Piensatelliittipaikannus LEO ja satelliittien radanmääritys Galileon avulla
Satelliittipaikannuksen eli GNSS:n (Global Navigation Satellite Systems) nykyiset haasteet ja haavoittuvuus ovat nopeuttaneet kehitystä kohti tarkempaa, turvallisempaa ja luotettavampaa paikannusta. Yksi osa tätä kehitystä ovat uudet matalan kiertoradan (alle 2 000 km) Low Earth Orbit (LEO) -piensatelliitit.
Näitä satelliitteja käytetään jo nyt mm. tietoliikenteeseen, mutta tulevaisuuden LEO-satelliittipaikannus on räätälöity tuottamaan paikan- ja ajanmäärityksen tarpeisiin (Positioning, Navigation, and Timing - PNT) tarvittavaa signaalia.
LEO-pohjaisen satelliittikonstellaation etuja verrattuna nykyisiin GNSS-järjestelmiin on tutkittu viime aikoina paljon, ja niillä pystytään osittain kattamaan nykyisten GNSS-järjestelmien rajoitukset, kuten heikon signaalin tuottamat haasteet ja tarpeen avoimen ja suojaamattoman signaalin salaukselle. Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen (FGI) tutkijat ovat mukana kehittämässä uudentyyppistä LEO-GNSS-vastaanotinta, jonka tarkoitus on vastata tulevaisuuden paikannustarpeisiin yhteiskunnan kannalta kriittisissä sovelluksissa. LEO-PNT-vastaanotin on uusi tapa toteuttaa näiden sovellusten vaatima turvallinen, tarkka ja luotettava paikannus. Euroopan avaruusjärjestö (ESA) on käynnistänyt uuden LEO-PNT-ohjelman, jossa FGI:n tutkijat ovat mukana.
Paikkatietokeskuksen kehitteillä oleva LEO-PNT-vastaanotin on suunniteltu käytettäväksi maan pinnalla ja lisäksi sillä voidaan määrittää LEO-satelliittien paikkoja. Paikkatietokeskus tutkii myös LEO-satelliittien paikanmääritystä Galileo-datan avulla. FGI on kehittänyt tähän tarkoitukseen monitorointiaseman, jolla tallennetaan ja seurataan Galileon tarkkuuspalvelun (High Accuracy Service, HAS) tuottamaa reaaliaikaista korjaustietoa. Kuvassa 1 on kaavio seuranta-aseman rakenteesta. Näiden uusien menetelmien suorituskykyä seurataan ja parannetaan jatkuvasti.
FGI on myös kehittänyt reaaliaikaista LEO-satelliittien tarkkaa radanmääritystä (Precise Orbit Determination - POD). Tähän on käytetty Euroopan avaruusjärjestön (ESA) avoimesti saatavissa olevaa LEO-satelliittidataa. Galileo HAS-dataa voidaan käyttää LEO-satelliittien paikanmääritykseen ja siinä on päästy 28,5 senttimetrin tarkkuuteen kun käytössä on kahden taajuuden GNSS-vastaanotin (ks. kuva 1).
Kuva 1: Kinemaattisen radanmäärityksen tarkkuusvertailu LEO-satelliiteille. Radanmääritys on tehty SWARM LEO-satelliiteille käyttämällä kaksitaajuista GNSS-dataa ja Galileo HAS-korjauksia.
Olemme vertailleet radanmääritystä ilman HAS-palvelua tuotettuun ratatietoon. Tarkkuudeksi on parhaimmillaan saatu useita metrejä, joten Galileo HAS:in tuottama parannus on tässä merkittävä. Tästä syystä Galileo HAS:in käyttö radanmääritykseen on edistysaskel LEO-paikannuksen kehityksessä, koska tarkka radanmääritys on satelliittipaikannusjärjestelmien elinehto siitä huolimatta, että se harvemmin näkyy käyttäjille. Suomessa tätä kyvykkyyttä ylläpitää perinteisille GNSS-järjestelmille Maanmittauslaitos Metsähovin geodeettisella tutkimusasemalla. Käyttäjän kannalta näkyvin vaikutus tällä on paikannusvastaanottimen tarkkuudessa, joka riippuu olennaisesti satelliittien ratatiedon tarkkuudesta, ja tämän takia Galileo HAS:in avulla saadut tulokset ovat erittäin lupaavia.
Zahidul Bhuiyan
Fabricio Dos Santos Prol
Sanna Kaasalainen
Maanmittauslaitos
