GPS má konkurenci: Satelitní navigační systémy se rozrůstají

V oblasti satelitní navigace roste konkurence. Technicky se prosadila pasivní dálkoměrná metoda určování polohy, kdy uživatel systému signály pouze přijímá a žádné nevysílá. Princip je založený na vzdálenosti jednotlivých družic, což se určuje změřením doby, kterou signál potřebuje k překonání vzdálenosti mezi družicí a přijímačem (tedy naší GPS). Přístroj neměří skutečnou vzdálenost od družic, ale vypočítává tzv. zdánlivou vzdálenost. V důsledku nepřesnosti hodin přijímače může být změřený čas posunutý oproti skutečné době šíření a tento časový interval způsobí nepřesnost. Nutný je proto bezchybný příjem z minimálně čtyř družic současně.

Přesnost navigačních systémů je ovlivněna mnoha dalšími nestálými vlivy. Udává se, že například zpoždění signálu v ionosféře může způsobit chybu až 10 m, zpoždění signálu vlivem počasí asi 1 m, vychýlení družice z uvedené polohy 1 m, příjem falešných odražených signálů 0,5 m, vlastní šum přijímače 2 m a šum na straně družice 1 m. Skutečná chyba pak záleží na počtu a postavení přijímaných družic a na jejich možnosti chybu opravit. Pojďme si jednotlivé systémy stručně představit.

GPS

Historicky první satelitní navigací byl americký družicový navigační systém Navstar-GPS, který byl vyvinut pro armádu a postupně od 90. let uvolněn pro civilní využití, na což jsme si snadno a rádi zvykli. Nad námi obíhá 24 družic, rovnoměrně rozložených v šesti oběžných rovinách (ty jsou vzhledem k Zemi centrické, sklon k rovníku mají přibližně 55° a jsou podél rovníku vzájemně posunuty o 60°).

Družice obíhají ve výšce přibližně 20 000 kilometrů a každá oběhne Zemi dvakrát za hvězdný den, oběžná doba je 11 hodin a 58 minut. Oběžné dráhy jsou navrženy tak, aby alespoň šest družic bylo vždy viditelných téměř z kteréhokoli místa na Zemi. To slovo téměř je důležité, protože jsou doby a místa (vysoké severní a jižní šířky), kdy je příjem nedostatečný.

GLONASS

Ruský navigační systém je podobně jako Navstar provozován leteckými obrannými silami, přihlášen ale je jako civilní. Prezident Vladimír Putin v roce 2007 oficiálně podepsal výnos o bezplatném uvolnění systému GLONASS pro nevojenské použití. Vývoj sice začal už v roce 1970, ale plná orbitální konstelace 24 družic (21+3 záložní) začala pracovat teprve nedávno.

Družice obíhají po přibližně kruhové dráze v nadmořské výšce 19 100 km s oběžnou dobou 11 hodin 15 minut celkem ve třech orbitálních rovinách (roviny jsou vůči sobě natočeny o 120º, s rovinou rovníku svírají úhel 64,8º a v každé je rovnoměrně po 45º rozmístěno 8 družic tak, aby pokryly plný úhel).

Rozmístění satelitů poskytuje viditelnost alespoň 5 satelitů kdekoliv na světě. Každá družice GLONASS vysílá na své vlastní frekvenci, která se liší od frekvence ostatních viditelných družic. Uvádí se, že ve vysokých zeměpisných šířkách je navigace přesnější než GPS. Příjem družic se objeví jako satelity s číslem od 66 výš.

Galileo

Navigační systém Galileo je plánován jako autonomní evropský Globální družicový polohový systém. GNSS Galileo měl být původně provozuschopný od roku 2010, nicméně první služby by měl nakonec poskytovat až od konce roku 2014. Plně funkční by měl být na přelomu let 2019 a 2020. Systém bude kompletní, až bude na oběžné dráze 30 satelitů.

Důležité ale je, že oba současné hlavní systémy (GPS a GLONASS) jsou vojenské (i přes civilní uvolnění) a provozovatelé nedávají záruku, že ve výjimečných situacích budou systémy stále plně funkční pro civilní využití. Dočasné zhoršení výkonu systému či jeho úplné vypnutí by mělo velké důsledky pro všechny uživatele, tedy i pro nás turisty a cestovatele.

Evropský systém Galileo je naopak primárně navržen jako projekt řízený a spravovaný civilní správou, i když si iluze v souvislosti s NATO také nedělám. Plný systém bude sestávat z 30 družic (27 operačních + 3 záložní) obíhajících ve třech rovinách po kruhových drahách na střední oběžně dráze Země (Medium Earth Orbit – MEO) ve výšce 23 222 km (každá z rovin dráhy bude svírat s rovinou rovníku úhel 56°, což umožní využívat navigační systém bez potíží až do míst ležících na 75° zeměpisné šířky). Velký počet družic zajistí spolehlivou funkci systému, i když některá družice přestane správně pracovat. Galileo umožní určit aktuální polohu s přesností lepší než jeden metr, což by bylo skvělé. Systém Galileo bude mít největší potenciál především v dopravě (letecká, silniční, železniční, námořní a říční, městská atd.), přesto však nabízí široké využití i v dalších oblastech, kde zvýší bezpečnost, přesnost a komfort. Až výrobci navigací doplní software do přístrojů, můžeme se i my v outdooru těšit na přesnější navigaci.

Compass

Čínský navigační systém Beidou-Compass je projekt s cílem vyvinout nezávislý družicový navigační systém. Byl přejmenován na Compass poté, co bylo rozhodnuto o změně konceptu z regionálního navigačního systému na globální. Čína už v roce 2006 oznámila, že od roku 2008 bude Beidou zdarma poskytovat určení polohy s přesností 10 metrů v rámci základní služby (Open Service).

Oproti systémům GPS, GLONASS a Galileo, které využívají družice pohybující se vzhledem k zemskému povrchu na střední oběžné dráze (tzv. MEO-Medium Earth Orbit), používá Beidou geostacionární družice. To znamená, že nepotřebuje tolik družic jako např. GPS, ale také to znamená, že je funkční jenom v oblasti vymezené souřadnicemi 70° až 140° východní délky a 5° až 55° severní šířky. Kompletní Compass bude ale sestávat z celkem 35 družic, 27 z nich bude (podobně jako u GPS a Galileo) situováno na středním zemském orbitu, 5 na geostacionární dráze a 3 na geosynchronní dráze. Současná funkce Beidou je zatím od ostatních navigací dost odlišná, zařízení uživatele aktivně komunikuje směrem k družicím. Pro nás je zatím bez významu, dokud nebude plně funkční Compass. Na jeho zprovoznění jsou prý výrobci navigací připraveni.

IRNSS

V květnu 2009 oznámila také Indie svůj plán začít vypouštět satelity v prosinci 2009 a sdělila, že celý regionální systém IRNSS bude na oběžné dráze v roce 2015 – 16. Je složen ze sedmi satelitů, které budou disponovat trvalým pokrytím Indie. IRNSS je plánován jako systém pod civilní kontrolou, ale také s vojenským segmentem. Bude-li systém kompatibilní s našimi navigacemi, pak určitě opět doplní a zpřesní určení polohy.

EGNOS

Podpůrná navigační služba EGNOS je v plném provozu už od roku 2009 a stále dochází k jejímu zlepšování. Skládá se ze dvou geostacionárních družic Inmarsat 3, jedné družice Artemis a rozsáhlé sítě pozemních stanic. Vyhodnocuje signál vysílaný systémy GPS a GLONASS a pak vysláním opravných dat umožňuje určit polohu s přesností na 5 – 10 m oproti původním 20 m. Koriguje hlavně chyby při příjmu signálů z družic, jako jsou efemeridy (přesná poloha satelitu), přesnost hodin, vlivy ionosféry a troposféry a různě odražené signály, termální šumy a nepřesný SW navigací. Příjem signálu EGNOS vidíme na navigacích jako přijímané satelity 33, 37 a 39.

Co navigační systémy přinášejí běžným uživatelů GPS

Pro zvýšení přesnosti určení polohy GPS je už delší dobu možné využívat hlavně systém EGNOS. Je ale nutné mít volný výhled na jih, kde jsou družice pro tuto korekci umístěny na geostacionární dráze podobně, jako jsou umístěny družice satelitní televize.

Velkým přínosem jsou technologie čipů GPS s názvem SiRF, které zlepšují přesnost polohy i v místech s horším signálem. Tyto čipy se vyznačují vysokou citlivostí příjmu GPS signálu a novými algoritmy pro zpracování signálu, vysokou rychlostí určení polohy, větší přesností určení polohy, nízkou spotřebou elektrické energie, a dokonce i nízkou cenou.

Dostupnost ruské navigace GLONASS poskytuje další alternativu, nebo spíš vhodné doplnění používaného GPS. Použití dvou GPS-GLONASS přijímačů a antén v jednom přístroji zkracuje čas, a můžeme tak mít k dispozici až dvakrát tolik satelitů pro určování naší polohy. To je velmi užitečné pro každého uživatele, který potřebuje spolehlivé informace o poloze v náročných prostředích, jako jsou moderní města s ulicemi v podobě kaňonů, ale také v přírodních kaňonech, roklích, skalních městech nebo v prostředí, kde hustá zeleň, stromová patra, mosty atd. blokují velké části oblohy a signály od EGNOS jsou nedostupné. Praktickými pokusy bylo potvrzeno, že k významnému zlepšení opravdu dochází, a proto nové navigační čipy už umožňují duální příjem z obou navigačních systémů. Jak se s tím výrobci navigací vypořádají, jaké zvolí antény a rychlost zpracování s ohledem na spotřebu už nyní, si můžeme zjistit s dostupných technických dat výrobků.

Výrobci navigací tedy poměrně rychle zareagovali a GLONASS implementovali do nových modelů. Mohu i z vlastní zkušenosti potvrdit přesnější, rychlejší a nepřerušovanou navigaci, která mě při testu příjemně překvapila. Také výrobci mobilních telefonů začali služby systému GLONASS osazovat do nově prodávaných telefonů s navigací. Očekává se, že v dohledné době dojde k další postupné integraci všech hlavních známých družicových polohových systémů GPS, GLONASS, evropského Galilea a případně čínského Compassu. Na to jsem docela zvědav. Plánujete-li tedy nákup nové satelitní navigace, zjistěte možnosti příjmu nejen GPS a GLOSNASS, ale i systému Galileo, případně získejte záruku upgrade systému v době, kdy už bude plně funkční, snad tedy ještě letos.

O autorovi:

Od samého počátku je Pavel Krupka stálým autorem a spolupracovníkem Světa outdooru. Jako autor i tester má přehled především o technice, o sněžnicích a o zimním backcountry vybavení, Zajímá se i o mapy, vaření, pěší turistiku a nejen díky své mohutné postavě je nepřehlédnutelným členem redakce.