Techbox: jak funguje GPS, které vás dovede k vašemu cíli?

Tip: Techbox: jak funguje SIM karta, srdce každého telefonu?

Tak jako u celé řady dnes běžně používaných věcí, má i satelitní navigace vojenský původ. První úvahy o globálním družicovém polohovém systému jsou téměř tak staré jako Sputnik. Objevují se ve Spojených státech již od 50. let minulého století a samotný vývoj GPS pak začíná na konci této dekády.

Předchůdcem dnešního systému GPS byl systém amerického námořnictva Transit, někdy také nazývaný NAVSAT (Navy Navigation Satellite System), který byl uveden do provozu v roce 1964 a americké vojenské námořnictvo jej provozovalo až do roku 1996. Transit, který používal pět družic, byl velice úspěšný, dokázal určit polohu s přesností stovek a později desítek metrů a přesný čas kdekoli na Zemi. Měl však jednu zásadní vadu. Neumožňoval nepřetržité měření polohy, což je zásadní například při navigování takových věcí, jako jsou balistické rakety. To byl také důvod, proč byl nakonec opuštěn a začal vývoj dokonalejších systémů.

Systém GPS vzniká v roce 1973

Ty však již neprobíhaly pouze v režii vojenského námořnictva, ale 17. 4. 1973 se memorandem Ministerstva obrany USA přenesla odpovědnost na vzdušné síly, když byly sloučeny výzkumné projekty pro určování polohy System 621B (Americké letectvo) a pro přesné určování času Timation (Americké námořnictvo). Sloučený program již nese, nám dobře známé, označení NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System).

Od 1. 7. 1973 řídí rozvoj programu GPS společná programová skupina JPO (Joint Program Office) kosmické divize velitelství systémů vzdušných sil USA (US Air Force Systems Command, Space Systems Division, Navstar GPS Joint Program Office), která sídlí na letecké základně v Los Angeles. Členy JPO jsou zástupci letectva, armády, námořnictva, pobřežní stráže, námořní pěchoty, ale zapojují se i členské státy NATO a Austrálie prostřednictvím zástupců obranné kartografické agentury (Defense Mapping Agency).

V prosinci roku 1973 získává JPO souhlas se zahájením prací na programu NAVSTAR GPS. Nejprve byly v letech 1974 – 1979 prováděny testy na pozemních stanicích a byl zkonstruován experimentální přijímač. Zároveň jsou však od roku 1978 vypouštěny první z 11 vývojových družic bloku I (poslední je vypuštěna v roce 1985). V roce 1979 je také rozhodnuto, že GPS nebude používat nedostačujících 18 družic, ale že se jejich počet zvýší na 24.

V průběhu 80. let byla rovněž budována řídící a monitorovací střediska. Zároveň se však celý program od počátku 80. let potácí na okraji propasti kvůli nedostatku peněz. Když však v roce 1983 sestřelí sovětská stíhačka ve vzdušném prostoru SSSR civilní dopravní letadlo společnosti Korean Air, let 007 (KAL 007) a zahyne všech 269 lidí, oznámil americký prezident Ronald Reagan, že po dokončení bude GPS k dispozici i pro civilní účely. První družice bloku II, který nahrazuje blok I a doplňuje systém na plánovaný stav, je vypuštěna v únoru 1989.

Uveden do provozu byl až v polovině 90. let

Počáteční operační dostupnosti (IOC), to znamená, že systém obsahuje 24 družic, které jsou potřeba k třírozměrnému určení v libovolném místě na Zemi, a předpokládané změny jsou oznamovány 48 hodin předem, bylo dosaženo po vypuštění 30. družice 8. 12. 1993, ale až 3. 3. 1994 byl celý systém uveden do provozu. Plného operačního stavu FOC (Full Operational Capability) však bylo dosaženo až po důkladném otestování systému o více než rok později 27. 4. 1995.

Ani po tomto datu však nenastal žádný boom v civilním využití GPS. Tehdejší systém nabízel pouze omezené využití. Nabízel jen informace o směru jízdy a vzdálenosti k cíli, což může stačit lodím a letadlům, ale běžného uživatele to nenadchne. Tehdejší navigace nejen že neměly mapové podklady, ale byly i velice drahé, protože se vyráběly v malých sériích. To, co bránilo širšímu využití pro běžné uživatele, však byla i umělá odchylka, kterou americká armáda přidávala do signálu. Přesnost civilního signálu GPS tak, na rozdíl od vojenského, nebyla v řádech metrů jako dnes, ale desítek metrů.

Tím zásadním datem, od kterého datujeme masové rozšiřování GPS, je 1. května 2000, kdy tehdejší americký prezident rozhodl o vypnutí této odchylky. Díky pokročilejším technologiím, které umožnily zmenšování GPS navigací, se doslova roztrhl pytel s nejrůznějšími turistickými a automobilovými navigacemi. Rostoucí zájem začal tlačit na snižování cen, což zájem uživatelů ještě více urychlil.

První telefon s GPS byl Benefon

Byla by ale chyba domnívat se, že se tehdy vyráběly pouze jednoúčelové navigace a že GPS v mobilu je záležitostí pouhých několika posledních let. První telefon se zabudovanou GPS byl Benefon Esc!, který byl představen dokonce ještě před vypnutím umělé odchylky, na podzim 1999, ale na trh se dostal až v červnu 2000.

Mobil byl vybaven 12kanálovým GPS přijímače. Co je ale mnohem zajímavější, je, že uměl tehdy už i mapy, a to přesto, že jeho displej měl rozlišení pouze 100 x 160 pixelů a zvládal jen odstíny šedi. Mapy bylo možné stahovat s internetu nebo si vytvářet v počítači vlastní a následně nahrávat do telefonu přes kabel. Zajímavostí byla beze sporu i funkce „Friend Find“, což byla obnova dnešního Google Latitude. Na svém telefonu jste na mapě mohli sledovat polohu svých přátel. Podmínkou však bylo, aby měli také Benefon Esc!.

Své prvenství si však nechal Benefon pořádně zaplatit. Přestože se Esc! prodával i u nás, příliš se nerozšířil právě kvůli své ceně. Za téměř 30 tisíc korun si ho tehdy koupil jen skutečný nadšenec. Ještě o čtyři roky později v červenci 2004 ho měla česká pobočka Benefonu v ceníku za závratných 20 854 Kč s DPH.

Z čeho se skládá systém GPS?

Systém GPS nejsou pouze satelity na oběžné dráze. Celý systém můžeme rozdělit do tří segmentů – kosmického, kontrolního a uživatelského.

Kosmický segment byl původně projektován na 24 satelitů, ale v současnosti jich obsahuje 32, což je maximum. Pokud bychom přidali další satelity, bylo by již nutné upravit frekvenci vysílaného signálu. Družice jsou rozmístěny na šesti kruhových drahách kolem Země na střední oběžné dráze (MEO, Medium Earth Orbit) ve výšce 20 200 kilometrů, kde se pohybují rychlostí 3,8 km/s (kolem Země oběhnou za 11 hodin 58 minut). Dráhy mají sklon 55° a jsou vzájemně posunuty o 60°. Podle původního projektu byly na každé z těchto drah v pravidelných rozestupech čtyři satelity. Dnes je však zde, protože je satelitů více, 5-6 nepravidelně rozmístěných pozic pro družice.

Každá družice váží zhruba 1,63 tuny a skládá se z několika částí. Srdcem každé družice jsou 3 - 4 velmi přesné atomové hodiny s rubidiovým, dříve také s cesiovým oscilátorem. Každá družice je dále vybavena 12 anténami RHCP pro vysílání rádiových kódů v pásmu L (2000-1000 MHz), které slouží k samotnému navigování. Další antény v pásmu S (2204,4 MHz) slouží ke komunikaci s pozemními kontrolními stanicemi, a jsou zde i antény pro vzájemnou komunikaci družic v pásmu UHF. K napájení družice slouží baterie a solární panely. Protože je GPS původně vojenský projekt, najdeme na palubě družic i něco, co byste při navigování nečekali. Družice jsou napěchovány i nejrůznějšími optickými, rentgenovými a pulzně-elektromagnetickými senzory pro detekci startů balistických raket a jaderných výbuchů.

Žádný stroj není nerozbitný a průměrná životnost jedné družice je asi 10 let. Celý kosmický segment se pak obmění za 20 let. Každá z družic je přitom několikrát do roka z důvodů údržby na 12 – 24 hodin odstavena. Během té doby je provedena údržba atomových hodin a případná korekce dráhy družice.

Stejně důležitý jako kosmický segment je pak kontrolní a řídící segment, který se v podstatě stará, aby vše fungovalo, jak má. Monitoruje stav kosmického segmentu, posílá povely družicím, upravuje jejich dráhy a provádí korekce atomových hodin. Pro případ, že by byl tento segment zničen, jsou družice navrženy tak, aby v automatickém režimu udržovaly systém GPS v provozu ještě půl roku. Řídící a kontrolní systém se skládá z velitelství Navstar Headquarters na letecké základně Los Angeles, řídícího střediska na Schrieverově letecké základně USAF v Colorado Springs, tří povelových stanic, které jsou umístěny na základnách USAF Kwajalein, Diego Garcia, ostrově Ascension a případně i Cape Canaveral a 18 monitorovacích stanic rozesetých po celém světě.

Uživatelský segment představuje každý, kdo s GPS přijímačem přijímá signály z jednotlivých družic, které jsou v danou chvíli nad obzorem. Tato komunikace je přitom pouze jednosměrná a probíhá od družice k uživateli. Zařízení směrem k družici nic nevysílá a ani nemůže. To, že jsou GPS přijímače pasivní, je dáno právě vojenským původem systému GPS. Pokud by byly přijímače aktivní a něco vysílaly, byly by zaměřitelné nepřítelem. Vojenský původ GPS se projevuje i rozdělením uživatelům do dvou skupin. Jednak jsou to autorizovaní uživatelé, což je vojenský sektor USA a vybrané spojenecké armády využívající službu Precise Positioning Service (PPS) nabízející větší přesnost. Druhou skupinou jsou pak ostatní uživatelé, což je především civilní sektor, kteří používají méně přesný Standard Positioning Service (SPS).

Jak tedy GPS funguje?

GPS přijímač počítá polohu na základě přijatých dálkoměrných časových značek, které vysílají jednotlivé družice (k tomu jsou nezbytné ony extrémně přesné atomové hodiny v družicích). Přijímač ze signálu detekuje dálkoměrný kód družice a z rozdílu mezi odesláním a přijetím jedné sekvence kódu vypočítá vzdálenost od družice. Tato vzdálenost nicméně není absolutně přesná, protože hodiny družice a přijímače nejsou dokonale synchronizovány, ale pouze zdánlivá.

Provedením měření u tří družic se nám jejich dráhy protnou a my tak získáme polohu přijímače. Tato poloha je nicméně pouze dvourozměrná a není příliš přesná. K dalšímu zpřesnění a získání třetího rozměru, tedy nadmořské výšky, potřebujeme ještě čtvrtou družici, která měří časový posun hodin přijímače, díky čemuž přijímač provádí korekce a další zpřesnění polohy.

Samozřejmě zde platí, že čím více satelitů, tím přesnější určení polohy. Je ovšem naprosto nereálné, abychom na kterémkoli místě na této planetě viděli všechny satelity. Vždy musíme počítat pouze s těmi, které jsou vidět nad obzorem. Z našeho území přitom nejčastěji vidíme osm satelitů, minimum je přitom šest a maximum 12. Právě nutnost volného výhledu na oblohu je ale také hlavní nevýhoda systému GPS. Proto nemůžeme změřit polohu například pod vodou nebo v tunelech a proto se nám také ve městech někdy tak těžko kvůli stínícím výškovým budovám zaměřuje poloha a musí nastupovat různé asistenční systémy a pomůcky, zaměřující například alespoň přibližně polohu podle vysílačů operátorů.

Asistované GPS urychlí získání polohy

Řekli jsme si, že GPS přijímače nic nevysílají a pouze přijímají signál. To je sice pravda, ale v případě navigace u mobilních telefonů se používá spíše tzv. A-GPS (Asistované GPS). Když zapnete GPS v mobilu a GPS přijímač si není jistý, kde se zrovna nachází satelity, stáhne si přes mobilní data z asistenčního centra informace o přesné dráze družic a palubních časech. Tím, že nemusí čekat, až je přijme ze satelitu, ale může rovnou uzamknout pozice jednotlivých satelitů, se výrazně zkrátí tzv. studený start, kdy GPS vyhledává satelity, dostává z nich první data a zpracovává je. To může v závislosti na viditelnosti oblohy trvat i velice dlouho. Odtud pramení mýlka mnoha uživatelů, kteří si myslí, že k využívání GPS je nutné internetové připojení, což ale není pravda.

Tuto funkci jde totiž v mobilním telefonu vypnout a GPS v mobilu pak funguje jako kterýkoli jiný obyčejný GPS přijímač, avšak za cenu někdy mnohem delšího zaměřování polohy. Sice se při hledání polohy přenáší pouze několik kilobajtů a běžně to na svém účtu nemusíte ani poznat, ale vyplatí se to, pokud nemáte datový tarif nebo se nacházíte v zahraničí.

GLONASS a ti druzí

Přestože se GPS stalo téměř synonymem pro satelitní navigaci, je pouze jedním z globálních družicových systémů. GPS je sice zdarma a pro běžné uživatele volně k použití, jsou zde ale jistá omezení pro vojenské použití a stále ho pevně třímá v rukou americká armáda, která ho může kdykoli vypnout nebo znepřesnit. To se samozřejmě nelíbí dalším velmocím jako Rusku a Číně a vyvíjejí své vlastní systémy.

Tím druhým nejznámějších je ruský GLONASS, který už některé současné telefony umí rovněž přijímat souběžně s GPS. V současnosti je GLONASS provozovaný ruskou armádou, ale část služeb systému je s omezenou přesností volně dostupná i civilním zaměstnancům. Toho využívají nejen výrobci navigací, ale i někteří výrobci mobilních telefonů, jako je například Sony, které přidalo už v roce 2011 kromě podpory GPS i podporu GLONASSu. Oba systémy jsou sice oddělené, ale tím, při zjišťování své pozice vypočítáme polohu u obou systémů, můžeme ve výsledku dosáhnout mnohem přesnější výsledku, než kdybychom použili jen jeden systém. Samotné Sony uvádí, že především v hustší zástavbě je tak možné dosáhnout až o 55% lepší přesnost lokalizace.

V prosinci 2011 spouští s 10 družicemi na orbitě svůj globální družicový polohový systém Compass (známý také jako Beidou-2) také Čína. Compass má po svém plném dokončení tvořit 35 družic - 27 z nich bude, podobně jako u GPS, obíhat na středním zemském orbitu. Pět z nich je nyní situováno na geostacionární dráze (tyto družice z pohledu pozorovatele stojí stále na stejném místě) a tři na geosynchronní dráze (z pohledu pozorovatele se vrací na jedno místo na obloze vždy ve stejný čas každý den).

Také Compass poskytuje, stejně jako konkurenční systémy, své služby na dvou úrovních. Veřejně přístupná verze má poskytovat přesnost polohy 10 metrů. Pak je zde ještě vojenská verze, která bude přesnější.

Další globální družicový polohovací systém bude Galileo, jehož výstavbu zajišťují státy EU prostřednictví kosmické agentury ESA. První technologická navigační družice pro testování komponent tohoto systému nyla vypuštěna 28. prosince 2005, druhá družice následovala 27. dubna 2008. Další dva satelity byly vyneseny na oběžnou dráhu 21. 10. 2011 a další dva 12. 10. 2012. Po svém dokončení by měl být systém tvořen 30 operačními družicemi (27+3), obíhajícími ve výšce přibližně 23 222 km nad povrchem Země. Protože bylo dosaženo dohody o kompatibilitě s GPS, budou moct budoucí přijímače využívat oba systémy. Pro nás není bez zajímavosti, že administrativní sídlo Galilea od loňského roku sídlí v Praze.

Kromě globálních družicových polohovacích systémů však fungují i regionální navigační systémy, které svými družicemi pokrývají pouze určité území. Takovými systémy jsou například čínský Beidou 1, ze kterého se vyvinul Compass, francouzský DORIS, indický IRNSS nebo japonský QZSS.

Jak je tedy zřejmé, systém GPS a další podobné navigační systémy jsou opravdu komplexní a důmyslná řešení, která však ve většině případů drží v rukou armáda. Můžeme být však rádi, že tato technologie, která bezpochyby změnila svět, a díky které jsou smartphony tím, čím jsou, byla zpřístupněna i k civilnímu použití. A vy si tak můžete v neznámém městě hned nalézt svou polohu a okolní zájmové body.

Jak se vám líbil druhý díl seriálu Techbox a o čem byste se chtěli dozvědět příště?