[2014-10-20] Určení polohy GPS

Přímo o hře bylo napsáno už hodně i na jiných webech. Je čas podívat se také trochu na nějakou technologii. Dnešní článek bude o relativně nové, dnes naprosto samozřejmé, technologii GPS - určování polohy mobilního zařízení.

Zdrojem mi je přednáška z vysoké školy a článek o wikipedii.

GPS dnes není jediný poziční systém. Dnes už je v provozu rusky GLONASS a nadějně vypadá i evropský systém Galileo. Všechny principiálně stejné a tak se budeme věnovat světově nejrozšířenější službě GPS.

Historie a vlastnosti

GPS - globální poziční systém, je původem technologie Americké armády. Kromě velice přesné polohy (v ideálních podmínkách 30cm) kdekoliv na povrchu Země dokáže GPS předávat velice přesný čas (v řádu stovek nanosekund).

Vývoj byl zahájen v roce 1973, družice začali být vypouštěny od roku 1978. Globální civilní dostupnost byla povolena 1. května 2000.

Infrastruktura

GPS není jenom systém družic (vysílače) a lokátorů (přijímače). Je to i rozsáhlý systém správy odsud z povrchu.

Družice

Na oběžných drahách je v provozu 18 až 24 z maximálního počtu 32 družic na střední oběžné dráze (20350km nad povrchem). Každá družice obletí Zemi jednou za necelých 12 hodin. Družice váží 1,8 tuny. Na palubě jsou umístěno kromě vysílačů také několik Atomových hodin pro přesnou synchronizaci času, detektory balistických střel a jaderných výbuchů.

Pozemní stanoviště

Pozemní stanice se kromě údržby a obměňování družic stará také o korekce drah, přesný čas a zpřesňující údaje k GPS datům.

Lokátor

Ano, ta krabička s jednou svítivou barevnou stranou je kromě ScannerDevice a Facebooku také GPS přijímač. Ten pasivně přijímá data a časové značky a tím určuje svoji polohu vzhledem ke kolekci družic.

Armáda USA má k dispozici dokonalejší lokátory a delší dešifrovací klíč k signálu. Určují polohu s přesností na 30cm, běžná zařízení jsou přesná nejlépe na 3 metry. Tato přesnost je pro běžné používání zcela dostatečná.

Princip

Družice vysílají v krátkých časových intervalech časovou značku a své identifikační číslo. K vysílání se používají taková pásma, aby byla co nejméně ovlivněna atmosférou.

Přijímač má v sobě uložený model země jako elipsoid (vajíčko) s dodatečnými korekcemi pro jednotlivé části povrchu.

Zařízení nejprve stáhne (A-GPS) nebo dopočítá přesné polohy družic. Přijímáním šifrovaných časových značek s porovnáním svého času zjišťuje vzdálenost (rozdíl mezi časovou značkou a časem na lokátoru krát rychlost světla) od jednotlivých družic. Ze vzdálenosti od družic a známého tvaru Země vypočte aktuální polohu včetně výšky nad povrchem.

Mimo časových značek družice také vysílají upřesnění své polohy - Efemeridy. Přibližná trajektorie družic se dá odhadnout dopředu, protože rychlost obíhání i některá ze starších poloh je známá. Malé výchylky způsobené gravitací Slunce a Měsíce se však odhadují špatně. Efemeridy jsou šířeny v tzv. Navigační zprávě přímo z družic nebo pomocí A-GPS z internetu (mnohonásobně rychlejší).

Nepřesnosti

Nepřesnost polohy způsobuje několik jevů. Některé jsme schopni ovlivnit. Jednotlivé problémy rozepíšu.

• cca až +9m - Efemeridy, přesnost časových značek, atmosféra
• cca až +10m - Odrazy od budov, vícecestné šíření
• cca až +1m - Výpočet v lokátoru
• Počet a poloha družic

První problém je prostě v tom, že nás vesmír nemá rád. Jediné, co nám tady může trochu pomoci je aplikace GPS Status&Toolbox, která umí stahovat na povel A-GPS nebo nechat vymazat vnitřní stavy v našem zařízení, a tím nechat vše napočítat znova.

Vícecestný signál se projevuje zejména poblíž velkých budov, na sídlištích a podobně. Signál z družice se do zařízení dostane z několika družic odrazem a tím se zvýší délka, kterou signál musel urazit. Vaše poloha může být posunuta řádově o desítky metrů. Řešením je nechodit blízko u zdí.

Samotné odečtení časů a výpočet může polohu trošku pokazit. V dnešní elektronice to už není problém.

Skutečný problém je citlivost přijímače a stínění signálu. Běžně k dostatečné přesnosti stačí čtyři družice, pro přesné zafixování polohy je dobré mít družic šest a více. To bývá ve městě problém. GPS signál bývá slabý i bez stínění budovami. Navíc záleží na směru, ze kterého signál přichází. Snažte se co nejméně zakrývat mobil z libovolné strany. Nemějte pod mobilem externí baterii, snažte se nechodit při zdi. Pro rychlejší FIX zvedněte mobil do výšky.

Pomalý FIX

FIX znamená, že jsem od dostatečného počtu družic nachytal dostatek dat, aby bylo možné určit jednoznačně moji polohu. Fix se určuje také ve vztahu k jednotlivým družicím. V tom případě fix znamená, že z dané družice přijal lokátor data, vypočítal polohu družice a zná od ní vzdálenost.

Rychlost fixu výrazně zvyšuje stažení A-GPS a otevřené nebe.

Proč jednou běhá GPS výborně a jindy tragicky?

Důvodem může být poloha družic vzhledem k vaší současné pozici, rušení vícecestným signálem, sluneční erupce a odstavení družice. Poloha satelitů se projevuje v ulicích, doslova z hodiny na hodinu. Na rovné dlouhé ulici jich nad vámi v jednu chvíli může být několik, a vše funguje skvěle, o pár hodin později nad vámi nemusí být ani jeden. Rušení závisí hodně na materiálu budov, a opět, na poloze družic. Kovy signál hodně odrážejí a signál pak sám se sebou interferuje, čímž ruší sám sebe. Na globální úrovni rušení se podílí sluneční aktivita. Sluneční erupce mohou navigaci hodně znepříjemnit, až znemožnit.

Ostatní systémy

V současné době fungují GPS, GLONASS, čínský Beidou a určování polohy Google. Jediným skutečně globálně funkčním systémem je řešení GPS.

V přípravě je Evropský Galileo, který má základnu v ČR. Systém by měl být také globální. Díky pokročilé technologii a menším družicím nejen levnější, ale též přesnější.

Zajímavým řešením je lokální Čínský Beidou. Ten má tři družice a množství lokálních stanic. Pozici lokalizuje i uvnitř budov.

Určování polohy Google na to šlo jinak. Během vytváření StreetView sesbírala společnost i ohromné množství MAC adres vysílačů WI-FI. MAC adresu vysílače zjistí přijímač ihned, jak WI-FI síť zachytí. Pokud tedy používám jako lokátor zařízení, které má WI-FI a zároveň je připojené k internetu, získám polohu podle WI-FI sítí v dosahu.

Co si užijeme v ČR

V ČR jsou nyní dostupná tři řešení určování polohy, která jsou v mobilním telefonu kombinována pro co nejpreciznější určení v prostoru. Těmi řešeními jsou GPS, určování polohy Google a GLONASS.

Závěrem

Máte v kapse úžasný kus moderní elektroniky, za kterým stojí miliony hodin vývoje. Važte si toho.

Co je výsledkem tak nákladného a složitého technologického řešení?

Výsledkem jsou čtyři čísla. Dvě souřadnice polohy, nadmořská výška a čas. Žádné mapy ani kompas. To zajišťuje dodatečný software a jiná čidla.

Důsledky jsou? dalekosáhlé! Díky výše uvedeným systémům je možné přesně zaměřit jakékoliv místo na povrchu planety; měřit pohyby kontinentů, zjistit rozlohu měst, vytvořit přesnou mapu, nalézt obchod s dárky, anebo třeba hackovat portály.

Jak mít co nejpřesnější polohu?

Základem je určitě kvalitní kus železa. Bez té ajťařiny - větší mobil nebo tablet s kvalitním řešením. (viz HW a SW výbava). Zároveň musí být podporovány dané technologie.

V mobilním telefonu s Androidem 4.4 Kitkat (a do budoucna se to asi nebude příliš měnit) jsou v nastavení tři možnosti umístění. Vysoká přesnost, Úspora energie baterie a Pouze zařízení. Pro nás hráče je volba jasná - vysoká přesnost. Její přednosti kombinovaných zdrojů pro určení polohy ocení každý především v městských centrech, kde mezi domy není GPS dostatečně přesná, zato WI-FI je všude.

Otázka do diskuze: Máte nějaký vlastní zpřesňovák?