Satelliittinavigointijärjestelmät

Kuluttajille suunnattujen GNSS-sovellusten kumulatiivisen liikevaihdon arvioidaan olevan vuosina 2019-2029 noin 960 miljardia euroa, joka on globaalista GNSS-markkinasta noin 38%. Valtaosa kuluttajasegmentin GNSS-vastaanottimen sisältävistä laitteista on matkapuhelimia. Tulevina vuosina erilaisten puettavien laitteiden, kuten urheilukellojen, sekä erilaisten jäljittimien markkinan arvioidaan kasvavan merkittävästi.

Kuluttajasegmentin laitteissa sijaintitiedon saatavuuden lisäksi tärkeitä ominaisuuksia ovat alhainen virrankulutus ja laitteen käynnistämisen jälkeen sijaintitiedon nopea tuottaminen. GNSS-järjestelmien toimimattomuus sisätiloissa on selkeä ongelma.

Liikennejärjestelmät ovat satelliittipaikannusjärjestelmien merkittävin hyödyntäjä. Sovellusalueet jakautuvat karkeasti lisäarvoapalveluihin kuten esimerkiksi reittinavigointi ja turvallisuuskriittisiin sovelluksiin kuten liikenteenohjausjärjestelmät.

Tieliikenteessä GNSS-järjestelmien jokapäiväinen sovelluskohde on reittinavigointi, jota hyödyntävät kaikki käyttäjäryhmät yksityishenkilöistä ammattikuljettajiin ja viranomaistoimijoihin. Älyliikenteen sovellukset ovat nopeassa kehityksessä: Autonomisen ajamisen lisäksi monet kuljettajaa avustavat järjestelmät ja liikenteen seurannan sovellukset tukeutuvat GNSS-perustaiseen sijaintitietoon. GNSS-järjestelmien tuottamaa sijaintitietoa hyödynnetään myös kuljetuslogistiikassa rahdin ja kaluston seurannan sovelluksissa. Myös tiestön kulumista voidaan arvioida seuraamalla liikennemääriä ja raskaita kuljetuksia. 

Lentoliikenteessä ja lennonvarmistuksessa GNSS-järjestelmien hyödyntäminen on monipuolista. GNSS-järjestelmiä hyödynnetään muun muassa lentoliikenteen tulojonojen ja laskeutumisreittien optimoinnissa. Lentopaikan pitäjien ja lennonvarmistuspalvelujen tarjoajien on kuitenkin toteutettava tarvittavat toimenpiteet sen varmistamiseksi, että niillä on edelleen valmiudet tarjota palvelujaan muilla keinoin satelliittinavigaation häiriötilanteissa.

Miehittämätön ilmailu on voimakkaassa kasvussa ja markkinoilta odotetaan merkittäviä kaupallisia hyötyjä usealle elinkeinoalalle. Drone-operoinnissa tarkan sijainti- ja korkeustiedon saatavuus on ensiarvoisen tärkeää. Sen tuottamiseksi GNSS-järjestelmiä voidaan täydentää RTK-menetelmillä sekä sensoreihin perustuvalla inertiapaikannuksella.

Raideliikenteessä Suomessa satelliittipaikannusta käytetään junien kulkutietojen tuottamiseen. Valtaosa junista on nykyisin varustettu GNSS-paikantimilla, jotka välittävät sijaintitiedon aikataulujärjestelmään. Myös radantarkastuspalvelut ja radanpidon ominaisuustietojen ylläpito hyödyntävät GNSS-paikannusta.

Merenkulussa alusten sijainnin määritys tukeutuu varsinkin avomerellä GNSS-järjestelmiin. Rannikko- ja sisävesiliikenteessä sijaintitiedon tuottamiseen hyödynnetään lisäksi rinnakkaisia menetelmiä, kuten esimerkiksi tutkajärjestelmiä. Sijaintitietoa käytetään merenkulussa paitsi aluksen omaan reittinavigointiin myös meriliikenteen tilannekuvan seurantaan ja liikenteenohjaukseen.

Logistiikassa GNSS-sovelluksille on paljon potentiaalisia käyttökohteita, kuten kaluston sijainnin reaaliaikainen seuranta. Kun kaluston sijainti on tiedossa, voidaan kuljetus- ja reittisuunnitelmia tarvittaessa muuttaa hyvinkin nopeasti. Myös lähetyserä- tai kollikohtainen seuranta on mahdollista reaaliaikaisena. Oikea-aikaisilla kuljetuksilla vähennetään välivarastojen tarvetta, tehostetaan tuotantoprosesseja ja parannetaan asiakaspalvelua. Logistiikassa tärkeää on ennustettavuus ja luotettavuus, jolloin oman sijainnin lisäksi tarvitaan reaaliaikaista ja usein paikannukseen perustuvaa tietoa liikenneruuhkista ja -häiriöistä.

Metsäteollisuuden raakapuukuljetukset perustuvat pitkälti satelliittipaikannukseen. Kun ajokone tuo puut metsästä tien varteen, merkitsee ajokoneen kuljettaja pinon paikan sähköisesti satelliittipaikannuksen avulla. Myös metsäkoneiden toiminnan ohjaaminen hakkuualueella vaatii tarkkaa sijaintitietoa: rajalinjojen tunnistaminen ja seuraaminen automaattisesti GNSS-paikannuksen avulla tehostaa työtä merkittävästi.

Maanrakennuksessa työkoneiden toimintaa automatisoidaan mallintamalla rakennettava kohde, esimerkiksi tien eritasoliittymä, suunnitteluvaiheessa kolmiulotteisesti ja siirtämällä malli työnohjausjärjestelmään. Rakennustyömaalla työkoneita avustetaan maantäytöissä ohjaamalla niiden toimintaa sijaintitietoon ja kohteen mallinnukseen pohjutuen. GNSS-pohjainen koneiden ohjaus tehostaa työskentelyä merkittävästi verrattuna manuaalisiin maanmittausmenetelmiin.

Maatalouskoneiden toimintaa voidaan avustaa sijaintitietoon perustuen: esimerkiksi lannotteiden annostelua pelloille voidaan optimoida automaatisesti seuraamalla traktorin liikkumista alueella. Samoin myös alueen kasvutiedoista ja -olosuhteista voidaan kerätä informaatiota traktoriin kiinnetyn mittausjärjestelmän ja GNSS-sijaintitietoon pohjautuen. Myös maatalouskoneiden autonomisen liikkumisen arvioidaan yleistyvän tulevina vuosina.

Kaikki tieto, jonka yhtenä ominaisuutena on sijainti, on paikkatietoa ja siinä sijainti ilmaistaan esimerkiksi osoitteella, alueen nimellä (kuten kunnan tai valtion nimi), tunnuksella (esim. kiinteistötunnus) tai koordinaateilla. Paikkatietoja ovat esimerkiksi tiedot rakennuksista, toimipisteistä, kunnista, luonnonsuojelualueista, säästä, rikoksista, onnettomuuksista, radion kuuluvuudesta, mobiilipuhelimien sijaintitiedoista ja liikenneväylistä sekä muiden muassa tilastotiedot. Paikkatietoa voidaan, sen sisältämän sijaintiominaisuuden ansiosta, hyödyntää ja yhdistää tehokkaasti erilaisilla paikkatietomenetelmillä monenlaisissa analyyseissä, suunnitelmissa ja kartoissa.

GNSS-järjestelmät ovat yksi merkittävimmistä lähteistä sijaintitiedon tuottamiselle erilaisissa paikkatietosovelluksissa.

Useat huoltovarmuudenkin kannalta kriittiset toiminnot, kuten tietoliikenneverkot, energiansiirtojärjestelmät sekä pankki- ja maksujärjestelmät tarvitsevat eri toimiyksiköiden välistä tarkkaa aikasynkronointia.

Tarkka aikasynkronointi voidaan toteuttaa erilaisten signalointijärjestelmien, kuten valokuituverkkojen, atomikellojen tai GNSS-järjestelmien tarjoamaan aikatietoon tukeutuen. GNSS-aikatiedon hyödyt korostuvat erityisesti televerkkojen sovelluksissa, joissa alati kasvavat tiedonsiirtonopeudet vaativat tiukempaa aikasynkronointia verkon osien välillä.

Hätäpuhelujärjestelmät

Pelastustoimessa keskeisimpiä tarpeita sijaintitiedolle on onnettomuuden paikantaminen ja pelastuskaluston perille ohjaaminen. Tyypillisesti tieto onnettomuuspaikan sijainnista välitetään pelastuskeskukselle hätäpuhelun yhteydessä. Valitettavan usein suullisesti välitetty sijaintitieto on kuitenkin  epätarkka tai jopa virheellinen, mikä vaikeuttaa avun perille ohjaamista. Sijaintitiedon automaattisesti välittävät hätäpuhelusovellukset ovat yleistymässä: esimerkiksi Suomessa käytössä oleva 112-sovellus välittää GNSS-järjestelmistä saatavan sijaintitiedon puhelun aikana pelastusviranomaisille.

Automaattisesti sijaintitiedon välittävien hätäpuhelusovellusten yleistymistä tukeakseen EU-lainsäädännössä on kaksi merkittävää hanketta:

• Vuonna 2018 EU-alueella tuli uusiin ajoneuvoihin pakolliseksi eCall-järjestelmä, joka välittää automaattisesti onnettomuuteen joutuneen ajoneuvon sijainti- ja liikkumistiedot pelastusviranomaisille.
• Maaliskuusta 2022 eteenpäin EU-asetus C/2018/8383 edellyttää kaikilta EU-alueelle myytäviltä matkapuhelimilta tukea E112-hätäpuhelupalvelulle, jossa tavanomaisen 112-hätäpuhelun yhteydessä välitetään automaattisesti soittajan GNSS-pohjainen sijaintitieto pelastusviranomaiselle

Tuki maailmanlaajuiselle pelastuspalvelulle

Eurooppalaisen Galileo-järjestelmän satelliitteihin on rakennettu tuki maailmanlaajuista Cospas-Sarsat-hätäsignaalijärjestelmää varten, jonka avulla hädässä oleva vesi- tai lentokulkuneuvo tai retkeilijä voi erityisen hätämajakan avulla välittää hätäsignaalin pelastusviranomaisille. Suomessa Cospas-Sarsat-yhteistyöstä vastaavana viranomaisena toimii Rajavartiolaitos.    

Viranomaiskäytössä GNSS-järjestelmien tuottamaa sijaintitietoa hyödynnetään johtamisjärjestelmissä tilannekuvan muodostamiseen ja liikkuvien yksiköiden koordinointiin. Lisäksi satelliittinavigointia hyödynnetään, samoin kuin yksityisellä sektorilla, eri liikkumismuotojen reittinavigointiin sekä mittaus- ja ohjausjärjestelmien aikasynkronointiin. Viranomaiskäyttäjiä ovat pelastustoimi, sosiaalitoimi, poliisitoimi, rajavartiolaitos, tulli, maanpuolustus sekä liikennejärjestelmätoimijat, hallinnon ympäristö- ja luonnonvaratoimialat, ilmatieteen laitos, tulvakeskus yleisradio ja kunnat.

Merkittävin ero GNSS-järjestelmien viranomaiskäytön ja yksityisen sektorin sovellusten välillä on vaatimus toiminnan jatkuvuudesta myös poikkeusolosuhteissa. Tämän vuoksi hallituksen talouspoliittinen ministerivaliokunta linjasi marraskuussa 2020, että Suomi ottaa vuoden 2024 aikana kansallisesti käyttöönsä eurooppalaisen Galileo-satelliittipaikannusjärjestelmän julkisesti säännellyn PRS-palvelun.

Satelliittipohjaiset tukijärjestelmät (SBAS, Satellite Based Augmentation System) on kehitetty täydentämään satelliittinavigointia maa-asemien, laskentakeskusten ja korjaustietoja välittävien satelliittien avulla. Ne tuottavat sijainninmääritykseen korjaus- ja luotettavuustietoa, joka tyypillisesti välitetään käyttäjille geostationäärisillä radoilla (GEO) olevien satelliittien kautta. Euroopan alueella on käytössä EU:n ylläpitämä EGNOS-järjestelmä, jonka nykyinen versio toimii GPS:n tukijärjestelmänä.

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) otettiin käyttöön vuonna 2009. EGNOS-järjestelmän 39 RIMS-asemaa (Ranging Integrity Monitoring Station) havainnoivat GNSS-signaaleja ja tuottavat sijainninmäärityksen korjaus- ja luotettavuustietoa Euroopan alueella. Tiedot välitetään käyttäjille kolmen geostationäärisen satelliitin tai vaihtoehtoisesti EDAS-verkkopalvelun kautta. Geostationääriset satelliitit näkyvät Suomessa matalalla eteläisessä horisontissa, mikä vaikeuttaa tukitietojen vastaanottoa.

EGNOSilla on kolme palvelua: avoin palvelu, ihmishengen turvaava palvelu sekä EDAS-tiedonjakopalvelu.

Mikä on EGNOS? 

DGNSS-palvelut perustuvat tarkasti tunnettuihin referenssiasemien sijainteihin, joiden avulla voidaan määrittää kuinka paljon GNSS-satelliitteihin tehdyt etäisyyshavainnot poikkeavat todellisesta etäisyydestä. Näitä etäisyyseroja kutsutaan DGNSS-korjauksiksi, jotka lähetetään edelleen käyttäjille tietoverkon kautta. Käyttäjän vastaanotin korjaa ensin havaitsemiaan etäisyyksiä näiden differentiaalikorjausten verran ja laskee sitten sijaintinsa normaalisti. DGNSS-korjauksia voidaan käyttää reaaliajassa.

Esimerkki DGNSS-palveluista on Maanmittauslaitoksen (MML) FINPOS-palvelu.

Tarkimmissa paikannus- ja navigointisovelluksissa käytetään kantoaallon vaihemittauksia ja alueellisia tukipalveluja kuten RTK (Real Time Kinematic), NRTK (Network Real Time Kinematic).

PPP-tekniikka (Precise Point Positioning) on kehittynyt nopeasti. Yhdessä monijärjestelmävastaanoton ja vastaanotinten hintojen alenemisen myötä se pystyy haastamaan perinteisen DGNSS (Differential Global Navigation Satellite System) -tekniikan tarjoten desimetritason navigointitarkkuutta reaaliajassa. Useat yritykset välittävät geostationääristen satelliittien kautta korjauspalveluja.

Galileon PPP-teknologiaan perustuva, kaikille avoin ja käyttömaksuton HAS-tarkkuuspalvelu tarjoaa valmistuessaan globaalisti 20cm:n paikannustarkkuuden.