Řiďte své kroky z vesmíru

Globální polohový systém, což je volný překlad originálního názvu Global Positioning System, představuje jinými sl...


Globální polohový systém, což je volný překlad originálního názvu Global
Positioning System, představuje jinými slovy pasivní dálkoměrný systém
využívající satelitní navigaci. Umožňuje v reálném čase určit polohu objektu
kdekoliv na Zemi s přesností 5-10 metrů. Pojem pasivní značí, že přístroj GPS
pouze přijímá informace ze satelitu, ale sám žádné nevysílá. Termínem
dálkoměrný se rozumí princip určování polohy, který spočívá v určování
vzdálenosti mezi uživatelem a družicí na základě rozdílu mezi časem vyslání a
příjmem signálu.

Historie a vývoj GPS
Satelitní navigační systémy začaly vznikat už v 60. letech minulého století.
Tehdy se však počítalo s jejich využitím výhradně pro vojenské účely. V roce
1960 zahájila americká armáda umísťování družic Transit na oběžnou dráhu.
Jejich úkolem bylo především určování polohy vojenských vozidel a různých
jiných jednotek. Obdobnou síť s výrazně nižší přesností práce (díky menšímu
počtu satelitů) budoval od 70. let minulého století i Sovětský svaz.
Projekt Transit inspiroval mnoho výzkumných institucí a postupem
času došlo k realizaci dalších obdobných systémů. Z nich se nakonec stal
nejrozšířenějším a nejpoužívanějším globální polohový systém Navstar GPS
(Navigation Satellite Timing and Ranging GPS), jehož provoz spadá výhradně do
kompetence amerického ministerstva obrany. O evropském satelitním navigačním
projektu Galileo jsme informovali v letošním Computerworldu 2/2006.
Počátek Navstar GPS se datuje do roku 1978, kdy byla vypuštěna první družice
tohoto systému. Během dalších let byla vybudována specializovaná pozemní řídicí
střediska a celkový počet satelitů se dále zvyšoval až do roku 1993, kdy dosáhl
hodnoty 24, která se od té doby nezměnila. Důležitou událostí byla mimo jiné
aplikace trojrozměrného zaměřování, jež bylo spuštěno v prosinci 1993. O dva
roky později již došlo k vyhlášení
plné operační způsobilosti celého systému.
Pro civilní složku obyvatelstva je systém GPS volně přístupný od počátku 90.
let minulého století. Protože měla satelitní navigace původně sloužit hlavně
pro vojenské využití, bylo do roku 2000 zaměřování pomocí GPS pro civilní účely
záměrně zkreslováno zhruba o stovky metrů. Přijímaný signál obsahoval
systémovou proměnlivou chybu SA (Selective
Availability). Tato chyba neměla znemožnit příjem signálu civilisty, ale
zamezit zneužití systému pro vojenské účely, takže bez speciálních vojenských
přístrojů nebylo možné spolehlivě určit zcela přesnou polohu.
Počínaje dnem 1. 5. 2000 byla chyba SA z GPS signálu oficiálně odstraněna a
přesnost všech civilních přijímačů se díky tomu zvedla až desetkrát (ze stovek
metrů možné odchylky na desítky i jednotky). S chybou SA totiž souviselo i
mnoho nevýhod. Mimo jiné byla armáda občas nucena používat civilní verze GPS a
naopak civilistům se do rukou dostávaly vojenská verze. Ty byly navíc poměrně
velké, drahé a často rovněž poněkud nepřesné. Pro zvýšení přesnosti se proto
používal DGPS, tj. korekční signál vysílaný komerčními družicemi nebo pozemními
vysílači. Problematická byla i velikost vojenských verzí a malá dostupnost
DGPS. První přinášela mnohá omezení v nasazení pro automobily a osoby, druhá
komplikovala využití na lodích či v letadlech.
Plnohodnotné uvolnění systému GPS pro civilní užívání se z hlediska trhu
ukázalo jako velmi prospěšné. S odstraněním chyby SA a rozvojem digitálních
komunikací a technologií přišly nové moderní přístroje, které jsou čím dál
menší, mají výbornou přesnost a začínají být i cenově dostupné. Další vývoj
systému GPS, jakož i přístrojů a aplikací, je dnes z velké části v rukou
civilního segmentu, veřejného i soukromého, jenž celý proces výzkumu a vývoje
velmi podporuje.

Jak funguje GPS?
Struktura systému GPS má 3 části. První tvoří vesmírný segment, jenž
reprezentuje soustava 24 družic. Každá obsahuje 3 až 4 atomové hodiny, které se
starají o dlouhodobou frekvenční stabilitu vysílaného signálu a mají maximální
odchylku přesnosti 3 ns (= 0,000 000 003 s). Družice vysílá signál s informací
o své pozici a s časem odeslání. Z každého místa na zemi je obvykle viditelných
6 družic. K určení dvojrozměrné polohy (zeměpisná délka a šířka) postačí příjem
signálu ze 3 družic, zatímco určení trojrozměrné polohy (navíc výška) vyžaduje
minimální účast čtyř družic. Příjem menšího počtu družic znemožňuje výpočet
polohy, vyšší počet družic naopak určení polohy dále zpřesňuje. Po vyhodnocení
údajů o umístění satelitů, době šíření a vzdálenosti satelitů od přijímače je
vyhodnocena aktuální poloha přijímače i to, jakým směrem a jakou rychlostí se
přijímač pohybuje. Provozovatel systému GPS v současnosti zaručuje, že
minimálně 4 družice jsou pozorovatelné kdykoliv a odkudkoliv.
Komplex 24 satelitů je složen z 21 základních a 3 aktivních rezervních. Záložní
družice zajišťují, že výpadek jiných 3 družic neohrozí chod navigace a
překlenou čas potřebný pro vypuštění nových. Satelity jsou skloněné v úhlu 55
stupňů k rovině rovníku, pohybují se rozmístěné v 6 oběžných drahách
(orbitalech) téměř kruhového tvaru a jejich pracovní výška činí 20 183 km nad
povrchem Země. Doba oběhu trvá 12 hvězdných hodin, což v zemském čase
představuje 11 hodin 58 minut a znamená to, že ze stejného místa na Zemi lze
družici následující den pozorovat o 4 minuty dříve. Každý ze 6 orbitalů má 5
pozic pro umístění družic. Za této konfigurace je tedy maximální možný počet
družic GPS na oběžné dráze třicet. Pozice číslo 5 každé dráhy představuje
záložní prostor. K dosažení plné operační způsobilosti (FOC, Full Operational
Capability) však postačuje 24 funkčních družic.
Druhou část systému představuje řídicí segment, který sestává z hlavní řídicí
stanice na letecké základně v Colorado Springs (USA), dále z 5 většinou
bezobslužných monitorovacích stanic a ze 4 pozemních vysílačů. Monitorovací
stanice jsou rozmístěny rovnoměrně po obvodu Země, zpravidla blízko rovníku.
Při každém průletu družice nad některou z těchto stanic proběhne vyhodnocení
parametrů její dráhy a vypočítají se korekce v dráze letu i ve vysílaném
signálu. Dochází také k synchronizaci atomových hodin na palubě satelitu.
Zpracované informace se odesílají zpět ke družici a odtud do GPS přijímače, kde
dojde k aktualizaci uložených dat.
Řídicí segment je mimo jiné odpovědný za nejrůznější provozní opatření, z nichž
mezi nejdůležitější patří správa a údržba stávajících družic, a podílí se také
na přípravě vypouštění nových družic. V prvním případě jde například o změny
oběžných drah a pozic či o stahování vysloužilých satelitů z oběžné dráhy. Cena
jedné družice se pohybuje obvykle nad 50 miliony dolarů, proto i sebemenší
závada na ní musí být co nejrychleji operativně řešena, aby nedošlo k vážnému
poškození nebo ztrátě. Spolu se základními stanicemi existuje také několik
nezávislých monitorovacích sítí, jež umožňují další přesnější určování polohy,
především pro velmi přesné aplikace z oblasti geodézie a geodynamiky. Tyto sítě
se však nepodílejí na řízení a činnosti systému GPS.
Třetím a posledním segmentem je uživatelská oblast. Skládá se z GPS přijímačů
jednotlivých uživatelů, umožňujících přijímat signály z družic, a získávat tak
informace o poloze a čase. Segment je především z bezpečnostních důvodů tvořen
pouze pasivními přijímači, které nemohou být zaměřeny nepřítelem. Díky tomu, že
přijímače nemusejí komunikovat s družicemi, je systém GPS schopen teoreticky
obsloužit neomezený počet uživatelů.

Nasazení a rozšíření
Armáda GPS hojně využívá nejen k navigaci letounů, vozidel a pozemní vojenské
techniky, ale také k označování cílů a navádění tzv. chytrých zbraní, tj.
některých raket a bomb. Možnou protizbraň, o které se diskutuje jako nepříliš
efektivní, představují rušičky signálu GPS. Dále jsou velmi rozšířené navigační
přístroje pro automobily. Notebook, PDA a dnes již i mobilní telefon s
napojením na GPS umějí určit aktuální pozici auta a na mapě asistují s
určováním směru jízdy. Automobily, v budoucnu standardně vybavené navigačním
systémem, mají disponovat omezovačem rychlosti, který by podle aktuální pozice
vozu měnil maximální povolenou rychlost. V současné době probíhá i testování
automatického řízení automobilů.
Ve vědeckých a průmyslových oblastech slouží GPS například k zaznamenávání
pohybů ledovců, ke sledování zvířat, ke sledování znečištění ovzduší v
rozsáhlých oblastech anebo k lokalizaci nerostného bohatství. Navigační systém
může sloužit i jako ochrana cenných věcí, především památek, do nichž jsou
zabudovány moduly GPS. Přijímače GPS se v současné době nacházejí už i v
hodinkách. Kromě usnadnění navigace mohou zachraňovat lidské životy nebo
majetek. Zvažuje se také možnost stálé lokalizace lidí a zvířat. Otázkou
zůstává možnost zneužití těchto informací a omezení soukromí. Při přírodních
katastrofách je GPS využíváno k ohlašování škod, různých nebezpečí nebo k
upřesnění pozice osob. Tzv. gépéeskami bývají vybaveny některé hasičské sbory
pro boj s požáry a povodněmi. Lze s jejich pomocí předvídat rychlost postupu
lesních požárů, vzdušných vírů a jiných nebezpečných jevů. Satelitní navigace
dnes pomáhá také zemědělcům, a sice k vyšší produktivitě a účinnosti
stávajících metod obdělávání půdy.

Nabídka
Na dnešním trhu existuje mnoho druhů přijímačů a ne všechny umějí to samé.
Nabídka se dělí jednak na základní dvě kategorie, což jsou přístroje mapové a
nemapové, a dále podle možností použití. Dle nich se nejčastěji člení na ruční,
vhodné zejména pro cestování a turistiku, námořní, jež jsou použitelné i k
rybářským účelům, aplikační, například pro sledování pohybu objektů nebo řízení
přesného času v počítačových sítích, a letecké pro použití ve vzdušné dopravě.
U ručních přístrojů je ještě možné vybírat mezi jednoúčelovými zařízeními
(Garmin StreetPilot, Nüvi, TomTom Go), PC a PDA navigací (TomTom Navigator 5,
Navigon, Route66) a navigačními aplikacemi pro mobilní telefony (TomTom Mobile
5, Wayfinder). Provoz GPS přístrojů není spojen se žádnými poplatky za
využívání služby. Drobná daň je zakomponována do nákupní ceny produktu.
Mapové modely v sobě mají předehranou mapu a na displeji je možno sledovat
pozici přijímače vzhledem k okolním objektům silnicím a sídlům. Některé modely
dokáží nahrávat i další, podrobnější mapy do speciální paměti až do podrobnosti
jednotlivých ulic. Modely nemapové sice většinou základní mapu také zobrazují,
ale nebývají v ní předem připravená orientační a podrobná data. Ne vždy je mapa
u gépéesky tou nejpotřebnější věcí. Mapové modely lze v současnosti pořídit v
cenové relaci 15 až 30 tisíc korun. Cena nemapových modelů se pohybuje mezi 8
až 15 tisíci.

Software
Nedílnou součást každého přijímače představuje navigační software, který lze
rozdělit na komerční a nekomerční. Komerční software zpravidla pochází od
výrobců GPS přijímačů nebo od společností, které se této oblasti profesionálně
věnují. U komerčního softwaru existuje předpoklad záruky, že bude pokud možno
bezchybně spolupracovat se všemi dostupnými GPS přijímači. Výrobci jej nabízejí
s technickou podporou a přiloženou dokumentací. Placený software podporuje
často širší škálu funkcí než nekomerční aplikace. Jeho největší nevýhodou
bývají vysoké ceny. Nekomerční software lze obvykle pořídit zdarma, např. na
internetu. Jeho producenty jsou buď amatérští vývojáři, kteří bez satelitní
navigace neudělají ani krok, anebo profesionální firmy vyvíjející komerční
aplikace a poskytující volně šiřitelné zkušební verze svých programů s
některými omezenými funkcemi, případně s časovým limitem.
Stávající projekty satelitní navigace zatím končí kolem roku 2030, kdy by mělo
dojít k dosloužení zatím posledního konceptu družic, které budou uvedeny do
provozu přibližně v roce 2020.
Autor je manažerem firmy Sunnysoft.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.