Co je to GPS? Proč to potřebujeme? Jaký je rozdíl mezi různými navigačními systémy? O všem si povíme v tomto článku.
V současné době se nám GPS jeví jako každodenní, známá věc, o které každý slyšel a většina z nich ji používá ve svém každodenním životě. Toto je jeden z nástrojů, který používáme v našich zařízeních. Přitom ani nepřemýšlíme o tom, jak to funguje, kde se to vzalo, kolik času, úsilí a peněz bylo potřeba do vytvoření tohoto systému investovat. Dnes mají přijímače GPS signálu nejen navigátoři, telefony, smartphony, tablety, auta, ale třeba i fitness náramky a „chytré“ hodinky, jejich data se využívají v průmyslu, amatérském i profesionálním sportu, rally a závodech a samozřejmě ve vojenském průmyslu. Pojďme se blíže podívat na různé navigační systémy.
Co je to satelitní navigace?
Satelitní navigace neboli Global Navigation Satellite System je systém satelitů, který přenáší údaje o globální poloze a přesném čase. K přenosu informací se používají rádiové vlny určitých frekvencí. Po obdržení takových dat je přijímač vypočítá a zobrazí souřadnice naší polohy, tedy zeměpisnou délku, šířku a nadmořskou výšku.
Kromě základních systémů (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) existují ve vesmíru i systémy pomocné. Jedná se o tzv. satelitní korekční systémy (SBAS), jako je Global Omnistar a StarFire, používané v zemědělství.
Nad námi jsou také regionální podpůrné systémy jako WAAS v USA, EGNOS v EU, MSAC v Japonsku a GAGAN v Indii, které se starají o zpřesňování dat v menších oblastech zeměkoule. To vše podporují pozemní komponenty, o kterých si povíme později. V systému je spousta definic, ale nebudeme zabíhat do podrobností.
Přečtěte si také: Nejdůležitější a nejzajímavější vesmírné mise v roce 2021
Druhy satelitní navigace
GPS není jediným aktuálně dostupným satelitním navigačním systémem. Nad našimi hlavami létá několik typů satelitů, které jsou zodpovědné za geografickou polohu zařízení, která máme v kapsách, nosíme na zápěstích nebo používáme v navigátorech. Proč existuje více systémů a ne jeden? Jsem si jistý, že tuto otázku položila většina průměrných uživatelů. Faktem je, že původně byl systém GPS vytvořen pro vojenské potřeby a armáda nad ním stále má kontrolu. To znamená, že kontrolují umístění každého a všude na světě. Mnohým se tato pozice samozřejmě nelíbila, nejen odpůrcům, ale i přátelům. Proto se seriózní světoví hráči rozhodli vyvinout své navigační systémy tak, aby je jejich armáda měla pod kontrolou. Brzy se na světě objevily analogy GPS, které mezi sebou soupeřily o titul nejlepších a nejpřesnějších na trhu. Pro nás, běžné uživatele, je to pouze výhoda. Zkusme se tedy zabývat každým systémem zvlášť.
Americká GPS
Jedná se o první navigační systém, který používáme nejčastěji. Když přemýšlíme o satelitní navigaci, obvykle používáme termín GPS. Americký systém se původně jmenoval NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, zkráceně NAVSTAR-GPS.
GPS je v rukou americké armády, respektive amerických vesmírných sil. Všechna zařízení jsou kontrolována na správnou funkci Space Delta 8, která sídlí na letecké základně Shriver poblíž Colorado Springs a funguje jako součást velitelství GPS.
Civilní aplikace jsou pouze drobným doplňkem k vojenským aplikacím, pro které je prioritou uspořádání a nejvyšší přesnost polohování. Civilní uživatelé dostanou poněkud osekanou verzi, ale stále je dost dobrá. K řízení auta nebo běhu nepotřebujeme přesnost na několik desítek centimetrů, ale stále větší přesnost je potřeba například v navigaci, v kartografii, v zemědělství pro sledování polí, v dopravních společnostech pro sledování vozidel a v mnoho dalších oblastí. Proto není divu, že se systém GPS neustále mění, probíhá optimalizace satelitů.
Během svého používání prošel systém změnami a stále se modernizuje, čas od času jsou do sítě zaváděny družice s většími schopnostmi a ty staré, které se používaly dříve, se časem ničí. Většina z nich shoří v atmosféře a někdy se trosky potopí v Tichém oceánu.
Plné připravenosti systému GPS bylo dosaženo v roce 1993, kdy byl na oběžnou dráhu vyslán požadovaný počet satelitů. V roce 1983 však administrativa Ronalda Reagana schválila povolení pro civilní použití systému. Stalo se tak poté, co SSSR sestřelil korejské civilní letadlo, které omylem narušilo sovětský vzdušný prostor. Zpočátku však byla přesnost systému pro civilní obyvatelstvo omezena na 100 metrů. Ale i to tehdy stačilo, aby se předešlo dalším katastrofám.
Provoz systému GPS z vesmíru je navíc podporován družicemi WAAS (Wide Area Augmentation System), což zajišťuje potřebnou korekci dat pro zvýšení přesnosti systému. Nacházejí se v Severní Americe (a částečně v Jižní Americe) a jsou v péči FAA (Federal Aviation Administration). WAAS je určen k podpoře civilních aplikací družicové navigace.
Ruský GLONASS
GLONASS je zkratka pro Global Navigation Satellite System, která funguje podobně jako americká GPS. GLONASS se skládá z 24 aktivních satelitů umístěných přibližně 19 100 kilometrů nad zemí a oběžná dráha satelitu trvá 11 hodin a 15 minut. Testování systému začalo v roce 1982, tedy ještě v SSSR. Vznikl skutečně jako reakce na americký vývoj, u nás známější jako „Star Wars“. Sovětský svaz nechtěl USA v ničem ustoupit, ale „perestrojka, glasnosť, zrychlení“ udělaly své. Práce byly většinou zkráceny pro nedostatek financí. I když, jak se později ukázalo, nebylo vše uzavřeno. Pro Američany bylo skutečně překvapením, když v roce 1993 bylo oficiálně oznámeno, že systém GLONASS je připraven k provozu. V roce 1995 se Rusům podařilo vynést na oběžnou dráhu celou konstelaci 24 satelitů.
Ale od začátku nebylo všechno tak dobré. Jelcinova éra devadesátých let ovlivnila i vesmírné programy. Nebyly finance, nikdo se o vesmír a satelitní navigaci nezajímal. Výsledkem bylo, že v roce 2002 bylo v provozu pouze 7 satelitů. Rusové se však pustili do práce a v rámci programu obnovy 2002-2011 uvedli do provozu vylepšené satelity GLONASS-K a také doprovodné moderní systémy pozemního řízení.
V další etapě modernizace, v letech 2012-2020, byla hlavní pozornost věnována zlepšování vlastností PNT (určování polohy, navigace a synchronizace) za účelem zvýšení bezpečnosti státu a schopností jeho obranných a civilních systémů. V současné době probíhají práce na další generaci satelitů, známé jako GLONASS-K2.
čínské Beidou
Čína začala vyvíjet satelitní navigační systém na konci 2000. století. V roce 1 se jim podařilo uzavřít první etapu vývoje BDS-1, který je známější jako navigační satelitní systém BeiDou-2. V rámci tohoto projektu byly Číně a nejbližšímu zahraničí poskytnuty polohovací systémy. Dalším krokem byl BDS-2020 se satelitní sítí poskytující pokrytí v asijsko-pacifické oblasti. V roce 3 byl v rámci projektu BDS-XNUMX celosvětově zprovozněn systém BeiDou.
V současné době je na oběžné dráze 35 satelitů a celkem již program uskutečnil 59 startů s užitečným zatížením, které vynesly na oběžnou dráhu další generace systému BeiDou. Podle čínských úřadů se na tvorbě programu BDS-400 podílelo více než 300 agentur a 000 3 vědců a techniků. Pro podporu nejnovější konstelace satelitů bylo vytvořeno více než 40 pozemních stanic pro sledování správného fungování systému. Globální dostupnost systému se odhaduje na 99 % a pro klíčový asijsko-pacifický region je to ještě vyšší, to znamená, že tam funguje téměř dokonale. Číňané také vynaložili velké úsilí na zlepšení přesnosti systému.
BeiDou také umožňuje krátké textové zprávy o velikosti až 14 000 bitů (1000 XNUMX čínských znaků). Tato hodnota může zahrnovat také fotografie nebo zvukové záznamy.
Stejně jako u jiných vývojů v systémech satelitní navigace platí za službu místní uživatelé, ale výsledky jsou skutečně působivé.
Přečtěte si také: Čína také touží prozkoumat vesmír. Jak se jim tedy daří?
Evropský Galileo
Jaká je největší výhoda systému Galileo? Na rozdíl od GPS a GLONASS zůstává v civilních rukou a nepatří žádné konkrétní vládě, jako je tomu v komunistické Číně. Systém byl budován pouze s ohledem na civilní trh, a proto jeho vývoj v konečném důsledku ovlivňují potřeby obyvatel. Je pravda, že Galileo je závan čerstvého vzduchu mezi militarizovanými polohovacími systémy. Dosud program Galileo dokončil 28 startů a na oběžnou dráhu vynesl 30 satelitů. V současné době systém využívá plnou konstelaci satelitů, ale ne všechna zařízení jsou vždy k dispozici a některá z nich stále čekají, až na ně přijde řada ve skladech.
Segment pozemní obsluhy se nachází ve dvou centrech – Oberpfaffenhofen v Německu a Fucino v Itálii. Systém navíc zahrnuje celosvětovou síť monitorovacích senzorů, měřicích stanic a stanic pro přenos dat.
Vzhledem k tomu, že oběžné dráhy všech těchto systémů jsou stále více nasycené, jsou družice Galileo umístěny o něco výše, ve výšce 23 222 kilometrů (nejnižší je GLONASS, dále GPS, čínské BeiDou a na vrcholu pyramidy Galileo ). Každému satelitu trvá přibližně 14 hodin, než úplně obletí Zemi. Pro většinu míst na Zemi je neustále k dispozici 6 až 8 satelitů Galileo, což znamená velmi vysokou přesnost, která se ve většině situací měří spíše v centimetrech než v metrech.
Galileo je kompatibilní se systémem GPS, který dále zlepšuje přesnost měření, a jeho provoz podporuje také systém EGNOS (Evropská geostacionární navigační služba), skládající se z pozemních komponent a satelitů odpovědných za zlepšování provozu a přesnosti družicových navigačních systémů. .
Japonské MICHIBIKI (Michibiki)
Aby byla zajištěna přesnost navigace na vlastním území, Japonsko vytvořilo malou konstelaci satelitů nazvanou Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) nebo Michibiki. V horských nebo silně urbanizovaných oblastech samotná GPS často nestačí kvůli příliš mnoha překážkám. 4 satelity v provozu od listopadu 2018 tento problém odstraňují. Tři z nich jsou stále v oblasti Asie a Oceánie. V roce 2024 se plánuje dosažení satelitní konstelace sestávající ze 7 jednotek. Tím se dále zlepší celková účinnost systému a bude nezávislý na GPS. Japonsko si tak zajistí plnou autonomii na svém území.
Navzdory své malé velikosti ve srovnání s jinými systémy splňuje QZSS všechna očekávání japonské populace a navíc podporuje lodní dopravu ve všech zemích ležících na polednících procházejících územím Japonska.
Kromě toho má Japonsko také přesný podpůrný systém GPS/Michibiki s názvem MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Skládá se ze 2 satelitů, které mimo jiné poskytují data o počasí.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) je indický analog GPS, který se také nazývá indický regionální navigační satelitní systém (IRNSS). Systém se po dosažení všech svých schopností bude svým provozem podobat tomu japonskému. V současné době je na oběžné dráze 7 satelitů, které zajišťují určování polohy v Indii a ve vzdálenosti až 1500 kilometrů od hranic země. Systém není závislý na GPS.
NavIC je podporován systémem GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), který se skládá ze tří dalších satelitů a pozemní infrastruktury. Zavedením do provozu byla propast mezi systémy EGNOS a MSAS překlenuta, čímž se dále zvýšila úroveň bezpečnosti civilního letectví.
Globální systémy pomoci
Při popisu jednotlivých systémů jsme zmínili i regionální podpůrné systémy. Provoz družicové navigace za regionálními hranicemi však může podporovat i globální asistenční systémy. V současné době lze rozlišit dva z nich. Jedná se o Omnistar a StarFire. Oba mají podporu pro satelitní navigaci, která se většinou využívá pro potřeby moderního precizního zemědělství. Jejich použití vyžaduje speciální přijímače, díky nimž může farmář, pohybující se po svých polích, pracovat s přesností až 5-10 centimetrů (systémy podpory záznamu dávají přesnost 1-2 centimetry). Takové přesné určení polohy je poskytováno jako služba a vyžaduje dodatečné poplatky placené přímo za doručení systémových dat.
Služba je založena na systému diferenciálního globálního určování polohy (DGPS) a scvrkává se na použití základního přijímače, který je umístěn na určeném místě. Přijímač na autě kromě satelitního signálu přijímá i korekce ze stacionárního základního přijímače.
Omnistar je nezávislá společnost a její vysílače lze zakoupit pro různé stroje, zatímco systém StarFire je od výrobce zemědělské techniky John Deere, který nabízí vestavěné nebo externí systémy s přesností ±3 cm a spolupracující s GPS a GLONASS.
Jak funguje GPS?
V této části si popíšeme fungování GPS pomocí původní, tedy americké verze, protože o ní máme aktuálně nejvíce dostupných dat. Ostatní fungují podobně.
Konstelace satelitů GPS
Pro správné fungování po celém světě je nezbytná poměrně hustá síť satelitů. V případě konstelace 24 satelitů si můžeme být jisti, že jsme v kteroukoli chvíli a na kterémkoli místě na Zemi v dosahu čtyř z nich. Američané obecně slibovali, že alespoň 24 bude k dispozici 95 % času. V současné době systém podporuje 31 satelitů. Země je rozdělena do 6 stejných zón, kterými se satelity pohybují, a každá z nich má 4 pole k pokrytí.
V červnu 2011 byla spuštěna modifikace nazvaná Expendable 24. Tři z 24 satelitů, a tedy i pole, která ovládají, byly posíleny o další satelit, aby bylo dosaženo rychlejšího získávání signálu a lepší přesnosti v náročných terénních podmínkách. Došlo také k některým změnám, aby byla celá síť 27 satelitů co nejefektivnější.
Satelity GPS se pohybují po předvídatelné oběžné dráze MEO (Mean Earth Orbit) ve výšce přibližně 20 200 km, takže vždy víte, kde se nacházejí. Jejich poloha je navíc kontrolována pomocí radioteleskopů. Pozemní řídící síť se skládá z hlavního řídícího střediska, záložního řídícího střediska, 11 velitelských a řídících antén a 16 pozorovacích stanovišť, takže poloha družic je vždy známa. Jedna otočka každé družice kolem Země trvá 12 hodin.
Jak to celé funguje v praxi?
Družice na oběžné dráze neustále vysílá rádiové signály, které zachycuje naše zařízení, které má příslušné přijímače. Každý satelit hlásí svou polohu a čas vysílání. Když navíc víme, jak rychle se rádiové vlny šíří, můžeme vypočítat vzdálenost od tohoto satelitu. Pokud přijmeme další data z dalších tří satelitů a stáhneme data ze čtyř najednou, zařízení vypočítá naši polohu na průsečíku dat přicházejících ze všech satelitů.
Aby věci fungovaly hladce a přesně, stále potřebujeme přesná měření doby odeslání signálu. Jak toho bylo dosaženo? Každý ze satelitů nese atomové hodiny – nejpřesnější chronometr, jaký kdy člověk vynalezl. Jaká je přesnost takových hodinek? Čas se měří s přesností na miliontinu sekundy!
Přijímací zařízení využívá všechna tato data k efektivnímu výpočtu naší polohy. Celý systém ale musí brát v úvahu i takové záležitosti, jako je speciální teorie relativity, kterou napsal pán široce známý jako Albert Einstein. Čím dále je objekt od zdroje gravitace, tím rychleji na něm ubíhá čas, proto je nutné přepočítávat na každé družici. Stručně řečeno, je to všechno docela složité, ale naštěstí tento systém používáme již léta a zjistili jsme, že to funguje, a funguje to docela dobře.
Běžný provoz systému samozřejmě vyžaduje účast vysoce kvalifikovaného personálu, jehož úroveň výcviku se dá přirovnat ke Střediskům řízení kosmických letů.
GPS: miliardové náklady na program
Po vypuštění na oběžnou dráhu tam satelit nebude fungovat navždy. Starší verze mají životní cyklus 7,5 roku, novější verze 12 let a u nejnovějšího systému GPS III/IIIF se očekává, že zůstane na oběžné dráze 15 let (údaje pro americkou verzi systému). Po uplynutí této doby je nutné aparaturu vyměnit, takže se musí postavit nový vzorek ve sterilních podmínkách a teprve poté se toto umělecké dílo může dostat na oběžnou dráhu.
Kromě zařízení ve vesmíru je k dispozici také monitorovací zařízení na zemi a vysoce vyškolený personál zodpovědný za řízení systému. Pokračují také práce na vylepšení pozemních komponent, s hlavním zaměřením nyní na novou generaci provozního řídicího systému (OCX) a souvisejících subsystémů. Změny jsou zaváděny postupně, aby nenarušily chod celého systému GPS.
Na podporu celého systému je vynaloženo asi 1,7 miliardy dolarů (fiskální rok 2020). Pro fiskální rok 2021 vývojáři požádali Kongres USA o 1,8 miliardy dolarů na náklady na údržbu systému GPS. Proto si při takových sumách mohou dovolit zachovat autonomní systém pouze největší země a zbytek musí využít stávající. Abychom ukázali, jak náklady na program rostou, můžeme jen říci, že v roce 2012 to bylo 750 milionů dolarů (zde ani nebereme v úvahu inflaci, metodiku výpočtu a její výši).
Je snadné zablokovat GPS?
Zlaté časy systému GPS v ozbrojených silách jsou pomalu zapomenuty. Zeslabování a rušení satelitních signálů je stále běžnější a v důsledku toho už přesné zbraně založené pouze na vesmírných datech nejsou tak účinné jako kdysi. Problém se týká nejen samotných zbraní, ale také letadel, lodí, pozemních vozidel a jakéhokoli dalšího zařízení, které je vybaveno přijímačem GPS.
Nejednou jsme viděli příklady blokování signálu GPS na „horkých“ místech na Zemi. Stávalo se, že obrovské lodě v přístavu nebo plující například v Černém moři náhle zmizely z map a objevily se na nich 30 kilometrů daleko, a to souvisí s počínáním Rusů v tomto regionu. V návaznosti na toto téma je třeba říci, že podobná opatření se často konají v Sýrii k zajištění provozu ruských základen v regionu. Takovým rušením trpí i Izrael, kde GPS někdy funguje hůře, a to je vážný problém například pro civilní letecký provoz.
Rušení signálu GPS není nijak zvlášť obtížné. Rádiový vysílač příslušného výkonu a frekvence umístěný v blízkosti chráněného cíle brání přijímačům GPS v příjmu správných dat. Výrobci satelitů se proti tomu snaží bojovat vývojem stále odolnějších signálů, které jsou vybaveny nejnovějšími verzemi zařízení. Toto je však hra na kočku a myš a výhoda je na straně ničitelů. Mohou rychleji reagovat na změny s nižšími náklady a většími schopnostmi. Satelity se totiž nemění za týden.
Kromě zákeřných účelů se metody blokování GPS využívají i k ochraně hlav států. Není divu, že Rusové mají takové nástroje obzvlášť rádi. To platí zejména o Putinových pohybech, které se tak snaží skrývat, že v regionu, ve kterém se nachází, nemusí po určitou dobu vůbec fungovat všechny navigační systémy. Rusové chrání cestovní trasu svého prezidenta, jak jen to jde, a tak se blokováním navigačních systémů snaží alespoň částečně vyloučit útok dronem.
I přes výše zmíněné problémy a nedostatky bychom neměli očekávat, že armáda opustí systém GPS. Naopak zesílí boj proti rušícím systémům a k výstroji a výzbroji přibudou další systémy, které zabrání rušení GPS signálu.
Inerciální navigace se bude stále zlepšovat a přesné zbraně budou mít vždy v záloze jinou, stejně účinnou metodu zaměřování. V současné době se na takových řešeních intenzivně pracuje. Hovoří se o obrazové navigaci, astronavigaci (návrat v čase?) a navigaci pomocí magnetických anomálií. High-tech! Čeká nás proto ještě mnoho zajímavého.
Satelitní navigace pro civilní účely
Běžného uživatele ale moc nezajímá, co tam má armáda. Chceme, aby nám GPS pomohla určit naši polohu navigátor správně vytyčena trasa pěší turistiky v horách nebo ranního běhu nebo během cesty autem. Nyní je těžké si představit život moderního člověka bez těchto vymožeností.
V zásadě lze říci, že i když GPS přímo nepoužíváme, to znamená, že sami přijímač nezapneme, stále jej můžeme používat. Systém funguje samostatně, stal se známou, pohodlnou a nezbytnou součástí našeho života.
Přečtěte si také: