Global Positioning System
DGPS=differentiaalikorjattu GPS
6.2.6 DGPS ja suhteellinen paikannus
DGPS eli differentiaalinen GPS tarkoittaa menetelmää, jossa käytetään hyväksi toista tunnetussa pisteessä olevaa vastaanotinta paikannuksen tarkentamiseksi. Tätä vastanotinta kutsutaan tukiasemaksi (Base Station). Yksinkertaistettuna voidaan sanoa tukiaseman mittaavan jatkuvasti paikannuksen poikkeamaa oikeista koordinaateista. Tosiasiassa korjaukset tehdään yleensä koordinaattien sijasta tarkkailtavien satelliittien etäisyyksiin, jolloin käyttäjän laite voi vapaasti valita käyttöönsä parhaat satelliitit kaikista näkyvistä.
Tukiasemana käytetään yleensä 12-kanavaista hyvälaatuista vastaanotinta, jonka antenni on sijoitettu mahdollisimman katveettomaan paikkaan. Vastaanotin pystyy kiertoratatietojen ja oman sijaintinsa perusteella laskemaan tarkat etäisyydet satelliitteihin. Kun se samalla myös mittaa etäisyydet normaalin paikantimen tavoin, saadaan mitatun ja lasketun etäisyyden erotuksena (differentiaali) selville etäisyyksiä häiritsevät virheet. Jos erotuksilla korjataan tuntemattomassa pisteessä (eli varsinaisella mittauslaitteella) havaittuja satelliittien etäisyyksiä, saadaan korjattujen etäisyyksien avulla koordinaatit laskettua oleellisesti tarkemmin.
Jos tukiasema sijaitsee parin sadan kilometrin säteellä varsinaisesta mittauslaitteesta, niin virheet sekä tukiaseman että käyttäjän GPS-laitteen vastaanottamassa signaalissa ovat todennäköisesti hyvin lähellä toisiaan. Korjaus siis olettaa, että paikannusvirhe mittausvastaanottimessa ja tukiasemassa on sama.
Differentiaalikorjauksen ansiosta päästään C-koodia hyödyntävässä paikannuksessakin parhaimmillaan alle metrin paikannustarkkuuksiin. Differentiaalikorjauksen tarve on kuitenkin vähentynyt tahallisen häirinnän poistumisen myötä. Korjaus voidaan järjestää mittausvastaanottimen ns. reaaliaikaisena korjauksena tai se voidaan tehdä jälkikäteen.
Jälkikäteiskorjaus
Jälkikäteiskorjauksessa (postprocessing) tukiaseman mittaamat poikkeamat satelliittien etäisyyksissä talletetaan tiedostoiksi, ja tietojen avulla lasketaan havaintovastaanottimen sijainteihin korjaus jälkikäteen. Jälkikorjausdataa saa esimerkiksi HAMK:n Evon tukiasemalta Internetin välityksellä. Myös Geodeettinen laitos pitää yllä korjausdataa keräävä havaintoasemaverkkoa.
Differentiaalikorjauksen tarkkuus huononee kun havaintolaitteen etäisyys tukiasemasta kasvaa. Alle metrin tarkkuuksiin pääseminen edellyttää yleensä alle 50 km etäisyyttä tukiasemasta. Yhteisvaikutuksena paikannustarkkuuden voidaan arvioida heikentyvän 30 cm jokaista 100 km kohti. Maksimietäisyydeksi suositellaan yleensä 500 km:ä. Mikäli etäisyys on tätä suurempi, tulee mittausvastaanottimen horisonttimaskia yleensä nostaa. Korjauksen onnistumiseksi tulee korjausvastaanottimen ja mittauslaitteen näet seurata samoja satelliitteja.
Mikäli etäisyys tukiasemaan on suuri tai tarkkuusvaatimus korkea, voi käyttäjä perustaa oma tukiaseman. Tukiasema on itse asiassa ainoastaan hyvälaatuinen GPS-vastaanotin, jonka antenni sijoitetaan mahdollisimman tarkasti tunnettuun pisteeseen. Antennin ympärillä ei saa olla katveita aiheuttavia maastoesteitä, puita tai rakennuksia. Mikäli mittausaika on lyhyt (muutamia tunteja) riittää laitteiden oma muisti ja virtalähde, ja tukiaseman voi pystyttää vaikkapa korkeuskiintopisteelle maastoon.
Korjaustiedon tallennusväli on säädettävissä. Paras tulos saavutetaan luonnollisesti suurimmalla taajuudella (1 korjaustieto sekunnissa). Muistitilan tarve ja tiedostokoko kuitenkin kasvavat. Mikäli korjaustietoa talletetaan esimerkiksi ainoastaan kerran kymmenessä sekunnissa, tulee mittausvastaanottimen havaintointervallien olla tämän monikertoja (1, 10, 20 jne). 10 sekunnin välein talletettu korjausdatakin voidaan tosin muuntaa ohjelmallisesti jäljittelemään sekunnin välein tallennettua tiedostoa, mutta tällöin väliarvot interpoloidaan.
Pysyvä tukiasema vaatii luonnollisesti tietokoneen kiintolevyn massamuistiksi. WWW-palvelinohjelmiston avulla korjaustiedostojen jakelu on mahdollista hoitaa internetin välityksellä.
Reaaliaikainen korjaus
Korjaustieto voidaan lähettää mittauslaitteelle myös radioteitse. Mittauslaitteen tulee tällöin olla varustettu RTCM-korjausvastaanottimella.
Kuva 1. Differentiaalikorjauksen toimintaperiaate (Dana)
Kuva esittää reaaliaikaisen DGPS-järjestelmän toimintaa. Sekä tunnetussa pisteessä oleva GPS-laite että käyttäjän paikannin ovat yhteydessä samoihin satelliitteihin. Tunnetussa pisteessä oleva laite lähettää virheen satelliittien etäisyyksissä käyttäjälle radiolinkin avulla ja käyttäjän vastaanotin "vähentää" virheet omasta paikannustiedostaan.
Reaaliaikaisessa korjauksessa on aina muutaman sekunnin viive, joten jälkikäteiskorjaus antaa periaatteessa tarkempia tuloksia. Mikäli viive on alle 10 sekuntia, ei korjauksen tulos kuitenkaan kärsi kohtuuttomasti.
Korjaustiedon lähettäminen on mahdollista useilla taajuusalueilla. Yleisradion lähetysverkon (Digita) Focus-palvelu lähettää korjausdataa kaikkialla Suomessa Radio Suomen taajuuksilla RDS-palveluna. Myös Merenkulkulaitoksella on järvi- ja merialueet kattava DGPS-palvelu.
Kansainväliseen käyttöön on tarjolla palveluita, joissa reaaliaikainen korjaus lähetetään käyttäjälle satelliitin välityksellä. Itse korjausdatan välittäminen ei ole ongelma, mutta tukiasemien verkko saattaa olla käyttäjän kannalta liian harva.
Kuluttajien käytössä Yhdysvalloissa ja Kanadassa on satelliittiperustainen ns. WAAS-järjestelmä (Wide Area Augmentation Service), jota kykenevät hyödyntämään myös huokeat GPS-laitteet. Järjestelmän laajentaminen Eurooppaan on suunnitteilla.
Suhteellinen paikannus
Mikäli GPS-järjestelmää hyödynnetään sentti- tai jopa millimetrintarkkaan paikantamiseen, käytetään suhteellisia paikannusmenetelmiä. Niissäkin käytetään toista tai jopa useampaa tunnetussa pisteessä olevaa paikanninta hyväksi, mutta koodien vaihe-eron sijasta mitataan kantoaallon vaihe-eroa.
Suhteelliset menetelmät edellyttävät yleensä häiriötöntä yhteyttä satelliitteihin, pidempiä mittausaikoja ja raskaampaa jälkikäteislaskentaa. Toisaalta paikantimien välinen etäisyys voidaan laskea jopa millimetrien tarkkuudella, joten laitteistojen käyttö on yleistä maanmittaussovelluksissa.
Tästä pääset Hämeen ammattikorkeakoulun Evon GPS-tukiasemalle, jolta saat korjaustiedostot Internetin välityksellä.
Hyödyllistä tietoa reaaliaikaisesta korjauksesta löydät Digita Oy:n sivuilta.
.
RTCM=Radio Technical Commission for Maritime Services
YLE:n Focus-palvelu käyttää hyväkseen koko Ylen lähetysverkkoa. Korjausvastaanottimia on seuraavilla paikkakunnilla (syksy -02):
-
Vuotso
-
Hyvinkää
-
Seinäjoki
-
Joensuu
-
Oulu
-
Kiiminki
Maanmittareiden laitteistot mittaavat koodin vaiheen sijasta kantoaallon vaihetta.