maanantai 30. joulukuuta 2013

Satelliittipaikannusmarkkinat huikeaan kasvuun



Taiteilijan näkemys
Galileo-järjestelmän satelliitteista
radallaan. Kuva ESA.
Satelliittipaikannus on nykyaikainen menetelmä suunnistaa missä tahansa maapallolla. Satelliittipaikannusta käytetään kaikissa ilma- ja meriliikenteen aluksissa, maaliikenteessä ja jopa jalankulkijat voivat käyttää sitä etsiessään uusia palveluita kotiympäristöstään tai vaikka lomaillessaan muualla kuin kotonaan. Paikannuspalveluiden suurkäyttäjät ovat jo nyt erilaiset tavaraliikenne- ja huolintayritykset mitä moninaisimmissa sovelluksissa.

Aivan uutena tulokkaana on isojen rakennuskompleksien sisäinen paikannus, joka voi muodostua erittäin kannattavaksi aina vain suurempien ostoskeskuksien valmistuessa. Eikä tämä jää varmastikaan ainoaksi paikannussovellukseksi, sillä ainakin lentokenttien maaliikenne alkaa olla jo tänä päivänä riippuvainen tarkasta sisäisestä navigoinnista. Samoin isojen satamien ja maaliikennekeskusten varastoalueet tulevat varmasti käyttämään navigoitisovelluksia monissa tarkoituksissa. Paikannusta tarvitsevat myös vielä kokeiluasteella olevat, mutta joidenkin vuosikymmenien kuluessa käyttöön otettavat itsestään ohjautuvat kulkuneuvot niin henkilö kuin joukkoliikenteessä.

Yhdysvaltalainen GPS- ja venäläinen Glonas-järjestelmät lienevät tuttuja monille kännykän tai tabletin käyttäjälle. Näiden lisäksi markkinoilla on kiinalainen BeiDou [1] ja muutaman vuoden kuluessa käyttöön otettava eurooppalainen Galileo-järjestelmä. BeiDou-järjestelmän markkinaosuus kiinalaisilla markkinoilla arvellaan saavuttavan noin 30 % vuoteen 2015 mennessä.

Yleinen trendi on, että uudemmat järjestelmät ovat selvästi tarkempia paikannuksessa kuin vanhat järjestelmät. Niinpä USA kuin Venäjä ovatkin panostaneet omiin järjestelmiinsä viime vuosina runsaasti ja uudistaneet niitä entistä tarkimmiksi. Muutaman vuoden kuluttua valmistuva eurooppalainen Galileo-järjestelmä tulee hyvin kilpailluille markkinoille.

Galileo-navigaatiosateliittijärjestelmä (GNSS) on ollut kehitteillä pari vuosikymmentä. Sen neljä ensimmäistä satelliittia on jo avaruudessa 23 222 km korkeudella radalla, jonka inklinaatio[2] on 56°. Ratoja on kaikkiaan kolme ja niihin sijoitetaan kolmekymmentä satelliittia, joista kolme on varalla ja 27 otetaan käyttöön. Satelliiteilta kuluu yhteen kierrokseen 14 tuntia ja missä tahansa maapallolla ainakin neljä satelliittia on horisontin yläpuolella kaiken aikaa ja käytettävissä paikannukseen. 

Paikannustarkkuus on yleensä se merkittävin argumentti käytettävän menetelmän ja tekniikan valitsemiseen. Eurooppalaiset pyrkivät lyömään USAn GPS-järjestelmän selkeästi suuremmalla paikannustarkkuudella; tavoitteena on hieman alle 0,5 m tarkkuus missä tahansa maapallolla. Se tulee olemaan kymmenkertainen GPS:ään verrattuna. Tieteellisteknisissä sovelluksissa tarkkuutta voidaan parantaa vielä ainakin kymmenkertaiseksi[3].

Suurin paikannustarkkuuden parantuminen on napa-alueilla ja pohjoisilla leveysasteilla. Niinpä Kanada ja Pohjois-Euroopan maat hyötyvät erityisesti Galileo-järjestelmän tuomasta tarkkuuden lisääntymisestä verrattuna GPS-järjestelmään.  GPS-järjestelmän valuvikana kun on pieni satelliittien määrä ja inklinaatioltaan liian pienet radat. Myös satelliittiratojen korkeudet ovat matalammalla kuin Galileo-järjestelmässä.

Paremman paikannustarkkuuden saavuttaminen on mahdollista suuremmalla määrällä satelliitteja, tarkemmilla atomikelloilla (kaksi erilaista jokaisessa satelliitissa) ja maa-asemien aikareferenssijärjestelmällä, jolla jokaisen satelliitin kellot tahdistetaan uudelleen säännöllisesti. Näin tarkkuus myös pystytään säilyttämään.
Suuremman paikannustarkkuuden lisäksi eurooppalaista järjestelmää perustellaan riippumattomuudella USAn sotilaallisista tarkoitusperistä. GPS-järjestelmän ylläpitäjänä kun on USAN puolustusministeriö. Samoin Glonas-järjestelmä on Venäjän puolustusministeriön ylläpitämä. 

Suomalaiset ovat mukana

Galileo navigointijärjestelmässä on mukana myös suomalaista osaamista. Järjestelmän maa-asemille suomalaiset Space Systems Finland ja CapGemini sekä CCC Group yritykset ovat toimittaneet tietokoneohjelmistoja. Näiden lisäksi Patria on toimittanut satelliitteihin sijoitettua elektroniikkaa. Taloudellisesti Suomen osuus näihin kahteen satelliittiin on varsin vaatimatonta luokkaa, noin 10 miljoonaa euroa, mutta lisää kauppoja on tulossa uusien satelliittien myötä. Seuraavat kaksi satelliittia on tarkoitus laukaista avaruuteen ensivuoden puolivälin tietämillä.

Galileon rahoitus ja talous

Galileo-järjestelmän kustantaa Euroopan komissio yhdessä Euroopan avaruusjärjestön kanssa. Komissio vastaa myös järjestelmän toiminnan johtamisesta ja päätöksenteosta. Alun perin rahoitusta pyrittiin saamaan eurooppalaiselta teollisuudelta ja elinkeinoelämältä, mutta se ei onnistunut riittävän hyvin. Tästä syystä projekti on jonkin verran myöhässä. 

Taloudelliset odotukset ovat suuret sillä vuoteen 2024 mennessä arvioidaan Galileon hyödyttävän ja synnyttävän neljäntoista miljardin euron markkinat. Vuoteen 2060 mennessä arvioidaan markkinoiden arvoksi jo yhdeksänkymmentä miljardia euroa. Euroopan komissiolle järjestelmän ylläpitäminen vaatii 800 miljoonaa euroa vuodessa. Hyöty tulee kasvavina markkinoina ja yritysten liikevaihdon kasvuna.

EU:n ulkopuolelta vain Sveitsi ja Norja ovat Euroopan avaruusjärjestön jäsenmaina pienellä rahallisella osuudella ja ovat mukana myös Galileon hallinnossa.

Huomautukset

[1] BeiDou merkitsee Otavan asterismia Ison karhun tähdistössä.
[2] Inklinaatio kaltevuuskulma verrattuna maapallon ekvaattoritasoon nähden.
[3] Tieteellisteknisissä sovelluksissa tarkkuutta voidaan parantaa kantoaaltojen vaihekulmamittauksin. Jälkilaskennan avulla voidaan saavuttaa vielä tarkempia paikannuksia, kun tunnetaan toteutuneet satelliittien radat. Kansainvälisten vertausjärjestelmien avulla voidaan saada muutaman millimetrin tarkkuuksia. Suomessa Geotrimin VRS-korjaussignaalin avulla päästään 15 mm tarkkuuteen vaakasuunnassa ja noin 25 mm tarkkuuteen korkeussuunnassa. Tarkkuudet ovat jo nykyisin sellaisia, että mannerlaattojen liikehdintää (laattatektoniikka) ja interglasiaalikauden aikaista maan kohoamista voidaan hyvin seurata vuosittaisilla mittauksilla tai jopa joillakin siirroslinjoilla aivan reaaliaikaisesti.

perjantai 27. joulukuuta 2013

Tärkeä avaruussää



Auringon ja Maan välinen yhteys
näkyy avaruussäänä
lähiavaruudessamme. Kuva Nasa.
Tiedätkö mitä on avaruussää? Ei se mitään, ei moni muukaan siitä ole kuullut puhuttavankaan. Siitä huolimatta se on vähintään yhtä tärkeä kuin ilmakehässä vallitsevan säätilan, ja ennen kaikkea tulevan säätilan tuntemus. Uskaltaisinpa väittää, että avaruussään ennustaminen tulee tulevaisuudessa olemaan, ei pelkästään hyödyllistä vaan jopa elintärkeää yhteiskuntajärjestelmämme toimivuudelle.

Avaruussää on lähiavaruutemme tila, joka koostuu monista tekijöistä. Tärkein näistä tekijöistä on aurinkotuulen hiukkastiheys ja nopeus. Molemmat tekijät vaihtelevat suuresti Auringon aktiivisuusjakson mutta myös Auringossa päivittäin tapahtuvien flare- ja CME-purkausten avaruuteen sinkoamien sähkövarautuneiden hiukkasten määrän ja energian mukaan. 

Ei tarvita kovinkaan vilkasta mielikuvitusta ymmärtämään, että sähkövarautuneet hiukkaset vaikuttavat suoraan maapalloa kiertävien satelliittien toimintaan. Tiheä hiukkaspilvi ei voi olla vaikuttamatta satelliittien tietoliikenteeseen. Erityisesti Auringossa tapahtuvat voimakkaat purkaukset tuottavat runsaasti suurenergisiä hiukkasia, jotka päätyvät planeettojen väliseen avaruuteen ja sitä tietä osa niistä päätyy myös maapallon vaikutuspiiriin. 

Suurenergiset hiukkaset ja herkät elektroniset laitteet eivät ole hyvä yhdistelmä samassa tilassa. Vahvoista suojauksista huolimatta, aina silloin tällöin (itse asiassa hyvin usein) elektroniikassa esiintyy häiriöitä. Osa niistä on harmittomia, ohimeneviä tapauksia, mutta joukkoon mahtuu laiterikkoja ja jopa satelliittien täydellisiä ja korjaamattomia vaurioita. Tällöin useiden kymmenien tai satojen miljoonien arvoiset laitteet menetetään. Satelliittien muutaman vuosikymmenen mittaisella aikakaudella on menetetty satoja laitteistoja tästä syystä.

Avaruussään vaikutus ei pääty vain lähiavaruuteemme, vaan ne ulottuvat jopa maanpinnalle. Mielenkiintoiset ja kauniit revontulet ovat vain näiden vaikutusten pittoreski ilmenemismuoto, mutta todelliset vaikutukset näkyvät niin öljy- ja kaasuputkistojen sekä sähkölinjojen toiminnassa. Lähiavaruutemme miljoonien ampeerien sähkövirrat ja niissä tapahtuvat äkilliset muutokset indusoivat sähkövirtoja maanpäällisiin verkostoihin. Näiden seurauksena putkistot ruostuvat ”alta aikayksikön” ja sähköverkoissa esiintyy kymmenien tai satojen ampeerien häiriövirtoja, jotka tuhoavat laitteistoja. 

Lähiavaruuden avaruussää
Quebecin pimentymisen
aikana. Kuva Wikimedia Commons.
Äärimmäisenä esimerkkinä näistä tuhoista on Kanadan Quebecissä vuonna maaliskuussa 1989 esiintynyt [1] laaja sähkökatkos. Episodin perimmäisenä syynä pidetään Auringossa tapahtunutta voimakasta purkausta, jonka seurauksena sähköverkostoon syntyi häiriövirtoja, jotka puolestaan pudottivat useita voimalaitoksia ja muuntoasemia pois verkosta yksi toisensa perään. 

Avaruussäätä on pyritty ennustamaan jo vuosikymmeniä. Niinpä tietämyksemme siitä on kasvanut ja viimein aletaan olla tilanteessa, jossa voidaan julkaista avaruussääennusteita siinä missä tavallisiakin sääennusteita. Brittiläinen Met Office aloittaa tulevana keväänä 24 tunnin ennustepalvelun, joka tarjoaa avaruussäätilaennusteita niin satelliitti-, tietoliikenne- ja sähköyhtiöiden tarpeisiin. Ennusteiden avulla operaattorit voivat siirtää satelliittinsa suojatilaan, sähköyhtiöt voivat valmistautua korjaamaan verkoissa tapahtuvia vikoja ja radioliikenne voi etsiä korvaavia tiedonvälitysmenetelmiä.

Tavallisille ihmisille avaruussääennusteet telenevat tutuksi lehtien revontuliennusteina. Tämän blogin lukijoiden ei kuitenkaan tarvitse odottaa lehtien revontulienennusteita, vaan sellaisen voi tehdä itselleen omaan käyttöön tästä linkistä avautuvalla sivulla[2]. Sivusto on osa Tampereen Ursan kurssitarjontaan kuuluvaa Aurinko- ja revontulet-kurssia, mutta se on käytettävissä vapaasti kenelle tahansa asiasta kiinnostuneelle. Sivuston asiatiedot ovat esitetty hyvin tiivistetysti, joten hyvään lopputulokseen pääsemiseen vaaditaan paljon muutakin[3] tietoa. Hyvään alkuun kuitenkin sivulta pääsee.

Huomautukset

[1] Maaliskuun 10. päivänä 1989 Auringossa tapahtui voimakas (X15) luokan flare-purkaus. Purkaus aiheutti massiivisen koronamassapurkauspilven (CME) jonka suuntautui suoraan maapalloa kohti, jonka se saavutti 13. päivänä. Tätä ennen oli Hydro-Quebecin sähköverkossa havaittu voimakkaita häiriöitä, mutta varsinainen verkon ”pimentyminen” tapahtui (13.3.1989) kello 2.44 paikallista aikaa. Sähkökatkos kesti vähintään 9 tuntia, mutta monin paikoin vielä pidempään ennen kuin verkon viat oli saatu korjattua.


[3] Revontuliennusteita voi saada monista muista Internet-sivustoilta. Tässä muutamia esimerkkejä:
Sapaceweather. com http://www.spaceweather.com/
Alaskan yliopiston geofysiikan instituutti http://www.gi.alaska.edu/AuroraForecast , joka laatii revontuliennusteita myös Eurooppaan http://www.gi.alaska.edu/AuroraForecast/Europe/

sunnuntai 22. joulukuuta 2013

Uutta tietoa ISONista



Komeetta ISONin periheliohitus.
Kuva ESA.
Tutkijoille alkaa hiljalleen valjeta, miksi C/2012 S1 (ISON) -komeetta ei selvinnyt periheliohituksestaan, vaan tuhoutui täysin. Arizonan yliopistossa työskentelevän Alfred Mc Ewen’in mukaan Mars Reconnaissance (MRO) luotaimen HiRISE laitteiston tekemien[1] havaintojen mukaan näyttäisi siltä, että ISONin ydin oli huomattavasti pienempi kuin mitä tähän asti on arvioitu. Mittausten mukaan ytimen koko oli 100–1000 metriä[2], komeetaksi aika pieni.

HiRISE ei ollut ainoa laitteisto, joka pystyi tekemään havaintoja komeetasta, sillä myös Merkuriusta kiertävällä radalla oleva MESENGER-luotain havaitsi sekä komeetta ISONia että komeetta Enckeä.

MESSENGER teki ISONista yhdeksän spektroskooppista mittausta. Niiden mukaan ISONissa oli runsaasti hiilimonoksidia ja hiiltä (C+) verrattuna Enckeen. Näyttääkin siltä, että komeetassa ollut hiili teki siitä erittäin hauraan[3]. Encken kaltaisissa jaksollisissa komeetoissa ei vastaavia hiilipitoisuuksia esiinny, sillä etenkin kaikki haihtuvat kaasut ovat hävinneet ajat sitten lukuisten periheliohitusten aikana.



Komeettaytimen pieni koko selittää periheliaikaiset tapahtumat. Auringon säteilypaine, kuumuus ja voimakkaasti haituva vesi, hiilimonoksidi ja mahdolliset muut kaasut onnistuivat pirstomaan ytimen käytännössä aivan pölyksi. Pölyhiukkaset kuitenkin jatkoivat matkaa toistensa läheisyydessä ja etäämpää katsottuna niiden heijastama valo antoi vaikutelman kirkastuneesta komeetasta, kunnes pölyn tiheys putosi ja sen heijastama valomäärä väheni.

Komeetta ISON antaa tutkijoille vihjeen siitä, miksi osa auringonhipojista selviää periheliohituksesta ja toiset ei. Kyse näyttäisi olevan pitkälti kysymys niiden rakenteesta ja koostumuksesta. Vain vähän hiiltä (missä muodossa tahansa) sisältävät komeetat näyttäisivät olevan sisäisesti lujempia ja kestävän paremmin kuumuutta ja kaasupurkauksia kuin hiilipitoiset komeetat.

Huomautukset

[1] Komeetta ISON ohitti Marsin 1.10. noin 10.8 miljoonan kilometrin etäisyydeltä.

[2] HiRISE-instrumentti ei pystynyt havaitsemaan suoraan komeetta ydintä, mutta kirkkausmittausten perusteella ytimen koko näyttäisi olleen noin 600 m halkaisijaltaan. 

[3] Tälle olettamukselle on erittäin vahvaa näyttöä, sillä vastaavat maanpinnalle asti päätyneet hiilipitoiset meteoriitit ovat käytännössä kasa hiilimurskaa ja vettä.

lauantai 21. joulukuuta 2013

Mitä Gaia tekee?



Taiteiljan näkemys Gaiasta
sijoituspaikassaan L2-pisteessä.
Kuva ESA.
Euroopan avaruusjärjestön Gaia-observatorio[1] on päässyt matkaan kohti Lagrangen L2-pistettä. Piste sijaitsee maapallon yöpuolella noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä. Sijoituspaikka on erityinen, sillä siellä olevat laitteet voivat pysytellä alueella hyvin vähäisellä ohjaustarpeella. Syynä tähän on Auringon ja maapallon yhteinen gravitaatiokenttä, joka kumoaa luotaimeen kohdistuvan keskipakoisvoiman[2].

Gaia-observatorion tehtävänä on määrittää tähtien tarkat paikat, etäisyydet, radiaalinopeudet ja ominaisliikkeen. Näiden tietojen perusteella tutkijat kykenevät hahmottamaan osan Linnunratamme rakenteesta 3D:nä. Tutkijat arvioivat, että Gaian mittauskyvyn tarkkuudella saamme edellä luetellut tiedot noin miljardin tähden osalta. Linnunradassa arvioidaan olevan noin 400 miljardia tähteä, joten Gaian tekemä kartoitus on vasta alkua hyvin laajalle ja vaativalle kartoitukselle.

Gaiain tekemä etäisyysmittaukset perustuvat tähtien parallaksien määrittämiseen. Parallaksi tarkoittaa tähden (yleisemmin jonkin kohteen) suuntakulman muuttumista jos tarkastelupiste siirtyy toiseen paikkaan[3]. Gaian tapauksessa suuntakulma muuttuu maapallon liikkeestä kiertoradalla. Puolen vuoden kuluessa havaintopisteiden välinen etäisyys on noin 300 miljoona kilometriä. Tätä etäisyyttä kutsutaan parallaksimittauksen kannaksi. Kun kannan pituus ja suuntakulman muutos tunnetaan, yksinkertaisella trigonometriaan perustuvalla laskelmalla saadaan määritettyä tähden etäisyys.

Havainnekuva parallaksin
määrittämisestä. Kuva ESA.
Monet Gaian tekemistä mittauksista perustuvat spektroskopiaan. Tähdestä tuleva valo sisältää tietoa valonlähteen kemiallisesta koostumuksesta, lämpötilasta ja liikkeen tilasta. Erityisesti viimeksi mainitut tiedot ovat sellaisia, joita hyödynnetään Gaian viiden vuoden aikana keräämästä mittausdatasta paljastamaan tähtien kiertoradoilla olevien eksoplaneettojen olemassa olo. 

Tähtien spektri paljastaa myös tähtien säteisnopeuden. Säteisnopeus on tähtien suhteellinen liike näkösäteen suunnassa: tähti liikkuu joko meistä poispäin tai meihin päin. Tähden nopeus paljastuu spektrissä tapahtuvasta spektriviivojen siirtymisestä (Doppler-ilmiö), joka on verrannollinen nopeuteen; mitä suurempi nopeus sitä suurempi siirtymä. Lisäksi siirtymän suunta kertoo meille mihin suuntaan tähti etenee meidän suhteemme. Jos tähti kulkee meistä poispäin, siirtymä on kohti pitempiä aallonpituuksia (punasiirtymä) ja jos tähti tulee meitä kohti, siirtymä on lyhempiin aallonpituuksia kohti (sinisiirtymä).

Gaian suuri tarkkuus tähtien sijaintimäärityksessä mahdollistaa tähtien liikkeen määrittämisen (ominaisliikkeen) taivaankannella. Mittaus ei kerro ainoastaan tähden suuntaa ja nopeutta, vaan se paljastaa myös mahdollisten eksoplaneettojen aiheuttaman huojunnan tähden keskimääräisen liikeradan suhteen.

Tähtien ominaisliikkeen löysi Edmund Halley vuonna 1718. Hän vertasi aikansa tähtien paikkoja pari tuhatta vuotta vanhaan Hipparchosin tähtiluetteloon ja havaitsi, että jotkin kirkkaat tähdet olivat siirtyneet paikoiltaan. Suurin ominaisliike on Barnadin tähdellä, joka vaeltaa muiden tähtien suhteen peräti 10,3 kaarisekuntia vuodessa. Vauhti on sen verran kova, että Kuun halkaisijan verran (0,5°) kulkemiseen kuluu aikaa vain noin 174 vuotta.

Kaikki edellä kerrotut tähtien liikkeistä kertova mittausdata paljastaa tutkijoille paljon tähtien liikkeestä Linnunradassa ja Auringon liikkeestä lähitähtien suhteen. Tokihan osa näistä tiedoista jo tunnetaan, mutta Gaian mittaukset siirtävät pilkunpaikkaa merkittävästi tarkempaan suuntaan ja tarkasti tunnetun alueen laajenemista valtavasti.

Huomautukset

[1] Gaian tehtävästä voit lukea blogiartikkelini ”Miljardintähden tähtiluettelo

[2] Keskipakoisvoima on näennäinen voima, joka syntyy kappaleeseen sen liikkuessa pakotettua kaarevaa rataa pitkin. Perimmäinen syy keskipakovoiman syntyyn on massan hitaus, sillä jos pakottava voima yhtäkkiä poistuisi, kappale jatkaisi matkaansa suoraan samalla nopeudella kuin mitä sen kehävauhti oli ennen pakottavan voiman katoamista.
Tavallisin keskipakoisvoiman ilmenemismuoto on esimerkiksi naruun kiinnitettyä esinettä pyöritettäessä. Tällöin pakottavana voimana on naru ja keskipakovoima ilmenee narun jännitystilana. narun jännitys kohdistaa kappaleeseen yhtä suuren mutta vastakkaisen voiman kuin kappaleeseen kohdistuva keskipakoisvoima on.  Gaian tapauksessa ”naru” on Auringon ja maapallon yhdessä muodostama gravitaatiokenttä. 

[3] Voit havainnollistaa parallaksin synty itsellesi siten, että ojennat kätesi ja yhden sormen sekä suljet toisen silmäsi. Tällöin näet sormesi jonkin taustalla olevan kohteen kohdalla. Pidä sormesi samassa paikkaa ja vaihda katseluun käytettyä silmää. Tällöin sormesi paikka taustaan nähden näyttää siirtyneen.