Paikannussatelliittijärjestelmät

Kuva 1. Maata kiertävät GPS-satelliitit. (public domain, http://www.gps.gov/multimedia/images/constellation.gif)

Satelliittipaikannus tarkoittaa vastaanottimen sijainninmääritystä satelliittijärjestelmien lähettämien radiosignaalien perusteella. Nykyisistä järjestelmistä käytetyimpiä ovat Yhdysvaltain GPS (Global Positioning System) ja Venäjän ylläpitämä GLONASS (Globalnaja Navigatsionnaja Sputnikovaja Sistema). Satelliittipaikannus perustuu tarkkaan ajanmääritykseen: satelliitin lähettämän radiosignaalin lähetysajankohdan ja vastaanottoajankohdan erotuksesta saadaan signaalin kulkuaika, joka kertoo satelliitin ja vastaanottimen välisen etäisyyden. Neljällä etäisyysmittauksella määritetään vastaanottimen kolmiulotteiset paikkakoordinaatit maailmanlaajuisessa koordinaattijärjestelmässä ja aikaerotus vastaanottimen kellon ja satelliittijärjestelmän ajan välillä.

Satelliittipaikannus elää parhaillaan muutosvaihetta. Sovellusten suuri määrä, vaatimustason nouseminen ja häiriöiden ehkäiseminen pakottavat GPS- ja GLONASS-järjestelmät uudistuksiin. GPS- ja GLONASS-järjestelmiä modernisoidaan palvelemaan paremmin nykypaikannussovelluksia vaikeissakin olosuhteissa lisäämällä lähetystaajuuksia ja signaalien komponentteja, lisäksi Euroopan Galileo ja Kiinan Compass tekevät tuloaan. Useiden järjestelmien yhteiskäyttö lisää paikannuksen tarkkuutta ja luotettavuutta.

GPS

Yhdysvaltain puolustusministeriön ylläpitämä ja rahoittama GPS-järjestelmä koostuu tällä hetkellä 32 satelliitista, jotka kiertävät maata noin 20200 kilometrin korkeudessa (US Naval Observatory). Satelliitit lähettävät signaaleja pääasiassa kahdella eri taajuudella L1 (1575,42 MHz) ja L2 (1227,6 MHz) kuudelta eri ratatasolta. Tulevaisuudessa GPS-järjestelmä laajentaa signaalikirjoaan myös taajuudelle L5 (1176,45 MHz). Kantoaaltoon on GPS-signaaleissa moduloituna C/A- ja P-koodi, sekä navigointi-informaatio, joka sisältää tietoja satelliittien kiertoradoista, kellovirheistä ja yleistilasta. Siviilikäytössä etäisyyden määrittämiseen käytetään yleensä L1-taajuuden C/A-koodimittauksia, tarkempi P-koodi on tarkoitettu sotilaskäyttöön. GPS-vastaanotin saa signaalin samanaikaisesti useista eri satelliiteista. Satelliittien sijainti voidaan selvittää signaaliin moduloidusta navigointi-informaatiosta, jolloin eri satelliiteista saatavien signaalien kulkuaikojen avulla lasketaan vastaanottimen sijainti, nopeus ja aika.

GPS:n avulla saavutettu paikannustarkkuus vaihtelee muutamista millimetreistä useisiin kymmeniin metreihin, riippuen toimintaympäristöstä, sääoloista ja käytetystä vastaanotintekniikasta (yksi- vai kaksitaajuuskäyttö; koodi- vai vaihemittaukset; yksi vai useampi vastaanotin). Mitä monimutkaisempaa ja kalliimpaa tekniikkaa käytetään, sitä tarkempi paikannustuloksesta tulee. Erittäin tarkkaan mittausresoluutioon päästään ainoastaan hyvissä ja esteettömissä signaaliolosuhteissa. Satelliittimittaukset ovat kohinaisia ja sisältävät virheitä varsinkin kaupunkiolosuhteissa signaalien vaimentuessa ja heijastuessa rakennuksista.

GLONASS

Venäjän oma satelliittinavigointijärjestelmä GLONASS on ylläpito- ja uudistustoimien tuloksena jälleen toimintakykyinen. GLONASS-järjestelmä eroaa GPS-järjestelmästä siten, että satelliittisignaalit lähetetään kukin omalla taajuudellaan. GLONASS-satelliitit sijaitsevat kolmella eri ratatasolla, noin 19000 kilometrin korkeudessa. Tällä hetkellä toiminnassa on 24 GLONASS-satelliittia (Russian Space Agency). GLONASS oli sotilaskäyttöön tarkoitettu paikannusjärjestelmä, mutta nykyään sen käyttö on laajentunut maa- ja meriliikenteeseen, maanmittaukseen ja vähitellen myös kuluttajatuotteisiin. GLONASS-järjestelmää modernisoidaan parhaillaan, ja tulevaisuudessa sen kaikilla satelliiteilla tulee olemaan sama lähetystaajuus. Lisäämällä signaaleja paikannustarkkuus ja yhteiskäyttöisyys muiden järjestelmien kanssa paranee.

Galileo

Euroopan oma siviilikäyttöön tarkoitettu satelliittinavigointijärjestelmä Galileo on ollut kehitteillä jo liki vuosikymmenen. Ongelmat rahoituksessa, kehityksessä ja yhteensopivuudessa esimerkiksi Yhdysvaltain GPS-järjestelmän kanssa ovat viivästyttäneet järjestelmän käyttöönottoa. Yhtenä tärkeimmistä vaikuttimista Galileo-järjestelmän kehittämiseen on sen riippumattomuus Yhdysvaltain ja Venäjän sotilaallisista järjestelmistä. Riippuvuus muista järjestelmistä ajatellaan vaikuttavan Euroopan turvallisuuteen ja tuovan liikaa epävarmuutta satelliittipaikannussovelluksiin. Kaksi testisatelliittia (GIOVE-A, GIOVE-B) ovat jo radoillaan, ja lokakuun lopussa 2011 saatiin kiertoradoilleen myös kaksi ensimmäistä varsinaista Galileo-satelliittia (IOV-satelliitit, in orbit validation). Galileo-järjestelmä tulee käsittämään kaiken kaikkiaan 30 satelliittia kolmella ratatasolla, noin 23000 kilometrin korkeudessa (Euroopan Avaruusjärjestö). Galileo-satelliitit tulevat lähettämään signaaleja samoilla taajuuksilla kuin GPS-satelliitit, mutta käyttämään eri kooditekniikoita. Galileo-järjestelmän arvioidaan olevan toiminnassa vuosien 2018–2020 välillä.

COMPASS

Kiinan kehitteillä oleva COMPASS-järjestelmä tulee olemaan hyvin samankaltainen kuin Yhdysvaltain GPS-järjestelmä. COMPASS tulee käsittämään 35 satelliittia, joista viisi sijaitsee geostationäärisillä radoilla lähettämässä muun muassa globaalien paikannussatelliittijärjestelmien virhekorjausinformaatiota (Beidou/Compass Navigation Satellite System). Geostationääristä osuutta järjestelmästä kutsutaan myös Beidouksi. COMPASS:in arvioidaan olevan toiminnassa vuonna 2020.