Děti na zadním sedadle objevily ohmataný atlas Česka. "Jé, strejdo, ty tady máš papírovou GPSku?" ptaly se překvapeně.
Historka mého známého demonstruje, jak za necelou generaci anglická zkratka pronikla prakticky všude. Turistovi dává v cizí zemi sebevědomí starousedlíka a firmám otevírá dveře k překlenutí mezery mezi reálným a virtuálním prostředím. Globální navigační systém (GPS) patří k technickým vymoženostem, které daly vzniknout zcela novým službám a změnily náš pohled na mapy i na orientaci ve světě.
Zrození toho, čemu dnes říkáme GPS, je perfektní ukázkou příběhu technické inovace. Jsou zde všechny důležité ingredience: válka, věda, nový vynález a parta nadšených inženýrů, kteří našli způsob, jak přesně lokalizovat jakékoli místo na Zemi. Původně jim přitom šlo o pravý opak.
Ruský Sputnik probudil fantazii amerických inženýrů
„Lidé v naší laboratoři pracovali šest dní v týdnu, zvláště kvůli té atmosféře vytvořené válkou v Koreji a narůstajícím tlakem ze strany Sovětského svazu,“ vzpomínají Bill Guier a George Weiffenbach na své dny v laboratoři aplikované fyziky (APL). Tato laboratoř vznikla během druhé světové války v rámci snahy americké vlády zapojit odborné zkušenosti akademiků do prakticky využitelného armádního výzkumu. Krátce po svém vzniku na sebe laboratoř upozornila třeba detonátorem, který umožnil výbuch bomby v závislosti na vzdálenosti od cíle.
Mladí fyzikové Bill a George pracovali na teoretických problémech spojených s analýzou signálů; cílem bylo ochránit námořní flotilu před útoky nízko letících letadel. Specialitou mladých nadšenců (kteří by dnes jistě spadli do kategorie geeků) pak byly nové mechanické kalkulačky. Bill pomáhal prakticky každý večer s propočty pro tajné projekty týkající se vodíkové bomby v Los Alamos. „Vrátil se odtamtud s tíživým vědomím možností H-bomby a nadšenými nápady pro svět digitálních počítačů,“ vzpomínají po téměř půlstoletí autoři.
A pak Rusové oznámili, že se jim 4. října 1957 povedlo to, o co usilovali i Američané. Na oběžnou dráhu umístili družici jménem Sputnik 1 - ohromné vítězství v začínajících vesmírných závodech. Nedá se ale říci, že by to Američané brali pouze jako prohru. Vědci z celého světa - včetně vědců v APL - byli především nadšeni ze symbolického úspěchu. Protože navíc Rusové udělali vše pro to, aby jejich úspěch bylo možné nezávisle potvrdit, mohli si lidé z celého světa poslechnout vysílání z družice a ověřit si, že skutečně obíhá stovky kilometrů nad naší planetou.
„Rusové naladili vysílač přibližně 1 kHz od 20MHz frekvence, a proto byl výsledkem tón o frekvenci 1 kHz minus Dopplerův posun, který vznikl pohybem Sputniku. Díky tomu bylo zajištěno, že frekvence nikdy neklesla pod nulu a byla neustále slyšitelná,“ libovali si Guier a Weiffenbach. Proto byli překvapeni, že když v pondělí přišli do práce, nikdo se zatím nepokusil signál ze Sputniku zachytit.
Vesmírné závody místo práce
„Naštěstí jsme měli jen 20 kilometrů od laboratoře dobrý 20MHz přijímač i anténu. Už to odpoledne jsme poslouchali vysílání z orbity - jasně a zřetelně - a hned jsme si jej začali nahrávat, snad aby byl zachován pro příští generace,“ vzpomínají nadšenci. Zároveň se pokusili počítat na základě Dopplerova posunu, jak rychle se umělá družice pohybuje. Postupně se jim dařilo jejich propočty zlepšovat a za několik dní už byli schopni předvídat - pomocí rovnic, které předtím vyvinuli pro sledování řízených střel - kdy a na jaké frekvenci signál ze Sputniku zaznamenají. Kolegové jim s nadšeneckým úsilím pomáhali, díky tomu například zlepšili příjem, kvalitu nahrávání a zvýšili rychlost propočtů.
Důležité bylo především to, že ke sledování nepoužívali směrovou anténu, ale pouze data získaná z Dopplerova posunu. „Nedošlo nám, jaké bylo štěstí, že jsme směrovou anténu neměli. Všechny ostatní organizace v USA, Evropě i SSSR sledovali Sputnik pomocí směrových kamer, řízených podle rádiových interferometrů. My jediní jsme se řídili podle Dopplerova posunu, protože nic jiného jsme k dispozici neměli,“ píší lidé, kteří, aniž to tehdy tušili, stáli u počátku navigačního systému.
Rovnice převrácené naruby
Doteď se mladí vědci zabývali jen tím, jak zjistit, kde je Sputnik. Jejich aktivity se ovšem donesly i k řediteli laboratoře, doktoru Gibsonovi, který jim dal oficiální povolení a taky jim alokoval čas na tehdy supermoderním digitálním počítači Univac 1200F. „Měli jsme jasný cíl - zjistit, s jakou přesností dokážeme díky Dopplerovu posunu lokalizovat polohu satelitu,“ vzpomínají vědci. „Ukázali jsme, že počet neznámých parametrů je devět (šest parametrů orbitálních, tři parametry systémové). Implementace těchto propočtů vyžadovala vůbec první využití nových početních metod.“ Postupně vylaďovali různé postupy, započítávali vliv ionosféry a experimentovali s používáním harmonických frekvencí pro zvýšení přesnosti.
„A pak začalo největší dobrodružství našich životů. V pondělí 17. března 1958 si nás do kanceláře zavolal Frank McClure (z představenstva APL, pozn. red.) a požádal nás, abychom zavřeli dveře,“ líčí výzkumníci. „Zeptal se nás, jestli něco naznačuje, že jsou naše tvrzení o schopnosti zjistit polohu satelitu z jediného přeletu pomocí Dopplerova posunu nějakým způsobem přehnaná.“ Chtěl vědět, jestli se skutečně může spolehnout na to, co říkají - měl totiž v úmyslu posunout projekt dále a výše.
Když vědci potvrdili, že nepřehánějí a skutečně umí polohu satelitu odvodit z jediného přeletu, zeptal se jich, jestli by šlo celé řešení „převrátit“. Kdybychom totiž znali polohu satelitu a hledali místo toho polohu přijímací stanice na zemi, z problému o devíti parametrech je rázem problém o 2 + 3 = 5 neznámých. To slibovalo vyšší přesnost - nemluvě o zatím sotva tušených možnostech využití.
„Příští dny jsme strávili řešením této převrácené úlohy, které se později začalo říkat navigační úloha,“ vzpomínají vědci; přiznávají, že tehdy ještě nedokázali ocenit, jaký potenciál se v této zatím ryze teoretické úloze skrývá. Brzy zjistili, že satelit, který by byl pro tento účel přímo vytvořen, může vysílat dvě různé frekvence a téměř odstranit vliv ionosféry. Tím se úloha zjednodušila na pouhé 2 + 1 = 3 neznámé.
„První simulace naznačovaly neuvěřitelnou přesnost. Když jsme to nadšeně hlásili McClurovi, nebyl ale vůbec překvapen,“ divili se vědci. Nevěděli totiž, že McClure byl obeznámen s pokusy námořnictva o navigaci ponorek Polaris. Věděl, s jakými problémy se lokalizace pomocí pozemních stanic potýká, a satelitní navigaci považoval za řešení těchto problémů.
Tak se zrodil Transit, první satelitní navigační systém, který od roku 1964 pomáhal určovat polohu amerických vojenských ponorek. Testy začaly už v roce 1960, a tajně probíhaly souběžně s veřejně oslavovaným vesmírným programem (podívejte se také na počátky špionážních družic). Transit umožňoval určit polohu s přesností na přibližně 400 - 200 metrů. Pokud nešlo o čas, bylo možné dosáhnout i přesnosti na metry. Výška nejvyšší hory světa tak byla v mapách upravena právě na základě měření systémem Transit v roce 1980.
Poloha tajná. Ale ne nadlouho
Není třeba zdůrazňovat, že navigační systém patřil během studené války k přísně střeženým tajemstvím. Teprve po letech lze odkrývat, jak před půlkou století Američané i Rusové začali osazovat oběžnou dráhu svými vojenskými družicemi. Zatímco svět sledoval velmi transparentní program Apollo a fandil prvním lidem na Měsíci, navigační systém Transit slavil - v utajení - nemenší úspěchy.
S tím, jak stoupala role řízených střel, se stupňoval i požadavek na vyšší přesnost navigace. Ještě důležitější byla rychlost fixace (určení polohy z vysílání satelitů). V sedmdesátých letech proto Pentagon začal pracovat na nové generaci navigačního systému, který by spojoval to nejlepší z minulosti (kromě Transitu třeba také časoměřičský Timation a geodetický SECOR).
Všechny armádní systémy (jak americké, tak sovětské) se pochopitelně bránily využití kýmkoli jiným než jejich tvůrci. V době studené války by se něco jiného těžko obhajovalo. K uvolnění přispěla smutná nehoda - let Korejských aerolinií 007 v roce 1983 byl sestřelen, protože omylem zaletěl nad výsostné území SSSR (více o této letecké tragédii v našem článku). Prezident Reagan následně oznámil, že Globální navigační systém bude otevřen pro civilní využití, aby se zabránilo podobným nedorozuměním v budoucnu.
Pseudonáhodná chyba a konečně i přesnost pro všechny
Až do roku 2000 obsahoval systém GPS funkci Selective availability (omezená dostupnost). Spočíval ve vkládání pseudonáhodné chyby do navigačních údajů, a přesnost nearmádních přijímačů GPS tak byla snížena na přibližně stometrový okruh. Protože chyba „kmitala“ všemi směry, pokud byl přijímač na místě dlouho, přesnost stoupala. Tak se zajistilo, že navigace nemůže sloužit například k přesnému navádění řízených střel, ale zároveň je využitelná jak pro vědce (kteří si na přesnější výsledek počkají), tak pro civilní letadla a lodě (kde mohou být v nouzi rádi i za přibližný odhad polohy).
Ale pro nová využití byla tato omezená dostupnost zcela limitující. Se stometrovou přesností je například dost nepředstavitelné využít civilní GPS k navigaci v autě nebo na horách. Také ve městě by takovéto GPS nenabídlo nic než odhad s přesností několika ulic.
V roce 2000, konkrétně 1. května, Bill Clinton tuto funkci dočasně vypnul a zvýšil tak přesnost GPS z 100 metrů na 20 metrů. S novým standardem GPS III pak přesnost dále stoupá až k dnešním 3,5 metrům díky zapojení standardu WAAS. Nové standardy GPS s dalším zavedením omezené dostupnosti již nepočítají.
Šifrování pokračuje - bojuje proti rušičkám a falešným signálům
Nadále si ale americká armáda ponechala šifrované kanály GPS (PPS), který sice nenabízí vyšší přesnost, ale lépe odfiltruje odchylku způsobenou v ionosféře a dalšími atmosferickými jevy.
Do budoucna se počítá s více kanály i pro civilní GPS (SPS), což zpřístupní tuto korekci všem, nejen armádě. Nadále si však armáda ponechá šifrované kanály, které využívají nikoli ke zpřesňování, ale k ověření signálu. Armáda se tak brání pokusům o podvržení signálu z GPS (spoofing) nebo snahám vysílání z GPS družic lokálně přehlušit rušičkami (jamming).
Pokud potřebujete opravdu, ale opravdu přesné výsledky z GPS, a nespěcháte na ně, můžete využít sítě permanentních stanic. Ty znají naprosto přesně svou polohu, v průběhu dne ji ale nahrávají i podle GPS. V Česku například operuje systém CZEPOS, který dokáže zpětně dopočítat souřadnice z GPS až na jednotky centimetrů.
Od chvíle, kdy vědci poprvé identifikovali svou polohu na Zemi podle družice - byli tehdy u vytržení z přesnosti v řádu kilometrů - prošel GPS skutečně neuvěřitelným zpřesněním. Je docela dobře možné, že příští generace bude na papírovou mapu koukat s podobnou nedůvěrou, jako my dnes na mechanické kalkulačky, které rozvoj předchůdců GPS umožnily.
