Navigace podle hvězd

Satelitní navigační systémy a hardware pro jejich využití
Navigační a mapové systémy na bázi GPS se již stávají běžnou součástí našeho

života. Zejména díky masovému rozšíření kapesních počítačů Pocket PC a Palm si

je totiž může dovolit doslova každý. Již dávno je pryč doba, kdy byla GPS

navigace specialitou přístrojů značky Garmin či výhradně výbavou luxusních

limuzín. Cena antén GPS klesla pod hranici dvou tisíc a stejně tak vzrostlo

množství map a navigačních programů dostupných pro PC a kapesní počítače.

Česká republika už patří mezi „zmapovaná“ území, a tak není důvod s nákupem

některého z navigačních balíků otálet. My jsme se o prázdninách soustředili na

navigační programy, mapy a příslušenství pro kapesní počítače Pocket PC (a

okrajově též pro některé chytré telefony), protože právě to je nejsnáze

dostupná platforma s nejnižšími pořizovacími náklady. Přehled softwarových

aplikací přineseme příště, tentokrát se podíváme na nezbytný hardware.



Proč PPC?

Tradiční výrobci systému GPS, jako je Garmin či TomTom, nabízejí své vlastní

specializované přístroje, obsahující kompletní mapy západní a často i mnoha

zemí východní Evropy. Proč jsme se tedy rozhodli zaměřit výhradně na platformu

Pocket PC? Jednoduše proto, že náklady na její pořízení jsou nejnižší a

praktičnost v mnoha směrech nejvyšší. Používáte-li například kapesní počítač

PPC kombinovaný s telefonem, je GPS modul přirozeným doplňkem, s jehož pomocí

můžete v autě ze svého „MDA“ vytvořit zcela plnohodnotnou navigaci. Díky

rozměrům bezdrátových GPS antén s technologií Bluetooth je možné je snadno

nosit spolu s PDA či chytrým telefonem v kapse a používat nejen v autě, ale i

při výletech, bloudění v neznámém městě či třeba na kole. Pokud si naopak

kapesní počítač kvůli GPS teprve pořídíte, získáte tak nejen cenného pomocníka

pro cesty autem, ale i PDA, které můžete využít pro plánování, psaní poznámek

či zábavu.

Přístroje Pocket PC nejsou jedinými, které můžete pro zobrazování digitálních

map a navigaci použít. I ostatní platformy PDA či chytrých telefonů jako

PalmOS, Symbian UIQ či Symbian S60 mohou tímto způsobem fungovat, právě pro

kapesní počítače s operačním systémem Windows Mobile je ale k dispozici

největší množství map a programů zejména pokud se budete pohybovat v Čechách či

na Slovensku (ale i v Chorvatsku a dalších méně „zmapovaných“ zemích). Právě

možnost volby toho nejlepšího navigačního softwaru (možnosti nových verzí

přitom postupují mílovými kroky vpřed) spolu s existencí desítek užitečných GPS

utilit (nemluvě o dalších tisících užitečných programů) či možností použít

výstup z navigace pro tvorbu knihy jízd jsou hlavními výhodami, kvůli nimž se

nám volba Pocket PC zdá nejvhodnější. Konečně posledním důvodem je existence

specializovaných PPC přístrojů, jež již mají GPS přijímač v základní výbavě

například Acer n35, který byl naší hlavní testovací platformou, spolu s

Dataphone III/MDA III společností Eurotel a T-Mobile.



Acer n35

Acer nebyl první, kdo na náš trh uvedl PDA s integrovanou GPS anténou. Přesto

se podle našich informací dočkal většího prodejního úspěchu než konkurenční

model Yakumo, který jsme rovněž objednali, ale nedorazil. N35 není jen PDA,

jedná se skutečně o GPS sadu, obsahující kromě samotného PDA, látkového pouzdra

a síťového adaptéru též CL adaptér, držák do auta, datový kabel a externí GPS

anténu.

N35 je příbuzným modelů 30 spíše podle číselného označení než podle konstrukce.

PDA je na současné poměry poměrně velké to je ale dáno i GPS anténou, která se

sklápí do zadní části. Výrobce ji vcelku moudře zapustil, takže při přenášení

ve složeném stavu nehrozí její ulomení. Celkově působí n35 poněkud plastově na

provoz to ale nemá vliv a vzhledem k určení přístroje pro GPS navigaci a

nikoliv pro náročné manažery to lze snadno odpustit. S předchozími modely PDA

Acer je částečně příbuzné ovládání na boku najdeme skrolovací/enter tlačítko a

na spodku čelní strany směrový kříž (bohužel mu chybí funkce enter ta je pouze

na boku). Kromě toho jsou na přístroji další čtyři tlačítka (dnes, kalendář,

kontakty, mail), která lze konfigurovat i pro ovládání některých map, dále pak

konektor pro externí GPS anténu, hlavní vypínač, mikrofon, výstup na sluchátka,

slot pro kartu SD a konečně poměrně výkonný reproduktor vyvedený na zadní

stranu.

Výrobce věnoval značnou pozornost displeji, který je sice překryt lesklou

fólií, má ale výtečný jas a kontrast a je podle naší zkušenosti poměrně slušně

čitelný i v kabrioletu za plného slunečního svitu. Jediné, v čem N35 poněkud

pokulhává, je výkon a kapacita RAM. Použitý procesor Samsung s pracovní

frekvencí 266 MHz je jistě levný, občas si ale díky tomu na vypočtení trasy pár

desítek vteřin počkáte. Interní RAM 64 MB je naprostým minimem a o úložišti

nemůže být při pár MB volného prostoru ani řeč. Koupě SD karty je v tomto

případě povinná pro běžný provoz postačí 256 MB (do nich se vejde až několik

různých map střední Evropy), chcete-li ale například nahrát kompletní mapu

NavMan celé Evropy, budete potřebovat 1GB kartu. Acer prodává svůj přístroj buď

samostatně, nebo v sadě s programem PocketKim (o kterém se zmíníme příště). u

různých prodejců (například www.sunnysoft.cz) ale n35 seženete i v sadách s

mnohem vyspělejšími a obsáhlejšími navigačními balíky.

Instalace n35 na PC i v automobilu byla naprosto bezproblémová. Zpočátku jsme

sice nevěděli, na kterém COM portu je „pověšena“ integrovaná GPS anténa (byla

to osmička), po správném nastavení ale vše fungovalo k naší spokojenosti.

Integrovaná anténa je osmikanálová, což pro běžný provoz stačí. Při sklopení se

automaticky vypne a přestane odebírat energii. Během cca měsíčního testování se

nám několikrát stalo, že po sklopení a opětovném vysunutí nemohly programy GPS

modul nalézt to bylo obvykle nutné řešit měkkým resetem. Žádné jiné zásadní

problémy jsme při používání n35 nezaznamenali, drobná výtka ale směřuje k

ovládacímu kříži. Umístění tlačítka enter/potvrzení pouze na boční ovladač je

dost nepohodlné. Ovládáte-li GPS za jízdy (což byste pochopitelně neměli, ale

stejně to všichni dělají), značně to komplikuje práci s mapou. Je také škoda,

že dioda, která indikuje stav GPS, jednoznačně neukazuje, zda anténa v daný

okamžik přijímá data ze satelitů či zda má „fix“ aktuální pozice, a k

dokonalosti chybí přístroji snad jen zmiňovaná robustnost, ale to je opravdu

jen drobná výtka.

Největší výhodou n35 je pochopitelně integrace GPS antény přímo v PDA. Díky

tomu se jedná o ideální kapesní přístroj, který využijete nejen v autě, ale

rádi si jej vezmete do kapsy na procházku cizím městem a v případě, že seženete

vhodný držák, ho můžete použít i na kole či motorce (byť pak by vás mohla

omezovat cca 4–6hodinová výdrž baterie). Nebudeme to skrývat: n35 nás nadchnul

po dlouhé době se jedná o skutečně praktickou a užitečnou digitální hračku a

ocenění PC WORLD TOP Produkt si plně zaslouží.



Holux GM-210



Tradičně nejlevnější cestou k GPS navigaci jsou antény se sériovým (COM či USB)

rozhraním. Do této skupiny patří i Holux GM-210 s univerzálním mini-DIN USB

rozhraním, které lze pomocí různých adaptérů propojit do nejrozšířenějších PDA

či klasického USB portu. My jsme jej testovali v kombinaci s CA-XDA adaptérem

na Dataphone III společnosti Eurotel. Výhodou tohoto řešení je kromě nejnižší

ceny i integrovaný napájecí CL adaptér, který se stará jak o napájení PDA, tak

o GPS anténu. V kombinaci s univerzálním držákem na sklo či palubní desku se

jedná skutečně o nejlevnější způsob, jak změnit běžné PDA či XDA/MDA (spolu s

vhodným softwarem) v plnohodnotnou navigaci. Nevýhodou je pochopitelně o něco

složitější instalace (nechcete-li anténu a kabely nechávat na palubní desce).

Samotný GPS přijímač sice nemá konektor pro externí anténu, v případě potřeby

jej ale lze umístit na střechu či kapotu auta (to je důležité hlavně v případě,

že máte pokovené přední sklo, které může ztížit příjem signálu či mu zcela

zabránit).



Adapt Bluetooth GPS Reciever



GPS přijímače s Bluetooth rozhraním jsou populární zejména díky tomu, že pro

jejich instalaci nemusíte přes palubní desku táhnout kabely ani nic složitě

propojovat stačí je spárovat s PDA či XDA (obvykle se pověsí na virtuální COM

port 6, 7 nebo 8) a můžete „jet“. Tedy v případě, že vaše PDA podporuje

Bluetooth profil sériový port (což není případ MDA II u toho lze ale problém

napravit instalací neoficiálního patche pro Bluetooth Stack). V případě MDA III

ale vše fungovalo dobře. GPS přijímač Adapt je napájen z Li-Ion akumulátoru a

používá nové čipy s nízkou spotřebou, díky čemuž dokáže pracovat na jedno

nabití až 16 hodin. Navíc se jedná o přijímač šestnáctikanálový (většina

běžných modelů je osmikanálová). Vezmeme-li v úvahu i velmi nízkou cenu, jedná

se dost možná o nejatraktivnější GPS bezdrátový přijímač na našem trhu.



Držáky PDA



Pokud si nepořídíte sadu GPS, která obsahuje držák PDA, pak máte možnost

zakoupit nejrůznější univerzální držáky ať už se jedná o jednoduché modely,

které pouze PDA přidržují nad palubní deskou, nebo o lépe vybavené typy jako

Arkon Powered PDA Mount, který obsahuje autoadaptér a zesílený reproduktor.

Držák Arkon dokáže napájet nejen PDA přes USB výstup, ale prostřednictvím

druhého USB výstupu jej i propojit a napájet Bluetooth anténu s USB rozhraním.

Navíc je k dispozici další výstup napájení pro Bluetooth GPS přístroje a

zesílený reproduktor. Nevýhodou je ale poměrně složité zapojování (napájecí

kabel, audiokabel), masivní rozměry a kabely trčící na všechny strany. Naším

favoritem tak zůstává jednoduchý univerzální držák.



Dataphone III/MDA III



Zatímco zařízení jako je Acer n35 jsou určena primárně pro GPS navigaci (a

možnost použít je coby PDA je spíše „navíc“), kombinovaná MDA (mobilní

digitální asistent) jsou ideální pokud chcete mít mapy či navigaci po ruce vždy

a všude. Právě pro ně je ideálním doplňkem drátová či bezdrátová GPS anténa,

kterou stačí ve voze připojit. Navigační software můžete navíc využít i při

běžném pohybu městem coby mapu, hledáte-li ulici či restaurant. Nevýhodou

Dataphone III jsou ovšem velké rozměry v takovém případě je vhodnou

alternativou MDA Compact či chytré telefony typu Motorola MPX se systémem

Windows Mobile. Možným řešením může být i navigační balík pro mobilní telefony

s OS Symbian, pro který se budou od září taktéž prodávat lokalizované mapy a

navigační software výběr bude ale o poznání chudší.



Satelitní navigační systémy



Celým názvem NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global

Positioning System) je satelitní navigační systém, jehož pomocí lze určit

přesnou polohu a časový údaj prakticky kdekoliv na zemském povrchu a na orbitě.

Je složen minimálně z 24 satelitů, které obíhají na šesti kruhových oběžných

drahách každý ze satelitů oběhne zemi dvakrát za den ve výšce 20 200 kilometrů.

Satelity jsou vybaveny přesnými atomovými hodinami a vysílají podle nich „svůj“

přesný čas, spolu s informacemi o vlastní oběžné dráze, které jsou nastavovány

a aktualizovány z pozorovacích stanic ze země. Vůbec první družice systému GPS

byla na oběžnou dráhu umístěna v únoru 1978 (výrobcem první generace družic

byla firma Rockwell). První satelit ze současného „Block II“ GPS systému

(celkem 24 družic) byl na oběžnou dráhu vynesen v únoru 1989, vůbec poslední

družice byla uvedena do provozu v listopadu 2004. Celkem bylo od roku 1978

nainstalováno 52 družic, náklady na údržbu systému se pohybují okolo 400

milionů dolarů ročně (včetně výměn dosluhujících satelitů).

Přijímací zařízení nepotřebuje absolutně přesné hodiny, musí mít ale časomíru s

dobrou krátkodobou stabilitou a schopnost přijímat signály přinejmenším od čtyř

satelitů, aby bylo možné určit zeměpisnou šířku, délku a nadmořskou výšku v

daný čas. Výpočet je založen na zjištění vzdálenosti jednotlivých satelitů na

základě lokálního času a času, kdy byly signály vyslány (tzv.

pseudovzdálenost). Přijímač se vlastně nachází v průsečíku čtyř sfér, jež mají

jako střed každý ze čtyř satelitů jejich poloměr se rovná časové prodlevě mezi

odesláním a příjmem signálu, násobeným rychlostí radiových vln. Jak jsme ale

zmínili, přijímač není vybaven přesnými hodinami, nemůže spočítat časovou

prodlevu přímo. Je ale možné velmi přesně změřit rozdíly mezi čtyřmi (či více)

přijímanými signály. Výsledkem jsou tři hyperboloidy (hyperboloid je

kvadratická plocha, kterou lze v prostoru nejsnáze popsat jako dva propojené či

protilehlé kužely), v jejichž průsečíku je aktuální poloha přijímače. Právě

proto jsou třeba minimálně čtyři satelity. V případě tří satelitů by bylo možné

vypočítat pouze dva hyperboloidy, jejichž průsečíkem není bod, ale křivka v

takovém případě lze určit polohu, známe-li dodatečný údaj jako nadmořská výška

(polohu lze pak určit jako průsečík dvou hyperboloidů a elipsoidu, tedy

zemského povrchu v dané výšce). Ve skutečnosti jsou ovšem výpočty mnohem

složitější, neboť je nutné brát v úvahu zpomalení radiových signálu v

ionosféře, možný pohyb přijímače, nepřesnost hodin v přijímači a další

proměnné, které snižují přesnost měření.

Vzhledem k tomu, že GPS bylo původně navrženo jako vojenský systém, byl

„civilní“ signál až do května 2000 degradován a tím se snižovala jeho přesnost.

V současné době je tzv. „selective availability“ deaktivována a civilní i

vojenské přijímače mohou teoreticky dosahovat stejné přesnosti určení polohy,

tedy pod 20 metrů. Pomocí technik jako je diferenční GPS (ta byla vyvinuta

ještě v době „selective availability“ a zvyšovala přesnost na cca 5 metrů),

WAAS, LAAS až po ty nejpřesnější jako je RKP (Relative Kinematic Positioning)

je pak nabízena přesnost vyšší než 10 centimetrů! V běžné praxi (automobilová

navigace) se data ze satelitů kombinují s údaji z tachometru či senzorů ABS a

gyroskopu, což umožňuje sledovat pohyb i v případě dočasné ztráty signálu

(hustá zástavba, tunel).

Všechny satelity vysílají na frekvenčních pásmech L1 až L5. L1 obsahuje veřejný

C/a coarse-acquisition kód a šifrovaný P(Y) kód. L2 obsahuje pouze P(Y) kód,

který je určen výhradně pro vojenské účely. Přestože klíče k tomuto kódu jsou

denně obměňovány, některé špičkové GPS přijímače pro komerční účely dokáží

využít tento signál pro přesnější určování polohy. Pásmo L3 je určeno pro

alternativní využití GPS pro detekci startů střel či raket (ve spolupráci se

dalšími vojenskými satelity v rámci programu DSP), jaderných výbuchů a dalších

událostí produkujících velká množství infračervené energie. Pásmo L4 slouží pro

studium dodatečných korekcí vlivu ionosféry, konečně pásmo L5 je navrženo pro

vysílání civilních nouzových signálů. Všechny satelity vysílají na stejných

frekvencích, používají ale odlišnou vysílací sekvenci, jedná se tedy vlastně o

systém CDMA (Code Division Multiple Access).



Ostatní navigační systémy



Úsvit navigace

Prvními rádiovými navigačními systémy byly pozemské LORAN a Omega, které

využívaly dlouhovlnné rádiové vysílače poloha se určovala rozdílem prodlevy

signálu od centrály a podřízených vysílačů. Prvním satelitním navigačním

systémem byl Transit, uvedený do provozu armádou USA v šedesátých letech.

Transit využíval k určení polohy Dopplerův efekt satelity putovaly po známých

trasách a vysílaly známou frekvenci. Přijímaná frekvence se ale mírně lišila od

vysílané právě díky Dopplerově efektu tím bylo možné určit vzdálenost od

satelitu (a to, zda se přibližuje či vzdaluje). Kombinací několika měření a

údajů o oběžné dráze je možné určit pozici (u současných systémů obsahuje

signál údaje o přesné pozici satelitu v době vysílání).



GLONASS

Ruský navigační systém GLONASS je rovněž rádiovým satelitním navigačním

systémem provozuje jej ruská vláda prostřednictvím vesmírného programu. V

dobách své nejlepší funkčnosti nabízel GLONASS určování polohy veřejným

signálem C/a (obdobný systém jako GPS) s horizontální přesností 55 m,

vertikální 70 m, určení vektoru rychlosti s přesností na 15 cm/s a čas s

maximální odchylkou 1 pikosekunda. Vojenský signál (P) je pochopitelně

přesnější. Systém sestává taktéž z 24 satelitů (21 funkčních a 3 záložní) ve

výšce 19 100 km, doba oběhu činí 11 hodin a 15 minut (satelity jsou rozmístěny

tak, aby bylo vždy viditelných alespoň 5 současně). První satelit byl na orbit

vyslán koncem roku 1982 původní plán zprovoznit systém v roce 1991 byl nakonec

posunut na rok 1993, kompletní sestava satelitů byla zprovozněna až v roce

1995. Díky špatné ekonomické situaci bylo ale v roce 2002 v provozu jen osm

satelitů a ani současných 11 neumožňuje jeho efektivní využití. Rusko plánuje

ve spolupráci s Indií systém znovu zprovoznit v roce 2008, nejprve s 18

satelity, do roku 2010 by mělo být k dispozici opět všech 24 družic (životnost

nových modelů vypuštěných v minulém roce byla zvýšena na 7 let, připravované

typy K by pak měly vydržet 10–12 let).



Galileo

Parametry projektu řízeného agenturou ESA (European Space Agency) vycházejí z

několika studií provedených ještě v průběhu devadesátých let. Po zrušení

Selective Availability v systému GPS v roce 2000 sice akutní potřeba

nezávislého globálního navigačního systému poklesla, po útocích z 11. září ale

USA vyvíjely tlak na EU, aby zastavila vývoj navigačního systému, neboť by to

znemožnilo deaktivaci navigačních systémů v případě válečného konfliktu. Tento

tlak měl přesně opačný efekt: Unie vcelku správně pochopila, že potřebuje

vlastní nezávislý systém, jenž nemůže být strýčkem Samem odstřihnut. V květnu

2003 bylo rozhodnuto o definitivní podobě systému Galileo, který se patrně

stane prvním výhradně civilním globálním navigačním systémem (nebude

kontrolován armádou). K projektu posléze přistoupily i další nečlenské země

(Čína, Ukrajina, Izrael) a o vstupu údajně uvažují i další (Indie, Brazílie,

Mexiko, Chile, Japonsko, Rusko, Jižní Korea, Austrálie, Maroko a Kanada).

Galileo bude založen na 30 satelitech, obíhajících ve výšce 23 616 km ve třech

oběžných drahách (9 funkčních a jeden záložní satelit v každé z nich). Přesnost

volně dostupného signálu by měla činit fantastické 4 metry, komerční (placená)

služba bude nabízet přesnost lepší než 1 metr a v kombinaci s pozemními

stanicemi bude možné zvýšit přesnost na méně než 10 cm. Všech třicet satelitů

má být vypuštěno v letech 2006–2008, spuštění provozu je plánováno na rok 2008

při celkových nákladech 3 miliardy EUR.