U zrodu satelitní navigace stálo nadšení několika mladých vědců, kteří i v dobách studené války chtěli sledovat úspěch protivníka.
Když4. října 1957 Sovětský svaz vypustil na oběžnou dráhu první umělou družici, Sputnik 1, rozjel se na plné obrátky závod o vesmír mezi oběma velmocemi. Sovětský úspěch zároveň také přímo „pošťouchl“ vývoj jeho ideologického protivníka.
Jedním z těch, které let první družice inspiroval k velkým věcem, byli i dva mladí fyzici z Laboratoři aplikované fyziky (APL) při univerzitě Johnse Hopkinse v USA: Bill Guier a George Weiffenbach.
Pracovali tehdy na úkolu, který si zadalo americké námořnictvo: jak ochránit námořní flotily před útoky nízko letících letadel. Pohybovali se tedy ryze v prostředí vojenského výzkumu, navíc ve vypjaté době, takže atmosféra v laboratoři rozhodně nebyla nijak uvolněná(vzpomínky v PDF). Studená válka a vysoká míra napětí mezi USA a Sovětským svazem přispívaly k tomu, že vědci se cítili pod velkým tlakem.
Ale vypuštění Sputniku pro Guiera a Weiffenbacha to bylo něco víc než jen geopolitická událost. Chtěli být alespoň částečně „u toho“. Rozhodli se zachytit signál první umělé družice, které konstruktéři vybavili vysílačem, aby ji mohli samo kontrolovat a svět si mohl nezávisle ověřit, že skutečně existuje a obíhá Zemi.
Protože byli ovšem školení odborníci, chtěli něco víc než jen poslouchat. Rozhodli se ověřit, zda ze signálu dokážou přesně zjistit, jak rychle se družice pohybuje. Využít se k tomu chtěli Dopplerova jevu.
Pod tímto názvem se skrývá pozorování, že signál se mění podle toho, jakým směrem je se jeho zdroj – tedy v tomto případě družice – pohybuje vůči posluchači či přijímači. Když se zdroj signálu směrem k pozorovateli, frekvence signálu se zvyšuje. Naopak, když se vzdaluje, frekvence klesá. Proto se zvuk sirény projíždějícího auta mění tón podle toho, zda se blíží nebo vzdaluje.
Guierova a Weiffenbachova laboratoř nebyla primárně zaměřena na výzkum vesmíru, vědci ovšem mohli využít nedaleký 20MHz přijímač a anténu (Sputnik vysílal na zhruba 20 MHz). Signál byl jasný a zřetelný a oba mladíci se z něj pokusili vypočítat podrobnosti o pohybu Sputniku na oběžné dráze.
Výsledky měli velmi dobré. Velmi brzy byli schopni předvídat, o kolik se frekvence signálu v jakou chvíli bude posunovat. Využívali přitom svých zkušeností při řešení problém sledování pohybu řízených střel na základě jejich signálu.
A co opačně?
Jejich experimenty a výsledky zaujaly vedení laboratoře, zejména Ralpha Gibsona, ředitele APL („pro nás byl vždy doktor Gibson“, vzpomínal oba muži i po desítkách let). Ten jim dal oficiální povolení pokračovat v práci a poskytl jim přístup k tehdy supermodernímu digitálnímu počítači Univac.
„Měli jsme jasný cíl – zjistit, s jakou přesností dokážeme díky Dopplerovu posunu lokalizovat polohu satelitu,“ vzpomínali vědci. To, co začalo jako jednoduchý experiment, se postupně proměnilo v komplexní výpočetní úlohu, kdy museli zohledňovat různé faktory, jako je vliv ionosféry na signál.
Jednoho dne, konkrétně 17. března 1958, byli Guier a Weiffenbach pozváni na schůzku s Frankem McClurem, členem představenstva APL. McClure je požádal, aby zavřeli dveře, a položil jim zásadní otázku: „Je možné, aby to fungovalo i opačně?“ McClure se ptal, zda by dokázali zjistit polohu přijímače na Zemi z paluby satelitu, jehož poloha byla v tu chvíli známá.
Tento tzv. „navigační problém“ je vlastně jednodušší než to, co oba mladíci dělali předtím. Z úlohy, která měla devět neznámých se úloha s pěti neznámými. A brzy se ještě ukázalo, že ji jde zjednodušit, pokud by satelit vysílal na dvou různých předem vybraných frekvencích. Tím by se totiž minimalizoval vliv ionosféry a úloha by měla jen tři neznámé.
Už první simulace naznačili, že tímhle způsobem by bylo možné dosáhnout vysoké přesnosti. Guier a Weiffenbach zpětně sami uznali, že v tu chvíli jim nedošlo, jak důležité důsledky by to mohlo mít. Byli především velmi spokojeni s tím, jak dobře a elegantně se jim problém podařilo vyřešit.
Jejich nadřízení ovšem už tušili. Vedení laboratoře bylo dobře obeznámeno s tím, jak veliké problémy jsou s určováním polohy s pomocí pozemních vysílačů třeba při určování polohy ponorek. Vysílače „vesmírné“ měly potenciál zdánlivě neřešitelný problém rychle zjednodušit.
Tak se začal rodit systém Transit, první satelitní navigační systém, který od roku 1964 pomáhal určovat polohu amerických vojenských ponorek. Transit umožňoval určit polohu s přesností na přibližně 200 až 400 metrů. A pokud nebylo zapotřebí nikam spěchat, prakticky pak bylo možné dosáhnout i přesnosti až na jednotky metry. Systému bylo využito například v roce 1980 ke zpřesnění výšky Mt. Everestu.
Přechod k lepšímu
Transit sloužil především americkému námořnictvu k navigaci ponorek. Jako u každé jiné technologické novinky i u něj bylo co zlepšovat. Zjištění přesné polohy například trvalo několik minut a systém nefungoval dobře v rychlém pohybu.
Snaha překonat tato omezení vyústila nakonec ve vznik globálního pozičního systému, který dnes známe jako GPS. Na něm začala americká armáda pracovat v 70. letech a kombinoval několik technologií. Výsledkem této snahy byl systém nazvaný GPS (Global Positioning System). Fungovat začal v roce 1978 s vypuštěním prvního satelitu. Plné plánované kapacity byla dosažena v roce 1993, kdy na oběžné dráze fungovalo 24 satelitů.
GPS od svého vzniku sloužil nejen vojenským, ale i civilním účelům. Přestože armáda původně omezila přesnost signálu pro civilní uživatele kvůli bezpečnostním obavám, v roce 2000 prezident Bill Clinton nařídil odstranění této „selektivní dostupnosti“. Tím se přesnost GPS pro veřejnost výrazně zvýšila a došlo k masivnímu rozšíření GPS v každodenním životě. Úspěch inspiroval také další státy k vybudování vlastních satelitních navigačních systémů, jako jsou evropský Galileo.
Satelitní navigační systémy prošly od svých počátků řadou technologických vylepšení. Nové generace satelitů poskytují ještě větší přesnost a odolnost vůči rušení. A tak jde dnes o klíčovou technologii nejen pro navigaci v automobilech a chytrých telefonech, ale také důležitý nástroj pro zemědělce, dopravce, vědce nebo záchranáře.
Jak to vlastně funguje?
Satelitní navigace funguje na principu měření vzdálenosti mezi vámi a několika satelity, které jsou rozmístěny kolem celé planety. Každý z těchto satelitů neustále vysílá signál s informací o své přesné poloze a přesném čase. Vaše GPS zařízení zachytí tento signál, ale aby mohlo určit vaši polohu, potřebuje signály z minimálně tří, ideálně čtyř satelitů.
Jakmile zařízení přijme signál, začne počítat, jak dlouho trvalo, než signál dorazil ze satelitu k vám. Protože signál se šíří rychlostí světla, lze tuto dobu převést na vzdálenost. Když máte vzdálenost od jednoho satelitu, víte, že se nacházíte někde na povrchu koule s tímto satelitem uprostřed. Když přidáte druhý satelit, máte průnik dvou koulí, což zúží vaši polohu na kruh. S třetím satelitem už máte průnik tří koulí, a vaše poloha je určena na dvě možná místa. Čtvrtý satelit pak pomáhá eliminovat jednu z těchto možností a přesně určit vaši polohu na Zemi.
Co je na tom fascinující, je přesnost, s jakou to vše probíhá. GPS satelity jsou vybaveny atomovými hodinami, které zajišťují, že časové údaje jsou extrémně přesné. Každá milisekunda se počítá, protože i nepatrné zpoždění v přijetí signálu by mohlo vést k chybnému určení polohy o desítky metrů.
Dalším důležitým faktorem je, že signály ze satelitů musí projít atmosférou Země, což může způsobit drobné odchylky. Aby se tyto odchylky minimalizovaly, satelity často vysílají na více frekvencích, což umožňuje GPS přijímači provést potřebné korekce. Výsledkem všech těchto výpočtů je přesné určení vaší polohy kdekoliv na světě, ať už jste uprostřed města, v horách, nebo na otevřeném moři.