Systémy navigace

Zkratka GPS pochází z angličtiny a znamená Global Positioning System. Jedná o celosvětový družicový navigační systém, pomocí něhož lze určit přesnou geografickou polohu prakticky kdekoli na Zemi.

A. Systém GPS

se začal plánovat v roce 1973 na Ministerstvu obrany USA a původně byl vyvinut – jak jinak – pro vojenské využití. Projekt byl původně představen pod označením Navstar (Navigation System with Timing and Ranging), později se přešlo na zkratku GPS. Časem se ukázalo mnoho možných využití GPS i v civilním sektoru a proto byl uvolněn i pro běžné použití. První družice byla vypuštěna v roce 1978. Postupně se systém stále více rozšiřoval a do globální celosvětové podoby se dostal v roce 1995. Jen pro zajímavost: uvádí se, že vybudování systému GPS přišlo americké Ministerstvo obrany na více než dvanáct miliard dolarů. 

Satelity hovoří, terminály naslouchají

Kosmickou část systému GPS tvoří družice o hmotnosti 775 kg, které obíhají ve výšce 20 350 km nad Zemí na šesti oběžných drahách. Oběžné dráhy satelitů se od sebe vzájemně odklánějí o 60 stupňů. Na jedné oběžné dráze se pohybuje čtyři až pět družic. Ve skutečnosti obíhá kolem Země zhruba 30 družic, ale současně aktivních je obvykle 24, ostatní jsou vždy záložní. Projít celou oběžnou dráhu zabere satelitu přesně 12 hodin. To znamená, že konfigurace družic na obloze se neustále mění, ale stejné rozmístění se vždy dvakrát denně opakuje. Z jednoho místa na Zemi bývá v přímé viditelnosti antény přijímače 6 až 12 družic.

Systém GPS pracuje pouze jednosměrně, tedy družice vysílají a pozemské stanice přijímají. Pro přenos signálů družic jsou vyhrazeny dva kmitočty: první s hodnotou 1 575,42 MHz a s označením L1 a druhý pak na 1 227,60 MHz s označením L2.

Každý satelit posílá také zprávu o své poloze vyjádřenou tzv. efemeridou, což je astronomické přesné určení polohy kosmického tělesa v určitém čase, přesný údaj o čase, dále odhad zpoždění signálu v ionosféře a ještě celou řadu dalších údajů. Mimoto vysílají satelity tzv. almanac, což je vlastně databáze dalších satelitních stanic.

Tuto databázi si přijímač GPS uloží do paměti ihned po přihlášení a dále si ji aktualizuje. V databázi jsou uloženy kódy okolních satelitů a i jejich přibližná poloha, z níž si přijímač umí odhadnout, kdy se zhruba mohou objevit na horizontu. Několik nejbližších kódů si pak přijímač ponechá jako aktuální a každý přijatý signál GPS s nimi porovnává. Činí tak prostřednictvím matematické operace zvané autokorelace a posouváním posloupností o jednotlivé bity vpřed či vzad. Pokud se signál nějaké družice shoduje s uloženým kódem, přijímač se na něj takzvaně zamkne. Princip je naznačen na obrázku níže. Při synchronizaci obou signálů pak přijímač dokáže spočítat dobu cesty signálu od družice.

Synchronizace signálu přijímače a družice

Samotný princip určení polohy je docela jednoduchý. Přijímač si nejprve vypočte vzdálenost, která jej dělí od několika okolních družic, a to z doby cesty signálu a z rychlosti světla včetně započítání vlivů atmosféry. Princip přesného určení polohy je naznačen na obrázku níže. Pokud tedy zná přijímač zatím jen vzdálenost k jedné z družic, předpokládá dle pravidel geometrie, že sám leží někde na plášti koule s poloměrem rovným dané vzdálenosti, jejíž střed tvoří daná družice, na obrázku např. koule A. Pokud ale zná vzdálenost i k jinému satelitu, např. B, může vypočíst průnik povrchů koule, což je už jen kružnice. Se třetí koulí se možnost polohy zúží pouze na dva body, přičemž jeden z nich leží buď vysoko v prostoru nebo hluboko v Zemi a může se škrtnout. Je hotovo.

Ilustrace principu trilaterace

Tomuto postupu se říká trilaterace. V praxi je situace oproti modelovému příkladu složitější, protože s měřením a počítáním vzdáleností vznikají nepřesnosti. Proto se k určení polohy používá vždy nejméně čtyř družic. Chyby mohou vzniknout jednak odchýlením se od skutečné hodnoty rychlosti šíření signálu atmosférou, ale také samotnou družicí, pokud pošle nesprávné či nepřesné údaje. Aby se tomu zamezilo, má každá z družic své vlastní přesné atomové hodiny. Na správnou polohu družic dohlíží také pozemní řídicí systém, který polohu a pohyb družic sleduje a koriguje.

 Rozmístění pozemních řídicích stanic

Pozemní systém je tvořen celkem pěti monitorovacími základnami, z nichž tři mají také anténní systémy pro vysílání směrem k satelitům. Hlavní stanici a ostatní stanice najdete na mapce výše. Na dalších obrázcích je pak ukázka, jak taková pozemní anténa pro vysílání směrem k družicím může vypadat. Běžná přesnost GPS se při standardních podmínkách a dobrém signálu obvykle vejde do řádu deseti metrů. Nebylo tomu tak ale vždy. Do roku 2000 bylo u GPS zapnuto umělé znepřesnění pomocí mechanizmu zvaného SA, to kvůli nepřátelům, kteří by mohli GPS zneužít proti NATO.

Antény základen pro spojení s družicemi

Signál GPS je velice slabý. Jeho úroveň se v blízkosti Země pohybuje v řádech deset na mínus šestnáctou wattů. Jen pro přibližnou představu, v literatuře se taková energie přirovnává k úrovni světelného záření žárovky 25 W pozorovaného ze vzdálenosti 11 000 mil.

Nevýhodou pro uživatele je však to, že přijímač GPS si žádá nejlépe přímou viditelnost na oblohu. Slabý signál je špatně dostupný v budovách a podléhá atmosférickým vlivům.

B. Systém Glonass GPS

pochopitelně není jediný a sám, proto se v krátkosti podívejme i na konkurenční systémy. V době napjatých vztahů mezi východem a západem si východní blok vybudoval v 80. letech svůj vlastní satelitní navigační systém, který i dnes stále běží. Systém se jmenuje GLONASS a je provozován ruským ministerstvem obrany. GLONASS má 24 satelitů na třech drahách odkloněných o 120 stupňů, umístěných ve výšce 19 100 km. Protože GPS spadá pod správu Ministerstva obrany USA, které má také rozhodující slovo v tom, co se systémem bude, je logické, že Evropa chce mít také svůj samostatný systém, který by vlivu USA nepodléhal.

 

 

C. Systém Galileo.

Evropský systém Galileo je naopak primárně navržen jako projekt řízený a spravovaný civilní správou.Systém Galileo má největší potenciál především v dopravě (letecká, silniční, železniční, námořní a říční, městská, atd.), přesto však nabízí široké využití i v dalších oblastech, kde zvýší bezpečnost, přesnost a komfort (energetický průmysl, bankovnictví, zemědělství, civilní ochrana, životní prostředí, stavebnictví atd.). 

Družice systému Galileo • oběžné dráhy 

Více se o projektu Galileo dočtete na stránkách Evropské komise a Evropské kosmické agentury. Po jednáních s USA bylo dosaženo dohody o kompatibilitě systému Galileo s GPS, což je velmi pozitivní a chvályhodný počin. Projekt Galileo vznikl proto, aby měla Evropa k dispozici vlastní satelitní navigační systém, který by nepodléhal libovůli USA, jak je tomu u systému GPS. Galileo je největším evropským průmyslovým projektem v historii. Za jeho vznikem stojí Evropská komise (EC) a Evropská kosmická agentura (ESA) Sídlo je v Paříži.. Komise EC nese politickou odpovědnost za projekt a formuluje základní požadavky na systém, zatímco kosmická agentura ESA má za úkol definice a řešení technických parametrů systému a samozřejmě také vývoj, výrobu a ověření funkcí vesmírných i pozemských částí systému. Také se stará o technologie potřebné pro přijímače systému Galileo.

Historie projektu nesahá do příliš daleké minulosti. Byl vytvořen a rozplánován v roce 2001, přičemž první návrh na vytvoření systému byl vznesen na červnovém zasedání Evropské komise v Bruselu. Etapy řešení projetu byly původně naplánovány tak, že vývoj a výzkum bude probíhat do roku 2005, v letech 2006 až 2007 pak proběhne fáze zavádění a od roku 2008 už měl systém fungovat naplno. Jenže, jak už to tak bývá, nastaly komplikace a tak projektu hrozí pozdržení. Předpoklad spuštění je rok 2018. Problémem jsou především otázky financování další fáze projektu, kdy se Německá kosmická agentura snaží složitě vyjednávat o tom, aby řídící středisko pro Galilea bylo zřízeno poblíž Mnichova. Jenže sídlo si však nárokují také Itálie, Francie a Španělsko.   

Evropský civilní družicový navigační systém GALILEO bude poskytovat celkem 4 druhy služeb:

• Základní služba (Open Service - OS) – základní signál, poskytovaný zdarma; 

• Komerční služba (Commercial Service - CS ) – na rozdíl od služby základní využívá ještě další dva signály. Tyto signály jsou chráněny díky komerčnímu kódování, které bude řízeno poskytovateli služeb a budoucím Galileo operátorem. Přístup je kontrolován na úrovni přijímače, kde se využívá přístupového klíče;
• Veřejně regulovaná služba (Public Regulated Service - PRS ) – dva šifrované signály, s kontrolovaným přístupem a dlouhodobou podporou, určené pro státem vybrané uživatele, především pro bezpečnostní složky státu;
• Vyhledávací a záchranná služba (Search And Rescue service - SAR ) - služba nouzové lokalizace v rámci celosvětové družicové záchranné služby COSPAS-SARSAT s možností oboustranné komunikace;

 

 

Technické parametry

Aktivních satelitů bude vždy 27, tři zbývající budou jako rezervní. Pro zajímavost, družice mají velikost 2,7 × 1,2 × 1,1 m a váží 650 kg. Hmotnost zahrnuje přístrojové vybavení (80 kg), kde jsou také rubidiové hodiny, jež najdete na obrázku níže. Předpokládaná životnost jedné družice je patnáct let.

Pozemní řídící centra označovaná GCC (Galileo Control Center) by měla být dvě a komunikovat s družicemi budou pomocí patnácti pozemních vysílačů. Galileo používá stejně jako GPS kódový multiplex CDMA, a to ze stejných důvodů, tedy kvůli odolnosti proti rušení. Co do frekvencí bude pracovat na čtyřech pásmech: E5a se středním kmitočtem 1 176,45 MHz, E5b s kmitočtem 1 207,140 MHz, E6 na kmitočtu 1 278,75 MHz a L1 s kmitočtem 1 575,42 MHz.

Plný systém bude sestávat z 30 družic (27 operačních + 3 záložní) obíhajících ve třech rovinách po kruhových drahách na střední oběžně dráze Země (Medium Earth Orbibit – MEO)  ve výšce 23 222 km. Každá z rovin dráhy bude svírat s rovinou rovníku úhel 56°, což umožní využívat navigační systém bez potíží až do míst ležících na 75° zeměpisné šířky. Velký počet družic, z nichž tři budou záložní, zajistí spolehlivou funkci systému, i když některá družice přestane správně pracovat. Galileo umožní každému držiteli přijímače signálu určit jeho aktuální polohu s přesností lepší než jeden metr.

 

Systém A-GPS (Assisted Global Positioning System) je vylepšená verze navigačního systému GPS (Global Positioning System) použitelná v mobilních zařízeních. S tím je ale spjato několik problémů a technických řešení, které se pokusíme objasnit.

Základní schopnosti navigačních systémů zůstávají zachovány. A-GPS by měl také sloužit k navigaci, pohotovému vyhledávání osob či rychlému zjištění polohy zraněných při dopravních nehodách a jiných nepříjemných událostech.

Technologie A-GPS je založena na IP technologii. Lokalizační server komunikuje přímo s mobilním přístrojem prostřednictvím protokolu vyšší vrstvy IP, který je zaveden do mobilní sítě. Ústřednová a radiová část mobilní sítě tak zůstávají beze změny. Výměna informací mezi telefonem a lokalizačním serverem probíhá přes běžná datová spojení, např. GPRS. Toto řešení tedy využívá protokolů a rozhraní, které již v ústřednové a radiové části sítě existují.

Již zmíněné lokalizační servery jsou schopny vyhodnotit pozici mobilního telefonu přímo na zemi, provést některé potřebné početní úkony a zjištěné výsledky spojit se signálem satelitu GPS. Tím tedy odpadne problém nedostupnosti satelitního signálu ve stíněných oblastech. Polohu v takovém případě nebude určovat satelit, ale telefon, odvodí se podle okolních stanic BTS. Tato informace se zpracuje a lokalizační server již zajistí komunikaci se satelitem. Konečné údaje jsou poté poskytovány mobilnímu telefonu opět po bezdrátové mobilní síti.

Pomocí technologie A-GPS získává mobilní zařízení data o oběžných drahách, frekvencích a provozních schopnostech satelitů z mobilní sítě, a dokáže tak analyzovat i slabší signály ze satelitů během několika sekund. U GPS trvá zjištění informace poněkud delší dobu. S A-GPS uživatel pouze zadá požadavek, výpočty se provedou na lokalizačních serverech a zpět je poslán pouze výsledek. Vše trvá jen několik málo sekund, což šetří nejen čas, ale také energii.

Jak již bylo řečeno v úvodu, systém A-GPS neztratil nic z funkcí, který nabízí tradiční GPS. Tam, kde nebude signál operátora, bude možné komunikovat pouze se satelity. Plánuje se také napojení A-GPS na systém záchranné služby, která bude moci během několika chvil zjistit přesnou polohu, aniž byste ji museli složitě popisovat. S A-GPS se také objeví úplně nové služby, lokalizaci bude možné spojit třeba i s textovými zprávami.

 

Hybridní lokalizační systémy

Cílem těchto systémů je co nejpřesnější určení polohy bez nutnosti příjmu signálů z družic GPS, případně alespoň zevrubné určení polohy do doby, než dojde k fixu. Nejčastěji se využívá určení polohy pomocí triangulace na základě známých poloh základnových stanic mobilních operátorů. Mobilní telefon komunikuje vždy s jednou základnovou stanicí, ke které zná dokonce přesnou vzdálenost (v systému GSM díky tzv. časovém předstihu vysílání – Time Advance), a má seznam dalších základnových stanic v dosahu. Na základě dotazu do databáze čítající seznam základnových stanic a jejich přesných pozicí může telefon, respektive aplikace, určit alespoň přibližnou polohu. Jelikož seznam okolních stanic mobilu zná i systém operátora (díky tzv. asistovaném handoveru, kdy o přechodu telefonu mezi buňkami rozhoduje právě základnová stanice na základě reportu telefonu), může polohu telefonu určit i operátor.

Stejným způsobem přitom funguje tzv.  WPS (Wi-Fi Position System). Existují databáze obsahující pozici přístupového bodu a jeho fyzickou – jedinečnou adresu (MAC). Přístroj opět může vyhledat veškeré Wi-Fi sítě z okolí, zjistit jejich MAC adresu a dotazem do databáze určit svoji přibližnou polohu. Zde ovšem může vznikat mnoho problémů, například při změně polohy přístupového bodu bez promítnutí změny do databáze může vytvořit chybu. Tento systém je také snadno napadnutelný, a to instalací přístupového bodu s pozměněnou MAC adresou.
Mezi hlavní výhody systému patří rychlost určení polohy a také funkčnost uvnitř budov. Zřejmě největší databází disponuje společnost Skyhook (využívá ji i Google Maps pro mobily) a v současné době čítá přes sto milionů přístupových bodů. Do databáze navíc může přispívat každý, a to buď manuálně, nebo automaticky pomocí programů a přímým zmapováním (projetím autem, na kole, pěšky…) oblastí. Opět mohu zájemce přesměrovat na Wikipedii.org (anglicky), kde je o tvorbě takových map dopodrobna pojednáno