Za centimetre gre

Že nekaj let je moč kupiti telefone, ure in druge pametne naprave, ki podpirajo dvofrekvenčni GPS. Desetletje staro iznajdbo je prvi posvojil Xiaomi, lani pa končno še Apple. Danes jo imajo tudi pametne ure in podobne naprave. Proizvajalci obljubljajo izboljšano natančnost, ZDA pa zagotavljajo, da signala ni mogoče ugasniti. A da bomo lahko na Stravi gledali kolesarjenje na centimeter natančno, morajo v vesolju zamenjati 24 satelitov. Več kot polovico so jih že.

Primerjava iste poti, kot so jo izmerili sprejemniki s podporo za različne signale GPS: L1 – vijolična, L1 + L2 – rumena, L1 + L5 – zelena. Slika: Mike Horton

Pred petimi leti je kitajski proizvajalec Xiaomi izdal novo različico pametnega telefona Mi 8, s katerim je resno skočil v zelje uveljavljenim proizvajalcem androidnih telefonov. To je bil tudi prvi telefon, ki se je pohvalil s posebej natančnim določanjem lokacije zaradi uporabe dvofrekvenčnega GPS. To je bilo mogoče, ker je podporo prinesel že Android 8.0 avgusta 2017, ki mu je mesec dni pozneje sledila izdaja čipa Broadcom BCM47755 s strojno podporo za to tehnologijo.

Xiaomijeva konkurenca ni počivala in že nekaj mesecev pozneje je enako storil Huawei s telefonom Mate 20 Pro. V naslednjih letih so sledili še ostali, denimo Samsung Galaxy S20, Realme X50 Pro in OPPO Find X2. Apple, ki je tako pogosto pionir novih tehnologij, se je odločil nekoliko počakati. Novost je vgradil šele v iPhone 14 Pro, ki je izšel lani jeseni.

Vsi novi civilni signali

Konstelacija GPS je sredi večje nadgradnje, ki ne prinaša le enega novega civilnega signala, ampak kar tri. Obstoječemu L1 C/A se pridružujejo še L2C, L5 in L1C. Imena so morda izbrana neposrečeno, a se držijo uveljavljenega poimenovanja obstoječih frekvenc.

Civilisti dobivamo dostop do L2C, ki se bo oddajal na isti frekvenci (1227,60 MHz) kakor vojaški signal. S sprejemanjem signala L1 C/A in L2C hkrati je mogoče odšteti vpliv ionosfere, kar nudi enako natančnost, kakor jo ima vojska. Hkrati prinaša hitrejše iskanje satelitov, večjo zanesljivost in širše območje delovanja. Signal je še vedno v preizkusni (pre-operational) fazi.

Drugi novi civilni signal je L1C, ki se oddaja na isti frekvenci (1575,42 MHz) kot obstoječi L1 C/A. Zadnjemu se počasi izogibajo in bo ostal le zaradi združljivosti za nazaj. Hkrati se na tej frekvenci oddajata še dva vojaška signala. L1C uporablja modulacijo MBOC (Multiplexed Binary Offset Carrier), ki olajša sprejem signala v mestih. Razvili so ga kot skupni signal za GPS in Galileo, zdaj pa omogoča mednarodno sodelovanje. Podobne signale imata tudi kitajski BeiDou in japonski QZSS.

Tretji novi signal pa je že omenjeni L5 (1176,45 MHz), ki tudi še ni povsem nared, a deluje dovolj dobro, da so si proizvajalci telefonov upali vgraditi sprejemnike zanj.

Do danes so dvofrekvenčni GPS dobile tudi pametne ure. Apple Watch Ultra ga ima, dražje Garminove ure tudi, Coros ga je vgradil v Vertix. Uporabljajo ga tudi pametne zapestnice in druge naprave. GPS doživlja drugo renesanso. To velja dobesedno, saj dvofrekvenčni GPS ni novost, ki bi jo proizvajalci pametnih naprav nenadoma začeli vgrajevati v svoje naprave, temveč se z novimi sateliti nadgrajuje tudi konstelacija GPS. Dvofrekvenčni način delovanja naj bi bil popolnoma funkcionalen do leta 2027, ko ga bo podpiralo 24 satelitov, a marsikje po svetu deluje že zdaj. Imajo ga tudi konkurenti, torej evropski Galileo in kitajski BeiDou.

Za natančnost gre

O delovanju sistema GPS (Sateliti, brez kateri ne moremo, Monitor 12/14) in konkurenčnih konstelacij (GPS in njegovi mlajši bratje, Monitor 06/20) smo že obširno pisali. V zadnjem desetletju se koncept delovanja ni bistveno spremenil, zato si bomo pogledali samo glavne novosti.

Do leta 2000 je bil GPS za civilno uporabo zgolj pogojno uporaben. V ZDA je vladalo prepričanje, da bi natančen sistem globalne navigacije lahko izrabili sovražniki in jih z njim napadli. Sateliti so zato oddajali popačen signal, ki ga je lahko natančno odšifrirala le ameriška vojska, saj je poznala algoritem za njegovo popačitev. Vsi ostali smo se morali zadovoljiti z natančnostjo približno sto metrov. Šele tedanji predsednik Bill Clinton je odločil, da se ta praksa prekine. Od leta 2000 je GPS natančen na približno pet metrov, od leta pa 2007 novi sateliti sploh nimajo več možnosti oddajanja popačenega signala, trdijo ZDA. To je pač postalo nepomembno, ker imajo tudi konkurenčne države in skupnosti (Kitajska, Rusija, Japonska, EU) svoje globalne navigacijske sisteme.

Čeprav ima javnost odtlej dostop do čistega signala, GPS še vedno ni bolj natančen kot na nekaj metrov. Vzrokov je več, najpomembnejši pa so atmosferski efekti, odboj signala od stavb in časovna nenatančnost zaznavanja signalov. Manj k pogrešku prispevajo negotovosti pri poznavanju tirnice satelitov, njihove hitrosti in natančnosti atomskih ur.

Ameriška vojska pa ostaja korak pred nami, saj ima še vedno natančnejše lokacijske podatke. Poleg signala L1 imajo dostop tudi do L2, ki se oddaja na drugi frekvenci, zato je mogoče z upoštevanjem obeh signalov dobro odšteti vplive atmosfere in odbojev signala od stavb. Kaj, če bi nekaj podobnega storili tudi s civilnim signalom? Rečeno, storjeno.

Nova frekvenca

Signal L1 C/A se oddaja na frekvenci 1575,42 MHz, ki ni izbrana naključno. To je natanko 154-kratnik osnovne frekvence satelita (10,23 MHz), hkrati pa sodi v pas L (1,0-2,0 GHz), kjer so vplivi atmosfere sorazmerno majhni. Za lovljenje valov z višjo frekvenco bi potrebovali usmerjene antene, pod 500 MHz pa atmosfera preveč vpliva na prehod signala.

Da bi natančno določil lokacijo, mora sprejemnik prepoznati direktni signal, ki prispe prvi. Signali L1 se lahko »prerivajo«, L5 pa imajo višjo ločljivost. Slika: IEEE

Ameriška vojska ima dostop tudi do signala L2 s frekvenco 1227,60 MHz, ki civilistom ni (bil) dostopen. Obstajajo še L3 (1381,05 MHz), ki se uporablja za zaznavanje jedrskih poskusov, L4 (1379,913 MHz) in L5 (1176,45 MHz). In prav zadnji omogoča uporabo dvofrekvenčnega GPS tudi v civilne namene.

Ali moj telefon podpira dvofrekvenčni GPS?

V preteklosti je vladalo nemalo zmede, ker so nekateri telefoni imeli čipe (SoC), ki so načelno podpirali dvofrekvenčni GPS (npr. Snapdragon 855), a niso imeli ustrezne strojne opreme. Ali novo funkcionalnost lahko tudi v praksi uporabimo, lahko preverimo z aplikacijami. Aplikacije, kot je GPSTest, v novih različicah že prikazujejo, ali telefon uporablja L5 oziroma E5a. Lahko pa tudi pogledamo v surove podatke, ki jih zajame GNSSLogger.

GPSTest pokaže, ali telefon podpira dvofrekvenčni GPS.

Signal L5 se oddaja v frekvenčnem območju, ki je rezervirano za letalski promet in njegovo varnost. Zaradi tega motenj ni in se lahko oddaja močneje. Prvi satelit, ki ga je poskusno oddajal, je bil GPS IIR-20(M), kar mu je uspelo leta 2009. Prvi satelit z namenskim oddajnikom je bil GPS IIF, ki so ga izstrelili maja 2010, aprila 2014 pa so signal odprli tudi civilni uporabi. Odtlej imajo novi sateliti to podporo in do danes je takšnih že 18. To je še vedno premalo, da bi bil sistem polno funkcionalen – potrebujemo jih 24 –, je pa že zelo blizu in večinoma deluje.

Zakaj L5 pomaga

Ni samoumevno, da bo dodaten signal izboljšal delovanje GPS. Navsezadnje ga še vedno oddaja isti satelit, ki leti po isti dobro ali slabo poznani tirnici, njegova ura pa tiktaka enako natančno. Tudi sprejemnik je še vedno isti in na isti lokaciji, signal pa je prepotoval povsem isto pot. Od kod torej izboljšave? Signal ni isti.

Elektromagnetno valovanje zavzema tako širok spekter, da včasih pozabimo, da so radijski valovi, vidna svetloba in rentgenski žarki različne plati istega kovanca. Radio lahko poslušamo, četudi oddajnika ne vidimo, medtem ko gledati za ovinek ne moremo. Radijski valovi potujejo skozi zid, a ne v tunele, rentgenski žarki pa skozi človeško telo. Razlikujejo pa se le v frekvenci.

Kako se bodo posamezni elektromagnetni valovi »obnašali«, je odvisno od njihove frekvence. Signal L5 uporablja drugačno frekvenco kot L1. Zaradi tega bo vpliv atmosfere nanju različen in tudi od stavb se bosta odbijala drugače. Vse to sprejemniku omogoča, da te napake prepozna, odšteje in s tem natančneje določi lokacijo.

Moderni čipi v telefoni podpirajo sprejem več signalov navigacijskih sistemov. Slika: Broadcom

Odboji od stavb oziroma napake zaradi večkratne poti (multipath error) predstavljajo težavo, ker izračun lokacije temelji na merjenju razdalje od sprejemnika do različnih satelitov. Tega neposredno ne moremo storiti, lahko pa merimo, koliko časa potuje signal od satelita do sprejemnika. Če zaznavamo poleg signala, ki je pripotoval po najkrajši poti, še njegove odmeve po odbojih, to predstavlja motnjo. Ta je večja v globelih, vintgarjih in ozkih dolinah, čemur se zelo približamo v mestih. Tam mrgoli visokih stavb, ki motijo pogled na satelit in hkrati predstavljajo idealne površine za odboj signala.

Druga težava so fizične prepreke. Ne potrebujemo ravno Faradayeve kletke, da signal GPS močno oslabimo. V stavbah je že po pravilu slab, a težave lahko predstavljajo tudi gosta drevesa, ozke doline ali nebotičniki v bližini.

Frekvenci signalov L1 C/A in L5 sta preveč podobni, da bi zgolj ta razlika upravičevala nadgradnjo satelitov zavoljo izboljšave natančnosti. Signal L5 je zato tudi kvalitativno drugačen, saj se modulira z 10-krat večjo bitno hitrostjo (chip rate) 10,23 Mchip/s kot L1 C/A. Signal ima desetkrat večjo prepustnost za prenos podatkov, zato je zato strukturiran drugače, da vsebuje več informacije. Poleg tega sateliti oddajajo L5 z večjo močjo, tako da ga na Zemlji sprejemamo vsaj z –127 dBm, medtem ko je za L1 C/A ta vrednost –128.5 dBm. Enota je logaritemska, v praksi je torej signal dvakrat močnejši.

Vse to pripomore k višji stopnji natančnosti, kadar uporabljamo L5. Poenostavljeni lahko rečemo, da sta izboljšavi dve. Močnejši signal prodre skozi več ovir, kar zmanjšuje možnost, da bi ga odboji »preglasili«. Poleg tega pa krajši pulzi (10-krat večja bitna hitrost) omogočajo boljšo resolucijo, zato je mogoče bolje ločiti neposredni signal od odbitih. V praksi je to namreč enostavno, saj bo neposredni signal vedno prispel prvi, a če se bo zaradi nižje resolucije zlil z odbitimi signali, bo rezultat »razmazan«. Te težave L5 zmanjšuje, ker je »ostrejši«.

Koliko je res boljši

V idealnih pogojih, torej sredi kakšne visokoležeče puščave v jasnem vremenu, bi bila uporaba L1 in L5 dvakrat natančnejša od L1. Natančnost je tu definirana kot verjetna krožna napaka (CEP). To je v praksi krog, za katerega velja, da bo s 50-odstotno verjetnostjo prava vrednost ležala v notranjosti. Podjetje Notthingham Scientific je ob izidu telefona Xiaomi Mi 8 naredilo preizkus s Samsungom S8, kot referenco pa so uporabili specializirani sprejemnik Septentrio PolaRx5e. Mi 8 z dvofrekvenčnim GPS je imel CEP 2,75 metra, Samsungov telefon pa 4,92 metra.

A resnično življenje je komplicirano. Za GPS ni težava absolutna dosegljiva natančnost, temveč motnje, ki jih v urbanem okolju predstavljajo stavbe in podobno. V neznanem mestu je bistveno, da nas GPS ne usmeri v napačno ulico. Ko se bodo vozili samovozni avtomobili, bodo morali vedeti, na katerem pasu so. V mestu, ne sredi avtoceste sredi ničesar.

Mike Horton, ki se ukvarja s satelitsko navigacijo in dela za Anello Photonics ter Geodnet, se je zato zapeljal okoli letališča v San Franciscu. Primerjal je, kako natančno njegovo pot izmerijo različni poceni sprejemniki, kot so Quectel LC79D L1+L5, Ublox F9 L1+L2 in Ublox M8 L1. Rezultat govori sam zase. Kjer ovir ni, so vsi enako dobri, v bližini stavb ali celo njihovi notranjosti pa uporaba L1 in L5 premaga L1 in L2, medtem ko je L1 tako in tako bistveno slabši.

Dva je več kot ena

Seveda se lahko na koncu vprašamo še, zakaj vse to kompliciranje. Če je L5 toliko boljši od L1, zakaj ne uporabljamo le L5? Razlogov je več. Prvič, L1 C/A je pač uveljavljeni, starejši način (legacy), ki ga ZDA verjetno nikoli (ali pa še zelo dolgo časa) ne bodo izklopile, ker je na svetu preprosto preveč različnih naprav, ki ga uporabljajo. L5 resda oddaja že 18 satelitov, a to še ni dovolj, da bi ga razglasili za polno funkcionalnega. In navsezadnje – če telefoni že podpirajo L1, potem nima nobenega smisla tega odstranjevati. Dva signala sta vedno boljša od enega.

In ker so trije še boljši, se naslednji korak ponuja že sam po sebi. Sprejemniki v telefonih, ki bodo zmogli sprejemati vse tri kanale (novi L1C, L2, L5), bodo še natančnejši. Izračunavanje lokacije glede na podatke treh frekvenc (še vedno potrebujemo štiri satelite) se imenuje trilaning in bo omogočilo centimetrsko natančnost.

Pri tem ne smemo pozabiti, da je svet več kot GPS in ZDA. Konkurenčni navigacijski sistemi, ki jih moderni telefoni takisto razumejo, prav tako oddajajo v več pasovih. Galileo E5a in QZSS L5 sta primera signalov, ki bosta na podoben način kakor GPS L5 omogočala dvofrekvenčno uporabo in izboljšano določanje lokacije.