Avaruussään vaikutus satelliittipaikannukseen

Ionosfäärin elektronitiheyden muutokset vaikuttavat satelliittipaikannussignaalien kulkuaikoihin ja siten heikentävät paikannuksen tarkkuutta. Avaruussäätutkimus auttaa korjaamaan näitä virheitä.

Satelliittipaikannus- eli GNSS-järjestelmä (Global Navigation Satellite System) tarjoaa tarkkaa paikannuspalvelua, joka perustuu Maata kiertävistä satelliiteista lähetettävien radiosignaalien rekisteröintiin maanpinnalla toimivien vastaanotinasemien avulla. Järjestelmään kuuluvat muun muassa USA:n ja Venäjän ylläpitämät GPS- ja GLONASS-satelliitit, ja EU on liittymässä palveluun omalla Galileo-järjestelmällään. Paikannussatelliitit lentävät noin 27 000 km:n korkeudella ja nykyratkaisussa ne lähettävät tarkan aikatiedon sisältävää signaalia kahdella eri taajuudella, jotka ovat selkeästi korkeampia kuin esimerkiksi televisio- tai radiolähetyksissä käytetyt taajuudet. Kun vastaanotin havaitsee usean satelliitin signaalin samanaikaisesti, se voi laskea tarkan sijaintinsa signaalien kulkuajoista.

Satelliittipaikannussignaalit kulkevat Maan ionosfäärin läpi, minkä vuoksi avaruusmyrskyt saattavat ajoittain heikentää paikannuspalvelun saatavuutta tai laatua. Ionosfäärin elektronitiheys vaikuttaa radiosignaalin etenemisnopeuteen. Korkean taajuuden vuoksi tämä vaikutus paikannuspalveluissa ei ole suuri, mutta se täytyy kuitenkin ottaa huomioon. Ionosfäärin aiheuttama virhe voidaan poistaa, jos pystytään vastaanottamaan kumpaakin lähetettyä taajuutta. Yhden taajuuden varassa toimivat vastaanottimet joutuvat käyttämään ajoittain pelkästään tilastolliseen ionosfäärimalliin perustuvaa korjausta.

Avaruusmyrskyjen aikaan tilastolliset mallit kuvaavat ionosfäärin todellista tilaa huonosti. Auringon voimistunut UV-säteily lisää ionosfäärin elektronipitoisuutta merkittävästi, ja se saattaa vaihdella nopeasti. Korkeilla leveyspiireillä revontulia aiheuttava hiukkasade synnyttää suuria paikallisia vaihteluja ja pyörteisyyttä ionosfäärin plasmassa. Näiden ilmiöiden vuoksi paikannussignaalin nopeutta ja kulkureittiä on vaikea ennakoida ja signaalissa esiintyy haitallista häilyntää (engl. scintillation).

Ionosfäärihäiriöiden on arvioitu aiheuttavan yksitaajuusvastaanottimien paikannuksessa useiden metrien suuruisia heittoja. Häilynnän vuoksi palvelun saatavuudessa saattaa esiintyä minuuttien pituisia katkoja. Keskivertokäyttäjälle tämän suuruusluokan virheet eivät aiheuta merkittävää harmia, mutta satelliittipaikannukselle kehitetään jatkuvasti uusia automatisoituja sovelluksia, joissa tarvitaan luotettavaa senttimetriluokan paikannustarkkuutta. Tämän vuoksi tarvitaan entistä tarkempia ionosfäärimalleja ja etenkin sellaisia ratkaisuja, joita voidaan reaaliaikaisesti päivittää erilaisten havaintojen avulla.

Tieteellisten mittalaitteiden ohella kahdella taajuudella toimivat GNSS-vastaanottimet tuottavat tärkeitä havaintoja ionosfäärin tilasta. Fennoskandian alueella kummankin tyyppisiä mittauksia kerätään poikkeuksellisen tiheillä laiteverkoilla.  Ilmatieteen laitoksella on keskeinen rooli tässä toiminnassa ja sen myötä laitos osallistuu EU:n ja Euroopan avaruusjärjestön tutkimushankkeisiin, joissa kerätään lisätietoa ionosfäärihäiriöistä ja kehitetään niitä ehkäiseviä tukipalveluja Galileo-järjestelmälle.

Galileo-satelliitteja

Euroopan avaruusjärjestön Galileo-paikannussatelliitteja kiertoradoillaan.
Kuva: ESA