Družicová navigace
10. 1. 2007
Pro náš život založený na informačních technologiích je stále důležitější znát svou přesnou polohu kdekoli na zemském povrchu. Vysvětlíme si princip tohoto měření pomocí družicových systémů a srovnáme americký GPS s evropským Galileem. Také ukážeme využití polohovacích systémů v automobilizmu, biologii, ekologii, zemědělství i ve válečných konfliktech.
Daniel Mack, technický specialista, Nikon: To, co tady máme, je GPS přijímač, propojený s digitálním fotoaparátem. Pokud udělám snímek, tak se nám informace o naší zeměpisné poloze zaznamenají spolu se snímkem na paměťovou kartu.
Co ještě dokáže GPS?
Daniel Mack, technický specialista, Nikon: GPS zobrazí naši polohu na nějakém mapovém podkladě, který je nahraný v GPS. Zároveň nám může ukázat, kolik družic zrovna přijímáme.
A tady je ta poloha …
Daniel Mack, technický specialista, Nikon: Přesně tak.
Filip: Terezo, slyšíš mě?
Tereza: Jsem tady. Právě se na to dívám na Googlu. Vltavu musíte mít jako na dlani.
GPS – Globální systém na určování polohy. Hračka, módní zboží spotřební elektroniky nebo opravdu užitečný pomocník?
Takhle znáte GPS asi nejčastěji – jako více či méně přehledného, ale téměř vždy spolehlivého průvodce na cestách Evropou. Ale podívejte se s námi za družicovou navigací úplně jinam …
Znát svou přesnou polohu na zemském povrchu. Tento požadavek se stává nezbytností ve stále větším počtu oborů.
Naše cesta za každodenním používáním družicové neboli satelitní navigace nás zavede nejprve mezi biology a ekology.
Jsme ve východních Krkonoších mezi Liščí a Studniční horou.
Tento přijímač GPS je poněkud větší, než jak je známe třeba z našich automobilů.
Pomocí něj ekologové dovedou zaměřit polohu s přesností na metr.
GPS jim slouží k lokalizaci a dokumentaci nálezů rostlinných druhů nebo k určení monitorovacích ploch, na kterých sledují výskyt vzácnějších živočichů.
Mgr. Jan Dvořák, Ústav pro hydrodynamiku AV ČR: Druhou základní skupinou je skupina s vyšší přesností měření – tzv. fázová měření. Ta umožňují měření na přesnost až na centimetry. Tu využíváme k vytváření 3D modelů terénu.
Díky přesným datům, získaným pomocí družicové navigace, vznikl i tento digitální model terénu na Luční hoře.
Jsme u severního závěru Modrého dolu, na svahu Studniční hory. To bílé místo pár desítek metrů pod námi je i v červenci pokryto sněhem.
Nazývají to tu Mapa republiky. Právě zde se v Krkonoších nejdéle drží sníh.
Výška sněhové pokrývky se v tomto terénu a na ploše šesti hektarů až donedávna odhadovala velice obtížně.
S využitím na centimetr přesné GPS se měření výrazně zpřesnilo.
Mgr. Jan Dvořák, Ústav pro hydrodynamiku AV ČR: Po propočtu sněhové pokrývky se nám potom může podařit vypočítat i vodní zásobu sněhu.
Víte ale, jak to s GPS vlastně začalo? Před třiceti pěti lety to byl pouze ztřeštěný nápad fyziků na americkém univerzitě v Denveru rozdělit jednu jedinou vteřinu na miliardtiny – a taky to umět změřit.
Zpočátku se zdálo, že to je výzkum bez praktického využití. Ale nakonec se přece jen zrodily superpřesné atomové – přesněji řečeno césiové – hodiny.
V sedmdesátých letech minulého století přišla armáda Spojených států s požadavkem zdokonalit dosavadní systém družicové navigace, a tím začal vývoj GPS.
Poprvé byla ostře nasazena roku 1991 ve válce v Perském zálivu. Přesnost GPS ohromila i odborníky.
Na jakém principu družicová navigace funguje, vědí dokonale i naši odborníci v tomto oboru na Českém vysokém učení technickém v Praze.
Prof. Ing. František Vejražka, CSc., katedra radioelektroniky, FEL ČVUT v Praze: Určování polohy pomocí družicových navigačních systémů je založeno na známé poučce ze střední školy, že a2 + b2 = c2. Určitý problém spočívá v tom, že polohu měříme na základě měření času, za který urazí signál od družice k uživateli.
Jenže je tu jeden malý háček: hodiny v našem přijímači GPS a nahoře na družici nejdou úplně stejně.
Ten rozdíl v čase je právě čtvrtou neznámou v rovnicích pro výpočet naší polohy. Takže potřebujeme alespoň čtyři družice, abychom naši polohu přesně určili.
Tereza: Moje náramkové hodinky s GPS vidí své čtyři družice nad horizontem a já se už „najdu“ kdekoli na světě.
Taky si říkáte, jak neuvěřitelně rychle kráčí vývoj techniky dopředu? Přijímače GPS dnes naleznete i v náramkových hodinkách. Přesně určí vaši polohu, dokonce i na mapce terénu…
Filip: Terezo, víš, jak je krátkých deset pikosekund?
Tereza: Nevím…
Filip: Je to neuvěřitelně kratičký okamžik. Světlo za tu dobu urazí pouhých třicet milimetrů!
Právě s touto nepředstavitelnou přesností deseti až třiceti pikosekund musí být vzájemně sladěn signál v síti vysílačů digitální televize.
Sousední vysílače dřívějšího analogového vysílání musely mít rozdílnou frekvenci, aby se vzájemně nerušily.
Nové, digitální tvoří jednotnou síť a vysílají na stejné frekvenci.
Proto je nezbytná jejich přesná synchronizace – právě pomocí signálu z družic GPS.
Procházíme lesem v katastru obce Nadryby, nedaleko Berounky na Plzeňsku.
V pozdní době bronzové téměř před dvěma a půl tisíci let tu stávalo hradiště. Kdysi je zničil velký požár. Po něm tu zůstaly jen zbytky původních obranných valů.
I do této dávné minulosti nám dnes pomáhá proniknout družicová navigace.
Mgr. Jan John, katedra archeologie, Západočeská univerzita v Plzni: Hlavní výhodou použití tohoto systému v archeologii je možnost velmi rychle a efektivně získávat polohová data o archeologických nálezech a lokalitách.
Původně velmi náročné geodetické práce především v zalesněném terénu se dají zvládnout pohodlně během několika hodin.
Mgr. Jan John, katedra archeologie, Západočeská univerzita v Plzni: Data stažená z přijímače GPS můžeme promítnout do jakékoli digitální mapy, je to možno kombinovat s geografickými informačními systémy.
Vznikají tak podklady, potřebné pro památkovou péči nebo další archeologický výzkum.
Jsme na poli nedaleko Lán ve středních Čechách.
Víte, že družicová navigace souvisí i s našimi potravinami? Stala se totiž nezbytnou podmínkou pro „precision farming“ – přesné zemědělství.
Na jeho začátku je sběr dat o kvalitě půdy a množství živin, které obsahuje, i o pěstovaných plodinách.
Místa odběru vzorků i sběru nejrůznějších údajů se zaměřují pomocí GPS.
Získaná data se zanášejí do digitálních map polí. K mapování se přitom používají i letecké a družicové snímky povrchu.
K čemu tato nejmodernější technika slouží? V přesném zemědělství už specialisté neberou celé pole jako jednolitý celek.
Podle shromážděných údajů dovedou určit rozdílné chemické a fyzikální vlastnosti pro docela malé plochy půdy, které od sebe dělí jen metry.
A teď to hlavní: daty digitalizovaných map se řídí palubní počítače různých zemědělských strojů – od rozmetačů hnojiv přes stroje pro vápnění až po secí stroje.
Data o dosaženém výnosu plodiny zaznamenávají rovnou při sklizni čidla na kombajnech.
Na místech, kde se zjistí nižší výnos, stroje dodají víc hnojiva a naopak.
A to všechno také díky družicové navigaci.
A co přináší přesné zemědělství samotným zemědělcům a jejich hospodaření?
Ing. Pavel Gnip, MJM Litovel: Lepší a pravidelnější rozmístění hnojiva po pozemku a nedochází k plýtvání hnojiva tím, že překrýváme zbytečně jednotlivé pracovní záběry.
Menší množství umělých hnojiv ale také přesně dávkované chemické prostředky proti rostlinným škůdcům – to vše výrazně přispívá k ochraně naší přírody.
A to díky systému, jehož důležitou součástí je družicová navigace.
Družicové navigaci už mnoho let věnují pozornost specialisté na katedře radioelektroniky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Dejvicích.
V osmdesátých letech byli u nás první, kdo přišli s projektem, jak zpřesnit údaje o poloze od americké GPS.
Původně vojenský systém GPS dnes tvoří celkem třicet družic na několika oběžných drahách dvacet tisíc kilometrů nad povrchem Země.
Až do roku 2000 byl však jeho signál pro civilní využití záměrně vysílán s chybou. Přesnost určení polohy tak dosahovala jen sto metrů.
Na katedře radioelektroniky proto vznikla už před patnácti lety referenční stanice, která jako součást rozhlasového signálu vysílá pro uživatele korekce zpřesňující polohu, udávanou přijímačem GPS. Tehdy ze sta metrů na jediný metr.
Dnes z jejich poznatků vychází několik specializovaných firem. Jejich korekce umožňují dosáhnout až centimetrové přesnosti.
Pro uživatele v řadě oborů na katedře vyvinuli speciální přijímače na slušné evropské úrovni.
Prof. Ing. František Vejražka, CSc., katedra radioelektroniky, FEL ČVUT v Praze: Unikátnost výzkumu FEL ČVUT je v tom, že zdejší přijímače umějí kombinovat příjem všech těchto systémů na jediné malé desce, jejímž produktem jsou přesné souřadnice.
Teď na katedře vzniká nový přijímač pro potřeby bezpečného provozu na našich železnicích a silnicích.
Po dvou stech metrech odbočte doleva.
Dnes je v provozu několik systémů celosvětové satelitní navigace. Kromě americké GPS i ruský GLONASS a několik komerční sítí.
Už několik let probíhají přípravné práce na systému evropské družicové navigace – nazvaném Galileo. Jeho cílem je nabídnout pro nejširší okruh civilních uživatelů navigaci s metrovou přesností.
Evropa zatím vypustila zkušební družici Giove A, která létá i nad naším územím.
Celá eskadra třiceti družic Galileo by měla pokrýt svým signálem celou Zeměkouli do roku 2012.
Navigace: Po padesáti metrech odbočte doprava.
Prof. Ing.František Vejražka, CSc., katedra radioelektroniky, FEL ČVUT v Praze: My bychom chtěli – máme ambice vyvinout přijímač Galilea, který by sloužil pro nejrůznější použití.
Měl by přinést vyšší bezpečnost do naší železniční, autobusové a silniční dopravy. Jeho služby by měli využít i v řadě dalších oborů.
Součástí Galilea bude dnes už fungující systém EGNOS, který podobně jako dejvická referenční stanice zpřesňuje údaje z amerického systému GPS a ruského Glonassu.
Po uvedení Galilea do provozu bude zpřesňovat i jeho údaje.
Spolehlivé určení polohy je velice důležité například v civilní letecké dopravě.
Odhaduje se, že příjmy z prodeje přijímačů družicové navigace dosáhnou v roce 2010 tří set miliard Euro. Spotřební trh za tu dobu vzroste ze čtyřiceti na sedmdesát pět procent.
Nové systémy družicové navigace nám umožní zjistit stále přesnější polohu. Jsou dnes součástí náramkových hodinek nebo mobilů. Je přitom zajímavé, že budou kombinovat družicové signály s pozemními. Bude to důležité třeba pro záchranáře nebo pro boj s teroristy.
Navigace: Dosáhli jste cíle.
Autor: Vladimír Kunz