Je lepší GPS nebo GLONASS? Ideální je, když mobil/hodinky/navigace umí oboje. Galileo by mělo dohlédnout i do budov a tunelů. Zajímavé je, že podporu systému Galileo mohou získat i přístroje, které se s ní nenarodily. Stačí softwarový update.
Slovníček pojmů
Global Positioning System (globální polohový systém) je americký družicový systém pro určení polohy. Původně byl určen pro armádu. Dříve byl označován jako NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Glonab Positioning System).
Глобальная Навигационная Спутниковая Система (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistěma) je ruská (sovětská) odpověď na americkou GPS. Systém byl původně také určený jen pro vojenské účely.
Nezávislý navigační systém, na kterém se podílí státy EU prostřednictvím Evropské kosmické agentury. Na rozdíl od GPS a GLONASS jde o nevojenský systém, určený primárně pro civilní použití.
Zkráceně též BDS. Jde čínský satelitní systém, který v současnosti pokrývá území asiopacifického regionu, dříve jen čínské území. BeiDou-2 počítá s celosvětovým pokrytím asi od roku 2020.
Špendlík do mapy z vesmíru
Satelitní navigace, záležitost dnes tak běžná jako výmol na dálnici. Avšak zatímco výmol vznikne tak, že někdo nedělá, co má, navigace je dílem lidí, kteří přesně věděli, co dělají. Je to úžasný systém, který kombinuje elektroniku, fyziku, matematiku, astronomii i softwarové inženýrství.
Srovnejte si, v jaké vzdálenosti okolo Země obíhá ISS nebo satelity Iridium a pak navigační satelity.
S trochou nadsázky se dá říct, že satelitní navigace je jednoduchá jako žebřík. Zařízení na Zemi přijímá signál od satelitů a ze signálu si na metry přesně spočítá svoji polohu. Jenže jak to tak bývá u geniálně jednoduchých věcí pro uživatele, v pozadí je velice složitá technologie, jejíž detailní popis vystačí na celou knihu. Nejde totiž jen o vysílání jedniček a nul, které se dá relativně dobře pojmout, do hry vstupuje i teorie relativity od Alberta Einsteina, docela složitá matematika a pak také astronomie, protože se družice pohybují ve vesmíru.
Proč teorie relativity?
Pro přesné měření polohy je třeba vysoce přesné měření času. Při měření na desítky metrů musí být měření přesné na mikrosekundy, při centimetrové přesnosti se pohybujeme už v řádech nanosekund. Každý navigační satelit je vybavený přesnými atomovými hodinami, rozejdou se o jednu sekundu za mnoho milionů roků, tak moc jsou přesné.
Problém je v tom, že se satelity pohybují v obrovské výšce a obrovskou rychlostí a čas atomových hodin na Zemi a ve vesmíru se začne měřitelně lišit, protože na dráze družic panují specifické podmínky. Vysoká rychlost satelitů (asi 14 400 km/h v případě GPS) způsobuje zpoždění 7,214 mikrosekund denně. Tento jev vysvětluje Einsteinova speciální teorie relativity.
Obecnou teorií relativity je zase pro změnu popisován jev, kde se čas na hodinách naopak zrychluje. Kvůli velké vzdálenosti od Země (u GPS asi 20 350 km) působí na satelity gravitační pole Země slabě a tím dochází k předbíhání hodin o 45,85 mikrosekund za den.
Výsledkem je, že se hodiny na satelitu GPS každý den předběhnou o 38,64 mikrosekundy. A s touto odchylkou je nutné softwarově pracovat. Bez korekce zakřivení časoprostoru a dalších jevů by se skutečná a udávaná poloha podle GPS rozešla v našich zeměpisných délkách o plných 10 km za 24 hodin. Satelitní navigace by nemohla fungovat.
A aby nebylo hrátek s časem málo, jsou zde ještě další vlivy: třeba rotace Země způsobuje zkreslení až 133 nanosekund a záleží na tom, jestli je satelit na východní, nebo západní straně, což může vést k nepřesnosti v řádu metrů. Celou tuto problematiku vysvětluje Sagnacův efekt jako důsledek speciální teorie relativity. Počítat se musí také se Shapirovým efektem, důsledkem obecné teorie relativity, kdy dochází ke zpoždění signálu průchodem gravitačním polem. Svůj nezanedbatelný vliv má i aktivita Slunce, které v cyklech mění svůj „výkon“. Vliv má poloha Měsíce, který ovlivňuje svou gravitací mořský příliv a odliv a tím pádem i čas na satelitech.
Vynášení satelitů do vesmíru rozhodně není levná záležitost. Raketa Ariane 5 vynáší družice Galileo s číslem 15, 16, 17 a 18. Start proběhl 23. listopadu 2016.
Dráhy družic nejsou přesně kruhové, ale eliptické, takže se po dráze různě mění i gravitační působení Země, navíc je třeba počítat s tím, že u déle sloužících družic (třeba několik roků) se drobné chybičky u korekcí sečtou a je třeba provést větší korekci. To už zní jako docela pořádné sci-fi, že? A to se pořád bavíme o nepatrných časových úsecích, kratších než mrknutí oka, které však ve finále rozhodují o tom, jestli vám GPS ukáže, že sedíte v Brně, nebo v Berlíně.
Čtyři satelity jsou základ
Ať už jde o GPS, GLONASS nebo Galileo, ani v jednom případě nejsou satelity geostacionární. Což znamená, že z pohledu pozorovatele na Zemi nemají na obloze stálé místo. Na rozdíl od satelitů pro televizní vysílání, kde stačí pro příjem signálu natočit parabolu jen jednou.
Navigační satelity obíhají po svých vlastních drahách v různých rozestupech, které jsou pro GPS, GLONASS i Galileo jiné. Zásadní je, že satelity jsou označené, znají přesně svoji polohu, mají synchronizovaný čas, znají polohu i stav ostatních satelitů a neustále vysílají stream dat směrem k Zemi.
Vysílaná data se také liší, ale obecně v sobě mají mimo jiné informace o tom: kdy byl signál vyslán, kde se satelit nachází a jaké má číslo. Signál se šíří rychlostí světla, takže dorazí k pozemnímu přijímači s měřitelným zpožděním. Protože přijímač ví, kdy byl signál vyslán, může na základě doby zpoždění a známé rychlosti světla spočítat vzdálenost sebe a satelitu. Poloha satelitu je také známá, ale k přesnému určení polohy to rozhodně nestačí, protože přijímač se může vyskytovat kdekoli na pomyslném povrchu koule kolem satelitu s poloměrem vypočtené vzdálenosti. Data z druhého satelitu omezí možnost výskytu na průnik dvou pomyslných koulí, což je kruh a ten pro určení polohy také nestačí.
Grafické znázornění vypočtení polohy na základě průniků signálů ze tří satelitů. Pokud by měl přijímač synchronizované atomové hodiny, stačily by tři satelity. V reálu je ale nutné mít data ze čtyř satelitů, ze kterých se vypočítá přesný čas.
Za ideálních podmínek by postačila data ze tří satelitů, která zúží možný výskyt na dva body, přičemž jeden je zcela evidentně mimo zemský povrch. Problém je v nepřesných hodinách na GPS přijímači; pokud by váš telefon měl synchronizované atomové hodiny, stačily by s přehledem tři viditelné satelity. Jenže hodiny v telefonu jsou pro účely měření polohy extrémně nepřesné a takový výpočet by měl obrovskou chybu v řádu stovek kilometrů. Vypočtená vzdálenost přijímače od satelitu se proto označuje jako pseudorange, tedy pseudo vzdálenost, protože je zatížena chybou hodin v přijímači.
Z toho důvodu je nutné mít data ještě ze čtvrtého satelitu. Současným měřením signálů od čtyř satelitů získáte vždy stejnou odchylku hodin. Naměřené hodnoty se pak dají jednoduše poskládat do čtyř rovnic o čtyřech neznámých. A ty čtyři neznámé jsou: tři souřadnice polohy a přesný čas. Při příjmu dat z pěti satelitů se zvýší počet rovnic, ale počet neznámých je stejný a získáte tedy přesnější výsledky. Analogicky pak s vyšším počtem satelitů. Obecně se tohoto principu využívá u všech globálních navigačních systémů.
Z toho plyne ještě jedna důležitá věc, satelitní navigace je jednocestná. Přijímač se satelity nijak nekomunikuje, jen neustále přepočítává polohu ze streamu dat. Proto je navigace tak náročná na baterii. Jde sice o jednoduché výpočty, ale jsou prováděny bez přestávky.
Pro civil s menší přesností
Jak GPS, tak GLONASS jsou původně vojenské projekty, které měly primárně pomáhat s navigací u armádních záležitostí. U GPS byl signál kódovaný a k plnohodnotnému uvolnění pro veřejnost došlo až v roce 2000. GLONASS v době restartu v roce 2001 už plánoval vysílání pro civilní uživatele, ale do stavu plné provozuschopnosti se dostal až v roce 2011.
Ilustrace družice GPS z bloku IIIA, tedy z nejnovější generace.
Oba systémy aktuálně vysílají kódovaný i nekódovaný signál. Nekódovaný je ten, který přijímáte na telefonu. Kódovaný je povětšinou určen pro armádu a další profese, kde je třeba ještě vyšší přesnost. Protože jde stále o majetky USA resp. Ruska, je možné, že bude nekódované vysílání vypnuto, či lokálně omezeno. Technicky řečeno: nekódovaný signál nemá žádnou garanci dostupnosti. Což se může stát z důvodů politických, bezpečnostních atd. Pak má přístup k poloze jen armáda a certifikovaní uživatelé a nemělo by být možné zneužít GPS či GLONASS protivníkem. Tolik praví teorie.
Systém Galileo je v tomto hodně odlišný, protože nejde o vojenskou službu. Také u něj se však pracuje s kódovaným a nekódovaným signálem. Nekódovaný signál je pro civilní obyvatelstvo, kódovaný nabídne lepší přesnost a bude jej využívat letectvo, záchranné služby, armáda a bezpečnostní složky státu. Kódovaný signál bude za poplatek dostupný i civilním uživatelům, kteří potřebují vyšší přesnost.
GPS – americká chlouba
Aktuálně obíhá kolem Země 32 satelitů, což je za současného stavu technologické maximum původního návrhu. Z toho je 31 satelitů používáno k navigaci. Satelity obíhají na šesti „kruhových“ drahých se sklonem 55° a dráhy jsou od sebe vzájemně nakloněny o 60°. Původně byla na dráze umístěna čtveřice satelitů v přesných rozestupech, dnes je jich zde pět nebo šest v nepravidelných rozestupech. Průměrná životnost družice dosahuje deseti let, obměna celého systému trvá asi dvacet let.
Zobrazení šesti drah satelitů GPS. Původně byly na každé dráze čtyři satelity, dnes je jich 5 nebo 6.
Výhodou GPS je obrovské rozšíření systému, promyšlená infrastruktura a obrovské množství korekčních zařízení. Tady je třeba zmínit WAAS (USA), EGNOS (Evropa) MSAS (Japonsko), což jsou družice, které doplňují a vylepšují vlastnosti GPS. Mají informace o přesnějších polohách družic, informují o různých poruchách systému atd.
Za zmínku stojí také Diferenciální GPS, zkráceně DGPS, kterými se dá řádově zlepšit přesnost měření. Jde o pevně ukotvené stanice na Zemi, které znají svou přesnou polohu a na základě měření umí korigovat odchylku, kterou získají ze satelitů. Značnou nevýhodou systému GPS je horší pokrytí v polárních oblastech, kde je problém s viditelností satelitů, což třeba elegantně řeší GLONASS.
GPS využívá v současnosti tři pásma, kterými se dá určit poloha: L1 a L2 jsou určená pro civilní účely, ale je v nich také šifrovaný kód pro autorizované uživatele. Pásmo L5 je rovněž civilní, ale používá se zejména pro leteckou navigaci a má vyšší prioritu dostupnosti než L1 a L2. Pásmo L3 obsahuje data startu balistických raket, detekci jaderných výbuchů atd. Pásmo L4 se používá pro výpočet ionosférické difrakce, což pomáhá vytvořit ionosférický model pro přesnější určení polohy díky eliminaci chyb, které vzniknou průchodem signálu přes ionosféru.
Celé vysílání a samotná struktura zpráv je poměrně složitá. Důležité je, že družice vysílají na Zemi navigační zprávu (někdy nepřesně označováno jako almanach, přičemž almanach je jen součástí navigační zprávy, jde o zjednodušené polohy dalších družic, je aktuální asi týden a slouží pro základní orientaci přijímače, které družice hledat), jejíž odvysílání trvá 12,5 minuty. Jde o data o stavu družice, o efemeridě družice (předpokládaná dráha) a stav ostatních družic, data pro ionosférický model atd.
Bez stažení těchto dat není možné spočítat GPS polohu. Zafixování polohy u prvních GPS přístrojů tak mohlo trvat dlouhé minuty. Dnešní telefony a další zařízení jsou vybaveny funkcí A-GPS (asistovaná GPS), kdy se data výrazně rychleji stahují z internetu, proto trvá určení polohy jen jednotky sekund.
Celý systém je pochopitelně mnohem složitější, i z toho důvodu, že některé satelity jsou novější a pracují už s jinými technologiemi. Na dlouhé hodiny vás zabaví i vojenská část GPS, výpočet korekcí v atmosféře a další stovka technologií, která je s GPS spjatá.
GLONASS – ruská odpověď, která si dala na čas
Původně sovětský systém měl být rychlou odpovědí na GPS, první družice byla vypuštěná už v roce 1982. Po rozpadu SSSR byl ale GLONASS v úpadku a o restartu se rozhodlo až v roce 2001. Plný provoz 24 satelitů byl možný teprve v roce 2011.
V mobilu můžete zjistit, jaké satelity jsou zrovna vidět. Podle čísla satelitu se pak dají dohledat další informace. Občas je i z naší domoviny vidět satelit BeiDou. Aplikací, které toto umí je mnoho: můžete zkusit třeba GPS Info pro Android.
Hlavní rozdíl oproti GPS jsou jen tři oběžné dráhy se sklonem 65°, které jsou vzájemně posunuté o 120°. Na každé dráze najdete osm satelitů v přesných rozestupech. Znamená to, že každých osm dní uvidíte nad hlavou ve stejný okamžik stejnou družici ve stejné pozici. Případně že každý den v daném čase spatříte na stejném místě jeden ze zbylých sedmi satelitů z téže dráhy. Tento systém má řadu výhod, jednodušeji se počítají korekce, informace o drahách satelitů jsou jednodušší, teoreticky má základní GLONASS lepší přesnost než GPS a poloha se dá určit rychleji. Navíc GLONASS lépe pokrývá polární oblasti, což v případě Ruska představuje značnou výhodu.
Systém měl ale spoustu problémů a s řadou se stále potýká. Kromě toho, že se z celého projektu záhadně ztrácely peníze, bylo nutné řešit krátkou životnost satelitů Uragan (někdy i poloviční proti GPS). Aktuálně sloužící satelity Uragan-M sice vydrží déle, ale trápí je dlouhé odstávky na údržbu. Nové družice Uragan-K, zdá se, všechny problémy řeší a postupně nahrazují starší modely. Rusové také poměrně nevhodně zvolili frekvenční modulaci pro vysílání namísto CDMA (GPS). FDMA potřebuje širší pásmo, kanály mohou interferovat a vyžadují odlišnou konstrukci antén u přijímače. Družice Uragan-K a Uragan-MK (ve vývoji) už používají CDMA vysílání, ale jsou zpětně kompatibilní i s FDMA.
Také GLONASS používá civilní nekódované vysílání a šifrovaný signál pro autorizovaný přístup. Vysílací pásmo L5R na 1176,45 MHz je kompatibilní s kanálem L5 u GPS, takže na tomto kanálu mohou přijímače používat data z GPS, GLONASS a i Galilea, jednodušeji, pro určení polohy mohou použít dva satelity GLONASS a po jednom od Galilea a GPS.
Zbytek systému je velmi podobný GPS, byť se může v některých drobnostech lišit, jiné jsou naopak sdílené. Typicky to mohou být stanice DGPS, některé umí pracovat i s GLONASS. Naopak třeba vliv ionosféry není u GLONASS tak zásadní, a proto je zapotřebí méně korekčních měření.
Galileo – Evropa dohání svět
Systém má tvořit 30 satelitů se sklonem 56° ve třech rovinách posunutých proti sobě o 120°. Na každé dráze bude pracovat devět satelitů a jeden záložní. Zbytek technické stránky se od GPS a GLONASS zásadně neliší. Značně se však liší tím, že jde o nezávislou nevojenskou technologii, u které nehrozí výpadek ani při vyhrocených mezinárodních situacích, kdy technicky mohou USA nebo Rusko své služby pro civilní uživatele odstavit.
Zobrazení tří drah satelitů Galileo. Systém GLONASS si můžete v rámci ilustrace přestavit stejně, jen s jiným náklonem, obíhá v nižší výšce a má jiný počet satelitů.
Plné funkčnosti má být dosaženo v roce 2019, na rok 2020 je naplánováno kompletní obsazení drah všemi třiceti satelity.
BeiDou-2 – Čínský obr
BeiDou první generace není globální navigace, ale spíš lokální. V roce 2020 se však Čína chystá na druhou generaci, která by měla pokrýt celý svět. Satelitů by mělo být 35, přičemž 27 z nich bude obíhat Zemi na svých drahách podobně jako u GPS nebo Galilea. Pět satelitů bude geostacionárních (z pohledu uživatele jsou na obloze pořád na stejném místě) a tři na geosynchronní dráze (z pohledu uživatele se družice na obloze pohybuje na obloze po úsečce a každý den ve stejný čas je na stejném místě).
Opět se plánuje kódované a nekódované vysílání a také BeiDou-2 bude pracovat na pásmu L5, tedy bude kompatibilní s GPS, GLONASS i Galileo. Velkou výhodou má být rovněž dostupnost signálu v budovách a v tunelech, ale i lepší pokrytí polárních oblastí.
Co to znamená pro uživatele?
Dnes už těžko najdeme telefon či jiné mobilní zařízení, které by neumělo GPS a minimálně GLONASS. Čínské telefony zvládají zpravidla i BeiDou a japonské zase QZSS, což ale v Evropě nevyužijeme. Důležité je to, že čím více technologií, tím lepší, rychlejší a přesnější určení polohy.
V minulém roce se také začaly objevovat první telefony, které podporují Galileo, což je pro uživatele jen dobře. Skvělé také je, že se všichni dohodli na spolupráci a využití kanálu L5 (název u GPS), který by měl mít vysokou garanci dostupnosti a bude možné při určení polohy používat různé satelity. V současné době totiž telefony nedokážou kombinovat data z různých systémů. Musí získat fix od GPS (min. 4 satelity) a pak mohou mocí GLONASS (opět fix min. 4 satelitů) svou polohu zpřesnit.
Budoucnost satelitní navigace vypadá hodně zajímavě. Hlavně z toho pohledu, že by Galileo mělo proniknout i do budov a tunelů, kde se satelity GPS a GLONASS ztrácejí. Čím více služeb, tím lépe pro uživatele.
Tento článek je součástí balíčku PREMIUM+
Odemkněte si exkluzivní obsah a videa bez reklam na devíti webech.
Vyzkoušet za 1 Kč
Nebo samostatné Živě Premium
