Sisätilanavigointi

Aukeilla alueilla satelliittien avulla tapahtuva paikannus on nykyään melko tarkkaa, kuluttajasovelluksissa tyypillisesti käyttäjän sijainti saadaan ratkaistua parin metrin säteellä oikeasta paikasta. Kaupunkialueilla korkeat rakennukset häiritsevät satelliittisignaalien etenemistä ja sisätiloihin satelliittisignaalit eivät aina edes yllä. Satelliittipaikannuksen tueksi sisätiloihin tarvitaan muita navigointitekniikoita, jotta esimerkiksi jalankulkijan navigoinnista ulkoa sisätiloihin saadaan saumatonta, tarkkaa ja vaivatonta. Avustavia navigointiteknologioita ovat inertianavigointitekniikka ja langattomat paikannusmenetelmät. Langattomiin paikannustekniikoihin kuuluvat muun muassa matkapuhelintukiasemasignaaliin perustuva paikannus (esimerkiksi GSM), langattoman lähiverkon signaalivoimakkuuksien mittaamiseen perustuvat menetelmät (esimerkiksi WLAN), Bluetooth-tekniikkaan perustuva paikannus, RFID-siruihin pohjautuva etätunnistinpaikantaminen, ultraääni- ja infrapunapaikannus sekä UWB- signaaleihin (ultra wideband) perustuva aikaviiveperusteinen paikannus.

Kuva 1. Sisätilanavigoinnin infrastruktuuri WLAN- ja Bluetooth-verkoilla.

Inertianavigointi

Inertia-termi viittaa kappaleen pyrkimykseen jatkaa kulkuaan, jos kappaleeseen ei kohdistu ulkoisia voimia. Inertianavigointi perustuu kiihtyvyyden, kallistuksen ja suunnan mittaukseen. Inertianavigoinnissa mittalaitteelle annetaan tarkka lähtöpaikka, minkä jälkeen laitteen kokemaa kiihtyvyyttä mitataan liikesensoreilla (kiihtyvyysanturit) ja asentoa rotaatiosensoreilla (gyroskoopit). Integroimalla liikeinformaatiota saadaan selville paikka ja nopeus: inertianavigoinnissa lasketaan liikkuvan kappaleen orientaatio, suunta ja nopeus. Inertianavigointiin soveltuvia liikesensoreita on toteutettu useilla eri tekniikoilla useissa eri hinta- ja tarkkuusluokissa. MEMS-tekniikalla (Micro Electro Mechanical System) liikkeentunnistukseen toteutettuja sensoreita ja antureita ollaan soveltamassa kuluttajatuotteisiin yhä enemmän niiden edullisen hinnan vuoksi. Edullisista MEMS-sensoreista saatu kiihtyvyys ja suunta/rotaatio on hyvin kohinaista, mutta näistä sensoreista saatu paikannustulos voi avustaa esimerkiksi GPS:ää, etenkin katvealueilla ja tunneleissa. MEMS-inertiapaikannus on suhteellinen paikannusmenetelmä: sitä ei voida käyttää itsenäisesti, vaan se tarvitsee säännöllisesti paikka- ja nopeustietoa absoluuttisesta paikannusjärjestelmästä kuten GPS:stä. Mitä kauemmin aikaa edellisestä absoluuttisesta paikannustiedosta on kulunut, sitä huonompi on suhteellisen navigointijärjestelmän tarkkuus. Lämpötilamuutokset ja magneettiset häiriöt ovat tyypillisiä esimerkiksi sisätiloissa, ja ne aiheuttavat virheitä sensorimittauksiin. Sensoreita voidaan käyttää myös yksinkertaisesti askelmittaukseen, ja tällöin etäisyysmittari toimii satelliittinavigointiratkaisun tai muun langattoman tekniikan paikannusratkaisun apuna.

Matkapuhelinpaikannus

Matkapuhelinverkkopaikannukseen on käytössä useita tekniikoita, muun muassa solu-, saapumiskulma- ja saapumisaikaeropaikannus. Matkapuhelinverkkopaikannuksen tarkkuus riippuu matkapuhelinverkon koosta: tarkkuus on tyypillisimmillään sadasta metristä kymmeneen kilometriin, riippuen tukiasemien tiheydestä ja käytetystä toteutustekniikasta.

WLAN ja Bluetooth

Bluetooth- ja lähiverkko-paikannus (WLAN) perustuvat pääasiassa signaalin voimakkuuden mittauksiin. RSSI-tekniikka (Received Signal Strength Indication) mahdollistaa käyttäjän paikantamisen signaalien voimakkuuksista tehtyjen ’sormenjälkikarttojen’ perusteella. Sormenjälkikartat tuotetaan havainnoimalla signaalivoimakkuudet etukäteen ja muokkaamalla näistä alueen voimakkuuskartta. Liikkuva vastaanotin paikannetaan sovittamalla reaaliaikaiset signaalivoimakkuusmittaukset eri tukiasemista, etukäteen kalibrointivaiheessa, tehtyyn voimakkuuskarttaan. Lähiverkkopaikannuksen tarkkuus riippuu kuuluvissa olevien tukiasemien määrästä ja voimakkuuskartan tiheydestä. Hyvissä signaaliolosuhteissa voidaan päästä muutaman metrin tarkkuuteen. Bluetooth on lyhyen kantaman (noin 10 metrin) radiotekniikka, jota voidaan soveltaa myös lähi-informaation jakelussa, opastuksessa ja paikannuksessa. Sormenjälkikarttatekniikkaa voidaan soveltaa Bluetooth-paikannukseen, jolloin päästään noin viiden metrin paikannustarkkuuteen.

Muut langattomat järjestelmät

Tietyllä radiotaajuudella aktivoitavat etätunnistimina toimivat RFID-piirit (Radio Frequency Identification) soveltuvat myös paikannuskäyttöön. Infrapunalinkki voi siirtää jonkun tietyn etukäteen selvitetyn sijaintitiedon päätelaitteeseen. Tiedonsiirto edellyttää esteetöntä näkyvyyttä ja erityistä sovellusta päätelaitteessa. UWB-tekniikalla voidaan tehdä etäisyysmittauksia lähettimien ja vastaanottimen välillä, jolloin vastaanotin saadaan paikannettua samalla tavalla kuin paikannussatelliittimittauksilla. UWB-paikannusjärjestelmät toimivat myös seinien läpi, mutta vaimeneminen ja heijastukset aiheuttavat etäisyysmittauksiin suuria virheitä. Tietoliikenteen säädökset rajoittavat kuitenkin UWB:n signaalitehoa, joten noin viiden metrin paikannustarkkuuden tarjoava UWB soveltuu parhaiten lyhyen kantaman sisätilapaikannukseen. Satelliittipaikannuksen tueksi voidaan toteuttaa paikannussignaalitarjonta myös GPS-pseudoliittien avulla. Kiinteästi asennettuja pseudoliitteja voidaan käyttää esimerkiksi kaupunkiympäristössä ja sisätiloissa laajentamaan ja parantamaan GPS:n peittoaluetta. Pseudoliittien avulla saavutettava paikannuksen tarkkuus on hyvissä olosuhteissa noin metri. Vastaanottimen tulee kyetä hyödyntämään pseudoliittien käyttämiä GPS-kanavia. GPS-taajuusalueen käyttö on luvanvaraista, sillä se häiritsee aitojen satelliittisignaalien vastaanottoa. Tämän vuoksi pseudoliittien käyttö ei ole juuri vielä yleistynyt.