Jak je možné, že mobil ví, kde zrovna jsme?

Vytáhněte z kapsy chytrý telefon, spusťte mapy a během okamžiku se rozsvítí bod signalizující polohu. Jak vlastně funguje GPS a další způsoby lokalizace?

Nejstarším veřejně dostupným elektronickým lokalizačním systémem je americký Navstar GPS spravovaný tamním ministerstvem obrany. Jedná se o satelitní technologii, která byla uvedena do veřejného provozu teprve v polovině 90. let. Systém GPS se dnes skládá z 32 satelitů 2. generace z období let 1990 až 2013, přičemž se už roky připravuje 3. generace GPS, která by měla zajistit vyšší přesnost a další služby podobně jako chystané evropské Galileo. Ekonomická krize posledních let však veškeré plány výrazně oddálila.

Inženýrský zázrak

GPS a jeho příbuzné systémy, tedy především ruský Glonass a budované evropské Galileo, jsou opravdu jedním z nejdokonalejších inženýrských počinů lidstva. Ostatně posuďte sami. Uvnitř vašeho mobilního telefonu najdete malý čip a anténu, která musí být schopna zachytit relativně slabý signál na kmitočtu 1,5 GHz, který letí ze vzdálenosti okolo 22 tisíc kilometrů a vysílá jej satelit, který se sám pohybuje rychlostí okolo 14 tisíc km/h.

Jakmile spustíte přijímač GPS, za nějaký okamžik zachytí složitě modulovaný signál od první družice, který se skládá z několika subsignálů. Pro samotnou lokalizaci je nejdůležitější digitální kód C/A. Jedná se v podstatě o sled pseudonáhodných čísel, přičemž každý ze satelitů vysílá trošku jiný kód, aby nedošlo k záměně. Kdybyste takový signál naladili na rádiu a převedli na zvukové vlny, uslyšíte opravdu jen neurčitý šum, kód C/A se totiž ohromnou rychlostí neustále opakuje.

 

Klepněte pro větší obrázek
Signál z družice GPS dorazil o něco později a už není synchronní s generátorem C/A v přijímači (Δt). Přijímač zjistí, o jaký posun se jedná a získá tedy dobu letu signálu mezi družicí a přijímačem. Díky známé rychlosti světla může vypočítat vzdálenost družice od přijímače.

Přijímač GPS ve vaší kapse obsahuje vlastní generátor kódu C/A, který je přesně synchronizovaný s každou družicí. No a to už se dostáváme k samotné pointě. Než signál s aktuální fází C/A kódu dorazí z družice třeba právě do vašeho mobilního telefonu, čip v přijímači už generuje trošku jinou hodnotu a může zpětně zjistit, o jak velký časový posun se vlastně jedná. Ten odpovídá době, po kterou letěl signál prostorem. Pak už je to relativně snadné, díky známé rychlosti světla lze totiž vypočítat vzdálenost mezi satelitem a přijímačem.

Jelikož žijeme v trojrozměrném světě, tuto vzdálenost můžeme vyjádřit koulí. My jsme kdesi na jejím povrchu, zatímco družice GPS uprostřed. Abychom zjistili naši polohu na Zemi, potřebujeme ještě další dva satelity. Jeden z průniků tří koulí je pak nejspíše místo, kde se skutečně nacházíme a které se dalšími výpočty převede na souřadnicový systém WGS-84 vyjádřený už dobře známými stupni, minutami a vteřinami a zářícím puntíkem na mapě.

Klepněte pro větší obrázek
Zjištěním vzdálenosti k jednomu satelitu se dozvíme, že jsme někde na povrhu oranžové koule
Klepněte pro větší obrázek
Pokud známe vzdálenost ke dvěma satelitům, nacházíme se kdesi na průniku obou koulí, tedy na kružnici
Klepněte pro větší obrázek
Pokud změříme vzdálenost i ke třetímu satelitu, nacházíme se kdesi na průniku tří koulí, což jsou dva možné body. Jeden z nich se nachází mimo zemský povrch, můžeme jej tedy vyloučit. I v tomto případě však bude poloha velmi nepřesná a je třeba získat ještě signál ze čtvrtého satelitu pro korekční výpočty.

Einsteinova teorie relativity

Jestli vám to všechno nakonec připadá docela jednoduché, tak vězte, že tomu tak rozhodně není, takto to totiž funguje pouze v ideálních podmínkách kdesi na školní tabuli. Jelikož se vzdálenost počítá pomocí časové prodlevy, jde opravdu o každý okamžik. Pokud by se signál zpozdil o jedinou milisekundu, přijímač by vypočítal, že je od něj satelit vzdálený dalších 300 kilometrů! Nepřítelem je například už samotná atmosféra. Radiový signál interferuje s ionosférou ve vysokých výškách a dochází k lomu a zpoždění, které se může podepsat až pětimetrovou odchylkou. Další překážkou jsou pak třeba odrazy signálu v zastavěných oblastech. Přijímač také musí přesně vědět, kde se v daných časech nacházejí samotné družice, aby mohl vypočítat správný průnik našich koulí.

A aby to bylo ještě složitější, do hry vstupují dokonce obě teorie relativity Alberta Einsteina. Jelikož se satelity Navstar pohybují oproti pozorovateli na Zemi ohromnou rychlostí, dochází u nich na základě speciální teorie relativity k drobnému zpomalení času. Jenže přesně opačným efektem zase působí obecná teorie relativity, poněvadž na družici vysoko nad povrchem působí gravitační pole Země s mnohem nižší intenzitou. Tyto časové rozdíly jsou sice pro člověka naprosto nepostřehnutelné, pro správný výpočet atomových hodin to je však oříšek, který by způsobil opět odchylku až několika metrů. Autoři systému s těmito relativistickými efekty tedy musejí počítat a hodiny jsou speciálně korigované. Fenoménem se v podrobnějším článku zabývá Osel.cz.

Almanachy, efemeridy a A-GPS

Aby se všem těmto jevům předcházelo, společně s C/A „šumem“ je v signálu zakódovaný almanach a efemeridy. Almanach obsahuje základní údaje o celém systému GPS, které přijímač potřebuje k synchronizaci, a efemeridy pak přesné informace o konkrétním satelitu. Zatímco tradiční přijímače bez internetové konektivity si tyto údaje musejí stahovat přímo z GPS signálu, což může po delší nečinnosti výrazně prodloužit dobu k prvnímu zachycení polohy až na několik minut, současné mobilní telefony a další kapesní počítače připojené k internetu si almanach a další údaje stahují z webu. Této technologii se souhrnně říká A-GPS, tedy asistovaný GPS.

Klepněte pro větší obrázek
Aktuální textový almanach se všemi podrobnostmi o satelitech GPS

Díky němu může zařízení v ideálních podmínkách vypočítat první polohu v řádu několika sekund, všechna pomocná data už má totiž v paměti a stahuje si je zpravidla každý den. Ostatně podívejte se sami, almanachy GPS v několika textových formátech totiž najdete třeba na této adrese.

GPS je přesný díky WAAS/EGNOS

Nicméně ani tato data nemusejí vyřešit veškeré problémy s přesností, jednotlivé světové regiony proto budují korekční navigační systémy. Zatímco nad územím USA a Kanady se jedná o systém WAAS, v Evropě je to EGNOS, který stejně jako Galileo spravuje zdejší Evropská vesmírná agentura ESA. Právě díky těmto podpůrným systémům dnes můžeme v civilním využívání GPS dosahovat odchylek v ideálním případě méně než 2 metry.

Klepněte pro větší obrázek
Korekční systém EGNOS v praxi: černé puntíky RIMS jsou stanice, které přijímají signál GPS, který dále zpracovávají centra MCC a hotová data vysílají do korekčních satelitů stanice NLES (Zdroj: ESA)

EGNOS se skládá z pozemních stanic rozesetých po celé Evropě, které znají svoji přesnou geodetickou polohu a zároveň neustále měří polohu pomocí GPS. Rozdíl mezi skutečnou a satelitem zjištěnou pozicí pak odpovídá odchylce, kterou z daných regionů odesílají další speciální stanice do korekčních satelitů kompatibilních s GPS.

Diferenciální GPS

Kartografové a geodeti v terénu často používají ještě vyšší stupeň korekce, kterému se obecně říká DGPS – diferenciální GPS. Jedná se v podstatě o podobný princip jako u WAAS/EGNOS, nicméně bez použití speciálních družic. DGPS zařízení tedy přijímá klasický signál z GPS a zároveň pozemní rádiový signál z nejbližší stanice. Při této kombinaci je pak už určení polohy naprosto přesné.

Klepněte pro větší obrázek
Korekční stanice DGPS (Zdroj: Stefan Kühn, CC-BY-SA)

Systém GPS byl do roku 1996 k dispozici pouze pro potřeby americké vlády a do roku 2000 byla do signálu vnášena záměrná chyba, která snižovala přesnost až o několik desítek metrů. To už je dnes za námi, i když některá omezení zůstávají. Civilní GPS přijímač vyrobený na území USA například nesmí fungovat ve výškách nad 18 kilometrů a při rychlostech nad 515 m/s. V opačném případě jej budou úřady považovat za zbraňový systém, poněvadž by jej mohl nepřítel použít třeba pro navedení balistické střely.

Tak kde je to Galileo?

Projekt evropského satelitního navigačního systému Galileo má sice oproti počátečním plánům velké zpoždění, to ale neznamená, že se nic neděje. První dva satelity ESA vypustila na podzim 2011 a další dva o rok později. Systém se dnes tedy skládá ze čtyř družic a už jej lze alespoň v experimentální rovině skutečně testovat.

Klepněte pro větší obrázek
Trasa, kterou v okolí Bratislavy s pomocí Galilea zaměřil slovenský technologický startup GoSpace (Zdroj: ESA, blog GoSpace

 

 

Témata článku: Technologie, Pioneer, Slabý signál, Albert, DGPS, Opačný efekt, Diferenciální GPS, Aktivní wi-fi, Podpůrný systém, MOBI, Velké zpoždění, GOS, Galilea, Albert Einstein, Podobný princip, NAVSTAR GPS, Teorie relativity, Vážený průměr, Záměrná chyba, Netmonster, GPS a wi-fi, Mobil, Zemský povrch, Atmosféra, Domácí počítač



Vybrali jsme nejlepší telefony, které si v květnu 2022 můžete koupit

Vybrali jsme nejlepší telefony, které si v květnu 2022 můžete koupit

** Každý měsíc vybíráme nejlepší mobily v několika kategoriích. ** Smartphony dělíme podle výbavy a ceny, aby si mohl vybrat každý. ** Nezapomínáme ani na tablety a tlačítkové telefony.

Jan Láska
TelefonySmartphonyNákup a ceny
Vyzkoušeli jsme levnou autodiagnostiku s Androidem. Servisy ohrnou nos, řidičům bude stačit

Vyzkoušeli jsme levnou autodiagnostiku s Androidem. Servisy ohrnou nos, řidičům bude stačit

** Smartphone s Androidem dnes využijete i pro autodiagnostiku ** Jednotku OBD-II dnes pořídíte za pár stovek ** Co se vše dokáže diagnostika s bezplatným SW v češtině?

Martin Chroust
DiagnostikaPro řidiče
Studie sledovala přesnost chytrých hodinek. V měření kalorií jsou prakticky nepoužitelné

Studie sledovala přesnost chytrých hodinek. V měření kalorií jsou prakticky nepoužitelné

** Chytré hodinky dnes změří spoustu věcí, přeností ale někdy pokulhávají ** Studie se zaměřila na měření spálených kalorií ** Výsledky pro žádné z hodinek nedopadly dobře

Martin Miksa
MěřeníChytré hodinkyApple Watch
Další vlna podvodných SMS z čísla 2563. Neotevírejte odkaz a nezadávejte žádné platební údaje

Další vlna podvodných SMS z čísla 2563. Neotevírejte odkaz a nezadávejte žádné platební údaje

** Útočníkům první vlna nestačila, na důvěřivé Čechy útočí dál ** Nalákají vás na údajně nezaplacené clo ** Odkaz neotvírejte a podvodníkům rozhodně nic neplaťte!

Martin Chroust
PodvodOchranaSMS
eSIM dostanete do každého smartphonu. Vypadá jako běžná nanoSIM, má však svou paměť i systém

eSIM dostanete do každého smartphonu. Vypadá jako běžná nanoSIM, má však svou paměť i systém

** Víte, že eSIM dnes může mít úplně každý telefon s Androidem ** Budete jen potřebovat kartičku eSIM.me, která vypadá jako nanoSIM ** Podle její ceny se odvíjí kapacita úložiště eSIM profilů

Martin Chroust
SIMeSIMAndroid
Nový hit. Tahle appka vám udělá profilovku jako od pouličního ilustrátora

Nový hit. Tahle appka vám udělá profilovku jako od pouličního ilustrátora

** Aplikace NewProfilePic se na Androidu stala hitem ** Můžete si v ní vytvořit profesionálně vypadající profilovky ** Pozor ale na agresivní cenovou politiku za Pro verzi

Martin Chroust
FotografieUmělá inteligenceMobilní aplikace
Další velká věc pro chytré hodinky. Změří cukr v krvi, daleko víc modelů ohlídá teplotu

Další velká věc pro chytré hodinky. Změří cukr v krvi, daleko víc modelů ohlídá teplotu

** Chytré hodinky se prakticky každý rok naučí měřit něco nového ** Letos by se mělo jednat o neinvazivní měření krevního cukru ** Měření teploty kůže by se mělo dostat i na další chytré hodinky

Martin Chroust
Měření glykémieMěřeníChytré hodinky
S jakou navigací na dovolenou? Vybrali jsme 7 nejlepších aplikací, které vám ukážou cestu

S jakou navigací na dovolenou? Vybrali jsme 7 nejlepších aplikací, které vám ukážou cestu

** Vybrali jsme sedm nejlepších navigací pro Android a iOS ** Na své si přijdou řidiči, cyklisté i pěší ** Většinu aplikací lze používat zdarma

Karel Kilián
Pro turisty a cyklistyPro řidičeNavigace
Dochází prostor v úložišti? Může pomoct vymazání mezipaměti. Poradíme, jak na to

Dochází prostor v úložišti? Může pomoct vymazání mezipaměti. Poradíme, jak na to

** Dochází vám v Androidu volné místo? ** Je třeba šetřit, kde se dá ** Nejméně bolestivým krokem je odstranění dočasných souborů

Martin Chroust
PaměťJak...Android
Nahrávání hovorů na Androidu nadobro skončí. Nepomůže ani obcházení systémových omezení

Nahrávání hovorů na Androidu nadobro skončí. Nepomůže ani obcházení systémových omezení

** Google 11. května vypne nahrávání hovorů na Androidu ** Aplikace nebudou moci k nahrávání využívat API pro Usnadnění ** Uživatelé mají pouze dvě možnosti, jak nahrávání zachovat...

Martin Chroust
Nahrávání hovorůAndroid
Google na obchodu Play pustil do oběhu malware obřích rozměrů. Dostal se do více než 60 milionů smartphonů

Google na obchodu Play pustil do oběhu malware obřích rozměrů. Dostal se do více než 60 milionů smartphonů

** Doslova každý týden se na Google Play objeví nový malware ** Ten nejnovější si do mobilů stáhlo na 60 milionů uživatelů ** Vývojáři aplikací vydělávají na přeprodeji citlivých dat

Martin Chroust
Google PlayMalwareAndroid
Sex manželských párů? Jen výjimečně. Ložnice ovládnou roboti s umělou inteligencí

Sex manželských párů? Jen výjimečně. Ložnice ovládnou roboti s umělou inteligencí

** Sex manželských párů jen při zvláštních příležitostech. ** Ložnice ovládnou sexuální roboti s umělou inteligencí. ** I to je jeden ze závěrů Mezinárodní robotické konference.

Filip KůželJiří Liebreich
RobotiSexUmělá inteligence