phpRS            

Dnešní datum: 21. 08. 2017   | Hlavní stránka | Seznam rubrik | Kniha návštěv |  
  Hlavní menu
Hlavní stránka
Seznam rubrik
Fotogalerie
Kniha návštěv
Stáhněte si
Odkazy
Ankety
TOP 15Boží dar

  Reklama


  Rubriky

  Poslouchám na síti


Spusť přehrávač


Spusť přehrávač


  Informace o webu
Všehochuť aneb od každého trochu

Content © 1991-2010 Slávek Rydval

View Slávek Rydval's profile on LinkedIn

Vytvořeno pomocí phpRS a Texy!

RSS kanál

Odborné články

* Princip a fungování GPS

Vydáno dne 01. 12. 2005 (38512 přečtení)

GPS (Global Positioning System) vznikal v sedmdesátých letech minulého století původně pro vojenské účely Ministerstva obrany Spojených států. Cílem byla možnost zjistit aktuální polohu na libovolném místě na zeměkouli pomocí jednoduchého přijímače.

V devadesátých letech došlo k uvolnění systému i pro širokou veřejnost s tím, že signál byl jednak uměle zkreslován, takže odchylka byla kolem 20 až 30 metrů a jednak signál byl dostupný jen někde (selektivní dostupnost, selected availibility). Bylo to opatření hlavně kvůli zneužití teroristy. 1. května 2000 byly zrušeny i tato omezení a civilnímu sektoru se dostalo stejných možností jako vojenskému (selektivní dostupnost byla údajně opět zapnuta při válce v Iráku).

Celý systém GPS je možné rozdělit na tři části: kosmickou, řídící (nebo též kontrolní) a uživatelskou.

Kosmickou část tvoří 24 nestacionárních satelitů Navstar od firmy Rockwell International (z toho jsou tři záložní) umístěných 20 tisíc kilometrů nad zemským povrchem. Tyto satelity obíhají Zeměkouli za 11 hodin a 56 minut na šesti oběžných drahách skloněných o 60 stupňů. Z každého místa na zemi tak v ideálním případě vidíte 12 družic. Každá z těchto družic obsahuje přijímač, vysílač, cesiové atomové hodiny s přesností miliardtin sekundy a mnoho dalších zařízení, které již pro vlastní určování polohy nejsou potřebné (např. detekce výbuchů jaderných zbraní). Přijímač slouží k předávání dat z řídícího střediska na Zemi do vnitřního počítače družice. Na základě těchto dat pak koriguje např. svou dráhu. Vysílač je určen jednak k zasílání dat zpět do řídících center, ale hlavně k vysílání dat uživatelům.

Řídící systém má za úkol monitorovat běh družic a v případě problémů tyto řešit. Řídící systémy jsou v devíti pozemních stanicích umístěných podél rovníku. Hlavní řídicí stanice je v Colorado Springs, dále je pět monitorovacích stanic a tři pozemní řídící stanice.

Poslední částí je uživatelská, tedy ta, kterou si může každý koupit a používat. Jde jednak o klasické přijímače (dnes už vždy alespoň s primitivním displejem) a jednak přijímače zabudované do dalších zařízení (PDA, telefony a další). Většina přijímačů je pasivní (tedy pouze přijímají, nikoliv vysílají) jednak proto, že není potřeba vysílat, a jednak kvůli bezpečnosti v armádě – když voják nemá vysílač, ale pouze přijímač, nelze jej pomocí signálu GPS vystopovat.

A jak to celé funguje dohromady? Každá družice vysílá informace o své poloze, přesný čas z atomových hodin a dále přibližné polohy ostatních družic. Přijímač, který musí mít přímou viditelnost na oblohu, pak pro výpočet polohy využívá časového rozdílu mezi okamžikem vyslání a okamžikem přijmutí dat. Pokud takto získá a zpracuje data ze tří družic, dokáže určit zeměpisnou šířku a délku (tvz. 2D poloha). Pro výpočet nadmořské výšky je pak potřeba signál ze satelitů čtyř (tvz. 3D poloha). Díky ostatním satelitům se výpočet více zpřesňuje.

K uvedenému výpočtu je nutné, aby i v přijímači byl přesný čas, kterého se dociluje jednodušším zařízením než jsou atomové hodiny (jednak jsou drahé a jednak rozměrné) a při načítání informací o družicích se aktuální čas upraví. Pokud by byl čas rozdílný byť jen o jednu tisícinu vteřiny, chyba v určení polohy by byla řádově stovky kilometrů.

Většina uživatelů GSP přijímačů si jistě všimla, že od zapnutí přístroje k získání prvních údajů může uběhnout několik desítek vteřin až několik minut. Je to z toho důvodu, že na začátku (případně na základě dalších faktorů jako je např. zeměpisná či časová vzdálenost aktuální pozice od naposledy zaznamenané) je nutné načíst informace o jednotlivých družicích a další data (tvz. almanach). Tomuto procesu se říká inicializace. Almanach o velikosti 37500 bitů se odesílá rychlostí 50 bps, takže pokud bychom jej chtěli do přijímače načíst celý, potřebovali bychom 12,5 minuty. Naštěstí je z almanachu potřeba jen část, takže se nečte celý. Rozhodně rychlost načtení je ještě ovlivněna prostředím, kde se přijímá. V úzkých uličkách s vysokými budovami je to horší než na vrcholu holého kopce. Z tohoto důvodu doporučuji v případě, že plánujete pohyb v místech se zhoršeným signálem, načtěte almanach (zapněte přijímač) v místě, kde je výhled na oblohu dostatečný.

Kromě almanachu si musí přístroj načíst ještě informace o sobě, tzv. efemeridy, ale to je vzhledem k almanachu již zanedbatelný časový okamžik.

GPS přijímač komunikuje s počítačem (či jiným zařízením) nejčastěji pomocí protokolu NMEA (National Marine Electronics Association). V tomto protokolu se kromě jiného předávají informace o čase, poloze, polohách družic, rychlosti, azimutu, počtu aktivních satelitů a další. Tento formát je textový a některé aplikace jej umí ukládat na disk k dalšímu zpracování (např. pro knihy jízd, generování výškových a rychlostních profilů a další).

Satelitní obrazovky

Většina GPS přijímačů dokáže zobrazit data přijímaná z přijímače v grafické podobě. Já používám na PDA freeware VisualGPSce, ale existuje mnoho dalších alternativ. Co se tedy nejčastěji používá?

Dostupnost satelitů a sílu signálu

První panel zobrazuje dostupnost satelitů a sílu signálu z každého z nich. Dále zobrazuje aktuální pozici a počet používaných a viditelných satelitů. Tyto informace ještě nestačí k tomu, abychom dokázali něco říct o kvalitě signálu. K tomu je ještě nutné znát polohy satelitů vůči sobě i vůči přijímači. K tomu slouží další záložka, která zobrazuje polohy satelitů na obloze:

Polohy satelitů vůči sobě a vůči přijímači

Nejlepší je mít aktivní satelity co nejvíce nad sebou (blízko středu) s tím, že 4 z nich jsou každý v jiném kvadrantu (nebo jinak: je vhodné, aby satelity byly rovnoměrně rozmístěné po obloze). Pokud je satelit na okraji, je tedy na horizontu a zde při posílání signálu dochází k lomu a tedy zkreslení signálu. Vyšší odchylku v určení polohy také dostaneme, jsou-li satelity v jedné linii (typicky v úzkých uličkách s vysokými stavbami).

Další panel je již čistě uživatelský:

Aktuální rychlost, nadmořskou výšku, azimut a rychlost

Zobrazuje totiž aktuální rychlost, nadmořskou výšku, azimut (směr, ve kterém se přijímač pohybuje) a rychlost, s jakou se mění aktuální nadmořská výška.

Poslední panel je pak pro uživatele nadané statistickým vnímáním:

Statistiky

 

Přesnost a použitelnost v reálném provozu

V běžném provozu s dobrým signálem je rozdíl oproti skutečnosti dva až tři metry co se zeměpisné délky a šířky týče a deset až dvacet metrů, pokud jde o nadmořskou výšku (přesnou nadmořskou výšku lze zjistit ve spolupráci s barometrem – přesné přístroje však stojí řádově desítky tisíc korun). Jak bylo uvedeno, přijímač musí mít na družice přímý výhled, jinak od nich žádná data nezíská. Z tohoto důvodu jakýkoliv předmět ve výhledu degraduje kvalitu získané pozice. Ve městě či v lese je obecně přesnost horší než v otevřené krajině. Pokud jste uvnitř budovy, musíte být s přijímačem u okna. Stejně tak v autě, vlaku či autobuse. Pokud například v autobuse sedíte v uličce, máte téměř určitě smůlu. V metru, v jeskyních či v přepravním prostoru dodávky nechytnete nic. Signálu také může bránit vaše vlastní tělo. Naopak hustý déšť, sněžení či vítr na kvalitu signálu vliv nemají. Na intenzitě signálu se také velmi málo podepisuje tenká látka, takže zapnutý GPS přijímač můžete mít např. v boční kapse batohu.

Použití GPS

Vynecháme-li vojenské potřeby, kvůli kterým GPS vlastně vznikl, pak v civilním sektoru nacházíme dvě hlavní uplatnění: navigace a sledování.

V případě navigace si lze ušetřit mnoho nervů, pokud tedy máte kvalitní mapové podklady a dobrý navigační software – samotná pozice nestačí.

Sledování je druhým nejčastějším využitím. GPS ve spolupráci s mobilem se používá jednak v zabezpečovacích systémech aut (některé pojišťovny dokonce na takto „zabezpečené“ auto dávají slevu) a jednak pro spediční společnosti pro sběr dat a sledování pohybu jejich vlastních vozidel. Data se pak mohou použít např. v knize jízd.

Budoucnost

Protože Evropa nechtěla zůstat pozadu, přišla s vlastním řešením pojmenovaným Galileo. Systém Galileo, který má být plně funkční v roce 2008 a spravovaný na rozdíl od GPS civilním sektorem, bude mít 30 satelitů (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 miliónů Euro. Více informací naleznete např. zde, zde, zde či zde.

Navigaci v brzké době nalezneme také v mobilních telefonech pod označením AGPS (Assisted GPS), který se od klasické GPS bude lišit v několika drobnostech. AGPS přijímač bude vlastně mobilní telefon s integrovanou GPS anténou. GPS přijímač ovšem nebude načítat almanach z družice, ale poskytne mu je telefon zkrz GSM síť. Kromě něj navíc telefon předá GPS přijímači přepočítaná data pro kolerátory (slouží k zjištění doby letu signálu z GPS do telefonu). Na základě polohy vysílačů GSM signálu se zjistí přibližná zeměpisná poloha telefonu a podle toho se mu zašlou informace o GPS družících a další data. Díky nim pak není potřeba získávat signál minimálně ze čtyř družic, ale jen ze tří – zbytek dodá mobilní operátor.

V současné době se AGPS technologií u nás zabývá např. T-Mobile, na trhu by se brzy měli objevit první telefony podporující AGPS.

Odkazy a použitá literatura

Podrobnější informace o vývoji atomových hodin i jejich využití v systému GPS můžete najít na stránkách National Academy of Sciences v sekci Physics.


Tento článek byl napsán pro časopis Click! (dříve Softwarové noviny) 12/2005.

Upozornění: tento text neprošel redakční úpravou, takže je tak, jak byl napsán včetně případných chyb. Žádná část tohoto článku nesmí být použita bez předchozího souhlasu autora.

Seznam mých dalších článků je v tomto přehledu.



Související články:
Pocket Navigator 6 (01.03.2006)
Dynavix Mobile 2005 verze 1.5 (31.01.2006)
Dynavix Mobile 2005 verze 1.4 (15.01.2006)
Dynavix Mobile 2005 verze 1.3 (09.12.2005)
GPS a navigace pro každého (01.12.2005)
Syndrom GPS (01.12.2005)
Pocket KiM 2.7 (01.12.2005)
MapFactor Navigator 4.3 (01.12.2005)
Dynavix 1.2 (01.12.2005)
SmartMaps 2.4 (01.12.2005)

[Akt. známka: 1,33 / Počet hlasů: 12] 1 2 3 4 5

Celý článek | Autor: Slávek Rydval | Počet komentářů: 1 | Přidat komentář | Informační e-mailVytisknout článek

  Čtenář
Jméno:
Heslo:


Registrace | Info
Zapomenuté heslo

  Vyhledávání

Hledej
na Nawebce!


Rozšířené vyhledávání
Ubytování ve StrmilověUbytování velkých skupinRybník KomorníkKunžakJindřichohradeckovodlitniČeská KanadaKoupání v Jižních ČecháchHistorické ubytováníStrmilovský šachový klubSportovní rybolovEldorádoVodní ráj

  Kalendář
<<  Srpen  >>
PoÚtStČtSoNe
 1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13
14 15 16 17 18 19 20
21 22 23 24 25 26 27
28 29 30 31    

  Reklama


rkEdit především pro vývojáře
rkEdit především pro vývojáře