Kirjauutuus: Kuinka satelliittipaikannus toimii?

Markku Poutanen

Sateliittipaikannus

351 sivua

Ursa ry.  2016

ISBN 978-952-5985-41-2

Lähes jokainen meistä on joskus käyttänyt satelliittipaikannusta hyväkseen, joko etsiessään osoitetta tai määränpäätä kännykällään. Kännyköiden paikannussovellukset ovatkin varmasti suuri ryhmä yksittäisistä sovelluksista, joita käytetään säännöllisesti. 

Kaikenlaisessa liikenteessä (maa, ilma ja meri) satelliittipaikannuslaitteet ovat arkipäivää ja ilman niitä tuskin tulisimme toimeen jo pelkästään siitä syystä, että liikenteen määrä ja tarkkuusvaatimukset ovat kasvaneet merkittävästi vain muutaman vuosikymmenen takaisesta.

Joku meistä paikannussovelluksia käyttävistä on saattanut miettiä sitä miten koko paikannusjärjestelmä toimii? Useimmat meistä varmasti tietää, että maapalloa kiertävä parvi satelliitteja on se ”villakoiran ydin” mutta siihen useimpien tietämys sitten päättyykin. Markku Poutanen on asiasta kirjoittanut jo vuosia sitten (1998) kirjan GPS-paikanmääritys mutta kuten arvata saattaa, se on jo ajat sitten vanhentunut. Poutanen ei kuitenkaan tyytynyt päivittämään kirjaansa, vaan kirjoitti saman tien kokonaan uuden kirjan, joka sai nimekseen Sateliittipaikannus. Ja aikamoinen tietopaketti uudesta kirjasta syntyikin.

Satelliitinpaikannusjärjestelmistä yhdysvaltalainen GPS on tietysti tunnetuin mutta ei ainoa. Venäläiset alkoivat jo Neuvostoliiton aikana rakentaa omaa järjestelmää, joka tunnetaan nimellä CLONASS. Neuvostoliiton hajottua järjestelmän toimintakyky romahti muutamaksi vuodeksi, mutta nyttemmin Venäjä on korjannut sen puutteet ja uudistanut sitä, joten CLONASS on nykyisin varsin hyvin toimi järjestelmä.

Euroopan unioni ja ESA ovat yhdessä kehitelleet ja rakentaneet ensi vuonna täyteen käyttöön valmistuvan Galileo-järjestelmän ja kiinalaisilla on lähinnä Aasiassa toimiva BeiDou-järjestelmä. Eivätkä paikannusjärjestelmät vielä tähän lopu, sillä Japanilla ja Intialla on kehitteillä omat järjestelmät.

Hyvin paljon yksinkertaistetusti voidaan satelliittipaikannusjärjestelmän toimivan siten, että vastaanotin (paikannin tai kännykkä) vastaanottaa vähintään neljän satelliitin signaalin. Signaali sisältää mm. aikatiedon, jonka perusteella vastaanotin laskee etäisyydet kuhunkin satelliittiin. Laskettujen etäisyyksien 3D-risteyskohdassa sijaitsee vastaanotin. Periaate on siis yksinkertainen, mutta siihen se yksinkertaisuus päättyykin.

Tulosta täytyy muuntaa ja muuttaa hyvin paljon ennen kuin se on pisteenä paikantimen ruudulla. Poutanen käsittelee näitä tuhansia laskutoimituksia ja muita muunnoksia kirjassaan hyvin perusteellisesti. Kirjan sivuilta löytyy satoja laskumatriiseja, jopa niin paljon, että tällaisella perusinsinöörillä on hieman vaikeuksia seurata kaavojen johtoa ja merkitystä, varsinkin kun opiskeluajoistani on jo kulunut reilusti yli kolme vuosikymmentä. Onneksi matematiikka kirjassa ei ole sen ainoa ansio, vaan järjestelmien kuvaukset ja muunnokset on selostettu myös tekstein.

Tavallinen tähtiharrastajakin voi tutustua myös harrastuksensa aihepiiriin kirjan avulla. Luvussa 3, joka on otsikoitu Tähtitieteelliset vertausjärjestelmät, tähtiharrastajat voi syventyä opiskelemaan pallotähtitieteen peruskäsitteitä ja koordinaatistojärjestelmiä. Samalla kun pallotähtitieteen käsitteistö tulee tutuiksi, niin samalla kasvaa ymmärrys siitä, kuinka käsin laskemalla jouduttiin selvittämään havaittavan kohteen koordinaatit vielä muutama vuosikymmen sitten. Nykyisin tämän laskentatyön tekevät tietysti tietokoneet, tabletit tai jopa kännykät.

Kirjaa tulevat tarvitsemaan monet satelliittipaikannuksen kanssa tekemisiin joutuvat henkilöt olivatpa he insinöörejä tai tietokonenörttejä. Kirjaa voin myös suositella niille, jotka haluavat tutustua satelliittipaikannukseen pintaa syvemmältä ja tietysti tähtiharrastajille, joiden yleissivistykseen tulisi kuulua jonkinasteinen ymmärrys paikannuksesta.

Kari A. Kuure

 Kirja on ostettavissa kirjakaupoista ja Ursan (netti)kirjakaupasta.

Galileo täydentyy tänävuonna

Neljän satelliitin laukaisu viime vuodelta siirtyi teknisten ongelmien vuoksi. Ongelmat eivät ole vielä täysin ratkenneet, mutta ESAn pääjohtaja Jean-Jacques Dordain uskoo niiden selviävän ja laukaisujen onnistuvan suunnitellusti.

Viime vuoden lopulla 8.12.2013 tuli tasan 20 vuotta yhdysvaltalaisen gps-jäjestelmän käyttöönotosta. Idea gps-järjestelmästä tuli Navstar Global Positioning System Joint Program Office (JPO) johtajalta eversti Bradford Parkinson’ilta vuonna 1973. Idea kehittyi ja jalostui ja lopulta järjestelmän ensimmäiset satelliitit ammuttiin avaruuteen vuosina 1977–1978.  

Järjestelmää täydennettiin 1980-luvulla, ja nykyinen gps-järjestelmä kehitettiin 1970-luvun prototyyppien perusteella. Ensimmäiset gps-järjestelmän satelliitit ammuttiin avaruuteen helmikuun 14. päivänä 1989. Koko 24 satelliitin lentue oli toiminnassa vuonna 1993. Mielenkiintoista on, että avaruudessa on edelleen toiminnassa neljä alkuperäistä gps-satelliittia. 

Yhdysvaltain gps-järjestelmä on sotilaallinen ja Yhdysvaltain puolustusministeriön hallinnassa. Järjestelmän ensimmäisinä vuosina sen siviilisovellusten tarkkuutta rajoitettiin, mutta myöhemmin siitä on luovuttu. Silti joissakin tilanteissa rajoituksia voidaan ottaa käyttöön ennalta ilmoittamatta.  

GPS:n sotilasperusteisuus ja tarkkuuden rajoittaminen sai aikaan ajatuksen Euroopan omasta satelliittipaikannusjärjestelmästä. Ensimmäiset kokeet vain neljän satelliitin ollessa toiminnassa osoittavat Galileo-järjestelmän tämänhetkiseksi tarkkuudeksi alle 10 metriä, mikä on suunnilleen sama mikä on gps-järjestelmän siviilisovellutusten paras tarkkuus. Näin siitä huolimatta, että vain osa lopullisesta infrasta (maa-asemien laitteistoista ja toiminnoista) on käytettävissä. 

Galileo-järjestelmän lopullinen tarkkuus tulee olemaan alle 0,5 metriä. Aluksi paikannussatelliittien rahoittajiksi EU-komission ja ESAn lisäksi pyrittiin saamaan mukaan eurooppalaisia liikeyrityksiä. Tavoite kuitenkin epäonnistui ja niinpä Galileo-järjestelmä rahoitetaan EU-komission kautta. Maksajina ovat siis eurooppalaiset valtiot.   

Galileon valmistuttua tämän vuosikymmenen loppupuolella, eurooppalaisilla on käytössään ulkovalloista riippumaton siviilipaikannusjärjestelmä, joka on kaiken muun hyvän lisäksi erittäin tarkka ja se toimii myös kaksisuuntaisena pelastushälytysjärjestelmänä. Järjestelmään kuuluvat hätäsignaalilaitteet voivat muodostaa satelliittipuheluyhteyden pelastuskeskuksiin. Järjestelmän uskotaan pelastavan moni hätään joutuneita. 3D-esittelyvideo Galileo-järjestelmän toiminasta. Tarvitset puna-syaani (sinivihreä)lasit katsomiseen 3D:nä.

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.