Prijímač GPS – Prečo je súčasťou smart hodiniek a ako funguje?

Tagy: Technológie a pojmy | Inteligentné

Dominik Hok | 18.3.2024 | 5 MIN

Ako funguje určovanie polohy pomocou prijímača GPS v smart hodinkách? Ako mať čo najpresnejšie určovanie polohy? Na tieto a ďalšie otázky sa pokúsim odpovedať v tomto článku.

Čo je to GPS?

V súčasnosti sa GPS zamieňa s prijímačmi GPS, ale v skutočnosti ide o satelitný navigačný systém (Global Positioning System) vlády USA, ktorý sa pôvodne používal na vojenské účely, ale od 80. rokov 20. storočia je k dispozícii aj na civilné použitie.

Tento navigačný systém sa skladá z 31 satelitov, ktoré vo výške 19 300 km nad zemským povrchom obletia zemeguľu približne za 12 hodín rýchlosťou 11 300 km/h.

Oficiálny názov GPS je NAVSTAR a prvý satelit bol vypustený v roku 1978. Jedna družica váži približne 900 kg a má rozpätie krídel (so solárnymi panelmi) približne 5 metrov. Životnosť družice je približne 10 rokov, takže sa priebežne vymieňajú za novšie generácie.

GPS však nie je jediný navigačný systém. Existujú aj systémy Galileo (EÚ), GLONASS (Rusko), BeiDou (Čína), QZSS (Japonsko) a NavIC (India), ktoré sa spoločne nazývajú globálne navigačné systémy (GNSS).

Ako funguje určovanie polohy pomocou prijímača GPS?

Poloha prijímača GPS sa vypočíta na základe princípu triliterácie. Prijímače GPS vypočítavajú vzdialenosť na základe toho, ako dlho trvá prenos signálu z konkrétneho satelitu. Potrebujú však niekoľko takýchto satelitov.

Na získanie zemepisnej šírky a nadmorskej výšky (2D) prijímač potrebuje signál z troch satelitov. Z týchto troch satelitov prijímač získava informácie o vzdialenosti (okolo troch satelitov sa vytvorí kruh s polomerom vzdialenosti). Naša poloha sa nachádza v priesečníku týchto troch kružníc.

Vľavo trilaterácia v 3D priestore, vpravo v 2D priestore. (Zdroj: gisgeography.com)

3D trilaterácia funguje podobne, ale okolo satelitov sa vytvorí guľa s polomerom vzdialenosti prijímača od satelitu. Priesečníkom je potom kružnica s dvoma bodmi. Keďže však štvrtou sférou je samotný glóbus, môžeme druhý bod (ktorý je v priestore) eliminovať, a tak určiť našu zemepisnú dĺžku a šírku vrátane nadmorskej výšky. Na spresnenie výpočtu a lepšie určenie nadmorskej výšky potrebujú prijímače GPS na tento výpočet štyri alebo viac satelitov.

Zdroj: ckamgmt.com

Vzdialenosť sa počíta veľmi zaujímavým spôsobom. Satelity vysielajú signál (pseudonáhodný kód) v presne stanovenom čase a prijímač sa snaží analyzovať tento vzor signálu v rovnakom okamihu.

Keď satelitný signál "dorazí" k prijímaču, bude mierne oneskorený v porovnaní so signálom, ktorý prijímač vysielal v tom istom okamihu. Táto odchýlka je spôsobená tým, že trvá určitý čas, kým signál zo satelitu dorazí do prijímača. Táto odchýlka sa potom vynásobí rýchlosťou svetla, aby sa odpočítalo, ako dlho trvalo, kým signál dorazil k prijímaču, a určila sa vzdialenosť prijímača od satelitu.

Chápem, že uvedený odsek je trochu komplikovaný, preto sa ho pokúsim zjednodušiť. Satelity sa pohybujú po vopred známych dráhach (táto informácia sa posiela samotným satelitom). GPS prijímače preto poznajú polohy jednotlivých satelitov vopred. V určitom okamihu teda prijímač začne posielať informácie o tom, kde sa má satelit nachádzať, a satelit v tom istom čase tiež vyšle signál.

Tento signál obsahuje okrem iného informáciu o presnom čase, takže prijímač synchronizuje čas podľa atómových hodín v satelite a porovnáva časové odchýlky (spôsobené vysielaním signálu) na určenie vzdialenosti.

Inteligentné hodinky využívajú zaujímavú funkciu s názvom A-GPS. Táto funkcia rapídne urýchľuje určenie polohy pri začatí činnosti. A-GPS pomáha zariadeniu určiť vašu približnú polohu, a teda rozhodnúť, s ktorými satelitmi má zmysel komunikovať a ktoré sú mimo dosahu.

Ako mať čo najpresnejšie určenie polohy?

Ak teda prijímač GPS prijíma údaje zo štyroch satelitov, je schopný určiť našu polohu s presnosťou na niekoľko metrov. Štyri satelity však nie sú maximum. Všeobecne platí, že čím viac satelitov komunikuje s prijímačom, tým je určenie polohy presnejšie. Presnosť sa zároveň zvyšuje s počtom systémov a pásiem, v ktorých prijímač komunikuje.

Rôzni výrobcovia preto ponúkajú rôzne nastavenia určovania polohy. Najzákladnejším je príjem signálu GPS. Potom sa kombinujú dva navigačné systémy, z ktorých jeden je vždy GPS. Ešte lepší je príjem všetkých satelitných systémov naraz. Alebo aspoň všetkých navigačných systémov, s ktorými môžu hodinky komunikovať.

Najlepším možným nastavením je potom kombinácia príjmu viacerých systémov s viacpásmovou komunikáciou. Ak totiž inteligentné hodinky komunikujú so satelitom na viacerých frekvenciách, je väčšia šanca na prenos informácií.

Americký systém GPS komunikuje v pásmach L1 a L5, indický NavIC v pásme L5, ruský GLONASS v pásme G1 a európsky Galileo v pásmach E1 a E5a.

Viacpásmový príjem je relatívne nová technológia a táto frekvencia bola do satelitov pridaná až v posledných rokoch. Táto frekvencia dokáže zistiť, že komunikácia neprebieha priamo, ale že ju niečo blokuje. Je preto vhodnejšia v mestských oblastiach, pod korunami stromov atď.

Je však dôležité poznamenať, že výdrž batérie inteligentných hodiniek sa výrazne znižuje pri väčšom počte systémov a pásiem, na ktorých zariadenia komunikujú.

14.3.2024 - Matěj Urbaczka
Smart hodinky – Výdrž batérie a faktory, ktoré ju ovplyvňujú

Ak si zaobstarávate smart hodinky, väčšinou v špecifikáciách výrobku nájdete, koľko systémov podporuje a či dokáže komunikovať viacfrekvenčne.

Samozrejme, kvalitu príjmu ovplyvňujú vplyvy prostredia, ako sú vysoké budovy, lesy a dokonca aj počasie.

Nájdeme GPS vo všetkých smart hodinkách a náramkoch?

V súčasnosti sa stáva takým štandardom, že správne inteligentné hodinky majú prijímač GPS. Väčšinou ho nenájdeme len v lacnejších inteligentných hodinkách, inteligentných náramkoch (keďže ide o pomerne drahý snímač) alebo v hybridných hodinkách, kde by určovanie polohy úplne "vysalo" batériu. Existujú však spôsoby, ako GPS do určitej miery nahradiť.

Prvým je akcelerometer, ktorý dokáže určiť, kedy chodíme, a na základe dĺžky nášho kroku to prepočítať na prejdenú vzdialenosť. Druhým je prepojenie s mobilným telefónom, kde inteligentné hodinky získavajú údaje o polohe práve pomocou prijímača GPS zabudovaného v telefóne. Ak neexistuje spojenie s telefónom, používa sa akcelerometer.

20.3.2024 - Dominik Hok
Akcelerometer – Prečo je v smart hodinkách?

Výhodou hodiniek bez GPS je často nižšia obstarávacia cena. Nevýhodou je, že pri určovaní polohy ste závislí od telefónu, čo nemusí byť také dlhé ako v prípade inteligentných hodiniek. Nevýhodou akcelerometra je, že meraním môžete získať skutočne len odhad vzdialenosti. Technológia GPS je preto najlepším dostupným meraním vzdialenosti, rýchlosti alebo tempa.

Kvalita GPS je dnes medzi inteligentnými hodinkami dosť podobná (keďže často používajú čipové sady rovnakých značiek). Výrobcovia implementujú viacsystémový aj viacfrekvenčný príjem do každého novo vydaného modelu, alebo to aspoň značky v budúcnosti určite urobia. Veď hodinky na šport si vyžadujú čo najlepšiu stopu, pretože sa od nej odčítava kopa ďalších ukazovateľov.

Väčšinou teda nezáleží ani tak na kvalite záznamu trasy, ako skôr na výdrži s aktívnym GPS.

14.3.2024 - Matěj Urbaczka
Smart hodinky – Výdrž batérie a faktory, ktoré ju ovplyvňujú

4.11.2022 - Matěj Urbaczka
6 NAJ: Smart hodinky Garmin s najdlhšou výdržou batérie

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