1. Miten satelliittipaikannus toimii?
Satelliitit ovat nykyaikaisen paikannuksen ja navigoinnin kulmakivi, jota hyödyntävät niin autonavigaattorit, älypuhelimet kuin lentoliikennekin. Satelliittisignaalien perusteella vastaanotin, eli esimerkiksi älypuhelin, voi määrittää sijaintinsa muutaman metrin tarkkuudella missä tahansa maapallolla alle minuutissa. Avustepalveluita, kuten mobiiliverkkoa, käyttämällä tarkkuus voidaan parantaa senttimetriluokkaan.
Globaaleja satelliittipaikannujärjestelmiä on neljä: GPS-järjestelmä, venäläinen GLONASS, käyttöönottovaiheessa olevat eurooppalainen Galileo sekä kiinalainen BeiDou. Tästä syystä satelliittipaikannukseen viitataan nykyään termillä GNSS, Global Navigation Satellite System.
Satelliittipaikannus perustuu etäisyyksien mittaamiseen satelliittien ja vastaanottimen välillä. Koska satelliittien lähettämät signaalit kulkevat valonnopeudella, pienetkin virheet etäisyysarviossa voivat vaikuttaa merkittävästi paikannuksen tarkkuuteen. Jokainen neljästä satelliittipaikannusjärjestelmästä koostuu 20–30 satelliitista, joiden kiertorata on noin 20 000 kilometrin korkeudella maanpinnasta. Kaikissa satelliiteissa on tarkka atomikello, jonka perusteella ne lähettävät maahan aikasignaalia sekä tietoa muun muassa satelliittien sijainnista. Sijainnin, eli paikkaratkaisun, määrittämiseen vastaanotin tarvitsee yhteyden vähintään neljään satelliittiin.
2. Mistä paikannuksen häiriöt johtuvat?
Satelliittisignaalin häiriöt voivat johtua luonnollisista syistä, kuten häiriöistä ionosfäärissä tai viasta vastaanottimessa, mutta myös tarkoituksellisesta häirinnästä. Myös ympäristön esteet, kuten rakennukset ja metsät heikentävät signaalin läpimenoa. Satelliittisignaali on pitkän välimatkan takia vaimea jo maahan saapuessaan, joten häiriöt eivät ole tavattomia.
Tahallista häirintää on kahdenlaista: peittävää ja harhauttavaa.
Peittävässä häirinnässä lähetetään satelliittipaikannusjärjestelmän käyttämälle radiotaajuusalueelle häiritsevää signaalia, mikä heikentää tai estää alkuperäisen paikkatietosignaalin läpimenon. Peittävää häirintää tehdään yleensä yksinkertaisella jammeriksi kutsutulla laitteella, joita myyvät ulkomaiset verkkokaupat. Jammereiden käyttö on laitonta koko EU:ssa, ja Suomessa myös hallussapidon kieltämisestä on tehty poliittinen toimenpidealoite. Jammereita käyttävät muun muassa ammattikuskit, jotka haluavat piilottaa sijaintinsa. Ei-toivottuna seurauksena voi olla satelliittisignaalin häiriintyminen laajalla alueella.
Toinen häirinnän muoto on harhauttava häirintä eli signaalin sisältämän informaation väärentäminen (ns. spoofing). Väärennettyä signaalia voidaan käyttää vastaanottimen harhautukseen, jolloin sen laskema sijainti tai aika ei pidä paikkaansa. Harhautukseen tarvitaan osaamista ja erityistä laitteistoa, joten siihen kykenee lähtökohtaisesti vain ammattimainen toimija. Viimeaikainen esimerkki GNSS-harhautuksesta on ollut rahtialusten sijainnin väärentäminen taloudellisten pakotteiden kiertämiseksi.
3. Miten varmistetaan, että tärkeät järjestelmät toimivat?
Satelliittipaikannuksen luotettavuutta varmistetaan monin tavoin. Yhteiskunnan turvallisuudelle kriittisillä toiminnoilla on aina omat varajärjestelmänsä, jotka mahdollistavat toiminnan, vaikka satelliittipaikannus takkuilisi. Esimerkiksi lentoliikenne ei yleensä ole pelkän GNSS-signaalin varassa, vaan sen navigointia varmistavat avustavat järjestelmät. Tilanne, jossa lentokone ei pääse laskeutumaan paikannussignaalin häirinnän takia, on poikkeuksellinen.
Myös tarkkuutta varmistetaan eri keinoin. Noin viiden metrin paikannustarkkuus riittää moniin paikkatietosovelluksiin, mutta vaikkapa lentoliikenne tai pelastustoimi tarvitsee luotettavaa ja tarkkaa sijaintitietoa.
Satelliittipaikannuksen tarkkuutta ja luotettavuutta parannetaan erilaisilla avustepalveluilla. Nämä perustuvat joukkoon tukiasemia, joiden sijainnit tunnetaan etukäteen tarkasti. Tukiasemat seuraavat GNSS-satelliittien signaalien laatua ja tuottavat eri käyttäjien tarvitseman avustetiedon reaaliajassa. Esimerkiksi Suomessa on Maanmittauslaitoksen ylläpitämä FinnRef-verkko, joka koostuu kymmenistä tukiasemista ja jonka tuottamilla korjauksilla voidaan saavuttaa senttimetriluokan paikannustarkkuus.
Erityisesti lentoliikenteen tarvitseman luotettavuuden takaamiseksi on olemassa myös satelliittipohjaisia avustepalveluita (SBAS, Satellite-Based Augmentation System), joiden dataa päivitetään maa-asemilta reaaliajassa. Ne kykenevät muutamassa sekunnissa varoittamaan esimerkiksi vikaantuneesta GPS-satelliitista.
4. Miten paikannuksen häiriöt näkyvät kansalaisille?
Satelliittipaikannusjärjestelmien häiriöt voivat näkyä paikannuksen virheinä tai ajoittaisina katkoina, jotka vaikuttavat niin älykelloon, auton navigaattoriin kuin koiran tutkapantaankin. Esimerkiksi hittipeli Pokemon Go on haavoittuvainen häiriöille, koska puhelimen sijainnilla on suuri merkitys pelissä.
Moni nykyaikainen kuluttajille suunnattu laite kuitenkin hyödyntää useita paikannusjärjestelmiä, kuten mobiiliverkkoa satelliittipaikannuksen rinnalla, joten vain harvoin häiriöt estävät laitteen toiminnan kokonaan. Paikannussignaalia häiritsee moni luonnollinen tekijä, kuten kaupunkiympäristön korkeat rakennukset.
Poikkeamien suuruus riippuu osittain häiriön voimakkuudesta, mutta myös paikannuslaitteen ominaisuuksista. Esimerkiksi Maanmittauslaitoksen käyttämät tarkkuusvastaanottimet lopettavat paikkaratkaisun tuottamisen huomattavasti nopeammin kuin laitteet, joiden tarkoitus on vain tuottaa yleinen arvio sijainnista. Jälkimmäisessä tapauksessa laitteen antaman paikkaratkaisun luotettavuus laskee ja se saattaa ”vaeltaa” tavallista enemmän, eli liikkua todellisen paikan ympärillä. Sijainti saattaa myös osoittaa täysin väärään paikkaan.
5. Miten tutkimus voi parantaa paikannuksen luotettavuutta?
Paikkatietokeskuksen tutkimustyön avulla kehitetään ratkaisuja GNSS-häirinnän seuraamiseen, havaitsemiseen, luokitteluun ja estämiseen. Tavoitteena on, että satelliittipaikannuksen käyttäjät voivat käyttää palvelua kaikkina aikoina ilman keskeytyksiä.
Tämän työn keskeisimpiä tuloksia on satelliittisignaalien laadunvalvontapalvelu GNSS-Finland, jonka avulla Suomessa saadaan tietoa satelliittisignaalin laadusta. Kyseessä on Paikkatietokeskuksen kehittämä kaikille avoin, valtakunnallinen ja jatkuvasti toiminnassa oleva satelliittisignaalien laadunvalvontapalvelu. Se perustuu radiosignaalien käyttöä Suomessa koordinoivan Liikenne- ja viestintävirasto Traficomin tilaamaan ja rahoittamaan tutkimukseen. Tavoitteena on hyödyntää tutkimuksen tuloksia ja sen yhteydessä tehtyä palvelua laajasti yhteiskunnassa.
Lisätietoja
professori Sanna Kaasalainen, Paikkatietokeskuksen navigoinnin ja paikannuksen osastonjohtaja, +358 29 531 4760
vanhempi tutkija Mika Saajasto, +358 29 531 4314, etunimi.sukunimi@maanmittauslaitos.fi