GPS

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.

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.

Suurin osa maailman satelliittinavigointilaitteista käyttää hyväkseen amerikkalaista GP-systeemiä, eli Global Positioning System -satelliitteja. Niiden lisäksi kuitenkin myös venäläisillä on oma, toiminnassa oleva vastaava paikannusjärjestelmänsä GLONASS, eli ГЛОНАСС. Ymmärrettävästi esimerkiksi Venäjän puolustusvoimat käyttävät omassa hallussaan olevaa satelliittipaikannussysteemiä ulkomaalaisten vastaavien sijaan.

Maata kiertää parhaillaan 21 GLONASS-satelliittia ja kolme varasatelliittia, jotka on sijoitettu kolmelle kiertoradalle 120 asteen välein. Ratojen korkeus on noin 19 100 kilometriä, ratatason kaltevuun päiväntasaajan suhteen 64,8 astetta ja kiertoaika Maan ympäri 11 tuntia ja 15 minuuttia. Periaatteessa joka puolella maailmaa  on jatkuvasti näkyvissä vähintään viisi GLONASS-systeemin satelliittia.

GLONASS kärsi kuitenkin tänään ennen näkemättömän häiriön, kun koko systeemi oli poissa käytöstä peräti 11 tunnin ajan. Katko alkoi tänään 2. huhtikuuta klo 1 yöllä Moskovan aikaa ja jatkui lähes puoleenpäivään. Tänä aikana mikään maailmalla olevista GLONASS-laitteista ei toiminut, mutta tätä kirjoitettaessa systeemi on jälleen normaalisti käytössä.

Häiriöstä kertoo GPS World -julkaisu, jonka lähteet sanovat syyn häiriöön olleen satelliitteihin lähetetyissä virheellisissä ratatiedoissa. Kaikki satelliitit ottivat nuo tiedot käyttöön samaan aikaan, eli klo 01 tänään Moskovan aikaa. Satelliitit käyttävät ratatietoja osana signaalia, jota ne lähettävät Maahan, ja näiden tietojen perusteella voidaan laskea tarkasti jokaisen järjestelmän satelliitin paikka tiettyyn aikaan avaruudessa. Vastaanottimet tarvitsevat näitä tietoja paikan määrittämiseen.

Virheen korjaamiseen meni pitkä aika, koska jokaisen järjestelmän satelliitin piti kulkea pohjoisella pallonpuolella (pääasiassa Venäjän alueella) olevien maa-asemien päältä uusien tietojen lataamiseksi.

Myös GPS-vastaanottimet kuten eurooppalaiset Galileo- ja kiinalaiset BeiDou-vastaanottimet toimivat vastaavalla tavalla, ja samanlainen virhe olisi mahdollinen myös niissä. Tapahtuma osoittaa jälleen erinomaisesti, että on hyvä, että maailmassa on useampia paikannussysteemejä; mitä tärkeämpiä tehtäviä suoritetaan satelliittinavigoinnin avulla, sitä tärkeämpää on määrittää sijaintia vähintään kahden järjestelmän avulla samanaikaisesti.

Kansainvälisen avaruusviikon teemana tänä vuonna on teemana tänä vuonna on “Avaruus näyttää tietä” ja tarkoituksena on kiinnittää huomiota avaruuden osuuteen arkipäiväisessä elämässämme, erityisesti satelliittinavigointiin, ja laajemmin avaruustutkimuksen merkitystä laajemmin maailmankuvallemme.

Päätapahtuma Heurekassa 4.–5. lokakuuta 2014

Avaruusviikonloppuna 4.-5.10. kello 10-18 Heurekassa juhlitaan 60-vuotiasta Cerniä ja vietetään Kansainvälistä avaruusviikkoa. Tapahtumaan on vapaa pääsy.

Tutustu kaukoputkiin ja komeettoihin, satelliitteihin ja suomalaiseen avaruustutkimukseen. Kuinka GPS oikeastaan toimii? Millainen on ensimmäinen suomalainen satelliitti, joka lähetetään avaruuteen ihan kohta? Kokkaa itse komeettaydin tai kokeile limutölkistä tehtyä hiukkasilmaisinta!

Nyt päästään myös potkimaan protoneja, kun hiukkaskiihdyttimeen voi astua sisään. Pelimaailmassa voit valita vaikkapa Angry Birds -protonin ja kuulla tutkijoiden kertovan, mitä hiukkastutkimuskeskus CERNissä oikeasti tapahtuu protonien törmätessä. Suurikokoinen uusi peli on kehitetty CERNissä, ja sen mahdollistavat Helsingin yliopiston hiukkastutkijat ja Rovio Entertainment.

”Roviolle CERN on ollut hauskan oppimisen innoittaja, josta kutkuttavana esimerkkinä on Heurekaan tuotu Angry Birds -hiukkaskiihdytin”, sanoo Rovion oppimisliiketoiminnan johtaja Sanna Lukander.

Heurekan planetaariossa tarjolla on avaruusaiheisia erikoisesityksiä. Lähde pikavisiitille planeettakuntaan Tiedetuubin Markus Hotakaisen opastamana. Tai nouse Nordenskiöldin Vega-laivaan tähtiä tähyilemään ja Koillisväylää etsimään Tuukka Perhoniemen mukana. Heurekan esittämässä Avaruuden ikkunoissa yleisö pääsee itse vaikuttamaan siihen, mihin avaruuden kolkkaan tai kojeeseen tutustutaan.

Auditoriossa asiantuntijat kertovat muun muassa Higgsin bosonin metsästyksestä ja merkityksestä, kosmisen säteilyn hiukkasten tutkimuksesta, Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNistä, Rosetta-lennon tuoreista tuloksista, Mars-planeetan ajankohtaisesta komeettaohituksesta (joka tapahtuu kaksi viikkoa tämän tapahtuman jälkeen) ja satelliittinavigoinnin salaisuuksista. Auditorion jättikankaalla esitetään myös elokuva Particle Fever.

Kaikkiin Kansainvälisen avaruusviikonlopun esityksiin ja työpajoihin on vapaa pääsy. Heurekan näyttelyihin on normaalit pääsylippuhinnat. Tapahtuman järjestävät yhteistyössä Tiedetuubi, Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitos, Pyhäsalmen maanalaisen fysiikan tutkimuslaitos, Aalto-yliopisto, CERN, Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, Ilmatieteen laitos, Rovio Entertainment, Tekes, Suomen avaruustutkimusseura ja tiedekeskus Heureka.

Tiedetuubi seuraa koko viikonlopun ajan tapahtumia ja ellet pääse paikalle, sen kautta voit katsoa myös tunnelmia paikan päältä Heurekasta.

Muutokset ohjelmatietoihin ovat mahdollisia.

Lisätietoja: Heurekan tapahtumatuottaja Siina Vasama, siina.vasama@heureka.fi, 040 9015260.

Avaruusviikonlopun ohjelma

Tapahtumaan on vapaa pääsy, samoin planetaario-esityksiin. Heurekan näyttelyalueelle tarvitaan pääsylippu. Muutokset ohjelmaan mahdollisia.

Lauantaina 4.10. ja sunnuntaina 5.10.

10.00-18.00 Toimintapiste