GPS přijímač – Proč je v chytrých hodinkách a jak funguje?

Tagy: Technologie a pojmy | Chytré

Dominik Hok | 1.8.2023 | 5 MIN | 8x komentář

Jak funguje určování polohy pomocí GPS přijímače v chytrých hodinkách? Jak mít co nejpřesnější určení polohy? Tyto a další otázky se vynasnažím zodpovědět v tomto článku.

Co je to GPS?

V dnešní době se GPS zaměňuje za GPS přijímače, ale ve skutečnosti se jedná o satelitní navigační systém (Global Positioning System) americké vlády, který původně sloužil pro vojenské účely, ale od osmdesátých let je k dispozici i pro civilní účely.

Tento navigační systém je tvořen 31 satelity, které ve výšce 19 300 km nad zemským povrchem obkrouží naši zem za zhruba 12 hodin rychlostí 11 300 km/h.

Oficiální název GPS je NAVSTAR a první satelit byl vypuštěn v roce 1978. Váha jednoho satelitu je zhruba 900 kg a má rozpětí (se solárními panely) zhruba 5 metrů. Životnost satelitu je cca 10 let, takže jsou průběžně nahrazovány novějšími generacemi.

GPS není ale jediný navigační systém. Existují také systémy Galileo (EU), GLONASS (Rusko), BeiDou (Čína), QZSS (Japonsko) a NavIC (Indie). Souhrnně se jim říká globální navigační systémy (GNSS).

Jak funguje určování polohy pomocí GPS přijímače?

Poloha GPS přijímače se vypočítává principem triliterace. GPS přijímače vypočítají vzdálenost na základě toho, jak dlouho trvá přenos signálu od konkrétního satelitu. Takových satelitů potřebují ale několik.

Abychom získali zeměpisnou šířku a výšku (2D) vyžaduje přijímač signál od tří satelitů. Od těchto tří satelitů přijímač získá informace o vzdálenosti (okolo těchto tří satelitů se vytvoří kružnice o poloměru vzdálenosti). Naše poloha se nachází v průsečíku těchto tří kružnic.

Vlevo trilaterace v 3D prostoru, vpravo v 2D prostoru. (Zdroj: gisgeography.com)

3D trilaterace funguje obdobně, ale okolo satelitů se vytvoří koule o poloměru vzdálenosti přijímače od satelitu. Průsečíkem je pak kružnice se dvěma body. Jelikož ale čtvrtou koulí je samotná zeměkoule, můžeme druhý bod (který je ve vesmíru) eliminovat a tedy určit naši zeměpisnou délku a šířku včetně nadmořské výšky. Ke zpřesnění výpočtu a lepšímu určení nadmořské výšky GPS přijímače pro tento výpočet vyžadují čtyři a více satelitů.

Zdroj: ckamgmt.com

Vzdálenost se odpočítává velice zajímavým způsobem. Satelity v přesně určeném čase vysílají signál (pseudonáhodný kód) a přijímač se tento vzorek signálu snaží zanalyzovat ve stejném okamžiku.

Když signál satelitu "dorazí" do přijímače, bude o něco zpožděný oproti signálu, který přijímač vysílal ve stejný okamžik. Tato odchylka je způsobená tím, že trvá nějakou dobu, než se signál od satelitu dostane k přijímači. Tato odchylka se tedy vynásobí rychlostí světla a podle toho se odpočte, jak dlouho trvalo signálu než dorazil k přijímači a určí vzdálenost přijímače od satelitu.

Rozumím tomu, že odstavec výše je trochu složitý, tak to zkusím zjednodušit. Satelity cestují po předem známých oběžných dráhách (tyto informace se odesílají do samotných satelitů). GPS přijímače tedy dopředu znají polohy jednotlivých satelitů. V jednom okamžiku tedy přijímač začne vysílat informaci o tom, kde by se satelit měl nacházet, přičemž satelit ve stejném okamžiku také vysílá signál.

V tomto signálu je mimo jiné obsažená i informace o přesném čase, takže přijímač si sesynchronizuje čas podle atomových hodin v satelitu a porovnají časové odchylky (vzniklé přenosem signálu) a podle toho určí vzdálenost.

Chytré hodinky používají zajímavou funkci s názvem A-GPS. Tato funkce rapidně urychluje určení polohy při zahájení aktivity. A-GPS totiž zařízení pomáhá s určením vaší přibližné polohy a tedy i rozhodnutím, s jakými satelity má smysl komunikovat a které jsou naopak mimo dosah.

Jak mít co nejpřesnější určení polohy?

Pokud tedy GPS přijímač získá data od čtyř satelitů, je schopný určit naši polohu na několik metrů. Čtyři satelity ale nejsou maximum. Obecně platí pravidlo, že čím více satelitů komunikuje s přijímačem, tím přesnější je určení polohy. Zároveň platí, že se zvyšuje přesnost s větším počtem systémů a pásem, na kterých přijímač komunikuje.

Různí výrobci tedy nabízí různá nastavení určování polohy. Úplně základní je příjem signálu GPS. Poté se kombinují dva navigační systémy, přičemž jeden z nich je vždy GPS. Ještě lepší je poté příjem všech satelitních systémů najednou. Nebo minimálně všech navigačních systémů, se kterými hodinky dokáží komunikovat.

Nejlepším možným nastavením je poté kombinace vícesystémového příjmu s vícepásmovou komunikací (multi-band). Pokud totiž chytré hodinky komunikují se satelitem na více frekvencích, je větší šance na předání informace.

Americká GPS komunikuje v pásmech L1 a L5, indický NavIC v pásmu L5, ruský GLONASS v pásmu G1 a evropský Galileo v pásmech E1 a E5a.

Vícepásmový příjem je relativně čerstvou technologií a tato frekvence se do satelitů přidává až v posledních letech. Tato frekvence totiž dokáže rozpoznat, že komunikace neprobíhá na přímé lince, ale že jí něco brání. Proto je lepší v městských zástavbách, pod korunami stromů aj.

Je ale důležité podotknout, že s větším počtem systémů a pásem, na kterých zařízení komunikují, se silně zkracuje výdrž baterie chytrých hodinek.

11.7.2023 - Matěj Urbaczka
Chytré hodinky – Výdrž baterie a faktory, které ji ovlivňují

Pokud si pořizujete chytré hodinky, většinu času ve specifikacích produktu najdete, kolik systémů podporují a jestli dokážou komunikovat multifrekvenčně.

Do kvality příjmu samozřejmě zasahují i okolní vlivy, jako vysoké budovy, lesy a třeba i počasí.

Najdeme GPS ve všech chytrých hodinkách a náramcích?

Dnes už se stává takovým standardem, že správné chytré hodinky mají GPS přijímač. Většinu času jej nenajdeme pouze v levnějších chytrých hodinkách, chytrých náramcích (jelikož se jedná o docela drahý senzor), anebo v hybridních hodinkách, kde by určování polohy zcela "vycucalo" baterii. Jsou ale způsoby, jak GPS do jisté míry nahradit.

Prvním je akcelerometr, který dokáže určit, kdy chodíme a podle délky našeho kroku to přepočíst na ušlou vzdálenost. Druhým je propojení s mobilním telefonem, kdy si chytré hodinky berou údaje o poloze právě pomocí GPS přijímače zabudovaného v telefonu. Pokud nedojde k propojení s telefonem, využívá se právě akcelerometr.

25.7.2023 - Dominik Hok
Akcelerometr – Proč je v chytrých chodinkách?

Výhodou hodinek bez GPS je často nižší pořizovací cena. Nevýhodou zase to, že při určovaní polohy pomocí telefonu jste závislí na jeho výdrži, která nemusí být tak dlouhá, jako u chytrých hodinek. Nevýhodou akcelerometru je zase to, že jeho měřením získáme skutečně jen odhad vzdálenosti. Technologie GPS je tedy nejlepším dostupným měřením vzdálenosti, rychlosti či tempa.

S kvalitou GPS je to dnes mezi chytrými hodinkami dost podobné (jelikož často používají chipsety od stejných značek). Výrobci implementují vícesystémový i vícefrekvenční příjem do každých nově vydaných modelů nebo to minimálně značky v budoucnu určitě udělají. Přeci jen hodinky na sport vyžadují nejlepší možný záznam trasy, protože se od toho odpočítává hromada dalších metrik.

Většinu času se tedy nevybírá tak moc podle kvality záznamu trasy, jako spíše podle výdrže s aktivní GPS.

11.7.2023 - Matěj Urbaczka
Chytré hodinky – Výdrž baterie a faktory, které ji ovlivňují

3.11.2022 - Matěj Urbaczka
6 NEJ: Chytré hodinky Garmin s nejdelší výdrží baterie

Zdroje:

• https://xm.cz/blog/jak-funguje-gps-v-chytrych-naramcich-a-hodinkach/

• https://www.alza.cz/chytre-hodinky-s-navigaci-jak-funguji

• https://www.rogelli.cz/hodinky-s-gps/

• https://www.garmin.com/cs-CZ/aboutgps/

• https://www.svethardware.cz/jak-funguje-gps/21826-5