GPS (nezkráceně Global Positioning Systém) je technologie, se kterou se dnes již setkala většina z nás. Pojďme se tedy podívat krátce do historie, zjistit, proč systém GPS vznikl, jak funguje, i na jeho alternativy.

Článek je pokračováním na naší pravidelnou rubriku Vědecké okénko.

Historie GPS

GPS je podobně jako spousta dalších vynálezů naší doby, mezi které patří například internet, mikrovlnná trouba i osobní počítač, původně čistě vojenský projekt. GPS navazuje na starší projekt americké armády nazvaný GNSS Transit. Oficiální začátek vývoje systému GPS tehdy ještě pod názvem GPS Navstar začal v roce 1973. V začátcích vývoje se prováděly pouze testy s vysílači, které byly umístěny na pozemních stanicích. Po úspěšných testech na zemi byla v roce 1978 vypuštěna první z jedenácti družic nutných pro plné fungování systému GPS. Poslední z původních jedenácti byla vypuštěna v roce 1985.

Jako rozhodující bod, díky kterému se rozhodlo o zpřístupněni GPS i civilnímu sektoru, se dá označit rok 1983. V tomto roce došlo k incidentu, kdy sovětská stíhačka sestřelila nad svým územím zatoulaný dopravní letoun společnosti Korean Air, který přepravoval celkem 269 osob. V návaznosti na tuto tragedii oznámil tehdejší americký prezident Ronald Reagan, že GPS bude po svém dokončení k dispozici i pro civilní využití.

Oficiální start plně funkčního systému byl 17. 7. 1985. V březnu 2004 byla na oběžnou dráhu dopravena jubilejní 50. družice. Samozřejmé je, že družice se v průběhu času měnily a modernizovaly, proto je v současné době na oběžné dráze 31 aktivních družic.

Jak GPS určí, kde jsem?

Obecný princip, jak GPS určuje polohu, je až překvapivě jednoduchý, tak jak už to u skvělých věcí bývá. Družice funguje jako vysílač a mobilní telefon nebo navigace v automobilu jako přijímač. Každá z 31 družic systému GPS vysílá radiové signály obsahující primárně polohu družice a čas vyslání signálu. Oba tyto údaje jsou důležité k určení polohy. Pokud totiž znáte polohu družice a čas vyslání signálu, tak se dá dopočítat vzdálenost přijímače (mobilního telefonu) od uvedené družice, tedy vysílače. A tady přichází hlavní kouzlo, pokud znáte vaší vzdálenost od družice, tak systém může určit imaginární kružnici, na které se nacházíte.

Pomocí času potřebného k příjmu signálu se dopočítá kružnice na jejímž jakémkoliv bodě se můžete nacházet.

V případě, že stejný postup budete opakovat i s druhou družici, dostane dva průsečíky těchto kružnic. Vaše poloha je tedy na jednom z těchto dvou průsečíků.

Díky dvěma družicím se určí dva průsečíky na kterých se můžete nacházet.

Díky třetí družici určíte, který z těchto průsečíků je ten správný. A hurá, konečně znáte svojí polohu. Toto je základní princip určování polohy u všech navigačních systémů nejen GPS.

Signál ze třetí družice určí správný průsečík.

Pro určení polohy je tedy nutný vždy signál minimálně ze tří vysílačů. V České republice je v průměru osm viditelných družic systému GPS.

Technikálie GPS

Systém GPS je stále financován a provozován americkou vládou. Roční výdaje se pohybují kolem částky 12 až 16 miliard korun. Pro funkci systému je, kromě výše uvedených družic sloužících jako vysílače a přijímačů v podobě mobilních telefonů a dalších přístrojů, nutná také řídící a kontrolní část.

Řídící a kontrolní část se skládá z velitelství sídlícího na letecké základně v Los Angeles. Dvou řídících středisek v státech Colorado a Maryland a dále třech povelových stanic a osmnácti monitorovacích stanic, které jsou rozmístěny prakticky po celém světě. Úkolem všech vyjmenovaných středisek je dohlížet na systém, korigovat dráhu družic a synchronizovat čas.

Družice systému GPS obíhají naší planetu ve výšce 20 200 kilometrů. Každá družice váží skoro dvě tuny a je vybavena vždy minimálně třemi atomovými hodinami, vysílači radiových signálů koncovým zařízením a také vysílači pro komunikaci s pozemním řízením. Družice obsahuje samozřejmě také baterie a solární panely pro jejich dobíjení. Zajímavostí je že družice jsou také vybaveny senzory pro zjištění startu balistických raket a detekci jaderných výbuchů. Družice mají životnost přibližně 10 let a poté musejí být vyměněny.

Družice systému GPS.

Systém GPS pro civilní použití pracuje s přesnosti do deseti metrů, část pro vojenské a některé další speciální účely je schopna pracovat s přesností v jednotkách centimetrů.

GPS není jediný

Glonass

Glonass je ruská alternativa systému GPS. Glonass začal být vyvíjen již v roce 1970, ale až v roce 2001 se začalo s pracemi, které mají za cíl uvést systém do plně funkčního stavu. Cílem je mít na oběžné dráze ve výšce 19 100 kilometrů celkem 24 družic, které zajistí plnou funkčnost systému.
Glonass je stejně jako systém GPS rozdělen do třech segmentů, z niž první tvoří kosmický segment obsahující družice.

Každá družice stejně jako u GPS má ve výbavě atomové hodiny, antény pro odesílaní signálu, antény pro komunikaci s řídicími středisky, solární panely a akumulátory. Další je řídicí a kontrolní segment, který se skládá z řídícího střediska, povelových a monitorovacích stanic. Třetí je uživatelský segment, tedy přijímač radiových signálů z družic. Přijímače jsou pasivní a nijak nekomunikují s družicemi. Systém Glonass využívají především vědečtí pracovníci a v oblibě je i u geodetů.

Výhodou systému Glonass je hlavně vyšší přesnost oproti systému GPS. Glonass i pro civilní sektor nabízí přesnost kolem jednoho metru. Tento systém podporují například některé novější Xperie jako je Xperia S, Xperia Arc a další s čipem Snapdragon S3 nebo S2.

Raketa Sojuz vynášející satelit Glonass na oběžnou dráhu.

Pej-tou čínské želízko na obloze

I Čína, nejlidnatější země světa, se v poslední době zaměřuje na svůj vesmírný program. Jednou z jeho součástí je i projekt vlastního systému pro navigaci. Čína svůj projekt nazvala Pej-tou, což je v překladu Velký vůz. O tomto systému podobně jako u mnoha ostatních věcech z Číny se toho příliš neví. Čína tento svůj systém začala budovat v roce 2000, aby se zbavila závislosti na americkém GPS a potažmo i dalších státech a jejich systémech.

Od roku 2007 jsou na oběžnou dráhu vynášeny první satelity. Systém má podle plánu tvořit celkem 35 družic, v současné době jich na obloze 16 a signálem je pokryta prakticky celá Asie. Komerční spuštení bylo oznámeno 28. 12. 2012. Přesnost pro civilní účely má být kolem 10 metrů.
Systém Pej-Tou je někdy také označován jako Beidou-2 nebo Compass.

Start rakety s družicí Pej-tou.

Galileo: ani Evropa nechce zůstat pozadu

Společný projekt evropských států pojmenovaný podle italskému vědce Galileo Galileiho vzniká prostřednictvím Evropské kosmické agentury (ESA).

Tento projekt byl poprvé představen již v roce 1999, kdy se počítalo s financováním ze soukromých zdrojů. V té době byly odhadované náklady 1,8 miliardy EUR a spuštění bylo plánováno na rok 2008. Od toho modelu se však upustilo kvůli nezájmu investorů, kteří na sebe odmítli vzít takto obrovskou investici s nejasnou finanční návratnosti. Projekt byl přepracován s tím, že systém bude hrazen z rozpočtu Evropské unie. Mezitím také narostly odhadované náklady na bezmála 3,4 milardy EUR. Tato změna také zbrzdila plánované spuštění projektu na rok 2012. Poslední posunutí bylo o dva roky tedy na rok 2014.

Systém má byt tvořen třiceti satelity ve výšce 23 222 km. První družice byla vypuštěna na oběžnou dráhu 28. prosince 2005. Kompletní počet 30 družic by měl být na oběžné dráze nejpozději v roce 2009. Zajímavosti je, že jedna z družic nese jméno českého školáka Davida Markajance, který vyhrál výtvarnou soutěž.

Ruská raketa Sojuz vynášející satelit Galileo na oběžnou dráhu.

V Praze také od roku 2012 sídlí ústředí evropské kosmické agentury pro program Galileo. Hlavním úkolem centrály je celková koordinace celého programu.

Sídlo systému Galileo v Praze.

Výhodou systému Galileo má být především jeho přesnost, která by měla být vyšší než u ostatních systému díky novým revolučním atomovým hodinám. Galileo bude vysílat celkem pět signálů. Druhy signálů budou: volně dostupný, komerční, signál pro nasazení v letovém provozu, signál pro nouzovou lokalizaci a samozřejmě signál pro ozbrojené složky.

Nezbývá nám tedy nic jiného než doufat, že se vše stihne a systém Galileo bude v roce 2014 aktivní.