Přijímače globálních satelitních pozičních systémů (GNSS) jsou rok od roku schopnější a v nových mobilních telefonech vyšší třídy dokážou dříve prakticky nemyslitelné věci.
Nejen že nastartují a vypočítají polohu téměř okamžitě, jsou ale také mnohem odolnější proti rušení a samozřejmě přesnější. Když jsem chtěl na svém někdejším eTrex Legend od Garminu zjistit, kde se nacházím, zapnul jsem přijímač, postavil jej na pařez uprostřed paseky a za minutu se na displeji zobrazily první souřadnice. Současný GNSS čip v mých sportovních hodinkách Fenix to zvládne v řádu jednotek sekund, a to i uprostřed hustého lesa.
GPS, Galileo i BeiDou dnes vysílají hned na několika kmitočtech, a tak už mají všechny nové telefony vyšší třídy vícefrekvenční přijímače
Nejnovější generaci vícefrekvenčních přijímačů pomáhá vedle sofistikovanějších zesilovačů a filtrů rádiového signálu také podpora několika různých kmitočtů od jednoho satelitního poskytovatele. Když tedy ve složitém terénu ztratíte třeba základní kmitočet Galileo E1, je tu ještě signál Galileo E5 a tak dále.
Vysílání na různých frekvencích může pomoci s rádiovým rušením všeho druhu, na jednom fenoménu si ale satelitní navigační systémy lámou zuby dodnes. Jestli jim něco dělá opravdu problém, tak to jsou rádiové odrazy.
Jde o čas
Prakticky všechny civilní satelitní poziční systémy totiž pracují na principu měření času – respektive porovnávání časem daných rozdílů v přijímaném signálu, ze kterého drobný GNSS čip v nitru telefonu vypočítá, jak dlouho letěl rádiový pulz od každé z družic, a tedy jak je od nich daleko.
Signál z družice GPS dorazil o něco později. Přijímač zjistí, o jaký posun se jedná (Δt) a získá tedy dobu letu mezi družicí a přijímačem.
No, a jelikož čip ví, kde se právě teď jednotlivé družice nacházejí, co nejpřesnější odhadnutí své vlastní polohy je už otázkou relativně jednoduché matematiky.
Co mikrosekunda, to stovky metrů
Jelikož je základem přesného měření čas, záleží kvůli známé rychlosti světla na každé mikrosekundě. Světlo urazí ve vakuu zhruba 300 metrů za mikrosekundu. Kdyby se tedy signál z družice zpozdil byť jen o její setinu, tedy 10 nanosekund, přijímač v telefonu si bude myslet, že se družce nachází o 3 metry dál než ve skutečnosti je, což přirozeně ovlivní další výpočty včetně finálního odhadu naší polohy.
Známe-li vzdálenost ke třem družicím, můžeme odhadnout první hrubou polohu
Realita je ale ve skutečnosti mnohem, opravdu mnohem složitější. Do hry totiž vstupuje ještě ionosférické rušení ve vysokých výškách atmosféry, které také zpomaluje rádiový signál, a hromada dalších jevů, jež se snaží operátoři družicových pozičních systémů řešit nejrůznějšími korekčními technologiemi a výrobci přijímačů zase stále komplexnějšími algoritmy.
V 3 850 městech bude superpřesné GPS
S jedním takovým opravným algoritmem nyní přichází Google a slibuje, že naše telefony budou mnohem lépe odhadovat polohu nejméně v 3 850 městech světa. Seznam se postupně rozšiřuje a nechybí v něm ani všechna velká města v Evropě vyjma Ukrajiny a Ruska. Tedy i Praha a snad i další krajské metropole, pro které má Google zpracovaný svůj detailní trojrozměrný model budov. Právě o ten tady totiž jde.
GPS signál sice doputoval do telefonu, ale je odražený (červená), a tak letěl o něco déle. Výsledná poloha tedy může mít mnohem vyšší odchylku (zelená).
Pokud se budete s telefonem procházet v úzkých uličkách evropských středověkých měst, anebo naopak na širokých bulvárech New Yorku mezi mnohasetmetrovými mrakodrapy, váš telefon nebude mít často přímý výhled ani na jednu z družic GPS, Galilea, GLONASS a BeiDou. Velmi slabý signál, který cestuje tisíce kilometrů a neprojde takovou masou budov, se ale k anténě telefonu přesto dostane právě skrze odrazy od vhodných okolních budov.
Moderní budovy fungují jako rádiový reflektor. Díky tomu sice GPS signál doputuje až na dno, ale není příliš kvalitní.
Jenže kvůli těmto odrazům pochopitelně signál nacestuje desítky i stovky metrů navíc, a tak se může finální odhad polohy výrazně lišit. V lese při výletě na Kokořín by to sice ničemu nevadilo, ovšem ve městě jde opravdu o každý metr – třeba o odhad strany ulice, po které se právě procházíme.
Máme 3D modely budov, tak co kdybychom odečetli odrazy?
V Googlu si proto řekli, že zkusí tyto korekce opravit, protože v minulosti pomocí šikmých leteckých snímků a vozů Street View strojově vytvořili detailní trojrozměrný model většiny světových metropolí. Vědí tedy, kde jsou vysoké budovy, kde jsou úzké uličky, no a pokud se v nich budeme právě nacházet, mohli by to nějakým způsobem sdělit pozičnímu koprocesoru a jeho firmwaru.
Korekce budov vypočítá Android a předá je GNSS čipu, který konečně odhadne finální polohu. Podpora technologie tedy musí být na obou stranách.
Nejedná se přitom o žádnou laboratorní studii z Arxivu, ono to totiž už funguje! Jako první se dočkaly telefony Pixel 5 a Pixel 4a 5G. Android se na nich může dostat k surovým datům od lokalizačního subsystému na obvodu Qualcomm Snapdragon 5G Mobile Platform, porovnat je s modely budov v daném místě, no a vrátit zpět korekci, kterou firmware od Qualcommu vezme v potaz.
Zatím jen pro chodce
Jak jsme si už řekli výše, technologie funguje v bezmála čtyřech tisících měst, jejichž kompletní 3D model by pochopitelně zabral veškerou paměť telefonu. Byly by to desítky GB dat! Namísto toho se tedy z internetu stáhnou údaje o budovách vždy jen pro danou oblast, ve které se majitel telefonu zrovna nachází. Podle Googlu je k tomu vyhrazeno zhruba 20 MB a telefon musí být připojený k internetu.
Zjednodušený korekční model pro danou oblast zabere v paměti zhruba jen 20 MB a telefon si jej stáhne až v případě aktuální potřeby
Korekční technologie nebude zároveň alespoň zpočátku fungovat za všech podmínek. Google totiž k jejímu vývoji použil strojové učení. Sledovalo, jak se mění kvalita GPS/Galileo/GLONASS/BeiDou signálů při chůzi a podle charakteru budov v bezprostředním okolí. Tímto způsobem inženýři vycvičili pravděpodobnostní model, který je ale optimalizovaný právě pro chodce.
Dramatické zvýšení přesnosti ve městech
Když tedy IMU jednotka (gyroskop, akcelerometr, kompas aj.) v nitru telefonu zjistí, že se procházíte a máte spuštěné mapy, Pixel 5/4a 5G stáhne modelová data pro konkrétní dědinu, spojí se s lokalizačním čipem a začne mu předávat korekční údaje. Když si ale zavoláte taxík, bude to opět jen staré chybové GPS bez korekcí.
Skutečná chůze (žlutá), běžný přijímač (červená), 3D korekce na telefonu Pixel 5 (modrá)
Jak ukazují zveřejněné snímky, rozdíl v kvalitě počítání polohy je ohromující. S aktivní korekcí například o 75 % klesne špatné určení strany ulice, po které se právě procházíme, což otevírá prostor pro nové a velmi přesné navigační aplikace, lépe fungující rozšířenou realitu atp.
Technologie se dostane i na další telefony
No dobrá, takže majitelé nejnovějších pixelů dostali v rámci prosincové aktualizace novou hračku, ale co ty miliony dalších? Google slibuje, že se bude postupně jednat o standardní funkci telefonů s Androidem 8+. První generace korekčního mechanizmu může dorazit na telefony jako aktualizace balíku Play Services už v horizontu několika příštích týdnů a Google slibuje ve městech až 50% zlepšení.
Verze 2, kterou právě teď dostávají Pixel 5 a Pixel 4a 5G, ostatní získají až v průběhu prvního pololetí 2021. Zároveň není úplně jasné, zdali se bude novinka týkat opravdu všech zařízení s Androidem 8 a vyšším, anebo jen těch s vybranými lokalizačními čipy s adekvátním firmwarem.
Google samotný na blogu pro vývojáře cituje partnerské výrobce, a tak víme, že s ním spolupracuje Qulacomm a 3D korekce bude podporovat jeho obecná platforma Qualcomm Location Suite. Chlubí se také Broadcom, ten je ale už konkrétnější a potvrzuje, že technologii integroval přinejmenším do GNSS čipu BCM47765. Do třetice nesmíme zapomenout ješě na MediaTek, který nicméně také zmiňuje jen svoji vlajkovou platformu Dimensity 5G.
Ať už bude praktická podpora korekcí jakákoliv, Google v každém případě už pracuje na dalších pohybových vzorech, a tak chodce časem doplní i korekční model pro automobily a další dopravní prostředky.
