Galileo: sen nebo skutečnost?

Jak již název bystrému čtenáři napovídá, tématem tohoto článku je dlouho diskutovaný navigační systém Galileo. Jedná se o projekt ryze evropský, který by měl Evropanům napomoci k větší nezávislosti na technologiích USA. Jsou to totiž právě Američané, kdo vlastní prozatím jediný a plně funkční družicový navigační systém, široké veřejnosti známý pod jménem GPS.

Částečně operativní je také GLONASS, druhý z již realizovaných navigačních systémů patřící Ruské Federaci, který ovšem zejména v důsledku nepříliš povzbudivé ekonomické situace Ruska nebyl dosud plně dokončen. Cílem následujících řádků je popsat a porovnat zmiňované navigační systémy, k čemuž je ovšem nutné probrat teoretickou základnu fungování globálních družicových polohových systémů.

Trocha teorie

Princip fungování globálních družicových navigačních systémů (dále jen GDNS) je v zásadě stejný. Systém se skládá vždy ze tří segmentů. A to segmentu kosmického, řídícího a uživatelského.

Kosmický segment tvoří soustava družic, které obíhají planetu po stálých oběžných drahách, tzv. efemeridách, a vysílají navigační signály a u novodobých systémů také přesný čas, který zajišťují palubní atomové hodiny. Aby bylo možné určit polohu v trojrozměrném prostoru, je zapotřebí přijímat signál alespoň ze čtyř družic.

Z toho vyplývá, že pro pokrytí celého povrchu Země při dnes používaných metodách měření a umístění družic na střední oběžné dráze musí kosmický segment tvořit minimálně 21 družic. Tuto podmínku prozatím splňuje pouze americký systém GPS.
Segment řídící zodpovídá za řízení celého sytému. Jedná se o soustavu pozemních monitorovacích stanic, stanic pro komunikaci s družicemi a hlavní řídící stanici. Pozemní monitorovací stanice jsou vybaveny pouze přijímačem družicových signálů a atomovými hodinami. Sledují všechny momentálně viděné družice, určují jejich zdánlivé vzdálenosti vůči stanici a ty pak společně s navigačními zprávami družic přenáší do hlavní řídící stanice. Zde jsou vypočítány přesné údaje efemerid, které jsou společně s korekcemi atomových hodin pro každou z družic odeslány do stanic pro komunikaci s družicemi, odkud jsou minimálně jednou denně odeslány na jednotlivé družice.
A konečně segment uživatelský, který je tvořen uživateli systému, respektive přijímači signálů GDNS. V dnešní době je uživatelský segment natolik rozsáhlý, že je možné říci, že se služeb GDNS využívá v téměř jakémkoli oboru lidské činnosti. Nejčastěji se s nimi setkáváme v silniční dopravě, kde je GPS přijímač integrován téměř v každém novém automobilu. Nicméně využití nachází GDNS také v geodézii, turistice, řešení krizových situací, letectví, námořnictví, monitoringu pohybu litosférických desek, či rychlost ubývání deštných pralesů atd. Aplikací je opravdu mnoho a pouhé jejich vyjmenování přesahuje rámec tohoto článku.
Víme-li, z čeho se GDNS skládá, je načase vnést světlo poznání do samotného principu určování polohy na Zemském povrchu. Chceme-li určovat polohu (zeměpisnou šířku a délku), je potřeba definovat souřadnicový referenční systém. A to systém, který zahrnuje celou planetu. V případě GPS se jedná o WGS-84 a v případě GLONASS o PZ 90. Chceme-li následně zobrazit naměřená data v nějakém jiném souřadnicovém systému, který například lépe interpretuje určité území (v ČR je to S-JTSK), je potřeba provést transformaci do tohoto systému pomocí sady transformačních rovnic. Tuto operaci zvládá téměř každý z dnes používaných GPS přijímačů. Nadmořskou výšku definuje systém nad tzv. geoidem, případně elipsoidem, který reprezentuje skutečný zemský povrch. Ten je natolik strukturovaný, že není možné nad ním efektivně určovat polohu, a proto je nahrazen již zmíněnými matematickými modely planety.

A jak se tedy poloha určuje? Princip je následující. Jak již bylo řečeno, pro určení polohy je potřeba přijímat signál z minimálně čtyř družic. Z každého signálu zjistí přijímač svou vzdálenost od družice, která signál vysílá.

Z prvního signálu je jasné, že přijímač musí ležet někde na povrchu kulové plochy se středem v bodě, kde se nachází družice a poloměrem, který je roven vzdálenosti přijímače od družice. Ze signálu druhého určí taktéž kulovou plochu, na které se nachází. Průnikem těchto kulových ploch je kružnice, kterou opět protíná kulová plocha, tentokráte již odvozená ze signálu třetí družice, a to ve dvou bodech, přičemž jeden z nich je možné ihned zavrhnout, jelikož se nachází ve vesmíru a nikoli na Zemi.

Teoreticky by tedy bylo možné zjistit polohu pouze díky třem družicím, ovšem reálný svět nenabízí tak optimální podmínky jako svět teoretický. Jelikož čas všech družic a přijímačů není nikdy zcela synchronizován, a navíc rádiovým vlnám také trvá nějaký čas než k přijímači doputují, je potřeba provést čtvrté měření, které již polohu určí s požadovanou přesností.
Nyní již víme, jak GDNS fungují, je tedy načase, podívat se na jednotlivé systémy trochu blíže, abychom byli schopni systém Galileo posoudit.