Satelliittipaikannuksen nykytila ja kehitysnäkymät

Satelliittipaikannuksen hyödyntäminen on kasvanut voimakkaasti vuodesta 1995 lähtien, jolloin amerikkalainen GPS saavutti täyden toimintakunnon. 2010-luvulla GPS:n rinnalle on rakennettu vaihtoehtoisia satelliittipaikannusjärjestelmiä (GNSS), jotka mahdollistavat yhä kehittyneempien sovellusten ja toimintatapojen rakentamisen. Teknologiariippuvuus tuo kuitenkin mukanaan myös haasteita ja riskitekijöitä etenkin turvakriittisten järjestelmien toiminnalle.

Sijainti- ja aikatieto osana jokapäiväistä toimintaa

Tarkka ja luotettava sijaintitieto on olennainen osa erimerkiksi älykkäiden liikennejärjestelmien kehitystä. Satelliittipaikannusta voidaan hyödyntää kaikissa liikennemuodoissa maalla, merellä ja ilmassa. 

Satelliittipaikannusjärjestelmiä (GNSS) hyödynnetään muillakin teollisuuden aloilla: Pankki-, energia- ja televerkot käyttävät GNSS-signaaleista saatavaa hyvin tarkkaa aikatietoa järjestelmien eri osien synkronointiin, logistiikkayritykset optimoivat kaluston käyttöä sijaintitiedon perusteella ja mobiilisovellukset tarjoavat käyttäjille aikaan ja paikkaan sidottuja viihdepalveluita.
Satelliittipaikannuksen käyttäjät vaihtelevat yksittäisistä kansalaisista kokonaisiin logistiikkajärjestelmiin ja rakennetun infrastruktuurin turvajärjestelmiin. Sijainti- ja aikatiedon saaminen mielletään itsestään selviksi asioiksi, niistä on tullut lähes luonnonvakioita.

Satelliittipaikannukseen on vaihtoehtoja

Satelliittipaikannuksen peruspalveluita ovat kaikille avoimet sijainti- ja aikatiedot. Tällä hetkellä peruspalvelua tuottaa maailmanlaajuisesti neljä eri GNSS-järjestelmää: Galileo, GPS, GLONASS ja BeiDou. Kaikkien järjestelmien palvelut toimivat samalla periaatteella, mutta niiden suorituskyvyissä on jonkin verran eroa johtuen kunkin järjestelmän käyttämistä teknologiaratkaisuista.

Yllä olevassa taulukossa vertaillaan eri GNSS-järjestelmiä ja niiden peruspalveluiden suorituskykyä avoimessa maastossa. Usein käyttäjä on kuitenkin rakennetussa ympäristössä, jolloin toimintaolosuhteet satelliittipaikannukselle muuttuvat haastavammiksi. Mikä on GNSS-järjestelmien suorituskyky kaupunkien urbaaneissa kanjoneissa, metsissä ja muissa taivasnäkyvyydeltään rajallisissa paikoissa? Aiheesta on tehty useita tutkimuksia, mutta yksiselitteistä vastausta ei voida antaa. 

Miten toimintaympäristö vaikuttaa sijaintiedon tarkkuuteen?

Kriittisin tekijä sijaintitiedon tarkkuudelle on käyttäjän vastaanottimen näkemien satelliittien lukumäärä ja niiden välittämien vääristymättömien GNSS-signaalien saatavuus. Sijaintitiedon selvittämiseksi tarvitaan GNSS-signaali vähintään neljästä satelliitista samanaikaisesti. Esteitä sisältävässä ympäristössä satelliittien saatavuus heikkenee taivasnäkymää varjostavien elementtien vuoksi. Käytettävissä olevien satelliittien lukumäärän kasvattaminen parantaa todennäköisyyttä hyvälaatuisen sijaintitiedon saamiseen. Paras suorituskyky saavutetaankin rakentamalla useamman GNSS-järjestelmän satelliitteja yhtäaikaisesti käyttävä vastaanotin.

Satelliittien saatavuuden lisäksi sijaintitiedon tarkkuuteen vaikuttavat oleellisesti erilaiset vääristymät ja radiohäiriöt GNSS-signaaleissa. Urbaaneissa olosuhteissa rakennettu infrastruktuuri ja ympäröivät sähköiset laitteistot ovat yleisiä häiriölähteitä. Erilaiset pinnat aiheuttavat GNSS-signaalien heijastumia ja monitie-etenemistä. Myös ilmakehän eri kerrosten ominaisuudet, kuten ionosfäärin aktiivisuus, aiheuttavat vääristymiä signaaleihin.

Useamman eri taajuusalueen käyttö GNSS-signaalien lähetyksessä parantaa järjestelmien häiriösietoisuutta ja mahdollisuutta korjata signaalivääristymiä vastaanottimissa. Monitaajuista GNSS-signaalia siviilikäyttöön tuottaa toistaiseksi vain Galileo-järjestelmä. Myös GPS-järjestelmä on siirtymässä useamman taajuuden käyttöön signaloinnissa vähitellen, kun sen satelliitteja korvataan seuraavan sukupolven laitteilla.

Onko suorituskyvyn rajat jo saavutettu?

Yhä vaativammat sovelluskohteet tarvitsevat yhä parempaa tarkkuutta. Perinteisestä metriluokan paikannustarkkuudesta on alkanut tulla pullonkaula sovelluskehityksessä muun ympäröivän teknologian suorituskyvyn parantuessa. Toiminta- ja turvallisuuskriittiset järjestelmät vaativat suurta luotettavuutta ja häiriösietoisuutta.

Kasvaneet odotukset suorituskyvylle huomioitiin, kun Galileon kehitys aloitettiin Euroopassa 2000-luvun loppupuolella. Tehdyillä teknologiavalinnoilla, kuten satelliittisignaalin lähettämisellä kahdella eri taajuudella, haettiin parannusta tunnistettuihin haasteisiin olemassa olevien GNSS-järjestelmien hyödyntämisessä. Euroopassa päädyttiin avoimuuteen myös muiden kuin peruspalveluiden tarjoamisessa. Tämän ansiosta Galileo tarjoaa laadukkaiden peruspalveluiden lisäksi erityispalveluita neljässä eri kategoriassa.

Tarkkuuspalvelu (HAS)

High Accuracy Service (HAS) -palvelu tuottaa käyttäjälle sijaintitiedon noin 20 cm:n tarkkuudella. Korkean tarkkuuden sijaintitieto mahdollistaa entistä vaativampien sovelluskohteiden toteuttamisen. Esimerkiksi autonomisten ja etähallittavien työkoneiden käyttö hyötyy merkittävästi palvelun tarjoamasta korkeammasta tarkkuudesta.

Todennuspalvelut (OS-NMA ja CAS)

Peruspalveluiden luotettavuutta parantamaan Galileo tarjoaa eritasoisia todennuspalveluita, joilla tarvittaessa voidaan varmentaa, että vastaanotetut GNSS-signaalit todella tulevat Galileo-satelliiteista. Sekä kaikille avoin todennuspalvelu OS-NMA (Open Service Navigation Message Authentication) että kaupallinen todennuspalvelu CAS (Commercial Authentication Service) perustuvat salattuun satelliittisignaaliin. Tällä vaikeutetaan kolmannen osapuolen aiheuttamaa signaalien väärentämistä ja harhauttamista.

Viranomaispalvelu (PRS)

Galileon julkisesti säännellyn satelliittipalvelun (Public Regulated Service, PRS) eli viranomaispalvelun on tarkoitus tuottaa sähköisesti ja toiminnallisesti varmistettua, jatkuvaa sijainti- ja aikatietoa EU:n jäsenvaltioille elintärkeisiin toimintoihin kaikissa olosuhteissa – myös kriisitilanteissa. Tällaisia käyttäjäryhmiä ovat esimerkiksi teleyritykset, pankit, erilaiset liikenteen ja logistiikan toimijat, poliisi, pelastustoimi, puolustusvoimat, rajavartiolaitos ja tulli.

Tuki maailmanlaajuiselle etsintä- ja pelastuspalvelulle (SAR)

Galileo-satelliitteihin on rakennettu tuki maailmanlaajuista Cospas-Sarsat-hätäsignaalijärjestelmää varten. Galileon SAR-pelastuspalvelu pystyy toimittamaan hätäsignaalin lähettäjälle kuittauksen siitä, että signaali on vastaanotettu pelastuskeskuksessa. Näin hätäviestin lähettäjä saa varmuuden siitä, että pelastustoimet ovat käynnistyneet. Galileon SAR-palvelun käyttöön tarvitaan erityinen hätälähetin, joka aktivoidaan hätätilanteessa.

Sovellusmahdollisuudet nyt ja tulevaisuudessa

Nykyisten GNSS-järjestelmien tarjoama muutaman metrin sijaintitiedon tarkkuus riittää hyvin moniin perinteisiin sovelluksiin kuten karttanavigointiin ja logistiikkajärjestelmien tavaranseurantaan.

Kehittyneet sovellukset kuten laitteiden autonominen liikkuminen vaativat sovelluksesta riippuen alle metrin sijaintitiedon tarkkuutta. Avoimessa maastossa Galileon kehittyneet peruspalvelut ja uusi tarkkuuspalvelu pystyvät hyvinkin vastaamaan näihin vaatimuksiin.

Kaupunkimaisissa olosuhteissa vaatimukset sijaintitiedon tarkkuudelle kasvavat edelleen ja toisaalta satelliittipaikannuksen toimintaympäristö vaikeutuu huomattavasti. Luotettavan, alle metrin sijaintitiedon tarkkuuden saamiseksi urbaaneissa katukuiluissa ja muissa vastaavissa ympäristöissä tarvitaan käytännössä GNSS-järjestelmien tueksi muita menetelmiä kuten televerkkoihin tukeutuvaa paikannusta tai erilaisista sensoreista koottavan informaation hyödyntämistä.

Sisätiloissa satelliittipaikannus ei toimi, koska taivaalta tulevat radiosignaalit ovat liian heikkoja läpäisemään rakennusten kattorakenteita. Sovellusten käytettävyyden kannalta olisi kuitenkin keskeistä löytää keino saumattomaan siirtymään ulko- ja sisätilapaikannuksen välillä.

GNSS-järjestelmien tuottama aikatieto riittää tarkkuudeltaan hyvin esimerkiksi pankki- ja energiasektorin järjestelmäosien synkronointiin. Televerkkojen alati kasvavat tiedonsiirtonopeudet vaativat tiukempaa aikasynkronointia verkon osien välillä ja selvästi hyötyvät GNSS-järjestelmien kehityksestä.

Toiminta- ja turvakriittisissä sovelluskohteissa teknologiaan tukeutuminen pienentää inhimillisen virheen mahdollisuutta, mutta toisaalta kasvattaa järjestelmähäiriön aiheuttamaa riskiä. Galileon todennuspalvelut tuovat kaikkien käyttäjien saataville mahdollisuuden satelliittipaikannuksen luotettavuuden varmistamiseen ja mahdollisten pahantahtoisten häirintäyritysten tunnistamiseen.

Kokonaisuudessaan satelliittipaikannuksen tulevaisuuden näkymät ovat positiiviset: GPS:n rinnalle rakennettujen vaihtoehtoisten järjestelmien hyödyntäminen yleistyy vauhdilla, palveluiden suorituskyky on parantunut ja GNSS-järjestelmien merkittävyys on tunnistettu, mikä lupaa resursseja niiden ylläpidolle ja kehitykselle myös jatkossa.