GPS in njegovi mlajši bratje
Moderni telefoni presenetljivo dobro in hitro določijo lokacijo. V ta namen uporabljajo signal GPS, ki pokriva ves svet že skoraj tri desetletja. A v tem času smo bili priče razvoju, ki ni prinesel le konkurenčnih sistemov, temveč tudi nadgradnjo GPS. Današnji telefoni lahko v nekaj sekundah z natančnostjo meter ali manj določijo, kje na svetu smo. In to je osupljiv dosežek.
V nekih drugih časih je bil sistem za globalno pozicioniranje eden in edini, preprosto GPS, ki je veljal za vojaško orodje. Resda ni bil prvi satelitski navigacijski sistem, je bil pa prvi globalno uporaben. Ameriška vojska je njegov prvi satelit utirila že davnega leta 1978, leta 1993 pa je bilo satelitov zadosti, da je pokril ves svet.
Shema sprejemnika GPS v telefonih. Foto: Insidegnss
Natančnost je bila tedaj sorazmerno slaba: okrog 100 metrov v horizontalnih smereh in do 200 metrov navpično. Kriva ni bila strojna oprema, temveč namerno motenje signala, da ga ne bi mogle sovražne sile uporabiti za napad. Le ameriška vojska je poznala algoritem motnje, ga odštela in uporabljala sistem v polni zmožnosti. Bill Clinton je leta 2000 podpisal zakon, po katerem so 2. maja tistega leta prenehali motiti signal (temu se je reklo SA oziroma selective availability). To so napovedali že pred tem, razlog pa je bil zračni promet, kjer GPS ni glavni ali edini način orientacije, je pa dobrodošla dopolnitev. Drugi, morda še pomembnejši razlog je bil DGPS (differential GPS), ki je omogočal izračun napake in s tem visoko stopnjo natančnosti tudi za neavtorizirane uporabnike. Natančnost za civilno rabo se je maja 2000 ob izklopu motenja izboljšala na okoli pet metrov, v idealnih primerih celo na dva. To je tudi razlog za zelo jasno ločnico, kdaj so se pojavili prvi telefoni s podporo za GPS – po letu 2000.
Prenehanje motenja signala je torej odprlo novo tržno nišo: GPS-sprejemnike za vsakdanjo rabo. Leta 2000 koncept pametnega telefona še ni pomenil tega kot danes (navsezadnje je prvi iphone prispel leta 2007). In res, že leta 1999, ko je bila ukinitev motenja signala napovedana, je Benefon izdal telefon Esc!, ki velja za prvi telefon z vgrajenim sprejemnikom GPS. A večina ostalih proizvajalcev je potrebovala še skoraj desetletje, da je ugotovila uporabnost sprejemnika v telefonih. Leta 2004 je bilo le dobrih deset modelov z vgrajenim sprejemnikom GPS. Tistega leta je Qualcomm razvil tehnologijo AGPS (assisted GPS), ki omogoča navigacijo s kombinacijo mobilnega signala in satelitov GPS. Bazne postaje prek mobilnega signala lahko posredujejo določene informacije o orbiti satelitov (efemeride in almanah), ki jih sprejemnik potrebuje za izračun lokacije. Če podatke dobimo od bazne postaje, namesto da čakamo celotno periodo signala GPS, je iskanje lokacije hitrejše.
Nokia je svoj prvi telefon z GPS prestavila leta 2006 (Nokia N95), naslednje leto pa Samsung i550. Apple je GPS v svoje iPhone 3G uvedel še leto pozneje, enako tudi Sony Ericsson v W760. LG je sledil še leto pozneje. K razmahu GPS v pametnih telefonih je pripomogla sprememba logike. Prvi sprejemniki so bili tradicionalni SoC (system on a chip), kjer sprejemnik GPS vsebuje vse dele (RF tuner, baseband, processor) za določitev lokacije, hitrosti in časa, kar je tudi njegov izhodni podatek. Kasnejši telefoni pa so dobili tako imenovani hot-based processing. To pomeni, da se ustrezne programske operacije dekodiranja in preračunavanja pozicije iz sprejetih signalov izvajajo na telefonu in ne na namenskem čipu GPS, ki samo še lovi signale. To je znatno pocenilo njihovo izdelavo, saj vsebujejo le še dva dela (RF tuner, baseband). Odtlej je GPS počasi postal del standardne opreme pametnih telefonov, ki je danes tako samoumeven, da se o tem sploh ne sprašujemo več. Ne velja pa enako za ostale sisteme za globalno pozicioniranje. Še.
GPS dobi konkurenco
Od leta 2007 novi sateliti GPS sploh nimajo več možnosti za motenje signala s SA. A vseeno uporaba GPS pomeni, da zaupamo ameriški vojski, da signala ne bo izklopila ali na neki lokaciji motila. Za druge države to predstavlja nesprejemljivo tveganje, zato so začele razvijati svoje sisteme. Evropska unija gradi Galilea, Rusija sistem GLONASS in Kitajska Beidou. Ti trije so globalni sistemi. GLONASS je dobil prvi satelit leta 1982 in konstelacijo popolnil do 1995. Od leta 2011 sistem 24 satelitov pokriva ves svet. Beidou je na Kitajskem začel delovati 2011, leto pozneje je pokrival že dobršen del regije, od konca leta 2018 pa ima globalno pokritost. V tem pogledu je Evropa posebna, saj je njen Galileo primarno civilni sistem, medtem ko so preostali sistemi narejeni z mislijo na vojaško rabo. Prav tako ga financira več držav, kar je prineslo nekaj zastojev pri gradnji. Po večletni zamudi – projekt se je začel leta 2002 in šele leta 2016 začel delovati – je zdaj Galileo četrti globalni navigacijski sistem.
Poleg omenjene četverice omenimo še QZSS in NavIC, ki nudita le regionalno pokritost. QZSS je japonski, NavIC pa indijski. Zaradi omejene pokritosti potrebujeta bistveno manj satelitov. Medtem ko jih ima GPS 24 (in rezervne), jih bo imel QZSS sedem, NavIC pa osem. V osnovni so sistemi podobni, razlikujejo se v tehničnih karakteristikah, denimo številu satelitov, višinah oziroma obhodnih časih, frekvenci signalov in modulaciji itd. Pomembna razlika pa je tudi podprtost v elektronskih napravah.
Spektri, ki jih zavzemajo posamezne konstelacije satelitskih navigacijskih sistemov. Foto: Orolia.com
Kaj imamo v telefonih?
Prvi pametni telefoni so resda imeli le podporo za GPS, a so brez velikega pompa kmalu razumeli tudi ostale navigacijske sisteme. Če pogledamo Apple, ki je zaradi majhnega števila različnih modelov in sorazmerno dragih naprav dober zgled, to najlepše vidimo. Že iPhone 4S, ki je izšel leta 2011, je poleg GPS podpiral tudi GLONASS. Naslednji korak naprej je bil iPhone 6S, ki je leta 2015 prinesel podporo še za Galilea in QZSS. Tako je z iphoni še danes. Na drugem polu je Android Nougat 7.0 podprl druge konstelacije poleg GPS. Zdaj najdemo, na primer, novi Huwei P40 Pro+ , ki prihaja junija letos in podpira GPS, GLONASS, Beidou, Galileo, QZSS, NavIC ali z drugimi besedami vse.
Podpora čisto vsem sistemom za globalno navigacijo je resda redka, podpora več kot enemu pa sploh ne. Dandanes že najcenejši telefoni, denimo Samsungov Galaxy A10e za manj kot 100 dolarjev, razume GPS, GLONASS in Galileo, še cenejši Huawei P smart pa GPS, GLONASS in Beidou. Omenjena modela sta le primer, poceni telefonov je cel kup, vsi pa podpirajo več globalnih navigacijskih sistemov. Pa nam to koristi? Kratek odgovor je da, daljši pa precej zanimivejši.
Natančnost sistema Beidou je 10 metrov, GPS okrog 5 metrov, GLONASS tudi približno toliko, Galilea, NavIC in QZSS pa en meter. To je natančnost za nelicencirano brezplačno civilno rabo, medtem ko je natančnost za sprejemnike s dešifriranjem dodatnega signala od 10 centimetrov do 1 centimetra pri Galileu. Za določitev lokacije potrebujemo podatke vsaj štirih satelitov, vsak dodaten vidni satelit pa natančnost poveča in približa navedenim teoretičnim mejam.
Aplikacija GPStest pokaže, katere konstelacije podpira mobilni telefon. Telefon na sliki podpira GPS, Beidou in GLONASS, a samo na enem kanalu.
A svet ni idealen in praksa ni teoriji enaka, zato potrebujemo čim več vidnih satelitov (in pomožne metode za povečevanje natančnosti). Največ k napaki prispevajo spreminjajoče se razmere v ionosferi, pomembni pa so še prispevki zaradi odboja signala na ovirah (multipath), stanje troposfere (vreme), nenatančnost efemerid (podatki so lahko stari do dve uri) in ur.
Večina modernih telefonov torej podpira več navigacijskih sistemov, med katerimi je v naših koncih vedno GPS, ponavadi pa še Galileo in GLONASS. Kaj podpira konkretni telefon, lahko preverimo z aplikacijo GPStest, ki pokaže vse vidne satelite skupaj z zastavo.
Pogosto vprašanje je, ali lahko uporabljamo le en navigacijski sistem. Odgovor je po navadi ne. Moderni telefoni samodejno uporabljajo signale vseh vidnih satelitov, da izračunajo lokacijo. Za to ni nobenega tehničnega razloga, saj antena zazna vse signale, telefon pa zelo dobro ve, kateremu satelitu pripada kateri. A proizvajalci so se odločili, da običajni uporabniki ne bodo imeli potrebe po selektivni uporabi navigacijskih sistemov.
Obstajajo pa aplikacije, s katerimi lahko preverimo, kakšen rezultat dá uporaba katere konstelacije. GNSS Compare je aplikacija Evropske vesoljske agencije, ki prikaže rezultate GPS, Galilea in agregirani izračun obeh.
Poleg uporabe več različnih konstelacij pa novejši telefoni podpirajo tudi dual-frequency. Prvi čip, ki je to podpiral, je bil Broadcomov BCM47755 iz leta 2017 (ki podpira GPS L1 A/C in L5, Galileo E1 in E5a, GLONASS L1, Beidou B1 in QZSS L1 in L5). To v praksi pomeni, da sprejemajo več kot en signal satelitov. Za GPS, na primer, uporablja L1 in L5, za Galilea E1 in E5a itd. Medtem ko L1 uporablja frekvenco 1575,42 MHz in predstavlja prvi signal, ki so ga oddajali (in ga še vedno) GPS-sateliti, je L5 na frekvenci 1176,45 MHz novejši. Uporaba več frekvenc omogoča izračun nekaterih faktorjev (npr. efektov ionosfere), zaradi česar je rezultat natančnejši. Galileo uporablja enaki frekvenci. To seveda nista edina signala, saj ima Galileo kar E1, E5, E5a, E5b in E6, civilni del GPS pa L1 C/A, L2C, L5 in L1C.
Novejši signali L5 in E5a so manj občutljivi na odboj signala (multipath error), zato so primernejši za uporabo v gosto pozidanih območjih. V praksi uporaba teh signalov pomeni razliko med poznavanjem, po kateri cesti se peljemo in po katerem pasu. Dvofrekvenčni GPS podpirajo novejši in dražji telefoni, denimo Google Pixel 4, Huawei Mate 20, Samsung Galaxy S10. Nekateri novejši telefoni podpirajo dostop do surovih informacij (raw GNSS measurements). Seznam podprtih je objavil Google: https://developer.android.com/guide/topics/sensors/gnss#supported-devices.
Podpora za več konstelacij omogoča natančnejšo določitev lokacije, ker »vidimo« več satelitov. Foto: Furuno.com
Signal GPS je neprimerno šibkejši od mobilnega, pametni telefoni kot dodatek uporabljajo še druge čute za določanje lokacije. To so pospeškomeri, podatek o bazni postaji, dostopna Wi-Fi omrežja itd. A glavni vlečni konj je seveda sprejemnik GPS. Čipov, ki to zmorejo, seveda ne delajo proizvajalci telefonov sami, temveč jih kupijo. V ogromnih količinah se njihova cena spusti do 2 dolarjev na kos. Broadcom, ki pokriva vse nove Applove telefone, izdeluje samostojne čipe. Številni proizvajalci pa uporabijo integrirane v SoC-ih, denimo Qualcommovi Snapdragoni imajo svoj GPS že vgrajen.
Za običajno rabo je uporaba sistemov GPS in Galileo ali GLONASS, kar imajo praktično vsi telefoni, dovolj. Če upoštevamo, da je življenjska doba telefonov v najboljšem primeru nekaj let, s tega vidika ni potrebe pri telefonu izbirati takega, ki bo podpiral vse konstelacije in še obe frekvenci. Preden bomo to potrebovali v resničnem življenju, bo telefon že zastarel. Vseeno pa je zanimivo vedeti, kaj vse te oznake pomenijo.