukset, monipuolisemmat käyttösovellukset, parempi tuottavuus ja tehokkuus sekä turvattu kehitys tulevaisuuteen. Kokonaishyödyt ovat kansantaloudellisestikkin merkittäviä laadukkaampina sijainti- ja paikkatietoina sekä tuottavuuden merkittävänä kasvuna. Hyötyjen muuntaminen euroiksi ei toki ole aina yksiselitteistä eikä kovin helppoa, mutta VRS:n käyttäjiltä saatujen kokemusten perusteella verrattaessa VRS:ää muihin käytettävissä oleviin tukiasemajärjestelmiin niin VRS:llä saavutettavat hyödyt ovat tuhansia jopa kymmeniä tuhansia euroja vuodessa mittausyksikköä kohden riippuen käyttösovelluksesta ja organisaatiosta. VRS-teknologian merkitys tulee lähitulevaisuudessa entisestään korostumaan johtuen mm. ilmakehäaktiivisuuden voimakkaasti kohoamisesta seuraavien vuosien aikana. Noin 11 vuoden sykleissä etenevä auringonpilkkumaksimi saavutetaan ennusteen mukaan jälleen vuonna 2012 2013, mikä merkitsee ilmäkehäaktiivisuuden voimakasta kohoamista ja se taas tulee haittaamaan GPS/ GNSS-mittauksia yleisesti lähivuosina. Yksittäiset tukiasemajärjestelmät tai yksittäisten tukiasemien muodostamat tukiasemaverkot eivät kykene ratkaisemaan ionosfääriä, jolloin mittauksen tarkkuus, luotettavuus, tuottavuus ja koko mittaustoiminta kärsii merkittävästi tai pahimmillaan jopa estyy kokonaan. Sen sijaan VRS:n reaaliaikainen ionosfäärimallinnus minimoi tehokkaasti ionosfäärin vaikutusta ja mahdollistaa tarkan, luotettavan ja tuottavan mittauksen valtakunnallisesti voimakkaasti kohoavan ionosfääri-aktiviteetinkin aikana. VRS-mittauksen sovellusalueita ja VRS-verkon käyttäjiä Suomessa VRS:n sovellusalueet ja käyttökohteet ovat laajentuneet merkittävästi viime vuosina. Monilla sovellusalueilla käytetään laajaalaisesti sekä reaaliaikaista että jälkilaskentaan perustuvia mittausmenetelmiä. Erityisesti DGPS ja H-Star paikkatietomittausten kohdalla jälkilaskennan käyttö on voimakkaasti kasvanut kiitos automatisoidun jälkilaskentaprosessin, joka tekee mittausmenetelmästä käyttäjälle nopean ja vaivattoman. Kaikkiaan tyypillisiä VRS:n käyttösegmenttejä ovat mm. maanmittaukseen, kaikkeen rakentamiseen, paikkatietoon, ympäristöön ja tutkimuksiin sekä moniin erikoistoimintoihin liittyvät sovellukset. Ketkä ovat VRS-verkon käyttäjiä Suomessa? Käytännössä kaikki merkittävät GPS/ GNSS-mittausta tekevät toimijat käyttä- 12
vät tänä päivänä VRS:ää monipuolisesti mittaus- ja paikannussovelluksissaan eri puolilla Suomea. VRS-palvelun piirissä on jo yli 400 käyttäjäorganisaatiota valtakunnallisesti ja kattavasti eri toimintasektoreilta. Jakaumakuvasta näkyy prosentuaalinen osuus eri organisaatiotyyppien osalta. VRS-mittauksen sovellusalueita ja käsitteitä VRS-teknologian tulevaisuus VRS-teknologian merkitys tulee tulevaisuudessa entisestään kasvavaan. Uusien satelliittijärjestelmien ja -signaalien sekä laiteteknologioiden käyttöönotto ei suinkaan poista VRS-teknologian tarvetta, päinvastoin, on tiedossa, että jatkossakin tarvitaan tarkoissa GNSSmittauksissa maanpäällistä suhteellisen tiheää tukiasemaverkkoa ja tehokkaaseen reaaliaikaiseen virheenmallinnukseen kykenevää järjestelmää eli VRS-teknologiaa. Satelliittijärjestelmien kehittyminen tulee merkitsemään myös uusia sovellus- ja käyttöalueita sekä olemassa olevien sovellusympäristöjen käytön laajentumista sekä aivan uusia käyttäjäryhmiä satelliittimittauksen hyödyntäjäksi. Myös mittausten tarkkuus-, luotettavuus- ja toimintavarmuustekijät tulevat edelleen jatkossa korostumaan. Suomessa VRSnet.fi-järjestelmää kehitetään jatkuvasti yhteistyössä eri yhteistyötahojen ja käyttäjäorganisaatioiden kanssa. On myös nähtävissä, että erilaiset mobiiliratkaisut, niiden käyttösovellukset ja mobiilit tiedonsiirtoteknologiat tulevat jatkossa voimakkaasti kehittymään ja lisääntymään, mikä mahdollistaa myös erilaisten lisäpalvelujen tuottamisen VRS:n palvelualustalta. VRSnet.fi jatkaa GNSSteknologian edelläkävijänä Suomessa ja turvaa paikallisesti ja valtakunnallisesti mittaustoiminnan tulevaisuuteen. Kirjoittaja on tuotepäällikkö geotrim Oy:ssä. Sähköposti seppo.totterstrom geotrim.fi. RTK-mittaus GNSS/takymetri-yhteiskäyttö DGPS/H-Star-paikkatietomittaus Agri-maataloussovellukset Infra-työkoneautomaatio Ympäristö ja rakentaminen VRS (Virtual Reference Station) eli virtuaalitukiasemajärjestelmä tarkoittaa kokonaisuutta, joka koostuu kiinteiden GNSS-tukiasemien muodostamasta verkosta, erilaisista tie toliikenneteknologioista, laskentakeskuksesta ja ohjelmistoteknologiasta, joka reaaliaikaisesti korjaa GNSS-mittauksiin ja -signaaleihin vaikuttavia virheitä ja tuottaa optimaalisen korjausdatan monipuolisesti erilaisiin GNSS -paikannus- ja mittaussovelluksiin. Suomessa on käytössä Geotrim Oy:n ylläpitämä valtakunnallinen VRStukiasemaverkkojärjestelmä ja -palvelu nimeltään VRSnet.fi. GNSS (Global navigation Satellite Systems) on yleistermi, jolla tarkoitetaan satelliittipaikannusjärjestelmiä, joilla on globaali peitto (esim. amerikkalainen GPS-järjestelmä, venäläinen Glonass-järjestelmä ja tuleva eurooppalainen Galileo-järjestelmä). GNSS:llä tarkoitetaan yleisesti myös monisatelliittijärjestelmää hyödyntävää teknologiaa, joka käyttää hyväksi useampaa kuin yhtä satelliittijärjestelmää. RTK (Real Time Kinematic) on reaalikaista GPS/GNSS-mittausta cm-tarkkuudella. DGPS/DGNSS on joko reaalikaista tai jälkilaskennalla suoritettua GPS- tai GNSS-mittausta tyypillisesti 0,5 2 m:n tarkkuudella. Laitteet ovat yleensä pienempiä ja toimivat paremmin peitteellisessä maastossa kuin RTK-laitteet. H-Star-tekniikka yhdistää RTK- ja DGPS/DGNSS-tekniikan hyviä puolia. H-Star on joko reaalikaista tai jälkilaskennalla suoritettua GPS- tai GNSS-mittausta tyypillisesti 0,1-0,3 m:n tarkkuudella. 13