Jak funguje GPS?
![]() |
Triangulace GPS pozice při známé vzdálenosti od satelitů Zdroj: http://www.physics.org/article-questions.asp?id=55 |
Princip fungování GPS je velice jednoduchý. Jedná se v podstatě o triangulaci pozice při znalosti vzdálenosti od jasně definovaných bodů. Jasně definované body jsou GPS satelity. Jejich dráha je známá a předvídatelná, takže ji GPS zařízení může vypočítat pro kterýkoliv satelit ve kteroukoliv vteřinu. Se vzdáleností je to o něco horší. Abyste mohli určit vzdálenost přesně, potřebujete k tomu dva body. Určit vzdálenost mezi dvěma body není problém. Jenže my dva body nemáme, protože naši pozici se teprve snažíme určit.
K určení vzdálenosti ale také můžeme použít čas a rychlost. Znáte to, "vlak vyjede ze stanice A rychlostí X km/h. Jakou vzdálenost urazí za půl hodiny?" No a přesně na tomto principu funguje GPS. Každý GPS satelit vysílá časové signály aktuálního času - tedy v našem přirovnání vlaky. Rychlost těchto vlaků (tedy signálů) známe - elektromagnetické vlnění se šíří rychlostí světla, která je známá). Takže pro určení vzdálenosti nás od GPS satelitu nám stačí vědět, jak dlouho k nám signál letěl. No a protože signál obsahuje časový údaj kdy byl vyslán a naše GPS zařízení zná přesný čas (který si vypočítá opět právě ze signálu z GPS satelitů), může prostým rozdílem těchto dvou časů zjistit vzdálenost, kterou signál musel od satelitu k nám uletět.
Nyní tedy už známe vzdálenost nás od satelitu a přesnou pozici satelitu. Tím jsme schopni říct, že se v dané chvíli nacházíme někde na povrchu koule se středem v satelitu a poloměrem vzdálenosti nás od satelitu. To by nám ale pro určení přesné polohy moc nepomohlo. Tady právě přichází na řadu ona triangulace. Pokud totiž známe naši vzdálenost od více satelitů, víme, že se nacházíme někde na povrchu několika koulí. A ty koule se v určitém bodě protnou. A právě tento bod je naší pozicí.
V ideálním případě nám tedy stačí signál tří satelitů, abychom byli schopni určit přesně naši pozici. Jenže toto je pouze ideální případ, který má k realitě hodně daleko.
Přesnost souřadnic
![]() |
Oscilace GPS pozice okolo středu. Zdroj: http://file.scirp.org/Html/7-8501056_28424.htm |
Vzpomeňte si na doby analogové televize a na šumějící obraz, případně na vypadávající nebo "čtverečkující" obraz v době digitální. Rušení elektromagnetického signálu, resp. jeho omezená průchodnost pevnými překážkami (domy uprostřed města, stromy v lese, skály, ...) je věc, se kterou se musí v takovémto systému počítat. A proto i v GPS je třeba s tím počítat. GPS signál k nám nemusí totiž doputovat přímou cestou od satelitu, ale může se cestou od nějaké překážky odrazit a doputovat k nám úplně odjinud, resp. za jiný čas. Vzhledem k rychlosti, se kterou se počítá (rychlost světla) i nepatrná odchylka v trajektorii způsobí značné zkreslení. Naše vzdálenost od satelitu je tedy vždy jen přibližná a čím více satelitů vidíme a známe naši vzdálenost od nich, tím přesněji můžeme pozici určit.
Toto celé GPS zařízení řeší za nás a v každý časový okamžik nám dá nejpravděpodobnější umístění které vypočítalo.
Problém, který ale vzápětí úspěšně využijeme, je v tom, že ona odchylka od skutečné pozice není konstantní, ale neustále se mění, jak se mění podmínky okolo - například když v lese fouká vítr, listy stromů se pohybují, a tím ovlivňují GPS signál. Nebo ve městě chodí lidé, jezdí auta, létají ptáci, otevírají se okna atd. A samotné satelity na obloze se také neustále pohybují (poměrně značnou rychlostí), takže pokaždé k nám signál přiletí z jiného místa a tedy je ovlivněn jinými rušivými vlivy.
Důsledkem toho tedy je, že v každý daný okamžik dostáváme jinou pozici, trpící jinou odchylkou od té skutečné. Tato odchylka může být v případě dobrého signálu a čistého výhledu na oblohu jen několik desítek centimetrů (tedy v praxi téměř nepostřehnutelná), až po několik desítek metrů v případě špatné viditelnosti na oblohy a místa s velkým rušením.
Jak tedy s takto složitými vstupními podmínkami změřit naši polohu co nejpřesněji?
Měření GPS pozice
Nejjednodušší a zároveň nejefektivnější způsob určení přesné polohy je využít právě toho, že odchylka od skutečných souřadnic je pokaždé jiná. Můžeme naši pozici změřit několikrát a protože odchylka se vždy pohybuje v náhodném směru a vzdálenosti od skutečné polohy (říkáme tomu že poloha osciluje kolem jednoho bodu), tvoří jednotlivé souřadnice vnitřek kruhu jehož středem je právě přesná poloha. Takže odpovědí na naši otázku je: aritmetický průměr. Jednoduché, že?
Když změříte polohu v různé časové období (tedy s různou onou náhodnou odchylkou) tak jednoduchým zprůměrováním naměřených pozic získáte o mnoho přesnější souřadnice než při každém jednom měření a i při špatných příjmových podmínkách jste schopni získat velice přesnou polohu. Nutná je ovšem značná variabilita vzorků (různé časy snímání) a dostatečný počet vzorků, které k průměru použijete.
Softwarová výbava
![]() |
GPS Averaging Zdroj: Google Play |
V době chytrých telefonů a aplikací pro ně naštěstí tuto činnost můžeme jednoduše zautomatizovat. Pro Android doporučuji například výbornou a jednoduchou aplikaci GPS Averaging. Její použití je velice jednoduché. Přijdete na místo, které chcete zaměřit. Položíte telfon na místo a spustíte aplikaci. V aplikaci spustíte měření a necháte telefon ležet na místě zatímco sami poodstoupíte (abyste neblokovali cestu GPS signálu z vaší strany). Takto necháte telefon ležet alespoň pár minut, nejlépe i pár desítek minut pracovat a měřit. Poté si stačí opsat / zapamatovat / uložit zprůměrované GPS souřadnice.
Měření můžete opakovat znovu po několika hodinách, případně i jiný den, v různé denní i noční hodiny a výsledné body opět (ručně) zprůměrovat. Tím získáte ještě větší variabilitu vzorků.
Pozor na statickou navigaci
Už od doby prvních GPS přijímačů pro telefony a autonavigací se výrobci s oscilací GPS snažili nakládat různě. Zejména pro účely autonavigace je totiž oscilace GPS nežádoucí a naopak větší odchylka od skutečné pozice nemusí nutně vadit. Autonavigace obvykle obsahuje mapy silniční sítě a předpokládá, že se s autem pohybujete právě po silnici. Může tedy vzít vaši GPS pozici a upravit ji tak, aby vás "dostala" na nejbližší silnici. A zároveň když stojíte například na semaforu je žádoucí, aby se vaše pozice neměnila a navigace si například nemyslela, že z ničeho nic jste se otočili do protisměru a nezačala přepočítávat trasu.
Z tohoto důvodu se někteří výrobici GPS navigací snaží oscilaci souřadnic bránit zavedením něčeho, čemu se říká statická navigace. Jednoduše funguje na tom principu, že pokud se nehýbete (tj. rychlost, kterou vypočítáte z rozdílu dvou GPS pozic, případně z akcelerometru v novějších telefonech) je menší než nějaký práh (třeba 3 km/h), GPS přijímač nepošle nově změřené souřadnice, ale souřadnice z předchozího měření. Výsledkem je, že pokud se nehýbete, dostáváte stále statickou pozici a nikoliv pozici oscilující okolo daného bodu. Takže dostáváte vlastně stále pozici s jednou konkrétní odchylkou která se při statickém zařízení nemění - což je přímo proti tomu, čeho se snažíte dosáhnout.
Kdysi u některých přijímačů šlo toto chování ovlivňovat uživatelsky - šlo zapínat nebo vypínat. Dnes už bohužel moderní GPS přijímače toto většinou neumožňují, takže si musíte poradit sami.
Řešením je GPS donutit se hýbat. A to nejlépe uděláte tak, že se s ní opravdu budete hýbat. Nejlepší je chodit dokola okolo bodu který chcete zaměřit takovou rychlostí, aby si GPS opravdu myslela že se hýbete. Tím vlastně uměle zvyšujete odchylku GPS od pozice která vás zajímá, ale při dostatečném počtu měření se opět pozice zprůměruje správně.
Kontrola zaměřené polohy
Pokud už tedy máte souřadnice o kterých si myslíte, že jsou přesné, vždy je ještě vhodně to ověřit. Tady už hodně záleží na tom, v jakém terénu se pohybujete. Ve městě, nebo obecně v otevřené krajině, je nejlepší metodou ověření zadat změřené souřadnice do map (například na Mapy.cz) a pomocí fotomapy ověřit, že souřadnice ukazují opravdu na správné místo. Například zaměřujete-li pozici kapličky, souřadnice musí ukazovat na kapličku. Zaměřujete-li strom u silnice, musí souřadnice ukazovat na daný strom.
Pokud zjistíte, že souřadnice ukazují jinam, v takovémto případě není nic snazšího než správné souřadnice "odpíchnout" z mapy - tedy vytvořit na mapě bod v místě, které chcete zaměřit a použít jeho souřadnice, které vám mapy sdělí.
Mnohem horší je situace v lese. Tam vám fotomapy moc nepomůžou, protože les je plný stromů a odpočítat správný strom od nějakého jasně určitelného bodu je téměř nemožný úkol. V takovém případě vám nezbyde než se spokojit s tím, že vaše souřadnice nemusí být úplně přesné. I tak ale doporučuji zkusit místo zaměřit alespoň dvěma přístroji a v různé doby, každé další měření totiž souřadnice může více a více zpřesnit.
Závěrem
V tomto příspěvku jsem se pokusil přiblížit principy funkčnosti GPS, vysvětlit, proč určení polohy není přesné a představit řešení, které umožní pozici zpřesnit. Mějte ale na paměti, že vždy nějaká odchylka existovat bude, nehledě na to, že další lidé, kteří vaše souřadnice použijí budou taktéž trpět při jejich výskytu v místech svojí vlastní GPS odchylkou. Jejich GPS jim při daných podmínkách v době jejich návštěvy může ukazovat zase úplně jiné souřadnice. Nikdy se nestane, že by GPS byla natolik přesná, že by všem fungovala stejně bez zarušení. Vy jim to ale můžete ulehčit tím, že se pokusíte svoji GPS odchylku eliminovat co nejvíce, takže pozice uživatelů bude ovlivněna jen jejich odchylkou, nikoliv součtem vaší a jejich odchylky. Hodně štěstí!
Super, dekuji.
OdpovědětVymazat