GPS - prvý kontakt

Písmo: A- | A+

S technológiou GPS (Global Positioning System) som sa prvý krát stretol na výstave vojenskej techniky v roku 1995.

Bolo to pravdepodobne na výstave IDET v Trenčíne, ale už neviem, kto bol vtedy vystavovateľom, pamätám si, že ma zaujal informácia o možnosti zistenia aktuálnych zemepisných súradníc, čo bolo pre mňa ako člena aeroklubu z viacerých dôvodov zaujímavé. Prijímač mal rozmer autorádia a na čelnom paneli svietili len číslice, žiadne LCD s mapou tak ako si dnes ľudia predstavujú GPS.

Bol som veľmi rád keď sa mi podarilo vybaviť si zapožičanie GPS pristroja na nejaký deň. Neskôr som si kúpil modernejší a hlavne menší prijímač GPS od Garminu a teraz ich mám viacero. V tých časoch nebol internet dostupný. Informačné zdroje o GPS neboli, ale snažil som sa dôjsť logikou na princíp ako môže takýto systém fungovať.


Obr. 1. Hoci mám viacero GPS toto nie je fotografia z môjho auta, ale z internetu.

S odstupom času môžem povedať, že som sa trafil pomerne presne. Pre pochopenie princípu merania vzdialeností pomocou rádiových vĺn je to ideálny postup. Ak potrebujete zmerať vzdialenosť dvoch bodov a jeden z týchto bodov vysiela stálu frekvenciu a na druhom bode ju dokážete počúvať, presnejšie počítať jednotlivé periódy signálu, tak stačí mať zosynchronizované hodiny, pričom vysielač každú sekundu vyšle aj impulz označujúci začiatok sekundy. Prijímač sa správa opačne. Keď začne nová sekunda tak vynuluje počítadlo a počíta prichádzajúce periódy až kým nepríde impulz odoslaný o celej sekunde.

Z počtu zachytených periód, zo znalosti frekvencie signálu a zo znalosti rýchlosti svetla sa dá vypočítať vzdialenosť medzi vysielačom a prijímačom. Napríklad ak by nosná  frekvencia bola 300 000 000 Hz tak vlnová dĺžka jednej periódy je jeden meter.  Ak sa počítadlo zastaví na čísle 850 tak to znamená, že vysielač a prijímač sú od seba vzdialení 850 násobkov vlnovej dĺžky čo je v tomto prípade 850 metrov. Samozrejme čím vyššia frekvencia tým vyššia presnosť, lebo dĺžka jednej vlny je kratšia. Na určenie polohy v priestore je potrebné mať nie jeden ale tri vysielače a ešte rozumne rozmiestnené, tak aby neboli v jednej rovine s prijímačom.

 

Prečo potom GPS prijímač potrebuje vidieť nie 3 ale 4 satelity? Je to dôsledok toho, že prijímač nemá zosynchronizovaný čas a práve údaj zo štvrtého satelitu potrebuje dosadiť do štyroch rovníc o štyroch neznámych, odkiaľ po prepočte získa štyri údaje, a to zemepisnú šírku, zemepisnú dĺžku, nadmorskú výšku a čas. Každá ďalšia zachytená družica už len zvyšuje presnosť výpočtu a tým presnosť lokalizácie. Rýchlosť a smer prijímača GPS sa počíta z dvoch meraní polohy po sebe. Zrýchlenie z troch meraní atd. Z takto získaných údajov je možné on-line vypočítať množstvo údajov, napríklad prejdenú vzdialenosť vodorovne, zvislo, reálne, absolútne. Možno zisťovať rôzne maximá, minimá, priemery. Prejdenú trasu možno zaznamenávať aj v 3D čo je jedinečné napríklad pri leteckej akrobacii. Ak máte presné súradnice, presný čas, tak si vypočítate všetko čo potrebujete. Ak vás zaujímajú vzorce atd. tak sú popísane na stránkach wikipedie, kde sú aj linky na oficiálne dokumenty.

 


Obr. 3. Satelit systému GPS, staršie prevedenie (zdroj wikipedia 1).


Obr. 4.Satelit systému GPS, novšie prevedenie II-F (zdroj wikipedia 1).

Nie je zlato všetko čo sa blyští.
U GPS nie je všetko tak jednoduché ako sa zdá na prvý pohľad z vyššie napísaného. Keďže ide o vojenský produkt a strategický vojenský produkt, tak je aj s nim narábané. GPS systém je pomerne presný, jeho relatívna chyba sa odvádza od dĺžky periódy nosného signálu a presnosti dráhy satelitu. Treba vedieť, že existuje civilné GPS a vojenské GPS. Princíp je ten istý, ale do civilného GPS sa ešte do roku 2000 vmiešavala pomaly meniaca sa ale náhodná absolútna chyba okolo 200 metrov čo neumožňovalo tento systém plnohodnotne použiť napríklad v doprave. Vojenský GPS má aj ďalšiu nosnú frekvenciu čo zvyšuje presnosť a doplnkové ale zašifrované informácie, ktoré bez znalosti ďalších súvislosti nie možné využiť.


Obr. 4. Porovnanie komunikácie vojenského a civilného GPS.(Zdroj wikipedia 1, 2).

Na začiatku roku 2000 bol tlak na americkú armádu aby zrušila úmyselné vmiešavanie náhodnej chyby a umožnila komerčný rozvoj GPS. Od 1.5.2000 nie je náhodná chyba do signálov družíc vmiešavaná čo malo za následok zvýšenie presnosti lokalizácie pre civilný sektor zhruba z 200 metrov na 15 metrov. To podnietilo rozvoj celého odvetvia priemyslu a služieb.

Treba si ale uvedomiť, že americká armáda si stále nechala právo hocikedy vmiešavanie chyby zapnúť, dokonca ho vie zapnúť len pre konkrétnu oblasť na zemi. Naposledy sa tak stalo v Európe počas samitu NATO v Prahe. Vtedy GPS v autách sa zbláznili a začali navigovať vodičov zle, lebo nedokázali presne určiť aktuálnu polohu a usúdili, že sú o niekoľko ulíc inde. Práve preto, že Európa nechce byť závislá na americkej nálade, rozhodlo sa o budovaní vlastného európskeho navigačného systému s názvom Galileo, ale k jeho komerčnému spusteniu je ešte ďaleko.

Okrem iného treba pripomenúť, že signál GPS sa dá úmyselne lokálne zarušiť čo sa používa vo vojenských konfliktoch pomerne často, ale signál sa dá zarušiť aj nechtiac neodrušeným zariadením. Navyše GPS signál je slabý a neprejde cez ľudské telo a neprejde ani do podjazdov alebo vnútra objektov. Taktiež v blízkosti širokých a vysokých stavieb môže dôjsť k falošným odrazom signálu z družice do prijímača čo má za následok v prípade viditeľnosti nízkeho počtu satelitov nesprávne vypočítanú polohu.

Čo majú v seba dnešné GPS prijímače?
V prvom rade sú to veľmi citlivé zvyčajne 12 kanálové prijímače, ktoré sledujú všetky viditeľné GPS satelity z celkového minimálneho počtu 21 6x4=24 živých satelitov. Okrem toho bežné prijímajú informácie z WAAS, EGNOS geostacionárnych satelitov, ktoré korigujú chyby šírenia signálu z referenčných pozemných staníc a dokážu zvýšiť presnosť určenia polohy pod 3 metre čo vyhovuje aj doprave. Na takomto systéme pracujú aj palubné jednotky používane v elektronickom mýte.


Obr. 5. GPS OEM modul vyrábaný v súčasnej dobe. (zdroj wikipedia 1 )

Prv sa hovorilo, že GPS nefunguje v prúdových lietadlách a bola to aj pravda. Mikroprocesor prijímača nedokázal tak rýchlo prepočítavať polohu ako GPS prijímač letel, ale dnes technika pokročila a mikroprocesory majú prebytok výkonu, preto do GPS zariadení, ktoré sa už zmestia aj do mobilu alebo hodiniek sa dáva všetko možné aj nemožné. Dávajú sa digitálne mapy všetkých ciest, vrátane zaujímavých bodov a poštovných adresy. Zo znalosti aktuálnej polohy a zadaného cieľa dokážu GPS prístroje navigovať vodiča. K tomu pribudli aj prijímače RDS/TMC kde sa mapa dynamicky dopĺňa o nové cesty alebo obchádzky. V tomto smere sa snažím aj ja a to systémom virtuálnych dopravných značiek, ale to ešte nejaký čas bude trvať.

Záver:
Jednoduché, rýchle a presné zisťovanie polohy dáva obrovské možnosti ale predstavuje i určité riziko, nejde ani tak o riziko zneužitia systému teroristami, lebo keď sa terorista dostane k strele navádzanej GPS, tak určite sa dostanie aj ku kódu pre vojenské GPS s vyššou presnosťou. Väčšie nebezpečie je v tom, že jedného dňa môže byť celý GPS systém vypnutý alebo mierne povedané rozladený a vtedy nastane ten správny chaos. Ľudia si začnú spomínať na magnetický kompas, na klasické majáky, rádiomajáky, digitálne rádiomajáky, na orientačné body vo forme vysokých stavieb a prírodných objektov a na prístroje, ktoré z polohy slnka a hviezd dokážu určiť zemepisné súradnice.

Skryť Zatvoriť reklamu