Přeskočit na hlavní obsah
Přeskočit hlavičku

Jak funguje GPS?

Jak funguje GPS?
Už několikrát se ve světě stalo, že si člověk, ztracený například v horách, zavolal pomoc díky nouzovému tlačítku nebo mobilní aplikaci, které odešlou nouzovou zprávu na příslušnou složku integrovaného záchranného systému. Záchranáři tak získávají přesnou GPS polohu volajícího, mnohdy spolu s informací o stavu baterie jeho telefonu.

Ubývá tak zdlouhavé předávání informací, čas totiž hraje klíčovou roli. Do jaké míry nás tedy naše mobilní telefony sledují, kolik GPS systémů existuje a jakou roli hraje technologie například ve válce? V rozhovoru odpoví Vedoucí Katedry geoinformatiky HGF VŠB-TUO Michal Kačmařík.

Hned na úvod si neodpustím otázku: sledují nás naše mobilní telefony?

Komplikovaná otázka. Kdybychom to brali zjednodušeně, pak by odpověď byla, že ano. Je ale třeba se na problematiku podívat více do hloubky: záleží totiž na tom, na co se zaměříte. Pokud bychom se bavili čistě o technologii GPS, tak přes ni samotnou vás sledovat možné není, protože se jedná pouze o pasivní příjem signálů z družic. Když se fungování GPS v tomto ohledu snažím někomu připodobnit, přirovnávám ho k puštění rádia v autě. Pustíte rádio, přijímač začne přijímat rádiové vlny, a přehraje je v podobě písničky či mluveného slova.

Přes co nás tedy mobil může sledovat?

Každý mobilní telefon má SIM kartu. Díky ní jste aktivní součástí sítě operátora. Pokud chcete někomu zavolat nebo napsat SMS zprávu, jedná se o obousměrnou komunikaci. Vy komunikujete s vysílačem v dané síti, on komunikuje s vámi. Na základě toho je možné odhadnout vaši aktuální polohu v síti. Přibližně.

Přibližně?

Velmi záleží na tom, kde se zrovna nacházíte a jaké pokrytí základnovými stanicemi tam váš mobilní operátor má.

Spousta z nás disponuje chytrým mobilním telefonem. Když od nich ale upustíme a vezmeme si klasický tlačítkový mobilní telefon, jak s družicí komunikuje on, pokud tedy vůbec?

Odpověď je poměrně jednoduchá – záleží na tom, co má daný mobilní telefon v sobě za zařízení. Pokud má zabudovaný přijímač GPS, nebude pro něj problém určit vaši polohu. Za předpokladu, že by v sobě přijímač neměl, bude komunikovat pouze v rámci sítě mobilního operátora. Zavoláte, pošlete SMS, teoreticky se připojíte k internetu.

Vláda na začátku pandemie sledovala náš pohyb pomocí operátorů. Žádná GPS?

Mobilní operátor sbírá data o pohybu svých klientů, ví, kde se pohybují. Tato data na úrovni jedince mohou být zpřístupněna například polici, pokud proto existuje relevantní důvod. V případě pandemie nemoci COVID-19 vznikly trasovací aplikace, které jsme si do telefonu nainstalovali – ty pak obvykle fungovaly pomocí technologie Bluetooth. Pokud bychom se my dva vyskytli ve vzájemné blízkosti a oba přitom měli takovouto aplikaci zapnutou, existoval by o našem kontaktu záznam. Ten by se dal následně využít pro trasování kontaktů v případě pozitivity jednoho z nás. Nejde tedy o absolutní určení naší polohy, ale o to, že jsme se někde vyskytli ve vzájemné blízkosti s někým jiným a naše zařízení zaznamenalo identifikaci zařízení druhé osoby.

A může dnes signál zachránit život, když jdu třeba do lesa a ztratím se?

Ano, možné to je. Dovolím si uvést, že aktuálně existují již čtyři globální navigační družicové systémy, označované zkratkou GNSS. Jde o: evropské Galileo, americké GPS, ruský GLONASS a čínské BeiDou. Ani jeden z nich nebyl primárně určen k záchranným operacím, i když se v poslední době částečně stávají součástí systémů budovaných pro tyto účely. Nicméně, obecně je potřeba říci, že pro GNSS signál je důležitý otevřený prostor, tedy prostředí s dobrým výhledem na oblohu. Pokud byste se ztratila v místě s minimálním či velmi omezeným výhledem na oblohu, byly by možnosti vaší lokalizace pomocí technologie GNSS velmi omezené.

Čím se od sebe ty čtyři systémy liší?

Evropský systém je od začátku vyvíjen jako civilní, oproti tomu americký, čínský i ruský jsou vyvíjeny jako vojenské, jsou pod správou armády. Možnosti civilních uživatelů jsou oproti těm armádním vždy nějakým způsobem omezeny. Na druhou stranu, státy stojící za správou a rozvojem těchto systémů jsou schopny se domluvit a do určité míry spolupracují, společným cílem je zkvalitňování služeb poskytovaných civilním uživatelům.

 

Jak tedy konkrétně určování naší polohy pomocí GNSS funguje?

V každém systému je provozována sada družic, které vysílají své signály směrem k Zemi. Ze signálu může přijímač odvodit polohu družice či čas odeslání dané části signálu. Přijímači následně stačí určit čas přijetí dané části signálu. Víme tedy, kdy byl signál z družice vyslán a víme také, kdy jej přijímač přijal. Pokud od sebe tyto dva časy odečteme, zjistíme, jak dlouho k nám signál putoval. A aplikací jednoduchého vztahu pro výpočet dráhy z času a rychlosti pohybu zjistíme vzdálenost mezi námi a družicí. Jelikož je signál elektromagnetickou vlnou, šíří se rychlostí světla.

Stačí mi ke změření polohy jedna družice?

K určení polohy potřebujete v jeden okamžik přijímat signály z více družic, nejméně ze čtyř. Svoji polohu určíte pomocí souřadnic, ze zeměpisu všichni určitě znají zeměpisnou šířku a zeměpisnou délku. Ve trojrozměrném světě ale musíme pracovat ještě se třetím rozměrem, kterým je výška. Při mírném zjednodušení můžeme říci, že třetím rozměrem je nadmořská výška. Prozatím tedy máme tři neznámé veličiny definující naší polohu. Problém je však v tom, že musíme také zajistit, aby hodiny na všech družicích, ze kterých přijímáme signály, a hodiny v přijímači byly synchronní. Ve výsledku to vede k tomu, že musíme vypočítat čtvrtou neznámou veličinu, kterou je chyba hodin přijímače. Jedná se o rozdíl mezi časem, který přijímač ukazuje, a tzv. systémovým časem systému, do kterého patří používané družice (např. systémový čas GPS). Pro určení čtyř neznámých potřebujeme mít alespoň čtyři observace, tedy měřit ke čtyřem družicím.

Jakou roli hraje špatná viditelnost na oblohu?

Velkou. Pokud blokujete výhled na oblohu, signály se k vám nedostanou. Poloha se tedy buď určí špatně, nebo neurčí vůbec. Proto platí, že GNSS je technika do otevřených prostor, nefunguje uvnitř budov.

Celý svět šokovala válka na Ukrajině. Jak fungují v tomto případě? Má Rusko, právě díky vojenské technologii GNSS, převahu?

Technologie GNSS jsou v jakémkoliv válečném konfliktu využitelné k celé řadě úloh. Můžeme si představit lokalizování polohy jednotek nepřítele, navádění raket, (autonomní) navigaci dronů, apod. Nemyslím si, že by Rusko v tomto ohledu mělo čistě z pohledu systémů GNSS nějakou zásadní převahu či výhodu.

Čemu se, mimo technologii GNSS, v rámci Katedry geoinfomatiky HGF VŠB-TUO věnujete?

Věnuji se, dlouhodobě, technice, která se jmenuje GNSS meteorologie. Signály z družic systémů GNSS procházejí přes atmosféru, která signál ovlivňuje. V troposféře se nacházejí například vodní páry. Ty jsou důležitým nositelem energie a samozřejmě jejich kondenzací vznikají srážky. Pokročilým zpracováním dat z přijímačů GNSS můžeme nepřímo odvozovat právě obsah vodních par v atmosféře, údaj zajímavý pro meteorology a prakticky v meteorologii využívaný. Vyjma technologii GNSS pracuji přibližně pět let také s bezpilotními letadly, laicky řečeno drony. Používám je ke sběru prostorových dat v terénu, pro různé aplikace související s mým zastřešujícím oborem, kterým je geoinformatka.

Text: redakce

Foto: Tomáš Sláma, AVS

Vloženo: 23. 6. 2022
Kategorie:  Aktuality
Zadal:  Administrátor
Útvar: 9920 - Vztahy s veřejností
Zpět