Jak funguje GPS: jak telefon zjistí, kde právě jste

Telefon zjistí polohu tak, že přijímá rádiové signály navigačních družic. Z jejich časování odhadne vzdálenosti a společně s údaji o poloze družic vypočítá, kde se nachází. Současně řeší nepřesnost vlastních hodin. Pro běžné samostatné určení polohy proto potřebuje alespoň čtyři družice. Samotný příjem GPS internet nevyžaduje, mapy a navigační pokyny ale mají vlastní podmínky.

Od času signálu ke vzdálenosti

Družice nevidí telefon na ulici a neposílá mu jeho adresu. Vysílá signál, který může přijímat mnoho zařízení současně. Součástí navigačních dat jsou údaje o její dráze. Přijímač z nich zjistí polohu družice potřebnou pro výpočet, takže má k dispozici pohyblivé, ale známé orientační body.

Rádiové vlny se ve vakuu šíří rychlostí světla. Když známe dobu jejich letu, můžeme ji převést na vzdálenost. V praxi do časového měření vstupuje také odchylka hodin telefonu a další vlivy. První odhad vzdálenosti proto ještě není přesná délka spojnice družice a přijímače.

Pro představu si kolem družice nakreslete pomyslnou kulovou plochu. Leží na ní všechna místa v dané vzdálenosti. Další družice přidávají další podmínky, které musí hledané místo splnit. Jde o určování polohy z měřených vzdáleností, označované jako trilaterace, nikoli o měření úhlů jako při triangulaci.

Proč GPS potřebuje alespoň čtyři družice

Kdyby měl přijímač dokonale sladěné hodiny s družicemi, byla by úloha jednodušší. Telefon takové hodiny nemá. Vedle tří prostorových souřadnic proto musí dopočítat čtvrtou neznámou, vlastní časovou odchylku. Čtvrtá družice není jen kontrola správnosti hotového výsledku. Přidává měření potřebné k řešení času i polohy.

Čtyři družice jsou základní minimum tohoto řešení, nikoli ideální počet za všech okolností. Přijímač může zpracovávat více signálů. Záleží také na tom, jak jsou družice po obloze rozmístěné a které z nich jsou dobře viditelné. Samotné vysoké číslo v seznamu zachycených družic proto nezaručuje přesnou polohu.

Funguje GPS bez internetu a bez SIM karty?

Ano, samotný GPS přijímač nepotřebuje SIM kartu ani mobilní data. Musí ale zachytit použitelné signály. Proto může telefon určit polohu mimo pokrytí mobilní sítě, zatímco v budově s rychlou Wi-Fi může být příjem družic špatný. Internetové připojení a výhled na družice řeší dvě různé potřeby.

V mapové aplikaci se setkávají tři úlohy: určit souřadnice, zobrazit okolí a najít trasu k cíli. Družicový signál nedodává uliční mapu ani aktuální dopravní situaci. To zajišťuje aplikace ze svých dat. Před cestou bez připojení je tedy potřeba ověřit, co konkrétní aplikace ukládá a počítá offline.

Například Google Maps umějí po stažení oblasti navigovat autem bez internetu, pokud se celá trasa vejde do uložené mapy. Offline ale nenabízejí živé informace o provozu a nejsou dostupné pěší, cyklistické ani veřejné dopravní trasy. Stažená mapa tedy neznamená, že bez sítě poběží všechny funkce, které znáte z běžného používání.

Připojení může pomoci i se začátkem měření. Asistované GNSS dodává přijímači pomocné údaje, aby nemusel začínat úplně od nuly. Když má platná data o družicích a přibližnou výchozí polohu, může první výsledek získat rychleji. Bez těchto podkladů musí potřebné údaje nejprve zachytit a zpracovat ze signálu. Délka čekání záleží na zařízení i podmínkách, není to pevná lhůta pro každý telefon.

Jak přesná je GPS v telefonu

Jedno číslo pro všechny telefony a situace neexistuje. Pod otevřenou oblohou bývají podmínky výrazně lepší než v úzké ulici mezi vysokými domy. Budovy mohou signál zastínit nebo odrazit. Odražený signál urazí delší cestu a přijímači tak zkomplikuje odhad vzdálenosti. Podobně vadí interiér, podzemí nebo omezený výhled přes husté okolní překážky.

Geodetická technika používá další možnosti, například měření na více frekvencích a korekční systémy. S vhodným vybavením a podmínkami lze dosahovat centimetrové přesnosti. Takový výsledek ale nelze automaticky přenést na telefon v kapse. Rozhoduje celý způsob měření, nejen nápis GPS na zařízení.

Tečka na mapě navíc nemusí vzniknout jen z GPS. Polohové služby telefonu mohou zapojit Wi-Fi, mobilní síť a Bluetooth. Apple například uvádí, že při zastínění družic využívá Wi-Fi nebo mobilní sítě, dokud se příjem neobnoví. Kruh kolem značky v jeho Mapách vyjadřuje nejistotu polohy. Viditelná tečka uvnitř budovy proto sama nedokazuje kvalitní družicový signál.

Jaký je rozdíl mezi GPS a Galileem

GPS je americký družicový navigační systém. GNSS je společné označení pro globální družicové navigační systémy a patří sem také evropské Galileo. To poskytuje rádiové signály pro určování polohy, navigaci a čas. Když v běžné řeči zapnete GPS v telefonu, může kompatibilní přijímač ve skutečnosti pracovat s více systémy současně.

Podpora Galilea tedy neznamená jiný druh mapy. Rozšiřuje možnosti přijímače, které družicové signály může využívat. Přesný výsledek dál závisí na schopnostech konkrétního telefonu a podmínkách příjmu. Kombinace systémů nedokáže odstranit každou překážku mezi anténou a oblohou.

Proč GPS potřebuje přesné hodiny a relativitu

Čas je součástí samotného měřítka vzdálenosti. Hodiny na družici ale neběží vůči pozemským hodinám stejně: roli hraje její pohyb i odlišný gravitační potenciál. Systém proto používá relativistické korekce. Podrobněji vliv pohybu a gravitace na plynutí času vysvětluje samostatný článek o dilataci času.

Tyto korekce neprovádí uživatel ručním nastavením hodin na displeji. Patří do konstrukce a výpočtů navigačního systému. ESA popisuje úpravu frekvence družicových hodin i průběžnou opravu související s výstředností dráhy. A vedle toho přijímač stále řeší vlastní časovou odchylku.

Časté otázky a potíže s polohou