Bloudíme s navigací: Úvod

Bloudíme s navigací

Jak napovídá slogan tematického celku, našim primárním zájmem v měsíci dubnu je satelitní navigační systém GPS. Zpracovali jsme proto pro vás několik teoretických článků z této oblasti. V nich se zaměříme na jednotlivé navigační systémy, myšleno instalace. Zhodnotíme si jejich známé výhody a nevýhody a popíšeme si konkrétní terminály. Blíže se také podíváme na alternativy přenosných navigátorů v podobě mobilních a PDA zařízení.

Stejně jako jsou pro herní konzole životně důležité kvalitní herní tituly, potřebují uvažované hardwarové přístroje (GPS navigace, vhodné telefony a PDA) softwarovou podporu. Tou jsou dostupné mapy či mapové aplikace. My si uvedeme jejich primární rozdělení dle využití. V neposlední řadě se zamyslíme nad multifunkčními variantami těchto aparátů, které bez problémů nahradí například multimediální přehrávač atp.

Globální družicový polohový systém GPS

Uvažovaný druh navigace je v posledních několika letech doslova fenoménem ve svém oboru. Využívá ho neuvěřitelné množství lidí, které se nesutále zvyšuje. K tomu přispívají zejména nízké ceny a široká dostupnost ze stran výrobců. Bez nadsázky můžeme napsat, že jde o jeden z největších vynálezů poslední doby v oblasti vědy a technologií. Bezesporu bychom mohli pokračovat dalšími pochvalnými slovy, ale to není předmětem našeho zájmu.
Jak uvádějí definice, Global Positioning System, zkráceně GPS, je polohový družicový systém, jejž provozuje Ministerstvo obrany Spojených států amerických. S jeho pomocí je možné určit polohu a přesný čas kdekoliv na Zemi nebo nad ní s přesností na desítky metrů. Původní název celého projektu byl NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System), první plány se objevily v roce 1972 a jeho vyvoj byl uvažován čistě pro vojenské potřeby. Postupem času se však ukázalo mnoho různých využití i v civilním sektoru, a tak byl uvolněn i pro běžné používání. Není zcela prvním (Transit), jediným (Glonass), ale ani posledním svého druhu (činský Compass nebo evropský Galileo).
Struktura systému se dělí na tři segmenty, a to kosmický, řídící a uživatelský. První část byla projektována na 24 aktivních družic (vždy osm ve třech "kruhových" drahách), přičemž podle wikipedia.org byl jejich celkový počet rozšířen na 32 - dvacet čtyři operačních, trojici záložních ve vesmíru a pět na zemském povrchu. Zmíněné družice obíhají v průměrné výšce 20 200 km nad Zemí na šesti oběžných a téměř kruhových drahách.

Roviny mají přibližně sklon 55 stupňů k rovníku a jsou k sobě posunuty o 60 stupňů podél něj. Toto uspořádání garantuje, že na kterémkoliv místě na Zemi jsou trvale dostupné signály z minimálně čtyř družic po celých 24 hodin. Ve většině případů jich je však viditelných více. V České republice je nejčastěji "vidět" osm satelitů, nejméně šest a nejvíce až 12.
Systém GPS pracuje pouze jednosměrně (dá se považovat za pasivní), kdy by se dalo napsat, že družice ve vesmíru "hovoří" a pozemské stanice "naslouchají". Vývojovou řadu označují bloky I, II, IIA, IIR, IIR-M a plánované IIF, IIIA atd. Ten první byl vypuštěn do kosmického prostoru poprvé v roce 1978. Postupem času docházelo k pravidelnému rozšiřování a do globální celosvětové podoby se projekt dopracoval kolem roku 1995. Družice jsou vybaveny pohonným zařízením pro změnu polohy, atomovými hodinami, záložními zdroji a řadou dalších přístrojů pro navigaci nebo jiné speciální úkoly.
Doba jejich oběhu je přibližně 11 hodin a 58 minut což představuje polovinu siderického dne. Vysílají na dvou nosných frekvencích, a to 1 575,42 MHz pro veřejný signál L1 a 1 227, 60 MHz se značením L2. Mimo tyto jsou dostupné některé další (monitorování startů balistických raket, detekce jaderných výbuchů a dalších vysokoenergetických zdrojů, měření ionosferické refrakce atp.). Pozemské přijímače rozeznávají jednotlivé satelity podle kódové posloupnosti, kdy se hovoří o kódech C/A (Coarse/Acquisition) a P (absolutní/přesný/správný). Vysílací kanál L1 v sobě zahrnuje oba zmíněné, i když druhý jmenovaný je šifrovaný a přístupný pouze pro autorizované uživatele. Ten druhý se používá současně s L1 pro velmi přesná měření.
Obrázek výše naznačuje rozmístění řídících pozemních stanic ve světě, které dohlížejí na polohu a pohyb družic. Druhý segment GPS zahrnuje hlavní velitelství na letecké základně v Los Angeles a řídící středisko alias MSC (Master Control Station) v Colorado Springs (zpravidla existuje ještě jedno záložní). Jeho hlavním úkolem je zpracovávat signály z monitorovacích stanic, provádět modelové chování kosmického segmentu, určovat parametry oběžných drah a korekčních parametrů atomových hodin. Výsledky pak předávají okolním stanicím, které komunikují se satelity. Další povelové jednotky najdete na základnách Kwajalein, Diego Garcia, Ascension Island a na Havaji.
Mimo tyto jsou známé tzv. stanice pro komunikaci s družicemi. Ty jsou zpravidla totožné s těmi předcházejícími a slouží k přenášení nově určených parametrů oběžných drah a korekčních údajů uvažovaných hodin. V jejich moci je také zasílat satelitům určité povely a provádět jejich manévry. Existuje jich mnoho a jejich úmístění je uvažováno po celém světě. Přeneseně by se dalo napsat, že hlavním úkolem je v tomto kroku řízení a správa konfigurace celého systému.
Uživatelský segment zahrnuje GPS přijímače samotných uživatelů. Je to poslední část, kterou se budeme dnes zabývat. Umí zpracovat signály z družic a získavat z nich informace o své poloze a čase. Jejich funkce je zcela pasivní a provoz není spojen s žádnými poplatky za využívání služby. Jednoduše napsáno, na základě přijatých dat a předem definovaných parametrů zařízení vypočítá polohu antény, nadmořskou výšku a zobrazí přesné datum a čas.
Jinak popsáno - celý princip je o tom, ze si přístroj v první řadě určí rozdíl vzdáleností mezi sebou a jednotlivými satelity, které v jeden okamžik vyšlou stejný signál. Ten doputuje k přijímači samozřejmě s určitým zpožděním. Průnikem možností polohy vůči dvou družicím je pak ve 2D prostoru hyperbola. Následně třetí satelit určí konečnou polohu. Pro určení nadmořské výšky, je potřeba čtvrté měření, kterým určíme, jaký bod je poloha přijímače.
Svět kolem globálních družicových polohových systémů je příliš velký, abychom zde zmínili vše důležité. Mohli bychom se například rozepsat o dělení koncových zařízení dle určitých kritérií (dle přijímaných pásem, kanálů, principu výpočtů atp.). Nicméně jsme v krátkosti poukázali na to, o co nám v následujícím měsíci půjde. Bude to především poslední popisovaný segment GPS. Rozdělíme si navigační systémy, zhodnotíme si jejich výhody a nevýhody a nebude chybět ani konkrétní výčet terminálů. Zabrousíme do oblasti mobilních telefonů a PDA zařízení a povíme si o SW podpoře v podobě mapových aplikací. Zamyslíme se i nad multifunkcemi, které hravě nahradí třeba MP3 přehrávač atp.


Zdroj: Wikipedia.