Jak funguje zaměření polohy pomocí GPS?
Jan Dolejš
Se zkratkou GPS se dnes setkal téměř každý a obrovský počet uživatelů využívá tuto technologii také ve svém mobilním telefonu. Napadlo vás ale někdy, jak vlastně zaměření polohy pomocí GPS funguje? Pojďme se na to společně podívat.
Krátký úvod do GPS
Zkratka GPS v sobě ukrývá Global Positioning System, což lze převést také do češtiny (Globální polohovací systém). Jedná se tedy o systém, který umožní zařízením lokalizovat svoji polohu kdekoliv na naší planetě. Vývoj GPS začal již v roce 1973 a navazoval na předchozí systém Transit. Zpočátku byl systém GPS určen čistě pro vojenské účely, což se změnilo v roce 2000, kdy byl systém plnohodnotně zpřístupněn veřejnosti (v 90. letech byla přesnost pro veřejnost ještě omezena). V současné době obíhá okolo naší planety 31 satelitů (30 v aktivním režimu a jeden ve stavu údržby).
Mobilní telefony signál pouze přijímají, GPS ani nepotřebuje internetové připojení
Než se pustíme do samotného principu funkce GPS, jen připomeňme, že GPS v telefonech jsou pasivní, tzn. pouze údaje z družic přijímají. Váš mobilní telefon žádným způsobem nevysílá a nekomunikuje s družicemi. A důvod? Pomineme-li problematiku vyslání signálu k družici, tak hlavním důvodem je především vojenský původ celého systému GPS – přijímače musí být pasivní, aby nemohly být lokalizovány nepřítelem.
Nemalá část uživatelů se také domnívá, že GPS v mobilu ke své funkci vyžaduje internetové připojení. To je omyl – samotná lokalizace GPS internetové připojení nevyžaduje, což ale neplatí pro funkci A-GPS, která se v mobilních telefonech běžně používá a často je dokonce ve výchozím nastavení povolena. Právě tato funkce si při použití GPS sama řekne (či rovnou použije) internetové připojení. O A-GPS se dnes také v dnešním článku zmíníme.
Marek Houser
Jak GPS určuje polohu?
Princip určování polohy si pro naše účely a pochopení radikálně zjednodušíme, ve skutečnosti jsou výpočty a další náležitosti k určení přesné polohy složitější. Základní princip ale zůstává stále stejný. Nikoho asi nepřekvapí, že signál, pomocí kterého určíme naši polohu, je vysílán z družic, které obíhají kolem naší planety. Proto je nutné (nebo minimálně doporučené) mít přímou viditelnost na oblohu, odkud signál přichází. Každá z družic vysílá speciální kódy (časové razítko – tzn. absolutní čas, ve kterém byl datagram odeslán ze satelitu) a informace o své poloze a poloze dalších satelitů. Tento složitý kód doputuje do GPS přijímače, který dokáže vypočítat rozdíl mezi časem odeslání a přijmutí zprávy. Tento proces není vůbec jednoduchý, neboť zatímco v družici jsou přesné atomové hodiny, mobilní telefony už takovou přesností nedisponují. Čas se tedy musí pomocí dalších algoritmů korigovat a pomocí dat z družice synchronizovat (tím se ovšem v článku nebudeme zabývat). Pokud dojde k vypočtení doby, po kterou zpráva putovala od družice k GPS přijímači, je ze znalosti rychlosti šíření signálu velmi snadné vypočítat, jak daleko se družice od GPS přijímače nachází. A právě na znalosti vzdálenosti GPS přijímače od družice a polohy samotné družice je založeno celé zaměření polohy.
Aby byl celý proces snáze pochopitelný, omezme se nyní pouze na 2D prostor. Pokud telefon získá data od jednoho satelitu, víme, že se nachází v určité vzdálenosti od satelitu. Leží tedy v některém bodě na kružnici, jejímž středem je poloha satelitu. Stále ale nevíme ve kterém.
Telefon tedy stáhne informace z dalšího satelitu a úplně stejným způsobem zjistí polohu družice a její vzdálenost. Do obrázku tedy můžeme zakreslit další kružnici. Nyní již vidíme, že nám vznikly dva průsečíky – v jednom ze dvou bodů se nacházíme.
Pokračujeme dále – pomocí třetího satelitu již došlo k přesnému zaměření naší polohy. Nyní je nutné poznamenat, že kružnice jsou použity pouze v našem zjednodušení, v reálném světě a 3D prostoru se pro zaměření používají spíše koule a pro zjištění polohy jsou nutné minimálně 4 viditelné satelity. Pomocí čtvrtého satelitu dochází k výpočtu nadmořské výšky a dalšímu zpřesnění polohy. Máme vyhráno, říkáte si?
Tak jednoduché to bohužel není. V ideálním případě by nám opravdu informace ze 4 satelitů stačily a znali bychom přesnou polohu telefonu, v praxi to tak ovšem nefunguje. Je potřeba si uvědomit, že jen nepatrná odchylka ve vypočteném čase putování signálu už může znamenat obrovskou chybu při výpočtu vzdálenosti GPS přijímače od družice. Chyby mají i více příčin (troposferické zpoždění, ionosferické zpoždění, chyba družicových hodin apod.). V praxi se tedy čtyři (tři v našem zjednodušení) kružnice v jednom bodě neprotnou a my získáváme pouze oblast, ve které se nacházíme. A jak z toho ven? Použijeme další satelity. Díky přidávání pomyslných kružnic dochází ke zpřesňování polohy a chyba se poté pohybuje v jednotkách metrů, což je pro běžné účely dostačující.
A-GPS – co se pod touto zkratkou skrývá?
Mnoho uživatelů zaměňuje A-GPS se samotným GPS, ve skutečnosti se ale jedná o dvě rozdílné služby. A-GPS, jinak také asistovaná GPS, pomáhá GPS přijímačům znatelně rychleji zaměřit svou polohu (metoda, kterou používají mobilní telefony). Princip je velmi jednoduchý – GPS přijímač potřebuje znát k zaměření své pozice důležitá data z družice. Tyto informace nazýváme efemeridy (krátkodobé přesné předpovědi drah družice) a almanach (souhrnná zpráva o dlouhodobé předpovědi drah všech družic, čas, informace o ionosféře apod.). V případě, že GPS přijímač po delší době zapneme, musí se tato data stahovat z družic, což může zabrat i desítky minut. V tomto okamžiku přichází právě funkce A-GPS, která tyto údaje stáhne do přístroje pomocí internetového připojení, což velmi razantně urychlí zaměření polohy (přijímač nemusí čekat na stažení dat z GPS družic).
Několik důležitých vlastností GPS v bodech
- družice jsou umístěny na 6 kruhových drahách se sklonem 55°, jejich vzdálenost od země činí 20 190 km
- družice se pohybují rychlostí 11 300 km/h a za jeden den oběhnou planetu dvakrát (a ještě 4 minuty zbývají)
- na oběžné dráze je 30 aktivních družic, k plnému provozu ale stačí pouze 24 satelitů
- z každého místa na zemi jsou viditelné alespoň 4 satelity
- v České republice je běžně k dispozici 7-8 družic v daném okamžiku
- přesnost GPS v ČR se pohybuje mezi 5-10 metry
Upozornění
Jelikož je daná problematika složitá, omezili jsme se v našem článku pouze na základní princip a mnoho skutečností vypustili, aby bylo možné dané téma lépe pochopit. Děkujeme za pochopení
Jozef Cmar
Karel Kilián
Libor Foltýnek
Jakub Kárník
Komentáře (30)
Přidat komentář