Mikä on GNSS-järjestelmien sijaintitiedon tarkkuus?
GNSS-järjestelmien tuottaman sijaintitiedon tarkkuuteen ei ole yksiselitteistä ja tarkkaa vastausta. Epävarmuutta aiheuttavat muun muassa ilmakehän eri kerrosten synnyttämät vääristymät sekä toimintaympäristöstä johtuvat haasteet. Sijaintitiedon tarkkuutteen vaikuttavat siis monet eri tekijät, joista vain osaan käyttäjä voi itse vaikuttaa.
GNSS-järjestelmien ylläpitäjät julkaisevat järjestelmille suorituskykytietoja vaihtelevasti, mikä vaikeuttaa niiden vertailua. Eurooppalaisen järjestelmän suorituskyvystä tiedottaminen on varsin avointa ja yksityiskohtaista, kun taas muista järjestelmistä tietoja ilmoitetaan jonkin verran epämääräisemmin. Suuntaa antavana arviona eri GNSS-järjestelmien tarjoamasta sijaintitiedon perustarkkuudesta voidaan pitää:
- Galileo (EU): 1,5 - 2 metriä
- GPS (USA): 2 - 4 metriä
- GLONASS (Venäjä): 3 - 5 metriä
- BeiDou (Kiina): 1,5 - 10 metriä
Yllämainittuja tarkkuusarvioita voidaan pitää kunkin GNSS-järjestelmän perustasona, jolla järjestelmä lähettää tiedot matkalle loppukäyttäjää kohti. Matkalla loppukäyttäjän luokse tiedot kohtaavat erilaisia tekijöitä, jotka tuovat annoksen epävarmuutta heikentäen loppukäyttäjän näkemää sijaintitiedon tarkkuutta. Usein käyttäjän kokema sijaintitiedon tarkkuus onkin merkittävästi järjestelmän perustarkkuutta vaatimattomampi.
GNSS-sijaintitiedon epävarmuuden aiheuttajat
GNSS-järjestelmien toiminta perustuu maata kiertävien satelliittien lähettämiin aikasignaaleihin. GNSS-vastaanotin pystyy määrittämään sijaintinsa maan läheisyydessä, kun se vastaanottaa aikasignaalia vähintään neljältä satelliitilta samanaikaisesti.
Sijainnin määrittäminen tukeutuu kahteen perusolettamukseen:
- Maata kiertävien satelliittien sijainti tunnetaan senttimetrien tarkkuudella.
- Aikatieto satelliittien välillä on tahdistettu nanosekuntien tarkkuudella.
Karkeasti ottaen nämä tekijät muodostavat GNSS-järjestelmän suorituskyvyn perustason, jolla järjestelmä tarjoaa sijaintitietoa käyttäjälle. Eri GNSS-järjestelmien suorituskyvyn perustason erot johtuvat pääosin niiden kyvystä tahdistaa satelliittien välinen aikatieto ja määrittää satelliittien sijainti kiertoradalla. Esimerkiksi Galileo-järjestelmän satelliittien sijainti maata kiertävällä radalla tunnetaan noin 20 cm tarkkuudella ja satelliittien välinen aikatieto on tahdistettu alle 15 nanosekunnin tarkkuudella. Näillä lähtökohdilla Galileo pystyy tarjoamaan tilastollisesti yli 95 % kattavuudella 1,7 metrin sijaintitiedon tarkkuuden maapallon joka kolkassa.
GNSS-satelliitit lähettävät radiosignaalit noin 23 000 kilometrin korkeudelta ja ne matkaavat käyttäjän vastaanottimeen ilmakehän eri kerrosten läpi.
Vastaanotin tarkastelee satelliiteilta tulleiden signaalien välistä aikaeroa, joista selvitetään ensin aika, joka kesti kunkin signaalin saapumiseen satelliitilta vastaanottimelle. Signaalin nopeuden ollessa vakio (valonnopeus) voidaan kulkuajan perusteella laskea kunkin signaalin kulkeman matkan pituus eli satelliitin etäisyys vastaanottimesta. Käyttäjän vastaanotin tietää satelliittien sijainnit satelliitten lähettäminen signaalien sisällön perusteella ja laskee sijaintitietonsa edellä mainittujen etäisyyksien ja satelliittien sijaintien perusteella.
Ilmakehän kerrosten, erityisesti stratosfäärin ja ionosfäärin, aktiivisuus aiheuttaa radiosignaalin kaareutumista sekä muuttaa sen nopeutta ja näin pidentää sen kulkuaikaa satelliitista vastaanottimeen. Tämän seurauksena vastaanottimen määrittämiin satelliittien etäisyyksiin tulee virhettä, mikä näkyy epävarmuutena sijaintitiedon tarkkuudessa.
Ilmakehän eri kerrosten aktiivisuus vaihtelee eri vuorokauden ja vuoden aikojen mukaan. Ionosfäärin aktiivisuuden vaihtelu konkretisoituu erityisesti Suomen pohjoisosissa näyttävinä revontulina.
Satelliitit lähettävät radiosignaalit kaukaiselta kiertoradalta suhteellisen pienellä teholla, joka vastaa noin 100 watin ledilampun tehoa. GNSS-järjestelmien häirintä on yksinkertaisimmillaan tämän heikon radiosignaalin peittämistä kohinalla. Tämä vaikeuttaa vastaanottimen toimintaa: jos satelliittien lähettämää signaalia ei voi erottaa kohinasta, ei myöskään sijaintitietoa voida määrittää. GNSS-järjestelmien häirintä ja harhauttaminen on aina laitonta ja erittäin vaarallista.
GNSS-järjestelmien harhauttaminen on hienovaraisempaa kuin häirintä. Siinä kohinan sijasta matkitaan satelliittien lähettämää radiosignaalia niin, että vastaanotin luulee vastaanottavansa aitoa satelliittisignaalia. Signaalin tietosisältöä kuitenkin muutetaan niin, että vastaanotin tuottaa käyttäjälle vääristyneen sijaintitiedon.
Ratkaisuna luotettavan sijainti- ja aikatiedon tuottamiseen EU:n Galileo-järjestelmä tarjoaa kaikkien saataville OS-NMA- ja CAS-autentikointipalvelut sekä viranomaiskäyttöön kohdennetun PRS-palvelun.
Optimaalisesti GNSS-vastaanottimet toimivat avoimessa maastossa, jossa ei ole satelliiteista tulevaa radiosignaalia peittäviä tai heijastavia materiaaleja.
Taivasnäkymää rajoittavat elementit kuten korkeat rakennukset tai tuuheat puut estävät satelliittien lähettämien radiosignaalien etenemisen käyttäjän vastaanottimeen. Tämä voi pahimmillaan estää sijaintitiedon tuottamisen kokonaan. Osittainenkin taivasnäkymän peitto rajaa käytettävissä olevien satelliittisignaalien tulosuuntaa, mikä supistaa satelliittigeometriaa eli kaikki vastaanottimen käytettävissä olevat signaalit tulevat kapealta sektorilta. Suppea satelliittigeometria korostaa GNSS-järjestelmän sisäisiä epävarmuuksia sijaintitiedon määrittämisessä.
Käyttäjän lähiympäristössä olevat kovat pinnat kuten kalliot tai rakennusten seinät heijastavat satelliiteista tulevia radiosignaaleja, niin että vastaanotin näkee signaalin kahteen kertaan tai se vastaanottaa signaalin, joka on kulkenut suoraa reittiä pidemmän matkan. Tämä aiheuttaa virheen käyttäjän näkemän sijaintitiedon laskemisessa.
Lisäksi rakennetussa ympäristössä saattaa olla viallisia sähkölaitteita, jotka tahattomasti häiritsevät GNSS-signaalin vastaanottoa kuten tarkoitukselliseen häirintään käytetyt laitteet.
Hyvälaatuisessa GNSS-vastaanottimessa on tarkasti suunniteltu antenni ja sen sijainti suhteessa muuhun laitteistoon on valittu harkiten. Myös vastaanotinelektroniikka on suojattu muun laitteiston aiheuttamilta häiriöiltä.
Heikko suunnittelu tai muiden käyttötarpeiden lähtökohdista optimoitu laite voi helposti kymmenkertaistaa GNSS-sijaintitiedon epätarkkuuden. Esimerkiksi tavanomaisessa matkapuhelimessa GNSS-antenni on hyvin pieni, suoraan piirilevylle asennettava komponentti, joka on altis häiriöille ja jonka taivasnäkymän käyttäjä peittää helposti omalla kehollaan. Myös ajoneuvojen navigaattorit on monessa tapauksessa integroitu muun ajoneuvoelektroniikan lomaan. GNSS-vastaanottimen käyttötarve on usein rakennetussa ympäristössä, joka on haastava taivasnäkymän ja satelliittisignaalien heijastumien vuoksi.
Käyttäjän kokema sijaintitiedon tarkkuus
Jos palataan alkuun ja mietitään mikä on GNSS-järjestelmien tuottaman sijaintitiedon tarkkuus, yksiselitteistä yhden numeron vastausta on hankala antaa. Vaikka itse GNSS-järjestelmän sisäiset epävarmuudet ovat hallittavissa kohtuullisen hyvin, loppukäyttäjän kokemaan sijaintitiedon tarkkuuteen vaikuttaa moni järjestelmän ylläpitäjän hallinnan ulkopuolella oleva epävarmuustekijä.
GNSS-järjestelmien ilmoitetut suorituskyvyt kertovat niiden tarjoaman palvelun tarkkuuden perustason, jonka käyttäjä pystyy saavuttamaan, kun järjestelmän ulkopuoliset epävarmuustekijät minimoidaan.
Loppukäyttäjän kokema tarkkuus muodostuu GNSS-järjestelmien perustarkkuudesta, johon kerroksittain lisätään ulkoisten epävarmuuksien aiheuttamat vääristymät. Osaan epävarmuuksista, kuten käytettävän vastaanottimen laatuun, käyttäjä voi vaikuttaa omilla valinnoillaan. Toimintaympäristöönsä tai muihin ulkoisiin tekijöihin loppukäyttäjänkin vaikutusmahdollisuudet ovat usein heikot.
Vastaus kysymykseen sijaintitiedon tarkkuudesta voisikin olla: "GNSS-järjestelmä tuottaa tarvittavat lähtötiedot sijaintitiedon määrittämiseen 1-2 metrin tarkkuudella, mutta kaupungin keskustassa matkapuhelimen laskema sijaintitieto voi vaihdella 5-30 metrin välillä."
Halutessaan tasalaatuista sijaintitietoa myös loppukäyttäjän on käytettävä harkintaa päätelaitteen valinnassa ja sen käytön suunnittelussa. GNSS-järjestelmän ylläpitäjä ei voi korjata käyttäjän tekemiä huonoja valintoja. Mikäli loppukäyttäjän toimintaympäristö aiheuttaa liikaa hallitsemattomia epävarmuuksia, voidaan sijaintitiedon tuottamisessa hyödyntää GNSS-järjestelmien tukena muita menetelmiä.
Lisätietoja: gnss(at)traficom.fi