Hur noggrann är GNSS-systemens positionsinformation?
Frågan om noggrannheten av den positionsinformation som GNSS-systemen genererar kan inte besvaras på ett entydigt och exakt sätt. Osäkerhet orsakas av bland annat förvrängning på grund av atmosfärens olika lager och utmaningar som beror på verksamhetsmiljön. Positionsinformationens noggrannhet påverkas alltså av många olika faktorer varav endast en del kan påverkas av användaren själv.
De som upprätthåller GNSS-system publicerar information om systemens prestanda varierat, och detta gör det svårare att jämföra systemen. Informationen om det europeiska systemets prestanda är ganska öppen och detaljerad, medan uppgifter om de övriga systemen meddelas lite mer otydligt. Följande kan anses vara en riktgivande uppskattning av den grundläggande noggrannhet vad gäller positionsinformation som de olika GNSS-systemen erbjuder:
- Galileo (EU): 1,5–2 meter
- GPS (USA): 2–4 meter
- GLONASS (Ryssland): 3–5 meter
- BeiDou (Kina): 1,5–10 meter
Uppskattningarna ovan kan anses vara basnivån för varje GNSS-system med vilken systemet skickar uppgifterna till slutanvändaren. På väg till slutanvändaren möter uppgifterna olika slags faktorer som leder till osäkerhet och försämrar noggrannheten av den positionsinformation som slutanvändaren ser. Ofta är noggrannheten som användaren upplever betydligt mer anspråkslös än systemets grundläggande noggrannhet.
Faktorer som orsakar osäkerhet i GNSS-positionsinformationen
GNSS-systemens verksamhet grundar sig på tidssignaler som sänds av satelliter som kretsar runt jorden. GNSS-mottagaren kan fastställa sin position nära marken när den tar emot tidssignaler från minst fyra satelliter samtidigt.
Fastställande av positionen stöder på två grundläggande antaganden:
- Positionen av satelliterna som kretsar runt jorden är känd med en noggrannhet på centimeternivå.
- Tidsuppgifter mellan satelliterna har synkroniseras med nanosekunders noggrannhet.
Grovt taget bildar dessa faktorer den basnivå av GNSS-systemets prestanda på vilken systemet tillhandahåller positionsinformation till användaren. Skillnaderna mellan de olika GNSS-systemens basnivå vad gäller prestanda beror huvudsakligen på deras förmåga att synkronisera tidsuppgifterna mellan satelliterna och fastställa satelliternas position i omloppsbanan. Till exempel är positionen av Galileo-systemets satelliter i omloppsbanan runt jorden känd med en noggrannhet på cirka 20 cm, och tidsuppgifterna mellan satelliterna har synkroniserats med en noggrannhet på under 15 nanosekunder. Med dessa utgångspunkter kan Galileo statistiskt och med 95-procentig täckning erbjuda positionsinformation med en noggrannhet på 1,7 meter överallt på jorden.
GNSS-satelliterna sänder radiosignaler från en höjd på cirka 23 000 kilometer, och dessa signaler hittar sin väg till användarens mottagare genom atmosfärens olika lager.
Mottagaren granskar tidsskillnaden mellan signalerna från satelliterna genom att först reda ut tiden som det tog för varje signal att sändas från satelliten till mottagaren. När signalhastigheten är standard (ljusets hastighet) kan man utifrån denna tid beräkna längden på den sträcka som varje signal färdades, dvs. satellitens avstånd från mottagaren. Användarens mottagare känner till satelliternas position utifrån innehållet i de signaler som satelliterna sänt och räknar ut positionsinformationen enligt ovan nämnda avstånd och satelliternas position.
Aktiviteten i atmosfärens lager, särskilt i stratosfären och jonosfären, leder till att radiosignalen böjs och ändrar signalens hastighet, vilket sedan förlänger tiden som det tar för signalen att färdas från satelliten till mottagaren. Till följd av detta uppstår det fel i satellitavstånden som mottagarna fastställer, och detta är synligt som osäkerhet i positionsinformationens noggrannhet.
Aktiviteten i atmosfärens olika lager varierar enligt tid på dygnet och årstid. Variationerna i jonosfärens aktivitet konkretiseras särskilt i de norra delarna av Finland som imponerande norrsken.
Satelliterna sänder radiosignaler från en avlägsen omloppsbana med en relativt låg effekt som motsvarar effekten av en LED-lampa på 100 watt. Störning av GNSS-system är som enklast att täcka denna svaga radiosignal med brus. Detta försvårar mottagarens funktion: om signalerna från satelliterna inte kan urskiljas från bruset är det inte heller möjligt att fastställa positionsinformationen. Störning och vilseledning av GNSS-system är alltid olagligt och mycket farligt.
Att vilseleda GNSS-system är mer diskret är störning. I stället för användning av brus innebär vilseledning att man härmar satelliternas radiosignaler så att mottagaren tror att den tar emot en autentisk radiosignal. Signalens informationsinnehåll ändras dock så att mottagaren genererar förvrängd positionsinformation för användaren.
Som en lösning på generering av tillförlitlig positions- och tidsinformation tillhandahåller EU:s Galileo-system OS-NMA- och CAS-autentiseringstjänster som är tillgängliga för alla och en PRS-tjänst som är riktad till myndigheter.
GNSS-mottagarna fungerar optimalt i öppen terräng utan material som täcker eller reflekterar radiosignalerna som satelliterna sänder.
Höga byggnader, lummiga träd eller andra element som begränsar sikten uppåt förhindrar satelliternas radiosignaler från att hitta sin väg till användarens mottagare. Detta kan som värst totalt förhindra genereringen av positionsinformation. Även partiell täckning av sikten uppåt begränsar det håll från vilka tillgängliga satellitsignaler kan komma. Detta minskar satellitgeometrin, vilket innebär att varje signal som mottagaren har tillgång till kommer från en snäv sektor. Den snäva satellitgeometrin betonar GNSS-systemets interna osäkerhetsfaktorer vad gäller fastställande av positionsinformation.
Klippor, byggnadernas väggar och andra hårda ytor i användarens närmiljö reflekterar radiosignaler från satelliterna så att mottagaren ser signalen två gånger eller tar emot signalen som inte färdats den direkta rutten. Detta orsakar ett fel i beräkningen av den positionsinformation som användaren ser.
Dessutom kan det i byggd miljö finnas defekta elektriska apparater som oavsiktligt stör mottagning av GNSS-signalen, såsom anordningar som används för avsiktlig störning.
En GNSS-mottagare av bra kvalitet har en noggrant planerad antenn och dess placering i förhållande till resten av apparaturen har övervägts grundligt. Även mottagartekniken har skyddats från störningar som resten av apparaturen kan orsaka.
Dålig planering eller en enhet som optimerats med tanke på andra användningsbehov kan enkelt göra GNSS-positionsinformationen tio gånger mer inexakt. Till exempel i en vanlig mobiltelefon är GNSS-antennen mycket liten, en komponent som installeras direkt på kretskortet, och är känslig för störningar. Dessutom täcker användare med sikte på himlen lätt antennen med sin egen kropp. Även navigatorerna i fordon är i många fall integrerade bland resten av fordonets elektronik. Behovet att använda GNSS-mottagaren uppstår ofta i byggd miljö. Detta är utmanande på grund av sikten uppåt och satellitsignalernas återspegling.
Positionsinformationens noggrannhet som användaren upplever
Om vi återgår till början och funderar på vad som är den noggrannhet som GNSS-systemen genererar vad gäller positionsinformation är det tydligt att det inte är enkelt att ge ett entydigt svar som utgörs av ett enda nummer. Trots att själva GNSS-systemets interna osäkerheter kan hanteras relativt väl påverkas noggrannheten av den positionsinformation som slutanvändaren får tillgång till av många osäkerhetsfaktorer som systemadministratören inte kan kontrollera.
GNSS-systemens anmälda prestanda anger basnivån på noggrannheten hos den tjänst som de tillhandahåller. Användaren kan uppnå denna basnivå när osäkerhetsfaktorer utanför systemet minimeras.
Den noggrannhet som slutanvändaren upplever bildas av GNSS-systemens grundläggande noggrannhet på vilken man lager för lager lägger till förvrängningarna som externa osäkerheter orsakat. Vissa av osäkerheterna, såsom kvaliteten på den mottagare som används, kan användaren påverka med sina egna val. Verksamhetsmiljön eller andra externa faktorer kan slutanvändaren ofta inte påverka.
Svaret på frågan om positionsinformationens noggrannhet kan alltså vara: ”GNSS-systemet generar de nödvändiga källuppgifterna för fastställande av positionsinformation med en noggrannhet på 1–2 meter, men i stadscentrum kan positionsinformationen som mobiltelefonen beräknar variera mellan 5–30 meter.”
Om slutanvändaren vill få positionsinformation av jämn kvalitet måste även hen överväga sitt val av terminal och planeringen av dess användning. GNSS-systemets administratör kan inte reparera dåliga val som användaren gjort. Om slutanvändarens verksamhetsmiljö orsakar alltför många osäkerhetsfaktorer som inte kan kontrolleras är det möjligt att utnyttja även andra metoder som stöd för GNSS-systemen när positionsinformationen genereras.
Mer information: gnss(at)traficom.fi