Technika

GPS (Global Positioning System) je projekt, který umožňuje komukoli na povrchu planety Země zjistit své zeměpisné souřadnice. Ke své funkci využívá několika specializovaných družic, které ze svých oběžných drah vysílají směrem k Zemi signály v podobě elektromagnetických vln.

___

___

GPS (Global Positioning System) 

Systém vznikal v sedmdesátých letech minulého století původně pro vojenské účely Ministerstva obrany Spojených států. Cílem byla možnost zjistit aktuální polohu na libovolném místě na zeměkouli pomocí jednoduchého přijímače.

V devadesátých letech došlo k uvolnění systému i pro širokou veřejnost s tím, že signál byl jednak uměle zkreslován, takže odchylka byla kolem 20 až 30 metrů a jednak signál byl dostupný jen někde (selektivní dostupnost, selected availibility). Bylo to opatření hlavně kvůli zneužití teroristy. 1. května 2000 byly zrušeny i tato omezení a civilnímu sektoru se dostalo stejných možností jako vojenskému (selektivní dostupnost byla údajně opět zapnuta při válce v Iráku).

Celý systém GPS je možné rozdělit na tři části: kosmickou, řídící (nebo též kontrolní) a uživatelskou.

Satelity (kosmická část)

Kosmickou část tvoří 24 nestacionárních satelitů Navstar od firmy Rockwell International (z toho jsou tři záložní) umístěných 20 tisíc kilometrů nad zemským povrchem. Tyto satelity obíhají Zeměkouli za 11 hodin a 56 minut na šesti oběžných drahách skloněných o 60 stupňů. Z každého místa na zemi tak v ideálním případě vidíte 12 družic. Každá z těchto družic obsahuje přijímač, vysílač, cesiové atomové hodiny s přesností miliardtin sekundy a mnoho dalších zařízení, které již pro vlastní určování polohy nejsou potřebné (např. detekce výbuchů jaderných zbraní). Přijímač slouží k předávání dat z řídícího střediska na Zemi do vnitřního počítače družice. Na základě těchto dat pak koriguje např. svou dráhu. Vysílač je určen jednak k zasílání dat zpět do řídících center, ale hlavně k vysílání dat uživatelům.

Monitorování družic (řídící část)

Řídící systém má za úkol monitorovat běh družic a v případě problémů tyto řešit. Řídící systémy jsou v devíti pozemních stanicích umístěných podél rovníku. Hlavní řídicí stanice je v Colorado Springs, dále je pět monitorovacích stanic a tři pozemní řídící stanice.

Vaše navigace v kapse (uživatelská část)

Poslední částí je uživatelská, tedy ta, kterou si může každý koupit a používat. Jde jednak o klasické přijímače (dnes už vždy alespoň s primitivním displejem) a jednak přijímače zabudované do dalších zařízení (PDA, telefony a další). Většina přijímačů je pasivní (tedy pouze přijímají, nikoliv vysílají) jednak proto, že není potřeba vysílat, a jednak kvůli bezpečnosti v armádě – když voják nemá vysílač, ale pouze přijímač, nelze jej pomocí signálu GPS vystopovat.

Princip navigačního systému - jednoduché vysvětlení

A jak to celé funguje dohromady? Každá družice vysílá informace o své poloze, přesný čas z atomových hodin a dále přibližné polohy ostatních družic. Přijímač, který musí mít přímou viditelnost na oblohu, pak pro výpočet polohy využívá časového rozdílu mezi okamžikem vyslání a okamžikem přijmutí dat. Pokud takto získá a zpracuje data ze tří družic, dokáže určit zeměpisnou šířku a délku (tvz. 2D poloha). Pro výpočet nadmořské výšky je pak potřeba signál ze satelitů čtyř (tvz. 3D poloha). Díky ostatním satelitům se výpočet více zpřesňuje.

K uvedenému výpočtu je nutné, aby i v přijímači byl přesný čas, kterého se dociluje jednodušším zařízením než jsou atomové hodiny (jednak jsou drahé a jednak rozměrné) a při načítání informací o družicích se aktuální čas upraví. Pokud by byl čas rozdílný byť jen o jednu tisícinu vteřiny, chyba v určení polohy by byla řádově stovky kilometrů.

Většina uživatelů GSP přijímačů si jistě všimla, že od zapnutí přístroje k získání prvních údajů může uběhnout několik desítek vteřin až několik minut. Je to z toho důvodu, že na začátku (případně na základě dalších faktorů jako je např. zeměpisná či časová vzdálenost aktuální pozice od naposledy zaznamenané) je nutné načíst informace o jednotlivých družicích a další data (tvz. almanach). Tomuto procesu se říká inicializace. Almanach o velikosti 37500 bitů se odesílá rychlostí 50 bps, takže pokud bychom jej chtěli do přijímače načíst celý, potřebovali bychom 12,5 minuty. Naštěstí je z almanachu potřeba jen část, takže se nečte celý. Rozhodně rychlost načtení je ještě ovlivněna prostředím, kde se přijímá. V úzkých uličkách s vysokými budovami je to horší než na vrcholu holého kopce. Z tohoto důvodu doporučuji v případě, že plánujete pohyb v místech se zhoršeným signálem, načtěte almanach (zapněte přijímač) v místě, kde je výhled na oblohu dostatečný.

Kromě almanachu si musí přístroj načíst ještě informace o sobě, tzv. efemeridy, ale to je vzhledem k almanachu již zanedbatelný časový okamžik.

GPS přijímač komunikuje s počítačem (či jiným zařízením) nejčastěji pomocí protokolu NMEA (National Marine Electronics Association). V tomto protokolu se kromě jiného předávají informace o čase, poloze, polohách družic, rychlosti, azimutu, počtu aktivních satelitů a další. Tento formát je textový a některé aplikace jej umí ukládat na disk k dalšímu zpracování (např. pro knihy jízd, generování výškových a rychlostních profilů a další).

Co můžete vidět např. na turistické GPSce nebo PDA?

Většina GPS přijímačů dokáže zobrazit data přijímaná z přijímače v grafické podobě.

První panel zobrazuje dostupnost satelitů a sílu signálu z každého z nich. Dále zobrazuje aktuální pozici a počet používaných a viditelných satelitů. Tyto informace ještě nestačí k tomu, abychom dokázali něco říct o kvalitě signálu. K tomu je ještě nutné znát polohy satelitů vůči sobě i vůči přijímači. K tomu slouží další záložka, která zobrazuje polohy satelitů na obloze:

Nejlepší je mít aktivní satelity co nejvíce nad sebou (blízko středu) s tím, že 4 z nich jsou každý v jiném kvadrantu (nebo jinak: je vhodné, aby satelity byly rovnoměrně rozmístěné po obloze). Pokud je satelit na okraji, je tedy na horizontu a zde při posílání signálu dochází k lomu a tedy zkreslení signálu. Vyšší odchylku v určení polohy také dostaneme, jsou-li satelity v jedné linii (typicky v úzkých uličkách s vysokými stavbami).

Další panel je již čistě uživatelský:

Zobrazuje totiž aktuální rychlost, nadmořskou výšku, azimut (směr, ve kterém se přijímač pohybuje) a rychlost, s jakou se mění aktuální nadmořská výška.

Poslední panel je pak pro uživatele nadané statistickým vnímáním:

Přesnost a použitelnost v reálném provozu

V běžném provozu s dobrým signálem je rozdíl oproti skutečnosti dva až tři metry co se zeměpisné délky a šířky týče a deset až dvacet metrů, pokud jde o nadmořskou výšku (přesnou nadmořskou výšku lze zjistit ve spolupráci s barometrem – přesné přístroje však stojí řádově desítky tisíc korun). Jak bylo uvedeno, přijímač musí mít na družice přímý výhled, jinak od nich žádná data nezíská. Z tohoto důvodu jakýkoliv předmět ve výhledu degraduje kvalitu získané pozice. Ve městě či v lese je obecně přesnost horší než v otevřené krajině. Pokud jste uvnitř budovy, musíte být s přijímačem u okna. Stejně tak v autě, vlaku či autobuse. Pokud například v autobuse sedíte v uličce, máte téměř určitě smůlu (okolo vás je kovový plášť autobusu, který "stíní" signál). V metru, v jeskyních či v přepravním prostoru dodávky nechytnete nic. Signálu také může bránit vaše vlastní tělo. Naopak hustý déšť, sněžení či vítr na kvalitu signálu vliv nemají. Na intenzitě signálu se také velmi málo podepisuje tenká látka, takže zapnutý GPS přijímač můžete mít např. v boční kapse batohu.

Použití GPS

Vynecháme-li vojenské potřeby, kvůli kterým GPS vlastně vznikl, pak v civilním sektoru nacházíme dvě hlavní uplatnění: navigace a sledování.

V případě navigace si lze ušetřit mnoho nervů, pokud tedy máte kvalitní mapové podklady a dobrý navigační software – samotná pozice nestačí.

Sledování je druhým nejčastějším využitím. GPS ve spolupráci s mobilem se používá jednak v zabezpečovacích systémech aut (některé pojišťovny dokonce na takto „zabezpečené“ auto dávají slevu) a jednak pro spediční společnosti pro sběr dat a sledování pohybu jejich vlastních vozidel. Data se pak mohou použít např. v knize jízd.

Budoucnost je Galileo a AGPS