Eräs Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen perustehtävistä on koordinaatti- ja korkeusjärjestelmien luominen ja ylläpito Suomessa. Osana tätä toimintaa on seurata erilaisia tekniikoita, jotka tukevat paikannuspalveluita.

Nykyisin lukuisat yhteiskunnan infrastruktuurit ovat riippuvaisia satelliittipaikannuksen tuottamasta paikasta tai ajasta, joten sen toiminnan tarkkailu on tärkeää.

Niinpä suomalaistutkijatkin pitävät silmällä koko ajan GPS-signaalia.

Kun USA ja sen liittolaiset suorittivat sotilasoperaation Syyrian alueella 13. – 17. huhtikuuta, havaittiin suomalaisillakin mittalaitteilla GPS-signaalin voimakkuudessa olennaisia muutoksia.

Tuona ajankohtana  USA:n armeijan käyttämä salattu GPS L2 -signaali oli vahvempi, jolloin se toimii paremmin haastavissa ympäristöissä kuten kaupungeissa. 

Samalla avoimen normaalikäyttöön tarkoitetun siviilisignaalin voimakkuus heikkeni. Jos konfliktin aikaan tuntui siltä, että auton GPS toimi tavallista hitaammin, niin tässä on siihen selitys.

Kyseessä oli jo toinen satelliittilaukaisu Intiasta kahden viikon sisään.

Edellisellä lennolla, jolla käytettiin voimakkaampaa GSLV-rakettia, kyydissä ollut tietoliikennesatelliitti on edelleen mykkänä avaruudessa. Pian ongelmien ilmaantumisen jälkeen oli ilmassa epäilys siitä, että intialaiset odottelisivat vähän aikaa ja tutkisivat onnettomuuden syytä, mutta näin ei käynyt; rakettia ei epäilty ongelmista, ja nyt laukaistu satelliitti on sekin erilainen.

Yöllä klo  01.34 Suomen aikaa laukaistu IRNSS 1I -satelliitti on myös strategisesti hyvin tärkeä Intialle, sillä se täydentää Intian omaa satelliittinavigointisysteemiä, joka tunnetaan nimellä NavIC (Indian Regional Navigation Satellite System). Satelliitti korvaa satelliitin, jonka laukaisu viime elokuussa epäonnistui, ja jonka piti korvata avaruudessa rikkoontunut satelliitti.

Elokuinen epäonnistunut laukaisu on myös pääsyyllinen siihen, että PSLV-rakettien laukaisut siirtyivät kuukausilla suunnitellusta eteenpäin. Tämä puolestaan johti siihen, että intialaiskyytiä jo viime vuoden lopussa odottanut Suomi 100 -satelliitti on edelleen Otaniemessä eikä avaruudessa.

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.

Pari viikkoa sitten tiistaina 26.01.2016 Aalto-yliopistoon kuuluvalla Metsähovin radiotutkimusasemalla havaittiin omituinen GPS-järjestelmän aikasignaalin hyppy. Virhe ei ollut suuri, vain 13 mikrosekuntia, mutta koska GPS-aikaa käytetään monien navigointiin liittymättömien palveluiden tukena, sai tämä aikaan runsaasti ongelmia. 

Se esimerkiksi vaiensi Iso-Britannian yleisradioyhtiön BBC:n digitaaliset DAB-radiolähetykset ja useat GPS-kellonaikaa hyväksikäyttäviin laitteisiin ja järjestelmiin erikoistuneet yritykset raportoivat ”kaaoksesta”, kun asiakkailta tulvi tukipyyntöjä GPS-laitteiden hälyttäessä aikavirheistä.

Kuten Metsähovin blogissa nyt kerrotaan, on tapahtumaketju aikahypyn taustalla nyt selvinnyt: osa systeemin satelliiteista lähetti virheellisiä UTC-ajan säätöparametreja GPS-vastaanottimiin. 

Kuten järjestelmän toiminnasta vastaava Yhdysvaltain ilmavoimat kertoo tiedotteessaan, ladattiin väärät parametrit satelliitteihin, jotka lähettävät "alkuperäistä" 1575,42 MHz:n signaalia (L1 C/A) joka muodostaa edelleenkin GPS:n siviilikäytön perustan. Lähes kaikki normaalikäytön navigointi- ja aikasovellukset perustuvat juuri tähän.

Metsähovin ja muiden asemien tekemien maailmanlaajuisten mittausten perusteella kuitenkin vain osa satelliiteista on lähettänyt virheellistä UTC-aikakorjaustietoa. Jos kaikkien satelliittien ”L1 C/A” -signaalissa olisi ollut 13 mikrosekuntia virheellinen aikakorjaustieto, miksi Metsähovin neljästä GPS-vastaanottimesta vain kolme ”harhautui”, ja nekin erillisinä vaihtelevina aikajaksoina tuon häiriön 12 tunnin kokonaiskeston aikana?

Luultavasti virheellinen 13 mikrosekunnin korjaustieto päätyikin tosiasiassa vain osaan satelliiteista, ehkäpä vanhimpiin. 

Tätä tukee se, että häiriötilanne alkoi noin kaksi tuntia sen jälkeen, kun ohjauskeskus oli (mielestään onnistuneesti) poistanut käytöstä vikaantuneen, satelliittiparven vanhimman, yli 25-vuotiaan PRN32/SVN23-satelliitin. Tämän operaation jälkeen satelliitteihin on hyvin todennäköisesti haluttu ladata tarkennettuja uusia parametreja ja kun satelliittikonstellaatio oli hieman muuttunut, oli virheiden todennäköisyys normaalia suurempi.

Metsähovin blogi kertoo vielä tarkemmin, että PRN32/SVN23 poistettiin käytöstä maanantaina 25.01.2016 klo 22:00 UTC-aikaa, mikä on GPS-ohjauskeskuksen sijaintipaikan Coloradon paikallisajassa kello 15:00 iltapäivällä, päivävuoron työpäivän loppuessa parin tunnin sisällä. Muuttuneiden satelliittiparametrien lataaminen tehtiin melko varmasti ”päivän päätteeksi” ennen kotiin lähtöä.

Ensimmäinen aikavirhe havaittiin Metsähovissa hieman kello 00:00 UTC jälkeen eli juurikin amerikkalaisen työpäivän päättymisaikaan kello 17.  Tässä vaiheessa kello Euroopassa on 02:00 aamuyöllä ja Suomessa 03:00.

Vieläkin tarkempi kuvaus tapahtumista on saksalaisen Meinberg GmbH -yhtiön nettisivuilta. Se ennätti yhdessä brittiläisen Chronos Technologyn kanssa ensimmäisinä kertomaan häiriöstä julkisesti ja arvelemaan häiriön mekanismia.

Tapaus oli itse asiassa hyvä muistutus siitä, miten avaruustekniikka vaikutta elämäämme nykyisin varsin konkreettisella tavalla – ja luonnollisesti myös siitä, miten pieni virhe saa nykyaikana helposti maailmanlaajuisia vaikutuksia.

Tornikoski jatkaa tänään Metsähovin Kuulumisia kuvun alta -blogissa eilisen GPS-kellonajan hyppäyksen selvittelyä toteamalla, että virheet vaikuttavat loppuneen ja että viimeinen Metsähovissa havaittu GPS-ajan hyppäys päättyi eilen noin kello 14:00  Suomen aikaa.

Eilen raportoituun verrattuna virhe tosin oli hieman pienempi: ajan hyppäyksen suuruus on oli lähempänä 13.0 mikrosekuntia kuin 13,7 mikrosekuntia — normaalissa toimintatilassa atomikellon ja GPS-ajan välillä pidetään mittaamista helpottavaa 0,7 mikrosekunnin aikaeroa, mikä sai aikaan raportoidun ajan hieman oikeaa suuremman arvon.

GPS-aikahyppelyn vahvistivat Metsähovin yhteistyöobservatoriot, mm. Arecibo Puerto Ricossa, Ny Ålesundin geo-VLBI-asema Huippuvuorilla, kolme radioteleskooppia Kiinasta, osa NRAO:n VLA- ja VLBA-teleskoopeista USA:ssa, Jodrell Bank Iso-Britanniassa, ATCA Australiassa sekä MPIfR Effelsbergissä Saksassa.

Yebesissä Espanjassa jyrkkiä aikahyppyjä ei havaittu, joskin sielläkin huomattiin signaalissa pieniä, normaaleiksi luokiteltavia tavanomaisesta eroavia aikamuutoksia. Kaikkiaan ongelma vaikuttaa siis esiintyneen maailmanlaajuisesti.

Nyttemmin aikahyppyyn on tullut yksi mahdollinen selitys, sillä Yhdysvaltain GPS-satelliittiverkostoa ylläpitävä NAVCEN-navigointikeskus on raportoinut julkisesti, että yksi GPS-satelliiteista vikaantui ja otettiin pois käytöstä.

Tosin Tornikosken mukaan raportissa kerrotut ajankohdat eivät vain tunnu täsmäävän havaintoihin, sillä raportin mukaan satelliitti olisi vikaantunut jo maanantaina 25.01.2016 kello 15:36 UTC-aikaa ja suljettu pois käytöstä jo 25.01.2016 kello 22:00. Tällöin Metsähovin GPS-valvonnassa ei havaittu minkäänlaisia häiriöitä.

Ensimmäinen aikahyppy esiintyy vasta kaksi tuntia satelliitin väitetyn sulkemisen jälkeen, ja hypyt jatkuvat siitä 12 tunnin ajan eli tiistain 26.01.2016 kello 12:00 UTC asti. Voihan toki olla, että satelliitti yritettiin sulkea 25.01.2016 22:00 UTC, mutta se ei ehkä täysin onnistunut, vaan se saattoi lähettää väärää kellonaikaa vielä 14 tuntia sulkemisyrityksen jälkeen.

Lopullista vastausta ei vikaantuminen siis anna, mutta se voi olla ainakin osasyynä häiriöihin.

Aikasignaalin virheet osoittavat jälleen kerran, että kriittisissä sovelluksissa on erittäin tärkeää käyttää rinnakkain kahta, toisistaan riippumatonsa satelliittipaikannusjärjestelmää, kuten esimerkiksi amerikkalaista GPS-systeemiä ja eurooppalaista Galileo-järjestelmää.

Tarkka aikatieto on erittäin olennainen osa satelliittipaikannusjärjestelmän toimintaa ja useat sovellukset (mm. kansainvälinen rahaliikenne) käyttää navigointijärjestelmän tarjoamaa aikatietoa toiminnassaan.

Metsähovista ilmoitettiin aikahäiriöstä muille radioastronomisille tutkimuslaitoksille he vahvistivat ilmiön omista valvontatiedoistaan.

Ilmiön taustalla oleva alkusyy ei ole vielä selvillä, mutta vikaantunut GPS-satelliitti tai sellaiseen sijoitettu atomikello ovat hyvin mahdollisia selityksiä. Auringon hiukkaspurkauksen aiheuttamasta satelliittivauriosta on tällä kertaa tuskin kyse, sillä Metsähovin aurinkovalvonnassa ei ole havaittu tavanomaista merkittävämpää aktiivisuutta.

Vaikka tämänkertainen kellonajan virhe oli suuruudeltaan ainoastaan 13,7 mikrosekuntia, mikään ei sulje pois suurempien tai yllättävämpien kellovirheiden mahdollisuutta.

GPS-kellonaikaa käytetään yhä enemmän järjestelmien automaattiseen tahdistamiseen ja mitä laajempaa käyttö on, sitä riippuvaisempia ollaan GPS-ajan ja paikannustarkkuuden virheettömyydestä.

Satelliittinavigointi on osa arkista elämää ja tulee yhä olennaisemmaksi osaksi koko ajan.

Paikannustietojen käyttö tarjoaa myös aivan uusia mahdollisuuksia erilaisiin palveluihin - ja myös monenlaiseen tuottoisaan liiketoimeen. 

Siksi joka vuosi järjestetään Eurooppalainen satelliittinavigointikilpailu ESNC, joka eräs tehtävistä on juuri löytää aivan uudenlaisia tapoja käyttää navigointitietoja. 

Taustalla on osaltaan eurooppalaisen Galileo-navigaatiojärjestelmän käyttöönotto, joka tarjoaa pian amerikkalaista kilpailijaansa, alkuperäistä GPS-systeemiä tarkemman paikannusmahdollisuuden myös täällä pohjoisessa, mutta pääpaino on minkä tahansa navigaatiotiedon käyttö uudella tavalla. 

Erityisesti kilpailussa etsittiin sovelluksia ja ideoita, miten hyödyntää Galileo-satelliittijärjestelmän lähinnä viranomaisille rajattua PRS-palvelua.

Erikoispalkinto Ouluun

Voittajien joukossa on hyvinkin yllättäviä hankkeita. 

Koko kilpailun voittajaksi valittiin espanjalaisryhmän suunnitelma kauko-ohjattavien lennokeiden ja nelikopterien käyttämisestä onnettomuustapauksissa etsintöihin ja pelastustoimiin. Tämä POSEIDRON-systeemi (piirros oikealla) luottaa pitkälti satelliittipaikannukseen ja pystyy toimimaan pitkiäkin aikoja hankalissa. 

Pääpalkinnon lisäksi viime viikolla Berliinissä pidetyssä konferenssissa annettiin myös erikoispalkintoja, joista yksi tuli Suomeen.

Oulussa kehitetyn HALI-järjestelmän koko nimi Always Green Traffic Signals for Emergency Vehicles kertoo jo mistä on kyse: se ohjaa automaattisesti liikennevalot vihreiksi, jolloin hälytysajoneuvot voivat ajaa kohteeseensa mahdollisimman nopeasti. 

Lisäksi matkanteko on turvallisempaa, koska punaisia päin ajaminen vähenee.