Satelliittimittaus eli GPS-mittaus

Satelliittimittaus on satelliittipaikannusjärjestelmien avulla tehtävää sijainnin määrittämistä. Satelliittimittauksesta käytetään perinteisesti termiä GPS-mittaus, mutta sen sijaan nykyään voidaan puhua myös maailmanlaajuisesta GNSS-mittauksesta (Global Navigation Satellite System). Tällöin sijainnin määrittämiseen käytetään GPS-järjestelmän lisäksi muitakin satelliittipaikannusjärjestelmiä.

Paikanmääritys 

Satelliitit lähettävät radiosignaaleja eri taajuuksilla. Signaalien kantoaaltoihin on lisätty binäärikoodeja, joiden avulla paikanmääritys voidaan tehdä. Satelliittipaikanmääritys jaetaan absoluuttiseen, differentiaaliseen ja suhteelliseen paikanmääritykseen.

Absoluuttinen paikanmääritys

Absoluuttinen paikanmääritys tehdään yksittäisellä vastaanottimella, esimerkiksi käsinavigaattorilla, joka vastaanottaa satelliitin lähettämän signaalin. Tällöin käytetään pääasiassa signaalien C/A-koodihavaintoja (Coarse acquisition). Kun vastaanotettua koodia verrataan navigaattorissa generoituun koodiin, selviää signaalin kulkuaika, josta puolestaan selviää etäisyys satelliittiin. Vastaanottimen paikka voidaan määrittää, koska tieto satelliittien paikoista on välitetty signaalin mukana. Paikanmääritys vaatii vähintään neljä satelliittia.

Differentiaalinen paikanmääritys

Differentiaalinen paikanmääritys eli DGPS pienentää paikanmäärityksen virheitä differentiaalikorjauksen avulla. Korjaukset välitetään vastaanottimelle radion tai matkapuhelimen välityksellä.

Suomessa differentiaalikorjausta välittää muun muassa Merenkulkulaitos. DGPS-korjausta välittää myös Geotrim Oy, joka käyttää GSM/GPRS-yhteyttä VRS-verkossa.

Suhteellinen paikanmääritys

Suhteellinen paikanmääritys perustuu satelliittien signaalien kantoaallon hyväksikäyttöön. Paikanmääritykseen tarvitaan vähintään kaksi vastaanotinta, joista toinen on koordinaateiltaan tunnetulla pisteellä. Mittauksessa määritetään koordinaattieroja vastaanottimien välillä.

Vastaanottimen lukittuessa satelliitin signaaliin vastaanotin mittaa sen hetkisen kantoaallon vaiheen. Tästä hetkestä eteenpäin vastaanotin alkaa laskea signaalin tulevien kokonaisten aallonpituuksien lukumäärää. Kun satelliitti liikkuu radallaan, sen etäisyyden muutos näkyy vastaanottimen laskemien saapuneiden aallonpituuksien lukumäärässä. Kun useampaa satelliittia on havaittu jonkin aikaa, aallonpituuksista voidaan laskea satelliitin etäisyys vastaanottimesta.

Suhteellisen paikanmäärityksen tärkeimmät sovellukset ovat staattinen GPS-mittaus ja RTK-mittaus.

• Staattinen GPS-mittaus tapahtuu jälkilaskentana ja soveltuu esimerkiksi tarkkojen kiintopisteverkkojen mittaamiseen ja erilaisiin deformaatiomittauksiin.
• RTK-mittauksessa, eli reaaliaikaisessa kinemaattisessa (Real Time Kinematic) mittauksessa laskennat voidaan suorittaa reaaliajassa. Tämä tarkoittaa sitä, että mitattujen pisteiden koordinaatit saadaan heti mittaushetkellä. RTK-mittauksessa tunnetulla pisteellä olevan vastaanottimen ja kartoitusvastaanottimen välille tarvitaan tiedonsiirtoyhteys.

Verkko-RTK-mittaus

Perinteisen RTK-mittauksen on viime vuosina korvannut kiinteisiin tukiasemiin perustuva verkko-RTK-menetelmä. Suomessa ja Maanmittauslaitoksella on käytössä virtuaalinen VRS-menetelmä (Virtual Reference Station). Menetelmässä kartoitusvastaanottimen lähelle luodaan virtuaalinen tukiasema, joka määrittyy kiinteän tukiasemaverkon havaintojen ja erilaisten virhelähteiden mallinnuksen avulla.

Mittaaminen VRS-verkossa

• Kartoitusvastaanotin (mittaaja) lähettää sijaintinsa VRS-laskentakeskukseen GSM/GPRS-yhteyttä käyttäen.
• Laskentakeskus muodostaa virtuaalisen tukiaseman mittaajan paikkaan.
• Laskentakeskus sijoittaa virtuaaliseen tukiasemaan lähimmän todellisen tukiaseman havaintodatan, sekä määrittää ja interpoloi havaintoihin virtuaalitukiaseman paikassa vaikuttavat virhelähteet.
• Tämän jälkeen laskentakeskus aloittaa RTK-korjauksen lähettämisen kartoitusvastaanottimelle ikään kuin se tulisi tukiasemalta, joka sijaitsisi aivan mittauspaikan vieressä.

Tällaisella verkkomenetelmällä päästään perinteistä RTK-menetelmää parempaan tarkkuuteen, sillä etäisyydestä johtuvasta virheestä päästään eroon lähes kokonaan. Lisäksi menetelmä tuo myös kustannus- ja aikasäästöä, koska omasta tukiasemasta ja sen pystyttämisestä voidaan luopua.

Virhelähteet paikannuksessa 

Satelliittipaikannukseen vaikuttavat monet häiriötekijät, joita kutsutaan virhelähteiksi.

• Suurin virhelähde on tällä hetkellä ilmakehä. Ilmakehän ionosfääri ja troposfääri vaikuttavat satelliitin signaaliin etenemisnopeuteen ja sitä kautta ilmenevät virheenä satelliittien etäisyydessä.
• Auringon aktiivisuus vaikuttaa Maapallon ionosfääriin ja se vaihtelee 11 vuoden jaksoissa. Tällä hetkellä auringon aktiivisuus on lisääntymässä kohti maksimia, joka on odotettavissa vuonna 2013.
• Muita virhelähteitä ovat mm. satelliittien radanmäärityksen ja kellon virheet, vastaanottimesta johtuvat virheet ja monitieheijastukset (Paikannussatelliitin signaali ei pääse suorinta tietä vastaanottimen antenniin, vaan on heijastunut jostakin esineestä tai pinnasta).
• Satelliittigeometria, eli satelliittien keskinäinen sijainti taivaalla vaikuttaa paikannuksen tarkkuuteen. Matemaattisesti satelliittigeometrian hyvyys tai huonous ilmaistaan DOP-luvuilla (Dilution Of Precision). Mitä pienempi luku, sitä pienempi on satelliittigeometrian vaikutus paikannuksen tarkkuuteen. Satelliittigeometria on riittävän hyvä, kun yleisimmin käytetty PDOP-arvo (Position DOP) on alle 6.

Absoluuttisessa paikanmäärityksessä virheiden vaikutusta voidaan pienentää esimerkiksi ionosfääri- ja troposfäärimalleilla. Differentiaalisessa paikannuksessa eri virheistä päästään lähes kokonaan eroon määritettyjen korjausten ansiosta. Suhteellisessa paikannuksessa virhelähteet osin kumoavat toisensa laskentamenetelmästä johtuen, mutta kaksitaajuusvastaanottimilla voidaan ionosfäärin aiheuttama virhe määrittää ja eliminoida.

Paikannustarkkuus 

Taulukossa on annettu karkeat tarkkuusarviot eri paikannusmenetelmille. Erityisesti absoluuttisessa paikannuksessa tarkkuus voi heitellä huomattavasti mittauspaikasta, satelliittigeometriasta ja muista virhelähteistä johtuen.