paikannus

Galileo-paikannussysteemissä on yllättävä ongelma – syyttävä sormi osoittaa Sveitsiin

Ke, 01/18/2017 - 15:59 Jari Mäkinen

Eurooppalainen Galileo-satelliittipaikannussysteemi on ollut nyt pari kuukautta normaalikäytössä, mutta se kärsii yllättäen omalaatuisesta viasta: sen atomikelloissa on ollut häiriöitä, jotka ovat johtaneet systeemin käyttökatkoksiin.

Kun Euroopan avaruusjärjestön ESAn pääjohtaja Jan Wörner piti tänään perinteisen vuoden alussa olevan lehdistötapaamisensa, nousi yksi asia yli muiden: juuri käyttöön otettu Galileo-satelliittipaikannusjärjestelmä on kokenut pieniä ongelmia.

Tai ei ihan niin pieniä: sen tärkeimmät osat, erittäin tarkat atomikellot, ovat osoittautuneet hankaliksi. Yhdeksän niistä on jo hajonnut.

Avaruuteen on lähetetty tähän mennessä 20 Galileo-järjestelmään kuuluvaa satelliittia, joista kaksi ensimmäistä kokeellista satelliittia ei ole enää toiminnassa, kaksi on laukaisussa tapahtuneen häiriön vuoksi väärällä radalla ja yksi satelliiteista on lakannut toimimasta.  

Käytössä on siis 15 satelliittia, mutta kun kaksi toimivaa, nyt testikäytössä väärällä kiertoradalla olevaa satelliittia lasketaan mukaan, on Galileo-kelloja avaruudessa kaikkiaan 72.

Kellojen määrä on näin suuri, koska jokaisessa satelliitissa on neljä atomikelloa: kaksi vetymaser- ja kaksi rubiinikidekelloa. Kumpienkin kellojen pääurakoitsija on sveitsiläinen SpectraTime -yhtiö, joka on toimittanut samankaltaisia kelloja myös Kiinaan ja Intiaan satelliitteihin asennettavaksi.

Vikatapauksia on ollut kaikkiaan neljässä Galileo-satelliitissa olevissa kymmenessä kellossa. Näistä yksi vikaantunut kello on saatu toimimaan uudelleen normaalisti. Koska kussakin satelliitissa on useampia kelloja, ovat satelliitit voineet kuitenkin jatkaa toimintaansa.

Galileo-sateliittien kelloja näkyvissä satelliittien rakentamisen aikana. Kuva: ESA / SSTL

Omituinen ongelma

Kello-ongelman ratkaisu on vaikea, sillä vikoja on ollut kummassakin kellotyypissä, eikä samanlaisia vikoja ole tavattu testikelloissa Maan päällä. Kellojen rakenne on periaatteessa kunnollinen, eikä siinä ei ole havaittu epäkohtia. 

Sen sijaan on mahdollista, että jokin vähemmän tärkeä osa satelliiteissa olevissa kelloissa on rikki, tai kun sitä käytetään jollain tietyllä tavalla, se rikkoontuu. Laboratoriossa on pyritty käyttämään testikelloja eri tavoilla, jotta vika saataisiin aikaan, mutta tämä ei ole onnistunut. Kaikki ovat toimineet hyvin.

Jotta avaruuteen ei lähetettäisi enempää mahdollisesti vikaantuvilla kelloilla varustettuja satelliitteja, on seuraavien neljän Galileo-satelliitin laukaisua lykätty ainakin  kolmella kuukaudella. Laukaisu oli suunniteltu ensi kesän loppuun, elo- tai syyskuuksi.

Galileo-ohjelmasta vastaavat haluavat selvittää kellojen ongelmat ennen seuraavia laukaisuita ja luonnollisesti pyrkiä välttämään avaruudessa jo olevien satelliittien kellojen vikaantumisen käyttämällä niitä mahdollisimman hellästi.

Niinpä myös marraskuussa laukaistujen neljän satelliitin 16 kelloa pyritään testaamaan avaruudessa mahdollisimman tarkasti, ennen kuin nämä satelliitit alkavat työt täysipainoisesti.

Maan päällä vielä olevien, myöhemmin laukaistaviin satelliitteihin asennettavien kellojen osia voidaan vaihtaa, mutta avaruudessa se ei luonnollisestikaan ole mahdollista. Siksi tarkoitus on löytää tapa käyttää kelloja siten, etteivät ne menisi rikki. Esimerkiksi sähkövirran jännitettä ja satelliittien sisälämpötilaa voidaan säätää hieman.

Muiden paikannussatelliittijärjestelmien (kuten GPS ja Glonass) operaattorit eivät ole kertoneet julkisesti ongelmistaan, mutta tiettävästi niilläkin on ollut samankaltaisia hankaluuksia kellojen kanssa. Niistä on päästy eroon juuri mm. lämpötilaa ja jännitettä säätämällä.

Tarkemmin kellojen ongemista kerrotaan mm. SpaceIntel-sivustolla.

Otsikkokuva: ESA

Video: Galileo-satelliittipaikannusjärjestelmä viimeinkin käytössä

Tätä on todellakin odotettu: pitkään rakenteilla ollut, ja vielä pitempään suunniteltu eurooppalainen satelliittipaikannusjärjestelmä Galileo otettiin virallisesti käyttöön 14. joulukuuta.

Kiertoradoillaan olevat Galileo-satelliitit ovat jo usean vuoden ajan olleet koekäytössä ja niiden tarjoamaa paikannustietoa on voitu käyttää, mutta vain ajoittain. Siihen, että tarkka sijainti saadaan määritettyä jossain päin maapallolla, tarvitaan neljä horisontin yläpuolella olevaa satelliittia. Kun satelliitteja on ollut nykyistä vähemmän taivaalla, on paikannus onnistunut vain ajoittain, mutta nyt 18 kiertoradalla olevalla satelliitilla jatkuva kattavuus on jo niin hyvä, että palvelu on voitu avata kaikkien käytettäväksi.

Yllä oleva video näyttää palvelun kattamisen ensin 9 satelliitilla ja sitten 11 satelliitilla. Nyt 18 satelliitilla peitto on jo lähes täydellinen.

Yhä edelleenkin toisinaan paikkatiedon saamiseen saattaa mennä hieman pitempään kuin toisilla käytössä olevilla satelliittipaikannussysteemeillä, amerikkalaisella GPS:llä tai venäläisellä GLONASSilla. Eurooppalaissysteemin antama paikkatieto sen sijaan on ainakin teoreettisesti tarkempi ja se kattaa paremmin hyvin pohjoiset ja eteläiset alueet, koska satelliittien kiertoratojen kaltevuus päiväntasaajan suhteen on suurempi ja Galileo-satelliitit kiertävät Maata korkeammalla.

Lopulta Galileo-järjestelmässä on 24 satelliittia, sekä niille varasatelliitteja. Silloin palvelu toimii koko ajan lähes kaikkialla.

Galileo-systeemi palvelee kolmella eri tavalla. Sen suurelle yleisölle näkyvin osa on ns. avoin palvelu, mikä tarkoittaa GPS-tyyppistä paikannuspalvelua, jota voidaan käyttää niin matkapuhelimilla kuin muillakin Galileo-signaalia vastaanottavilla navigointilaitteilla, joita on esimerkiksi autoissa, veneissä, laivoissa ja lentokoneissa. Jo nyt uusimmissa matkapuhelimissa on paikannuspiiri, joka pystyy käyttämään myös Galileo-signaalia. Galileon käyttö aktivoidaan tosin useissa tapauksissa vasta myöhemmin ohjelmistopäivityksillä – mutta Galileo-järjestelmä on valmis tukemaan myös matkapuhelimia tästä alkaen.

95% tuotannossa olevista paikannuspiireistä voi käyttää jo hyväkseen Galileon signaalia.

Galieo-konstellaatio

Toinen Galileon palvelumoodi on suunnattu vain viranomaisille. Se käyttää salattua signaalia, jota voi ottaa vastaan vain erityisillä, esimerkiksi poliisin sekä turvallisuus- ja pelastusviranomaisten käytössä olevilla laitteilla.

Kolmas palvelu on jo pitkään käytössä olleen pelastusmajakkasysteemi Cospas-Sarsatin tuleminen. Monissa lentokoneissa ja laivoissa on hätätilanteessa aktivoituva majakka, jonka signaalin satelliitit nappaavat ja välittävät tiedon pelastusviranomaisille. Galileon avulla tieto hätätilanteesta saadaan nopeammin ja majakan sijainti saadaan määritettyä tarkemmin: viive saattaa olla nyt vain 10 minuuttia aikaisemman kolmen tunnin sijaan, ja tarkkuus paranee noin 10 kilometristä viiteen kilometriin. Uusimmat hätämajakat ovat jo niin pieniä, että myös retkeilijät voivat kantaa niitä mukanaan.

Paikannustiedon lisäksi Galileon tärkeä palvelu on tarkka aikasignaali. Paikannustekniikka vaatii erittäin tarkkoja, avaruudessa olevia atomikelloja, ja satelliittien signaalissa on mukana aina erittäin tarkka aikatieto. Näin ollen monia maanpäällisiä tarkkaa aikaa vaativia toimia voidaan varustaa Galileosta saatavalla aikaleimalla. Tällaisia ovat esimerkiksi kansainväliset rahasiirrot. Monilla paikkakunnilla käytetään pysäköintimittareissa myös satelliittiaikaa.

Galileon kellojen epätarkkuus on vain noin 10 sekunnin miljardisosaa.

Olennaista Galileossa on myös se, että se on siviilien johtama satelliittipaikannusjärjestelmä. GPS ja Glonass, sekä kiinalaisten Beidou, ovat sotilasjärjestelmiä, ja niiden julkinen palvelu saattaa kärsiä sotilaallisen tilanteen mukaan. Vaikka Galileollakin on sotilaallista käyttöä, on sen hallinta kuitenkin Euroopan komission alaisuudessa. Järjestelmää on tehty yhdessä EU:n ja Euroopan avaruusjärjestön kanssa, ja sen käytännön operointi siirtyy ensi vuonna perustettavalle eurooppalaiselle satelliittinavigaatiotoimistolle (European Global Navigation Satellite System Agency).

Satelliitit auttavat metsureita

Avaruustekniikka auttaa säästämään puita, koska sen avulla metsien käyttöä voidaan optimoida aikaisempaa paremmin.

Satelliitteja voidaan käyttää apuna, kun metsiä kartoitetaan, metsureille lähetetään tarkkoja tietoja, metsäkoneita voidaan paikantaa tarkasti ja puiden kuljetuksia pystytään voidaan valvoa lähes reaaliajassa.

Irlantilainen Treemetrics -yhtiö on kehittänyt ESAn avustuksella monikäyttöisen laitteiston metsätoimia varten. Se käyttää hyväkseen satelliittipaikannusta ja niin satelliittipohjaista kuin matkapuhelinverkkojen kautta toimivaa tiedonsiirtoa.

Laite näyttää ensinnäkin hyvin tarkan kartan, mistä pystyy parhaimmillaan paikantamaan jopa yksittäiset puut, jotka tulee kaataa. Laite myös kertoo miten puut tulisi katkaista.

Samanaikaisesti tiedot työn edistymisestä ja harvesterin sijainnista siirretään internet-pohjaiseen järjestelmään, jolloin lähellä olevien muiden harvesterien toiminnat voidaan koordinoida siten, että tietyissä paikoissa olevat puupinot voidaan siirtää jouhevasti tienvarteen odottamaan kuljetusta.

Yksinään metsässä toimiville harvesterien omistajille laitteisto on hyödyllinen jo karttatoimintojensa ansiosta, mutta lisäksi se auttaa suojaamaan kallista konetta ryöstäjiä ja vahingontekijöitä vastaan.

Metsien omistajille systeemi puolestaan tarjoaa koko ajan täsmällistä tietoa siitä, kuinka paljon puita on kaadettu mistäkin.

Puutavaran ostajat, sahat ja paperitehtaat, voivat varautua tulossa olevaan puutavaraan etukäteen ja myös toivoa metsureilta tietyn tyyppistä puuta kysynnästä riippuen - milloin kaivataan bulkkia ja milloin taas laadukasta puuta.

ESA palkitsee ensimmäiset Galileo-paikantajat

Uuden eurooppalaisen Galileo-paikannussysteemin neljä ensimmäistä satelliittia laukaistiin avaruuteen vuosina 2001 ja 2012. Tämä oli minimimäärä satelliitteja, mikä vaaditaan paikantamiseen, mutta silti tuolloin Galileo oli vielä pienen askeleen päässä käyttöön ottamisesta.

Noin vuoden kestäneen työn jälkeen Galileon maalaitteistotkin olivat viimein käyttökunnossa, joten maaliskuun 12. päivänä 2013 tehtiin Galileo-systeemin ensimmäinen kunnollinen paikannus. Tämä tapahtui ESAn navigaatiolaboratoriossa ESTECissä, Alankomaissa, ESAn tekniikkakeskuksessa. Siitä tuli historian ensimmäinen paikka, joka tarkka sijainti tiedettiin myös Galileon määrittämänä.

Sen jälkeen systeemiä on testattu intensiivisesti. Nyt mukana työssä oli ESAn paikannusväen lisäksi myös navigoinnista kiinnostuneet tutkimuslaitokset ja teolliset yritykset, jotka ovat tuomassa markkinoille Galileo-paikannuslaitteita.

Niinpä ensimmäiset Galileo-paikantimet ovat nyt jo saatavilla ja ESA juhlistaa tätä antamalla kunniakirjat ensimmäisille, jotka onnistuvat nappaamaan taivaalta signaalin neljästä Galileo-satelliitista ja määrittämään niiden avulla sijaintinsa.

Tarkemmat tiedot vaadittavasta sijainninmäärityksestä ja kunniakirjakampanjasta on ESAn nettisivuilla.

Parempaan käyttöön Galileo tulee myöhemmin tänä vuonna, kun uusia satelliittia laukaistaan avaruuteen. Suunnitelmissa on laukaista kaksi Soyuz ST-B -kantorakettia vuoden toisella puoliskolla Kouroun avaruuskeskuksesta, ja kumpikin laukaisu veisi mukanaan kaksi satelliittia. Näin avaruudessa olisi vuoden lopussa jo kahdeksan satelliittia – näistä kaksi on ensimmäisiä testisatelliitteja ja kuusi jo lopullisia satelliitteja.

Lopulta Galileo-konstellaatioon kuuluu 30 satelliittia, joiden avulla järjestelmä toimii kaikkialla maapallolla. Jos kaikki sujuu hyvin, on Galileo täysin valmis vuonna 2020, mutta se olisi siis käytettävissä jo tästä vuodesta alkaen.

Testilaitteiden lisäksi kaupan hyllyille normaaliin myyntiin tarkoitettuja Galileo-paikannuslaitteita tulee myös markkinoille tästä vuodesta alkaen. Monet eri laitteisiin asennettavat satelliittipaikannuspiirit ovat jo teknisesti valmiita ottamaan vastaan Galileo-signaalia, mutta ne vaativat vielä ohjelmistopäivitykset toimiakseen.

Lue myös hyvä tietopaketti Galileosta!