Do útrob moderných GNSS: Ako spozná smartfón kde ste?

2

GPS dnes používajú miliardy ľudí, avšak len máloktorí z nich majú ucelenú predstavu o tom, ako tento mechanizmus vlastne funguje. Čo sa vlastne v útrobách smartfónu deje? Prečo polohu niekedy získate pomalšie, ako inokedy a prečo je niekedy GPS nepresná? Čo znamená skratka A-GPS a prečo sa okrem GPS často hovorí aj o systémoch GLONASS a Galileo?

Satelitná navigácia je niečo, čo už mnoho ľudí berie ako samozrejmú a takmer neodlúčiteľnú súčasť svojich životov. Preč sú doby, keď ste sa stratili v cudzom meste, či ste museli počúvať siahodlhý výklad o tom, ako niekam trafiť. Dnes stačí vybrať telefón, pozrieť na mapu a rýchlo sa zorientovať, či sa rovno nechať navigovať.

Napojenie smartfónov na navigačný systém nám umožňuje takisto monitorovať stav dopravy na celom svete, automaticky zaznamenávať polohu vytvorenej fotografie, či sa zabávať hrami ako Geocaching či Pokémon Go. Za poslednú dekádu sa používanie satelitnej navigácie stalo normou a dnes ju, či už vedome alebo nevedome, používa väčšina populácie každý deň.

Aj keď mnoho ľudí má pocit, že tieto mechanizmy sú technologicky dlhodobo v zamrznutom stave a príliš sa nemenia, opak je pravdou. V tomto odvetví dochádzalo k prelomovým zmenám, čo sa podieľalo na veľkom zvýšení použiteľnosti tejto technológie. V nadchádzajúcich mesiacoch a rokoch pritom môžeme očakávať ďalšie výrazné zmeny, ako je zvýšenie presnosti na 1 meter (či centimeter) a hlavne zachovanie spoľahlivej funkčnosti v hustej zástavbe.

ČO JE TO GNSS?

Ak sa dnes bavíme o satelitnej navigácii, tak v bežnej reči a takisto aj v najrôznejších článkoch a publikáciách sa obvykle stretávame so skratkou GPS. Nie je na tom nič zvláštne, pretože v základe je to technicky správny popis takéhoto mechanizmu (Globálny Pozičný Systém). Problémom je, že skratka označuje iba americký globálny pozičný systém, ktorý vstúpil do prevádzky ako prvý a použil takýto všeobecný názov. Keďže v súčasnosti existuje už niekoľko ďalších systémov, ako napríklad GLONASS a Galileo, pričom majú odlišné a dokonca aj lepšie vlastnosti, je vhodné mať nejaké spoločné označenie, ktoré by pokrylo všetky systémy.

Správnejšia a v odborných kruhoch a technických špecifikáciách dnes už zaužívaná skratka je GNSS, teda globálne navigačné satelitné systémy (alebo kratšie GNS, teda globálne navigačné systémy). Tejto skratke je dnes vhodné dávať prednosť, pretože moderné smartfóny obvykle používajú viacero navigačných systémov naraz a už len zriedkavo iba samotnú GPS. Žiaľ, skratka GPS je dnes v tejto súvislosti už natoľko vžitá, že náš slovník bude opúšťať zrejme celé dekády.

Tento stav ale nie je z historického hľadiska ničím výnimočným. Napríklad v USA, ale aj v Európe sa dlhé dekády používal namiesto označenia „kopírka“ či kopírovací stroj výraz Xerox (a z neho odvodené „oxeroxovať“), teda názov spoločnosti, ktorá tieto zariadenia vo veľkom ako prvá rozšírila. Podobný efekt zažili v minulosti takisto automobily značky Jeep (dnes kategória SUV), či lokálnejšie napríklad v bývalom Československu vysávače Lux (z toho dnes už archaický výraz „vyluxovať“).

Družica ruského navigačného systému GLONASS (Model K)

Všetky navigačné systémy sa v základe skladajú z troch základných zložiek, ktorými sú kozmická, riadiaco/kontrolná a používateľská časť. Tú používateľskú všetci dobre poznáme, pretože ju tvoria naše smartfóny, tablety, či akékoľvek iné zariadenia, ktoré vďaka interným anténam a zabudovaným modulom dokážu signál takýchto systémov prijať. Kozmickú časť tvoria satelity na obežnej dráhe Zeme, ktoré signálovú sieť vytvárajú.

Keďže každý navigačný systém má vlastné satelity a používa rozličné frekvencie a takisto hardvér, má oproti ostatným aj rozdielne vlastnosti. Tretia a posledná časť je tvorená riadiaco/kontrolnými strediskami, teda pozemnými stanicami rozmiestnenými po celom svete, ktoré konkrétnu sústavu GNSS kontrolujú a udržujú, pričom ide napríklad o korekcie trajektórií družíc a overovanie ich správnej funkčnosti.

V súčasnosti sú aktívne dva kompletne globálne navigačné systémy. Americký GPS a ruský GLONASS. Ďalšie dva sa aktuálne budujú a onedlho sa dokončia, pričom ide o Galileo, patriaci Európskej únii a BeiDou, patriaci Číne. V ich prípade je navigačný systém už takisto v prevádzke, avšak nie ešte v každej časti sveta. Budovanie systému totiž pozostáva z postupného vypúšťania jednotlivých satelitov na obežnú dráhu Zeme tak, aby ju postupne signálom kompletne pokryli.

Zvyčajne je na úplné pokrytie potrebných 24 satelitov v rovnomerných rozstupoch, avšak GNSS operujúca v plnej prevádzke ich má obvykle o niečo viac (dohromady cca 30), pričom zostávajúce slúžia ako náhradné. Na ktoromkoľvek satelite sa totiž môže kedykoľvek vyskytnúť porucha, čo ho vyradí z prevádzky, pričom náhradný kus môže v krátkej dobe zaujať jeho miesto bez toho, aby bolo nutné čakať mnohé dni či mesiace na nový štart satelitu zo Zeme.

Galileo má momentálne v plnej činnosti 19 satelitov a BeiDou 22, pričom v oboch prípadoch sa počíta s plne globálnou prevádzkou (24 satelitov + rezerva) do roku 2020. Celá štvorica globálnych systémov však nie je všade jedinou možnosťou. Niektoré krajiny prevádzkujú aj regionálne navigačné systémy, ktoré poskytujú navigáciu len nad konkrétnou krajinou a jej okolím. Takýmito systémami sú indický NAVIC a japonský QZSS.

ODKIAĽ SA GNSS VZALA?

Aj keď by sa mohlo zdať, že dostupnosť satelitnej navigácie je pre bežných ľudí samozrejmosťou, v počiatkoch tomu tak nebolo. Pre verejnosť totiž pôvodne vôbec nebola určená. Prvé experimenty s týmito systémami začali už v úplných počiatkoch kozmickej éry, teda už od prelomu 50. a 60. rokov minulého storočia. USA testovali úplne prvý satelitný navigačný systém, nazvaný TRANSIT, pre potreby svojho námorníctva už v roku 1960 (pozostával z 5 satelitov), pričom dokázal poskytovať polohu zhruba raz za hodinu. Vývoj navigačných systémov v tej dobe a takisto v nadchádzajúcich dekádach bol poháňaný hlavne v rámci potrieb armády, pričom prioritným cieľom bolo, aby mohli ponorky rýchlo získať svoju pozíciu pred potenciálnym štartom balistických rakiet s nukleárnymi hlavicami.

Súčasné a dobre známe GPS, sa pôvodne zrodilo pod názvom NAVSTAR GPS v 70. rokoch minulého storočia, pričom jeho prvé satelity (tzv. Blok I) sa dostali na obežnú dráhu v rokoch 1978 až 1985. Jeho frekvencia bola šifrovaná a navigačné služby tak využívali len americké ozbrojené zložky a príbuzné vládne organizácie. Všetko sa zmenilo v roku 1983, kedy sa lietadlo Boeing 747 juhokórejských aerolínií, nesúce na svojej palube 269 pasažierov na trase Aljaška – Južná Kórea, dostalo kvôli navigačnej chybe nevedomky do blízkosti vojenského vzdušného priestoru bývalého Sovietskeho zväzu v oblasti ostrova Sachalin, kde ho protivzdušná obrana zostrelila.

Na základe tejto tragédie vtedajší americký prezident Ronald Reagan nariadil, aby americká satelitná navigácia bola dostupná aj pre civilné použitie, kdekoľvek na Zemi. To sa napokon stalo realitou o dekádu neskôr, kedy sa na obežnú dráhu dostalo potrebných 24 satelitov GPS po prvý raz. V decembri 1993 sa tak GPS stal prvým, skutočne celosvetovým navigačným satelitným systémom. Od tejto doby je neustále udržovaný, dopĺňaný a modernizovaný.

V rovnakom období prebiehala stavba obdobného systému aj na druhej strane železnej opony. Sovietsky zväz vybudoval svoj prvý navigačný systém pre potreby ponoriek v rokoch 1967 až 1978 pod názvom Cyklón, pričom následne začali prípravy nového univerzálneho globálneho navigačného systému, ktorý by bol ekvivalentom GPS. Dostal meno GLONASS, čo je skratkou GLObálneho NAvigačného Satelitného Systému. Podobne ako v prípade GPS ide teda o veľmi všeobecný názov. Jeho budovanie začalo v 80. rokoch, pričom celosvetové pokrytie s 24 satelitmi dosiahol v decembri roku 1995, teda dva roky po GPS. Podobne ako americký GPS, aj GLONASS bol pôvodne dostupný len pre potreby sovietskej a neskôr ruskej armády a príbuzných zložiek.

Avšak aj keď civilné organizácie a bežní ľudia mohli používať GPS už od roku 1983, treba upozorniť, že jej použitie bolo veľmi limitované. Do vysielania satelitov bola totiž vložená cielená nepresnosť (odstrániteľná len správnym rozšifrovaním vojenskej časti signálu), čo sa prevteľovalo do navigačnej odchýlky na úrovni až 100 metrov. V prípade leteckej navigácie to príliš nevadilo, avšak v súvislosti so súčasným použitím, keď navigáciu pozívame napríklad pri ceste autom, by šlo o problém, ktorý by službu robil prakticky nepoužiteľnou.

To viedlo v 90. rokoch minulého storočia k európskej iniciatíve, ktorej zámerom bolo, aby presná satelitná navigácia bola dostupná nielen armádam, ale aj bežným obyvateľom. Zrodil sa tak program Galileo, ktorého vývoj započal v roku 1999 pod taktovkou Európskej únie, pričom mal slúžiť nielen Európe, ale aj celému svetu. Tieto fakty, spoločne s čoraz väčším nárastom civilného používania satelitnej navigácie viedli napokon k tomu, že USA v roku 2000 na príkaz Billa Clintona úmyselné znepresňovanie GPS pre civilné použitie vypli a sprístupnili tak civilnej sfére nedegradovaný signál, s rovnakou presnosťou, akú používala americká armáda. V roku 2007 podobne zareagovalo aj Rusko, ktoré sprístupnilo signál GLONASS aj na civilné použitie takisto v nedegradovanej kvalite.

Testovanie satelitnej antény Galilea

To pravdaže už nezastavilo budovanie navigačného systému Galileo. Po vypustení testovacích satelitov v rokoch 2004 a 2009 sa začali regulárne družice systému dostávať na orbitu v roku 2011, pričom v budúcom roku ich počet dosiahne 24 kusov. V roku 2020, kedy sa na orbitu dostane ďalších rezervných 6 kusov, systém dosiahne plnú operačnú prevádzku.

SATELITY NAD NAŠIMI HLAVAMI A ICH ŽIVOTNOSŤ

Satelity GNSS, či už ide o GPS, GLONASS alebo Galileo, sú komplexným kusom technológie. V základe v ich útrobách nájdeme stabilizátory, prijímacie a vysielacie antény na rôznych frekvenciách, slúžiace nielen na vysielanie samotného navigačného signálu, ale aj na komunikáciu s pozemnými stanovišťami a pre kontakt so sesterskými družicami.

Družice sú totiž navrhnuté tak, aby dokázali niekoľko týždňov fungovať aj plne autonómne a spolupracovať s ostatnými družicami aj bez riadenia a kontaktu s pozemným riadiacim strediskom (pre prípad jeho zničenia pri vojenskom konflikte). Z hľadiska celkového princípu fungovania je najkľúčovejšou výbavou samotných družíc trojica alebo štvorica (z dôvodu zálohy) mimoriadne presných atómových hodín. K ich esenciálnemu významu v súvislosti s navigovaním sa dostaneme už o chvíľu.

Stavba GPS satelitu aktuálneho Bloku IIF (bez solárnych panelov)

Samotný satelit má obvykle tvar kocky alebo kvádra (na obrázkoch si všimnite veľkosť tejto časti v porovnaní s ľuďmi), na ktorom sú osadené solárne panely. Tie napájajú nielen elektroniku, ale aj batérie, ktoré sa používajú v momente keď je družica na nočnej strane planéty. Satelity obvykle obiehajú Zem vo výške zhruba 20 000 kilometrov (detaily v tabuľke) a ich poloha sa neprestajne mení. Nad vašou hlavou sú tak v priebehu dňa vždy iné satelity, pričom ich rotačná doba je obvykle 12 až 14 hodín. Zem neobiehajú v náhodných smeroch. Obvykle sú sústredené do šiestich kružníc, ktoré sú od seba odchýlené o 60° (teda obvykle 5 satelitov na kružnicu). Nad každým miestom na Zemi je tak v jednom okamihu v dohľade 6 až 12 družíc jedného systému GNSS.

Životnosť satelitov je obmedzená, a preto je nutné vypúšťať na obežnú dráhu stále nové kusy. To umožňuje aj postupnú modernizáciu systému. Napríklad prvá generácia satelitov GPS (označovaná ako Blok I) sa dostávala na orbitu v rokoch 1978 až 1985 (10 kusov), pričom bola nasledovaná deviatimi satelitmi Bloku II v rokoch 1989 až 1990 a následne 19 satelitmi Bloku IIA v rokoch 1990 až 1996. Tieto satelity boli konštruované na životnosť 5 až 8 rokov, ale mnohé ju prekročili.

Posledný satelit GPS z Bloku I doslúžil až v roku 1995 a posledný satelit z Bloku II dokonca až v roku 2007. Tieto prvé tri generácie GPS satelitov vyrábal pre USA dnes už neexistujúci konglomerát Rockwell z oblasti letectva, kozmonautiky a armádnych technológií. Satelity niesli okrem očakávateľného vybavenia v súvislosti s navigáciou aj inú výbavu, pričom v prípade Bloku II išlo napríklad o detektory nukleárnych detonácii na zemskom povrchu.

Dnes je systém GPS tvorený hlavne Blokom IIR, ktorý bol vypúšťaný na orbitu v rokoch 1997 až 2004 (12 kusov, všetky v prevádzke), ďalej Blokom II RM vypúšťaným v rokoch 2005 až 2009 (8 kusov, 7 v prevádzke) a najnovším Blokom IIF, ktorý štartoval v rokoch 2010 až 2016 (12 v prevádzke). V prvých dvoch prípadoch bol kontrakt udelený zbrojárskej a avionickej spoločnosti Lockheed Martin, v tom treťom jej konkurentovi, ktorým je Boeing.

Štarty GNSS satelitov nie sú lacná záležitosť (ruská raketa Proton)

Porovnanie jednotlivých systémov GNSS

Na generácii Bloku IIR sa experimentovalo s pridaním nových druhov signálu, použiteľných pri záchranných operáciách, avšak omnoho zlomovejšími boli zmeny v súvislosti s generáciou Bloku IIR-M, ktoré priniesli vítanú modernizáciu v podobe nového vojenského signálu a takisto robustnejšieho civilného signálu, známeho pod skratkou L2C. Tieto parametre sa následne preniesli aj do novších satelitov. Nadchádzajúca generácia v podobe Blokov IIIA je už v pláne a štart prvého kusu je naplánovaný na december tohto roku. Séria by mala obsahovať 12 kusov, ktoré budú postupne nahradzovať najstaršie satelity a ich minimálna životnosť by mala byť 12 rokov.

Z tohto je vidieť, že udržať GNSS dlhodobo v prevádzke je finančne náročná záležitosť. V súčasnosti GPS berie z amerického rozpočtu jednu miliardu dolárov ročne. Finančné ťažkosti, súvisiace s rozpadom Sovietskeho zväzu v roku 1989 napríklad zapríčinili, že ruský GLONASS po plnom pokrytí v roku 1995 postupne „chátral“. Nové družice sa na orbitu kvôli finančným ťažkostiam Ruska nedostávali a v roku 2008 bolo na orbite funkčných už len 12 družíc, teda polovica potrebného počtu. Nové finančné injekcie v nasledujúcich rokoch ale všetko zlepšili a od roku 2011 je GLONASS opätovne v celosvetovej prevádzke s 24 alebo viac družicami. Systém dnes tvorí 23 satelitov generácie GLONASS-M a 2 satelity novšieho typu GLONASS-K, ktorých počet by mal do roku 2020 narásť na 11. Ich životnosť je 7 až 10 rokov.

V rámci „nášho domáceho systému“ Galileo je počet generácií menší. Pokiaľ nebudeme počítať testovacie satelity (GIOVE a Galileo-IOV), ktoré nie sú dnes súčasťou plnohodnotnej navigačnej schémy, tak Galileo má v prevádzke len jednu generáciu satelitov, označovanú ako Galileo-FOC. Vzhľadom na svoj vek a rýchlosť ich vypustenia (posledných 7 rokov) to však nie je nič prekvapivé. U satelitov sa očakáva minimálna životnosť 12 rokov.

AKO SÚ SMARTFÓNY SO SATELITMI SPOJENÉ?

Ak chceme navigačné služby používať, potrebujeme k tomu príslušný hardvér. V základe sú potrebné dve veci. Anténa, ktorá dokáže signál satelitu prijať a GNSS modul, ktorý dokáže signál rozkódovať a spracovať.

V smartfónoch, tabletoch a takisto napríklad v automobilových navigáciách sa pod slovom modul myslí skrátka samostatný čip, ktorý sa nachádza na základnej doske. Jeho útroby však môžu byť integrované aj do iného čipu, kde zdieľa priestor spolu s modulmi na dekódovanie mobilného signálu LTE, HSPA+, Edge a podobne. Rôzne moduly majú rôznu kvalitu i cenu. Drahšie smartfóny môžu mať tak osadený lepší čip ako lacnejšie modely, podporujúci viacero GNSS a ich frekvencií naraz. Tieto rozdiely sa ale čoraz viac stierajú, pretože ceny týchto modulov sú na úrovni desiatok centov či jednotiek eur.

Najmodernejšie moduly GNSS pre smartfóny podporujú frekvencie všetkých GNSS

Čip má tvar štvorčeka či obdĺžnika s rozmerom 3 až 5 mm. Obvyklými výrobcami sú americké firmy Broadcom alebo Qualcomm. Modul sa, pravdaže, nedá používateľsky vymeniť. Ak smartfón rozoberiete, čip síce na doske nájdete, ale podobne ako ostatné je pripojený pomocou BGA (Ball grid array), čo znamená, že jeho kontakty majú tvar malých roztopených guľôčok, pomocou čoho je spájkovaný s kontaktmi na doske.

Z hľadiska antény je situácia pomerne jednoduchá. Signál jednotlivých GNSS, teda GPS, GLONASS, Galileo a BeiDou sa mierne odlišuje, ale vo všetkých prípadoch sa nachádza v mikrovlnnom frekvenčnom rozsahu. V ňom sa nachádza aj signál Wi-Fi a Bluetooth, takže smartfóny môžu signál satelitov prijímať totožnou anténou, bez potreby dodatočnej.

Ako teda spojenie prebieha? Možno ste to nevedeli, ale používateľská časť systému GNSS je kompletne pasívna. Ak ste si teda doteraz napríklad GPS predstavovali tak, že sa milióny tabletov a smartfónov neprestajne pripájajú k satelitom na obežnej dráhe a komunikujú s nimi, boli ste na omyle. Satelity GNSS o prijímačoch, ktoré ich používajú, „nevedia“ a ani ich polohu nijako nepočítajú.

To je značne odlišné od akéhokoľvek iného spojenia, ktoré smartfóny vytvárajú. Pri pripojení do internetu alebo pri telefonovaní totiž s telefónom komunikuje nielen veža mobilného signálu, alebo Wi-Fi router, ale aj smartfón s nimi komunikuje späť. To pri GPS, GLONASS či akomkoľvek inom systéme GNSS skrátka neplatí. Satelity nevedia, aké a koľko zariadení ich signál momentálne prijíma, podobne ako rozhlasová stanica nevie, koľko ľudí si ju v aute naladí na svojom rádiu.

Základná doska smartfónu Huawei a jej GNSS čip BCM 4774

Aj keď je prevádzka a mechanizmus GNSS komplexná vec, základný princíp funkčnosti je prekvapivo až triviálne jednoduchý. Satelity navigačného systému totiž nie sú nič iné, než kozmické hodiny. Môžeme si ich predstaviť jednoducho ako veľké mestské hodiny na kostolnej veži, podľa ktorých by si všetci obyvatelia mesta nastavovali svoje náramkové hodinky.

Hodinám na veži nijak neprekáža, že sú v jeden moment sledované tisícami ľudí. Čas iba ukazujú. Vlastné nastavovanie náramkových hodiniek si podľa tejto informácie používatelia robia sami. V prípade GNSS je to rovnako. Satelity fungujú ako hodiny, z ktorých čas čítame nie pozeraním, ale prijímaním mikrovlnného signálu. Keďže satelitov je na oblohe viac, smartfón dostáva časový údaj viacnásobne, pričom sa mierne líši. A táto odlišnosť je mimoriadne dôležitá.

Úlohou smartfónu alebo akéhokoľvek iného prijímača na Zemi je prijať časový signál od štyroch alebo viacerých družíc GNSS v jeden moment. Zo zistených rozdielov v čase sám odvodí svoju vzdialenosť od jednotlivých satelitov a na základe toho sám vypočíta svoju pozíciu na povrchu Zeme. K tomu sa používa geometrický princíp známy ako trilaterácia.

Princíp sa dá jednoducho predstaviť v dvojrozmernej podobe. Predstavte si, že stojíte niekde na Slovensku a netušíte kde. Vytiahnete pritom z vrecka prístroj, ktorý by dokázal odmerať vzdialenosť od blízkych miest. Prístroj vám ako prvé zahlási – ste 60 km od Banskej Bystrice. To je dôležitá informácia, avšak problémom je, že môžete byť od tohto mesta ktorýmkoľvek smerom, teda napríklad na východ, západ, juh, či sever či niečo medzi tým.

Dorazí však druhá informácia – ste zároveň 62 km od Trenčína. Vaša poloha sa razom značne spresní. Dva okruhy sa totiž pretnú (pozri obrázok). Problémom je, že sa pretnú v dvoch miestach, čo znamená, že ste buď niekde na severe pri Žiline alebo na juhu pri Zlatých Moravciach. Tretí údaj všetko rozhodne – ste aj 65 km od Liptovského Mikuláša. Vašou pozíciou je teda Žilina. Rovnaký princíp je použitý aj pri GNSS.

Vďaka tomu, že signál vysielajú družice, ktoré sú nad zemou, však trilaterácia nepracuje v 2D, ale 3D priestore. Namiesto kruhovej vzdialenosti od vysielača tak nestojíte na hrane kruhu, ale gule. Vzhľadom na to, že máme o jeden rozmer navyše, potrebujeme na lokalizáciu aj štvrtý zdroj. Dve gule, respektíve sféry, sa totiž pretnú v jednom kruhu, tri v dvoch bodoch a až štyri sféry v jedinom. V núdzovom prípade môže GNSS prijímač počítať za štvrtú sféru samotnú Zem. S použitím štvrtého satelitu sú však dáta presnejšie.

MAGICKÝ TRIK SO SUPERPRESNÝMI HODINAMI

Ak teda smartfón pozná svoju vzdialenosť od 4 či viacerých satelitov, ktorých poloha je známa (vysielajú ju), vie teda, kde na Zemi sa nachádza. Ako ale tú vzdialenosť smartfón odmeria len podľa toho, aký čas ukazujú hodiny satelitu? Je to vďaka tomu, že chvíľu trvá, kým k nemu dorazí elektromagnetická vlna vysielaného mikrovlnného signálu. Je to podobné, ako oneskorenie hromu za bleskom.

Ak pri búrke zbadáte záblesk, môžete začať počítať. Ak napočítate napríklad do 9 a hrom sa ozve, blesk bol od vás 3 km ďaleko. Zvuk sa totiž v našej atmosfére šíri rýchlosťou zhruba 333 metrov za sekundu (1200 km/h), zatiaľ čo svetlo zhruba o miliardukrát rýchlejšie (300 000 km/sekundu). Keďže viete, že záblesk a zvuk vznikli v rovnakú dobu, vďaka ich rozdielnej rýchlosti a oneskorenia zistíte ako ďaleko od zdroja stojíte.

Kontrolné obvody hodín na navigačnom satelite systému Galileo

Podobne je to aj so satelitmi GNSS, ktoré majú navzájom zosynchronizovaný čas svojich hodín a neprestajne ho všetky vysielajú. Váš smartfón vie, že je práve čas 14 hodín, 25 minút a 15 sekúnd. Zároveň ale prijíma signál od satelitov, pričom Satelit 1 hovorí, že je 14:25:15, ale práve prijatý signál zo Satelitu 2 dáva na známosť, že je 14:25:14. Keďže vieme, že oba satelity vysielajú rovnaký čas v rovnaký moment, oneskorenie signálu druhého je z dôvodu, že je od nás ďalej. A rozdiel v čase nám povie koľko, podobne ako pri prípade hromu a blesku.

Problémom je, že signál, ktorým satelity vysielajú, je elektromagnetickým žiarením, čo znamená, že sa šíri rýchlosťou svetla. A jeho rýchlosť je masívna. Rozdiel v jednej sekunde znamená vzdialenosť 300 miliónov metrov, čo by stačilo na sedemnásobné obtočenie okolo Zeme.

Keďže my chceme merať našu vzdialenosť na jednotky metrov presne, potrebujeme presnejšie merať aj čas. Ak by sme ho merali tisíckrát presnejšie na milisekundy, stačilo by to na presnosť 300 000 metrov. Ak by sme ho merali miliónkrát presnejšie na mikrosekundy, stačilo by nám to na rozdiely väčšie ako 300 metrov. Očividne teda potrebuje merať čas na nanosekundy, čo nám poskytne vzdialenosti na metre a prípadne aj centimetre. Ako ale čas merať až takto presne?

Bežné hodiny štandardne určujú beh času na základe nejakého druhu oscilátora, ktorý interne „tiká“. Kým na starých kukučkových hodinách môže ísť o rozhojdané kyvadlo, na moderných hodinách a elektronike je čas odvodzovaný na základe elektrických pulzov vyvolaných kmitaním kryštálu kremeňa pod elektrickým napätím. Pravidelnosť pulzov umožňuje, že hodiny dokážu udržať veľkú presnosť, pričom u kvalitnejších kusov môže ísť napríklad len o rozdiel 15 až 30 sekúnd za mesiac, teda nechcené oneskorenie či zrýchlenie 0,5 až 1 sekundu za deň.

Rubídiové atómové hodiny, osádzané do satelitov GNSS

Ak chceme skonštruovať tisíckrát presnejšie hodiny, ktoré sa za deň neoneskoria o maximálne 1 milisekundu, potrebujeme niečo, čo bude oscilovať tisíckrát presnejšie a v prípade presnosti na mikrosekundy miliónkrát presnejšie. A keďže mi potrebujeme presnosť na nanosekundy, potrebujeme miliardukrát presnejšie oscilátory. A jediné oscilátory, ktoré takéto niečo umožňujú, sú tie založené na atómových rezonanciách. A práve takéto hodiny majú na svojej palube aj satelity GNSS. Na obrázku môžete vidieť, že sú zhruba veľké ako tehla. Obvykle sú založené na osciláciách v atómoch cézia alebo rubídia a oneskorujú sa za deň len o rozsah okolo niekoľkých nanosekúnd, či inak povedané, oneskoria sa o 1 sekundu až za viac ako miliónov rokov.

Zaujímavosťou je, že pri takejto presnosti už začínajú mať na hodiny vplyv veci, ktoré by ste zrejme nečakali, ako zakrivenie priestoru a času podľa Einsteinovej teórie relativity. Možno viete, že čím rýchlejšie sa objekt hýbe, tým pomalšie preň čas plynie. Bežne takéto niečo vôbec nevnímame, pretože na to, aby ste citeľne videli, že napríklad jeden človek zostarne o 10 rokov, zatiaľ čo iný iba o polovicu, by sa musel ten druhý menovaný pohybovať za hranicou 80 % rýchlosti svetla (na hmotným objektom nedosiahnuteľnej úplnej rýchlosti svetla by sa čas zastavil).

To je predpoveď tzv. špeciálnej teórie relativity. Oproti nám sa satelity GNSS pohybujú rýchlosťou zhruba 14 000 km/h. Pri bežnom meraní času to ešte nič neznamená (0,00001 % rýchlosti svetla), ale keďže ich atómové hodiny merajú čas tak presne, je to dostatočné na to, aby sme tento efekt už merali. Pri tejto rýchlosti totiž čas plynie o 7 mikrosekúnd (7000 nanosekúnd) pomalšie ako na Zemi.

To ale nie je všetko. Do hry totiž vstupuje z opačného smeru ešte aj tzv. všeobecná teória relativity. Keďže satelity obiehajú okolo Zeme zhruba vo výške 20 000 km, znamená to, že sú menej hlboko v gravitačnom prepadlisku Zeme, ktoré zakrivuje priestor a čas takisto. Na družice GNSS pôsobí štvrtinová miera gravitácie oproti tomu, aká pôsobí na nás. Z tohto hľadiska teda družici oproti nám čas plynie rýchlejšie, a to o 45 mikrosekúnd za deň.

Oba efekty postavíme proti sebe, čo nám dá rozdiel 38 mikrosekúnd za deň (teda 45 – 7). S týmto efektom teda počítame tak, že napríklad céziové atómové hodiny na palube GPS satelitov úmyselne odchýlime z frekvencie 10,23 MHz na 10,22999999543 MHz. Bez tejto korekcie by boli GNSS bezcenné, pretože vďaka zakriveniu časopriestoru by odlišnosť ich hodín znamenala navigačné odchýlky stovky metrov za pár hodín a behom pár dní by sa systém stal celkom nepoužiteľným.

Dva druhy atómových hodín družíc GNSS Galileo. V popredí rubídiové, v pozadí vodíkový maser

Takéto presné atómové hodiny pravdaže nie sú zadarmo. Ich cena sa pohybuje okolo 50 000 eur za kus a každý satelit má pritom na palube tri alebo štyri. Vzhľadom na veľkosť a takisto cenu je samozrejmé, že v smartfóne sa bez nich budeme musieť zaobísť. Ako teda smartfón dokáže s takými presnými časmi vôbec pracovať? Používa na to trik. Jeho obyčajný časovač sa pomocou superpresných signálov GNSS nastavuje a následne extrémne rýchlo resetuje stále podľa nových a nových dát.

Vďaka tomu sa vždy stihne odchýliť len o malý časový úsek, ktorý je akceptovateľný a dá sa s ním pracovať. Využíva pritom to, že štyri a viac sfér satelitov sa pretnú v jednom bode len pri perfektnej synchronizácii tikania. Aj keď teda prvotný odhad smartfónu bude kvôli horšej synchronizácii nepresný, správnu pozíciu dopočítava a upravuje tak, dokým sa naozaj nepretnú, čím získa žiadané lokalizačné dáta a ukáže vám vašu polohu napríklad na mape.

ČO OVPLYVŇUJE RÝCHLOSŤ NAVIGÁCIE?

Možno ste sa niekedy zarazili nad tým, že nejaká prenosná alebo integrovaná autonavigácia, alebo napríklad aj tablet, zisťuje pri prvotnom zapnutí vašu polohu značne pomalšie, ako váš smartfón. Ak stojíte na mieste, rozdiel môže byť len pár sekúnd, ale pri pohybe rýchlosťou 50 či 100 km/h môže ísť aj o niekoľko desiatok sekúnd, či pokojne aj viac ako minútu. Tento rozdiel sa pri tom prejavuje len pri úvodnom zapnutí zisťovania polohy. Akonáhle zariadenie už polohu zistí, následne už ju aktualizuje pri vašom pohybe rýchlo. Čo tento rozdiel medzi smartfónmi a inými zariadeniami spôsobuje?

Je to dôsledok mechanizmu, ktorý sa označuje ako A-GPS, teda Asistovaná GPS. Jej princípom je, že pri zisťovaní polohy asistuje smartfónu vysielač mobilnej siete, ku ktorému je v rámci svojej SIM karty pripojený. V základe ide o to, že server mobilného operátora do vášho telefónu pošle už vypočítané navigačné dáta, v súvislosti s polohou pozemnej vysielacej veže a zároveň aj informácie o satelitoch, ktoré sú práve nad vami. Aj keď sa telefón z nich nedozvie, kde presne je, približná poloha je mimoriadne cenná. Prvotné zistenie polohy je totiž značne náročné na výpočet aj na čas.

Xiaomi Mi-8

Zariadenie nevie, kde na Zemi je a keďže môže byť všade, musí vypočítať svoju polohu „od nuly“, čo znamená počkanie na kompletné informačné dáta vysielané satelitmi rýchlosťou 50 bit/s. To chvíľu trvá, pričom ak pritom zájdete za prekážku a signál sa stratí, zariadenie musí začať znova od nuly. Čím viac signálov rozdielnych satelitov prijíma, tým lepšie, avšak ak ste napríklad v meste a signál sa odráža od budov, alebo v lese od stromov, čas ktorý je potrebný na vyriešenie všetkých chýb a konfliktov narastá.

Výpočet tak môže trvať niekoľko desiatok sekúnd a prinajhoršom aj zopár minút. Aby sme zariadeniam činnosť uľahčili, veža mobilnej siete telefónu odošle približnú polohu, od ktorej sa môže odraziť, spoločne so stiahnutými dátami aktuálnych satelitov nad ňou. Je to ako keby ste sa otázkami snažili prísť na to, na aké číslo od 1 do 1000 niekto myslí, pričom kamarát vám pomôže tým, že je medzi 720 a 730. Svoje hádanie následne už masívne urýchlite.

A práve vďaka tomu je na smartfónoch úvodné zistenie polohy také bleskové, behom jednej či dvoch sekúnd. Tento mechanizmus môže, ale aj nemusí byť vedený ako dátový (internetový) prenos. Závisí od operátora. Avšak tak či onak, na vašom účte a dátovom limite sa to nijako neprejaví, pretože ide o textové dáta, ktoré sú skutočne miniatúrne (v závislosti od smartfónu môžu byť započítané napríklad v pár kB, ktoré vyčerpá z vášho mesačného dátového limitu operačný systém Android).

Ak používate na navigovanie tablet bez SIM karty, alebo navigáciu v aute, tie tento asistenčný luxus nemajú a úvodné zistenie polohy im preto trvá o niečo dlhšie. To isté by nastalo aj v prípade, že SIM kartu z vášho smartfónu vyberiete, alebo sa nachádzate mimo pokrytia mobilnej siete. Smartfón je plne schopný vypočítať polohu sám zo signálu satelitov. Len je to na úkor času a takisto z dôvodu náročnosti výkonu aj na úkor výdrže na batériu.

Vedeli ste, že rýchlosť ukazovaná GPS navigáciou je mnohonásobne presnejšia, ako tá na tachometri?

Akonáhle už je ale úvodná poloha zistená, náročnosť výpočtu nasledujúcej polohy značne klesne. Či už sa pohybujete pešo či v aute na diaľnici, vaša rýchlosť je v rozmedzí 1 až 40 metrov za sekundu, a odvodzovať takýto posun je na výpočet pomerne triviálne a zariadenia ho zvládnu bez potreby vysokého výkonu.

Možno ste si všimli, že GNSS vám pri navigovaní v aute ukazuje trochu inú rýchlosť, ako váš tachometer. Čo je presnejšie? Možno vás to prekvapí, ale aj napriek tomu, že napríklad GPS má v praxi presnosť len okolo 3 až 5 m, tak z hľadiska rýchlosti je počítanie mimoriadne presné. Zmena vašej polohy vzhľadom na čas k jednotlivým družiciam je v prípade GPS presná až na 0,006 m/s v rámci trojsekundového intervalu s 95 % pravdepodobnosťou.

Aby sme dali tieto čísla aspoň trochu do kontextu, pri rýchlosti 100 km/h ujdete autom zhruba 27 metrov za sekundu. Ako je vidieť pri porovnaní s možnou odchýlkou, rýchlostný údaj ukazovaný navigáciou je mimoriadne presný (za predpokladu, že nie ste v hustej zástavbe, alebo v tuneli, kde signál vôbec nie je). Váš tachometer v aute, odvodzujúci rýchlosť od rotácie kolies, sa skrátka nemôže rovnať nanosekundovej presnosti atómových hodín na palube GNSS. Tachometer je ovplyvnený aj takými udalosťami, ako tlakom pneumatík a inými faktormi a aby sa výrobca auta uistil, že omyl v meraní vás nebude stáť pokutu (policajný radar je totiž značne presnejší), tachometer umelo ukazuje zhruba o 5 km/h viac, aká je vaša skutočná rýchlosť, ktorú vám nameria GNSS navigácia.

ČO OVPLYVŇUJE PRESNOSŤ NAVIGÁCIE?

Rôzne asistenčné metódy sa podieľajú aj na zvýšení presnosti. V základe je presnosť GNSS systému určená presnosťou jeho atómových hodín, celkovou architektúrou systému a takisto poveternostnými podmienkami. Americký systém GPS sa v rámci konštrukcie signálu a takisto v rámci odchýlky céziových atómových hodín dostáva v základe na presnosť 13 až 15 m. To vás asi prekvapí, pretože z praxe viete, že presnosť tohto systému je na úrovni zhruba 3 až 5 m. Je to vďaka tomu, že za 25 rokov verejnej prevádzky GPS bolo vybudovaných mnoho pozemných podporných systémov, slúžiacich na spresnenie.

Pozemná stanica diferenciálnej GPS, slúžiacej na spresnenie polohovania

Okrem už spomenutej A-GPS ide v rámci severoamerického kontinentu hlavne o WAAS (Wide Area Augmentation System), skladajúci sa z mnohých pozemných staníc a takisto podporných satelitov (obvykle ide o satelity určené prioritne na iný účel, ktoré ale asistujú GPS ako doplnok k svojej štandardnej činnosti). Tie vysielajú korelačné navigačné údaje, ktoré v kombinácii s časovým signálom satelitov navigovanie pozemných zariadení spresňujú.

Podobná je aj situácia v Európe, kde je ekvivalentným systémom EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Vo väčšine krajinách vyspelého sveta sú dostupné aj služby tzv. Diferenčného GPS (DGPS), kde je pozícia spresňovaná pomocou pozemných vysielačov so známou presnou polohou. Často je okrem verejného spresnenia na zhruba 3 metre dostupný aj vylepšený komerčný variant diferenčných služieb (platený), ktorý umožňuje spresniť zisťovanie polohy pomocou GPS až na niekoľko desiatok centimetrov. To využívajú napríklad rôzne geodetické firmy. Ak by ste sa teda vy ako používateľ dostali mimo pokrytia týchto asistenčných metód, z presnosti na ktorú ste zvyknutí by ste sa rýchlo dostali na reálnych 15 m.

Ruský systém GLONASS je v základe o niečo presnejší ako GPS a dosahuje sám o sebe presnosť na 5 až 7 metrov. Od roku 2011, kedy je opäť v plnej prevádzke sa jeho podpora čoraz viac rozširovala nielen na používateľských smartfónoch, ale aj na asistenčných GPS metódach od operátorov a rôznych iných firiem, ktoré prevádzkujú pozemné vysielače pre GPS aj GLONASS súčasne. Oba systémy tak v praxi dosahujú presnosť 3 až 5 metrov.

Narastanie duálnej podpory z hľadiska vysielačov a takisto integrovaných modulov/čipov však prinieslo zaujímavú zmenu. Prijímacie zariadenia môžu používať GPS a GLONASS súčasne, čo aj drvivá väčšina smartfónov s vekom do piatich rokov robí. Ako sme už spomenuli, výpočet polohy je tým rýchlejší, stabilnejší a presnejší, čím viac satelitov má zariadenie „v dohľade“. Na voľnom priestranstve je to 6 až 12 družíc jedného GNSS systému.

Ak ste ale medzi prekážkami, ako napríklad vysokými budovami, ich počet môže ľahko klesnúť až pod minimálne potrebné 4. Keďže ale rôzne GNSS sa vzájomne prekrývajú na iných orbitách a polohách, znamená to, že pri súčasnom používaní GPS a GLONASS je nad vami pokojne 10 až 20 satelitov v rôznych smeroch, čím pravdepodobnosť ich zakrytia prekážkou výrazne klesá. Ako používateľ tak z kombinácie hodín viacerých systémov extrémne ťažíte.

Mnoho smartfónov mladších ako päť rokov podporuje aj čínsky systém BeiDou. Na snímku obrazovky môžete vidieť, ako sa Samsungu Galaxy S7 súčasne napája na 30 satelitov amerického, ruského, čínskeho a dokonca aj jedného regionálneho satelitu japonskej GNSS. Čínsky systém BeiDou poskytuje sám o sebe presnosť až na 10 cm, avšak táto frekvencia je dostupná len čínskej armáde a obdobným zložkám. Verejná frekvencia má presnosť len 10 m. Prítomnosť BeiDou a jeho používanie spolu s GPS a GLONASS však vašu navigáciu len a len zlepšuje.

Obrovský pokrok v rámci presnosti prináša európsky Galileo, ktorého rubídiové atómové hodiny sú schopné presnosti na 1,8 nanosekundy za 12 hodín, čo umožňuje dosiahnuť presnosť na 1 m. Vysielanie na základe týchto hodín je dostupné všetkým, čo znamená, že používaním systému Galileo vo svojom smartfóne si z hľadiska presnosti výrazne polepšíte (hlavne od budúceho roku, keď bude v plnej prevádzke). Moduly s podporou tohto systému má už viac ako 30 modelov smartfónov na súčasnom trhu a ak máte relatívne nový telefón, môžete sa o jeho podpore presvedčiť napríklad pomocou aplikácie GPSTest (barbeau), ktorá je zdarma a bez reklám.

Zaujímavosťou je, že Galileo obsahuje ešte aj presnejší mechanizmus, založený na väčších a komplexnejších atómových hodinách s vodíkovým maserom. Maser je v základe podobné zariadenie, ako laser, avšak s tým rozdielom, že namiesto lúča viditeľného svetla zostruje svetlo na inej, konkrétne mikrovlnnej frekvencii. Ide o komplexný stroj, ktorého cena sa šplhá až na 200 000 eur. V rámci takýchto atómových hodín sa používa frekvencia prechodu vodíkového atómu, ktorá tiká na extrémne stabilnej frekvencii 1,4 GHz.

Vľavo príjem amerického, ruského a čínskeho signálu GNSS na Samsung Galaxy S7, vpravo detekcia
nového európskeho GNSS Galileo na novších smatfónoch

Jeho úroveň prechodu v rámci úrovne odchýlky je 0,45 nanosekundy na 12 hodín, čo umožňuje maximálnu navigačnú presnosť systému Galileo až na úrovni presnosti 1 cm. Táto presnosť je síce v základe k dispozícii pre kohokoľvek, avšak je už spoplatnená. Takéto presné navigačné služby si teda zadovážia len organizácie či firmy, ktoré ich budú naozaj potrebovať.

Vo výsledku je obrovsky pozitívnym faktom, že moderné smartfóny dnes môžu používať až štyri nezávislé GNSS, vďaka čomu majú v jednom momente prístup k viac ako 40 satelitom z obrovského počtu smerov. O takom niečom sa nám veru donedávna ešte ani nesnilo a spolu s čoraz presnejšími mechanizmami satelitov a takisto vďaka čoraz robustnejšej sieti asistenčných služieb, si môžeme užívať extrémne presné navigovanie aj v hustej zástavbe. A tento stav sa bude aj naďalej zlepšovať, vďaka neustálej modernizácii satelitných systémov, z dôvodu nevyhnutného zachovania ich funkčnosti.

Značky:

O autorovi

Profesionálnej žurnalistike sa venujem od roku 2006. Zameriavam sa najmä na prehľadové a analytické články z prostredia hardvéru, výrobných procesov polovodičov, umelej inteligencie a ďalších technológií. Mojou doménou je takisto servis hardvéru aj softvéru.

2 komentáre

  1. Aj ja sa pripájam. Výborný článok. S údivom čítam každý jeden , radšej aj viac krát, koľko roboty to dalo, klobúk dole.

Pridaj komentár

Objednajte si ročné predplatné časopisu TOUCHIT, teraz s užitočnou príručkou
Začíname so smartfónom.Iba za 22,99 €.
Kliknite a zistite viac>>