Když jste naposledy použili svůj telefon, aby Google Maps určily vaši přesnou polohu na mapě, zastavili jste se někdy a přemýšleli, jak GPS funguje tak přesně?
Systém GPS (Global Positioning System) byl ve skutečnosti spuštěn americkým ministerstvem obrany v roce 1973 (známý jako NAVSTAR). Do roku 1993 obíhalo kolem Země 24 družic GPS, které vysílaly údaje o oběžné dráze a poloze, jež mohla armáda využívat pro navigační a jiné vojenské účely. Dnes, v době psaní tohoto článku, jich je 28.
V 80. letech 20. století byla data vysílaná ze satelitů GPS zpřístupněna veřejnosti, což otevřelo celý trh pro široký sortiment navigačních zařízení GPS, který máme k dispozici dnes.
V době psaní tohoto článku mají Rusko, Čína, Evropa a Indie vlastní aktivní systémy GPS. Japonsko vyvíjí vlastní systém GPS, který by měl být uveden do provozu v roce 2023.
Jak funguje systém GPS?
Přestože satelitní technologie, na níž je systém GPS založen, je velmi pokročilá, způsob fungování systému je působivě jednoduchý.
Každý jednotlivý navigační systém GPS má tři součásti.
- Satelity: Družice GPS obíhají kolem Země a vysílají svůj aktuální čas a polohu na oběžné dráze do všech přijímačů GPS na své straně planety.
- Řídicí centrum: Řídicí centrum přenáší údaje o oběžné dráze, časové korekce a polohu ostatních družic až k družicím na oběžné dráze.
- Přijímače GPS: Přijímač GPS na Zemi přijímá orbitální časy z tolika družic v dosahu a vypočítává svou vlastní polohu na Zemi na základě poloh nejméně čtyř družic GPS.
Přijímače GPS využívají k výpočtu vlastní polohy matematický princip známý jako triangulace.
Jak funguje triangulace GPS
Přijímač GPS z libovolného místa na planetě, pokud držíte v ruce přijímač GPS (například ten v telefonu), přijímá časová razítka ze synchronizovaných hodin na jednotlivých družicích GPS nad vámi.
Pomocí rozdílů v časových razítkách a konstantní rychlosti světla, kterou se šíří rádiové vlny, může přijímač GPS určit vzdálenost mezi místem, kde stojíte, a jednotlivými družicemi.
Tímto způsobem získá přijímač GPS poloměr koule se satelity ve středu a vaší polohou na okraji koule.
Protože se každý satelit pohybuje po předvídatelné dráze nad Zemí, může přijímač použít uložený almanach aktuální známé polohy všech satelitů GPS a určit, kde se přibližně tyto satelity právě nacházejí nad Zemí.
Pomocí známé polohy každého satelitu a změřené vzdálenosti mezi těmito satelity a vaší polohou je přijímač GPS schopen vypočítat vaši přibližnou polohu tak, že určí, kde se na povrchu Země protínají tyto tři sféry.
Přijímač vám pak tuto polohu zobrazí na mapě.
Tři družice poskytují přibližnou polohu a přijímače GPS vyžadují čtvrtý signál z jiné družice GPS, aby určily vaši aktuální výšku na zemském povrchu pomocí dalšího matematického principu známého jako trilaterace.
Jak funguje snímač GPS ve vašem telefonu
Většina moderních chytrých telefonů je dnes vybavena čipem přijímače GPS. Tento čip dokáže přijímat rádiové signály ze satelitů GPS.
Hodiny vašeho telefonu nejsou atomové hodiny, takže jeho čas není synchronizován s atomovými hodinami satelitů na oběžné dráze. To však nevadí, pokud jde o výpočet polohy pomocí signálů z těchto družic.
Je to proto, že přijímač GPS vašeho telefonu se zaměřuje na data, která přijímá z družic, a na databázi známých poloh družic nad Zemí. Protože všechny družice mají atomové hodiny, je aktuální čas na každé družici v daném okamžiku naprosto stejný.
Vzhledem ke vzdálenosti od družice a skutečnosti, že rádiové signály se šíří rychlostí světla, však rozdíly mezi jednotlivými přijatými časovými údaji odhalují vzdálenost mezi vaším telefonem a jednotlivými družicemi.
Takto funguje tento proces GPS:
- Všechny čtyři satelity vysílají do vašeho telefonu v 17:12:14 přesně stejný časový údaj.
- Váš telefon obdrží toto časové razítko v 5:12:15 ze satelitu 1.
- Přijme časové razítko v 5:12:16 ze satelitu 2.
- Nakonec v 5:12:17 obdrží časové razítko ze satelitu 3.
- Tento časový údaj se zobrazí na displeji telefonu.
Tímto přijímač GPS zjistí, že radiový signál z družice 1 k němu dorazil za 1 sekundu, z družice 2 za 2 sekundy a z družice 3 za 3 sekundy.
Rychlost světla je známá konstanta 299 792 458 metrů za sekundu.
Pomocí jednoduché matematiky může přijímač vypočítat, že jeho vzdálenost je zhruba 300 tisíc metrů od družice 1, 600 tisíc metrů od družice 2 a 900 tisíc metrů od družice 3.
Pomocí vyhledávací tabulky z databáze družic GPS zná přijímač GPS v telefonu přibližnou aktuální polohu všech tří družic nad Zemí, což poskytuje souřadnice zeměpisné délky a šířky všech tří družic.
S těmito informacemi je telefon schopen vypočítat vaše vlastní souřadnice zeměpisné délky a šířky na Zemi.
Na základě vašich známých souřadnic pak může přijímač GPS pomocí vzdálenosti naměřené mezi ním a čtvrtým satelitem určit, v jaké výšce nad Zemí se nacházíte.
Co je to asistovaný globální polohový systém?
Předtím, než se do chytrých telefonů začaly integrovat obvody GPS, lidé obvykle používali ruční přijímače GPS, které fungovaly na baterie AA. Nebo do automobilů instalovali jednotky GPS, které běžely připojené k baterii telefonu.
Důvodem bylo to, že rádiová komunikace vyžaduje více energie. Omezení spočívalo v tom, že jste často museli čekat několik minut, než se přijímač GPS „zaměřil“ na dostatek satelitů GPS, aby mohl vypočítat vaši polohu.
Výrobci chytrých telefonů toto omezení baterií obešli kombinací své stávající technologie mobilní triangulace. Dlouho předtím, než telefony začaly podporovat GPS, mohly využívat signály přicházející z věží mobilních telefonů k triangulaci vaší polohy, a to pomocí stejného druhu technologie triangulačních časových značek a vzdáleností jako u satelitů GPS.
Naneštěstí, protože věže mobilních telefonů jsou na úrovni země, je tento navigační výpočet mnohem méně přesný. Software GPS vašeho chytrého telefonu proto nejprve použije triangulaci mobilního signálu k určení vaší přibližné polohy a poté tuto polohu aktualizuje, jakmile jsou připravena data GPS ze satelitů.
Tímto způsobem mohou moderní chytré telefony šetřit energii baterie tím, že používají data GPS pouze tehdy, když jsou tyto aktualizace polohy nutné. Proto se může často stát, že vaše poloha v Mapách Google občas přeskočí na novou polohu, když jsou k dispozici přesnější data.