zpětdálkapitolakurskatedra

3.1 GPS

V autoatlasu České Republiky a na jiných mapách je uvedena možnost určování polohy s pomocí GPS. Co znamená tato zkratka? Jak to vlastně funguje?

GPS je zkratka anglického termínu Global Positioning System, což bychom mohli do češtiny přeložit jako globální systém pro určení polohy.

Otázka „Kde jsem?“ je jednoduchá. Odpověď na ni bývá obtížnější. Po staletí toužili navigátoři a objevitelé po možnosti přesného určení polohy a navigace na volném moři byla jedním ze stimulů vývoje přesných hodin. S pomocí hodin a astronomických přístrojů pak lidé určovali polohu na moři, souši i ve vzduchu po několik staletí.

26. června 1993 se odpověď na jednoduchou otázku stala také jednoduchou. Toho dne byl letectvem USA umístěn na oběžnou dráhu poslední z 24 satelitů Navstar a tím byla dokončena síť, známá od té doby pod zkratkou GPS. Každý, kdo si opatří přijímač GPS, který se prodává za několik tisíc korun, může okamžitě určit svoji polohu - zeměpisnou šířku a délku a nadmořskou výšku - s přesností asi 10 m.

Historie GPS je ukázkou toho, jak základní výzkum umožnil vývoj důležité vojenské technologie, ze které pak dále vznikly důležité civilní aplikace.

Asi nejznámějším případem použití GPS je příběh amerického pilota v Bosně O´Gradyho, jehož stíhačka F-16 byla sestřelena Srby v červnu 1995. Pilot byl vybaven přijímačem GPS a tak, když se po čtyřech dnech odvážil vyslat nouzový signál, mohl sdělit svoji přesnou polohu. A pak už následovala chirurgicky přesná operace jeho záchrany. Ještě dříve používaly americké jednotky dosud nekompletní systém GPS při operaci Pouštní bouře v Perském zálivu v r. 1991. Zde jim systém pomohl při rychlé a přesné navigaci v rozsáhlých pouštích i při navádění letadel a raket.

Poté, co americké letectvo zpřístupnilo svůj systém (i když s určitými omezeními) civilnímu sektoru, začal se rychle šířit a dnes je používán k mnoha účelům.

Jádrem nové technologie jsou přesné atomové hodiny, které vytvořili vědci, aniž je napadlo, že budou jednou použity v navigačním systému.  Motivací vědců bylo vytvoření tak přesných hodin, aby mohli zkoumat přírodní jevy, zvláště pak vliv gravitace na čas, předpovídaný Einsteinovu obecnou teorii relativity. Tato teorie předpovídá, že hodiny na vrcholu Mt.Everestu si budou nadbíhat o 30 miliontin sekundy denně ve srovnání s hodinami na úrovni mořské hladiny. Jediným způsobem, jak dosáhnout takové přesnosti, bylo využití oscilací atomů. Energetické hladiny atomů jsou kvantovány a k přechodům mezi nimi dochází vyzářením nebo pohlcením fotonu s přesně definovanou energií a jí odpovídající frekvencí. Tohoto principu bylo využito po 2. světové válce ke konstrukci atomových hodin. Fyzici nacházeli stále nové možnosti zpřesňování jejich chodu a v roce 1967 byla předefinována sekunda v termínech oscilací atomu cesia. Odhadovaná přesnost dnes nejpřesnějších atomových hodin NIST-7, které jsou umístěny  v National Institute of Standards and Technology v USA, je 1 sekunda za 3 milióny let. Podrobnější  informace o vývoji atomových hodin i jejich využití v systému GPS můžete najít na stránkách National Academy of Sciences http://www.beyonddiscovery.org v sekci Physics.

Základní komponentou systému GPS je 24 satelitů Navstar, které postavila firma Rockwell International. První z nich byl  uveden na oběžnou dráhu r. 1978, poslední r. 1993. Každý satelit, který je velký asi jako větší automobil a váží asi 1 tunu (viz obrázek 1),  nese cesiové atomové hodiny. Oběžná doba satelitů je 12 hodin a každé místo na Zemi tedy v libovolnou dobu „vidí“ čtyři satelity. Dráhy satelitů můžete vidět na obrázku 2.

Každý satelit nepřetržitě vysílá digitální signál, v němž je zakódována jeho poloha a čas s přesností  miliardtin sekundy. Přijímač GPS s použitím této informace od čtyř satelitů vypočte polohu s přesností zhruba deseti metrů tak, že porovná svůj vlastní čas s časem vyslaným satelitem a z rozdílu těchto časů vypočte vzdálenost od satelitu. Ze vzdáleností od tří satelitů, jejichž poloha je známa, pak může přijímač vypočíst tři souřadnice vlastní polohy. Takto by to mohlo fungovat, pokud by hodiny přijímače měly stejnou přesnost jako hodiny satelitu. Přijímač však bývá vybaven jen jednoduchými hodinami řízenými krystalem. Signál ze čtvrtého satelitu umožňuje eliminaci takto vznikající nepřesnosti (schematicky viz obrázek 3).

Aby byla zajištěna přesnost signálu času a polohy, nese každý satelit čtvery cesiové hodiny a jeho vysoká oběžná dráha zajišťuje udržení přesné trajektorie. Ministerstvo obrany USA monitoruje každý satelit dvakrát denně při přechodu nad řídícím stanovištěm, přesně měří jeho rychlost, polohu a výšku a vrací tuto informaci zpět satelitu, který ji pak vysílá spolu s vlastními časovými signály.

Postupně byl systém GPS doplňován dalšími možnostmi, které umožňovaly zvyšování dosažitelné přesnosti. Tzv. diferenciální GPS (DGPS) má přesnost kolem dvou metrů, nespřesnější aplikace dosahují přesnosti v řádu centimetrů až milimetrů,

Celý systém vybudovalo Ministerstvo obrany USA pro obranné účely a jeho cena byla 12 miliard dolarů. Roční provozní náklady se odhadují na 400 milionů dolarů. Firmy, které se podílely na budování systému a viděly ohromné možnosti jeho uplatnění na trhu,  přesvědčily Pentagon, aby zpřístupnil systém civilnímu sektoru. Protože však - jako každá nová technologie - i tento systém může být zneužit, např. pašeráky a teroristy, zvolil Pentagon strategii tzv. selektivní dostupnosti: nejpřesnější signály byly určeny pouze pro armádu a oprávněné uživatele. To znamenalo, že přesnost civilních signálů umožňovala určení polohy s přesností asi 100 m. Dále si Pentagon vyhradil právo v případě potřeby zhoršit kvalitu „civilních“ signálů tak, že se přesnost sníží třikrát. Vláda USA v r. 1996 slíbila všeobecnou dostupnost přesných signálů a odstoupení od možnosti snížení přesnosti během 10 let. V květnu 2000 president Clinton selektivní dostupnost zrušil, což znamenalo pro uživatele zvýšení přesnosti o řád. Prakticky během okamžiku, kdy došlo k přepnutí systému, tak stoupla užitná hodnota veškerých přístrojů civilního sektoru a otevřely se nové možnosti aplikací. Pricip globální selektivní dostupnosti byl nahražen principem regionální nedostupnosti, který umožňuje americké armádě do systému zavést poruchy v kritických regionech.

Služby GPS jsou poskytovány celosvětově zdarma. Americká vláda odhadovala v r. 2000 celosvětový počet uživatelů systému GPS na  4 miliony a objem trhu 8 miliard dolarů. Předpokládá se , že objem trhu se během tří let zdvojnásobí na 16 miliard dolarů.

Budoucnost GPS je otevřená. Umožňuje okamžitě adresovat povrch Země po metrech čtverečních a komputerizované Žluté stránky budou moci okamžitě vyhledat např. nejbližší restauraci nebo benzinovou pumpu. Již dnes se systém využívá pro lokalizaci ukradených aut a pojišťovny nabízejí slevy na pojistném na auta vybavená tímto systémem (pojišťovna Allianz nabízí slevu 20%). Příklady aplikací najdete zde.

Se systémem GPS dostal svět novou technologii s velkými možnostmi. Tato technologie se narodila v laboratořích vědců, kteří byli motivováni svou vlastní zvědavostí po poznání tajemství přírody.

Podrobnější informace o systému GPS najdete např na stránkách http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html.

V češtině najdete popis systému, jeho aplikací, slovníček nejdůležitějších pojmů, popisy přístrojů a vybavení dostupných na českém trhu včetně ceníků např. na stránkách http://www.gpscentrum.cz, další informace vám pomůže najít např. vyhledávač seznam při zadání klíčového slova GPS.

V březnu 2002 přijala Evropská unie rozhodnutí o financování první etapy budování sítě Galileo, která se má stát evropskou alternativou systému GPS. Tento systém by měl být na rozdíl od GPS spravován civilním sektorem. Systémy Galileo, GPS a GLONASS (ruská varianta GPS) by měly vzájemně spolupracovat a stát se součástí GNSS (Global Navigation Satellite Services). Systém Galileo, který má být plně funkční v roce 2008, bude mít 30satelitů (z toho 3 záložní), 2 řídící stanice a dalších 15 pozemních stanic.Měl by umožnit  běžným aplikacím určení polohy s přesností cca 1 m. Celkové investiční náklady by měly být 3,2 mld Euro, roční provozní náklady od r. 2008 se odhadují na 220 mil. Euro. Analýza provedená firmou Pricewarehouse Coopers uvádí poměr nákladů k výnosům 4,6; ve výrobě zařízení a poskytování služeb spojených se systémem by mohlo vzniknout 140 000 nových pracovních míst. Celý projekt by měl být financován jak z veřejných, tak ze soukromých zdrojů. Další informace o projektu Galileo najdete např. na stránkách ESA (European Space Agency) nebo http://www.galileosworld.com.
 
 

zpětdálkapitolakurskatedra


Správce stránky: Jiří Vacek
Poslední změna: 25.9.2002