Pyrkimys paikannustarkkuuden lisäämiseen

Navstar-GPS:n tarkkuus on siviilikäytössä vaakasuunnassa muutama metri. Korkeussuunnassa tarkkuus on n. 2–3 kertaa heikompi. 1. toukokuuta 2000 asti Yhdysvaltojen puolustusministeriö heikensi tahallisesti satelliittien siviilikäyttäjiin lähettämät rataelementit ja kellon käyntitiedot (Selective Availability, SA), jota ennen siviilikäyttöön suunnattujen GPS-laitteiden tarkkuus oli vaakasuunnassa 100 metriä ja korkeussuunnassa 156 metriä. Paikannusvirhettä tuovat satelliittien rata- ja kellovirhe, ilmakehä, monitieheijastuminen, satelliittigeometria, paikantimen virheet, tahallinen häirintä ja käyttäjän virheet. Moniin tarkoituksiin metrien epätarkkuus on liian suuri, autopaikantimissa ja matkapuhelimen paikantimissa virhe on siedettävä. Paikannustarkkuutta on 1980-luvulta lähtien pyritty lisäämään, mutta tämä vaatii maa-asemien määrän lisäämistä ja paikannuksen virheenkorjausviestin lähettämistä joko tietoliikennesatelliittien tai maapäällisen tietoliikenneverkon kautta. Sisätilapaikannus, joka ei GPS:llä ole mahdollista, vaatisi vielä suurempia investointeja.

Differentiaalinen GPS

Differentiaalinen GPS kehitettiin SA-häirinnän aiheuttaman epätarkkuuden poistamiseen muun muassa merenkulkijoiden tarpeisiin. Kun SA-häirintä (poistui 2000-luvun alussa) oli päällä, paikannustarkkuus oli 100 metrin paikkeilla, mikä ei taannut järin turvallista merenkulkua. Sumuinen sää ja kapea väylä olisivat voineet olla tuhoisa yhdistelmä. Uusi tukiasema, nk. referenssiasema, jonka sijainti oli tarkkaan tiedossa, laski SA-häirinnän aiheuttaman virheen kuuntelemalla satelliittien lähettämää dataa sekä vertaamalla sitä omaan tarkkaan paikkaansa. Näin saatiin laskettua virheen suuruus. Asemia jouduttiin kuitenkin perustamaan useita, sillä virheen suuruus vaihtelee eri paikoissa maapalloa. Esimerkiksi Itämeren alueella liikuttaessa on eri paikoissa käytettävä muutamaa eri referenssiasemaa. Kun kaksi tukiasemaa on kantoetäisyydellä, vastaanotin ei välttämättä tiedä kumpaa lähetystä tulisi kuunnella. Tällöin saattaa signaali jäädä kokonaan saamatta, ja DGPS-vastaanotin ilmoittaa, että paikkakoordinaatit eivät ole saatavilla. Itämerellä tällainen paikka löytyy likipitäen Gotlannin pohjoiskärjen kohdalla.

Järjestelmän hyviin puoliin lukeutuu korjaustiedon lähetys radioteitse paikallisesti, vaikkakin usein maksullisesti, koska DGPS-tukiasemia ylläpitävät kolmannet osapuolet. Valtakunnallisten radioasemien RDS-kanavalta voi kuunnella korjaustietoa Digita Oy:n Fokus-palvelusta, jolloin paikannuksessa päästään parin metrin tarkkuuteen. Merenkulkulaitokselta palvelun saa ilmaiseksi rannikkoalueiden vesillä liikkuessaan. Vaikka SA-häirintä onkin poistettu, auttaa DGPS-järjestelmä ilmakehän aiheuttamien häiriöiden korjaamisessa.

DGPS:n ja GPS:n ohella on olemassa vielä yksi, entistäkin tarkempi tapa paikantaa: relatiivinen GPS. Se perustuu vähintään kahteen samanaikaisesti mittaavaan laitteeseen, joilla koordinaattierot pisteiden välillä määritellään. Maanmittauksessa relatiivinen GPS on hyödyllinen menetelmä.

Assisted GPS

Assisted GPS (A-GPS) eli avustettu GPS kattaa alleen monenlaisia eri tekniikoita. Yhdessä tunnetussa GPS-avusteessa luetaan satelliittien lentorata- ja almanakkatiedot matkapuhelinverkkoa hyväksikäyttäen. Lentorata- ja almanakkatiedot voidaan lukea jopa useita vuorokausia etukäteen, minkä vuoksi vastaanottimelle on avusteesta apua vaikka yhteys matkapuhelinverkkoon katkeaisi. Etukäteistieto nopeuttaa laitteen ensimmäisen paikan saantia, sekä varmistaa merkittävästi GPS-vastaanottimen toimintakykyä heikoissa tai nopeasti muuttuvissa vastaanotto-olosuhteissa, kuten esimerkiksi sisätiloissa, rakennusten välissä tai liikkuvan eläimen paikannuksessa. Lentorata- ja almanakkatietojen lukeminen suoraan satelliiteista vaatii hyvänlaatuisen ja katkeamattoman yhteyden satelliittiin useamman kymmenen sekunnin ajaksi. Kun lentorata- ja almanakkatiedot ovat olemassa, nopeutuu ensimmäinen käynnistys (Cold start) huomattavasti. Pitempiaikaisessa käytössä on huomattava, että näkyvät satelliitit painuvat horisontin taakse muutaman tunnin välein. Vastaanottimen on kyettävä lukemaan lentorata- sekä almanakkatiedot uusista horisontin yläpuolelle nousseista satelliiteista. Ilman A-GPS -ominaisuutta hankalissa oloissa tai sisätiloissa oleva vastaanotin voi hukata paikkansa, koska se ei saa luettua satelliiteista lentorata- ja almanakkatietoja, vaikka satelliittien kuuluvuus riittäisikin paikan laskemiseen.

Toisessa tunnetussa A-GPS:n muodossa käytetään lisäksi avuksi verkko-operaattorilta saatavaa karkeaa arviota GPS-vastaanottimen nykyisestä sijainnista.

Tunnetaan myös A-GPS -ominaisuus, jossa GPS-vastaanotin lähettää A-GPS -palvelimelle "jatkuvasti" tietoa omasta satelliittinäkymästään, jolloin palvelin voi tarkemmin kohdistaa A-GPS - tietoa tai jopa avustaa paikan laskemisessa.

Vastaanottimien herkkyyden ja toimintanopeuden parantuminen A-GPS:n myötä on johtanut siihen, että jopa sisätiloissa nopeasti toimivia GPS -vastaanottimia on kyetty rakentamaan matkapuhelimiin, joissa on jouduttu tekemään kompromisseja GPS-antennin, virrankulutuksen ja koon suhteen. Samoin A-GPS on auttanut merkittävästi erilaisten henkilö- ja eläinpaikantimien toimintaa.

Real Time Kinematic

Reaaliaikainen kinemaattinen mittaus on käytetyin GPS-mittausmenetelmä maanmittauksessa. Se perustuu toisen GPS-vastaanottimen käyttöön ensimmäisen vastaanottimen kanssa. Koska toisen GPS-vastaanottimen paikka on tarkasti tiedossa, voi ensimmäinen vastaanotin verrata satelliiteista saamaansa tietoa varmasti tunnetun toisen vastaanottimen paikkaan, jolloin mittaustarkkuus voi parantua senttimetreihin.

Virtual Reference Station

VRS-mittauksessa toista vastaanotinta ei viedä enää tukiasemaksi maastoon, vaan tukiaseman virtuaalinen paikka lasketaan kiinteiden tukiasemien mittausten perusteella ja tieto välitetään VRS-laskentakeskuksesta vastaanottimeen satelliitista saaman tiedon tueksi, jolloin korjaukset tehden tulee mittauksesta tarkka.

Alueellisen paikannustarkkuuden lisääminen ilmailun tarpeisiin

Yhdysvalloissa, Kanadassa ja Meksikossa käytetään GPS-mittauksien tarkkuuden parantamiseksi WAAS-tukijärjestelmää. EU kehittää Eurocontrolin kanssa vastaavan järjestelmän EU:n alueelle. Sen mini on EGNOS ja se siirtyi operatiiviseen käyttöön vuonna 2009, muttei vielä esim. ilmailukäyttöön.. Vastaavat järjestelmä on rakenteilla vuonna 2011 Japanissa (QZSS ja MSAS) ja otettu vuonna 2009 käyttöön Intiassa (GAGAN).

Ilmailukäyttö on luonut GPS:n paikallisia tarkennusjärjestelmiä

1. WAAS Pohjois-Amerikassa ja Meksikossa
2.  EGNOS EU-alueella
3. GAGAN Intiassa
4.  MSAS Japanissa Merenkulun käyttöön on rakennettu rannikoilla tarkentavia järjestelmiä, joita on laajennettu usein sisämaahan
5. Suomessa ylläpitäjä on Merenkulkuhallinto
6. Yhdysvalloissa ylläpitäjä on US Coast Guard