GNSS systémy jako je GPS, Galileo nebo BeiDou pomáhají vědcům sledovat antropogenní i přírodní změny. Polský geodet Radosław Zajdel vysvětluje, čím se od sebe jednotlivé metody liší a jak můžeme data z těchto družic využít. Díky programu MERIT Středočeského inovačního centra (SIC) se tomuto výzkumu věnuje ve Výzkumném ústavu geodetickém, topografickém a kartografickém.
„Pokládám si otázku, proč měření z různých GNSS systémů poskytuje odlišné výsledky,“ říká geodet Radosław Zajdel. (foto: Gabriela Goffová, zdroj: SIC)
Ve svém výzkumu pracujete s daty z globálních satelitních navigačních systémů (GNSS), jako je například GPS. K čemu se tyto technologie dají využít nad rámec geolokačních služeb, které nabízí například mobilní telefon?
GNSS je jedna ze základních geodetických technik, která je založená na příjmu mikrovlnných signálů ze soustavy obíhajících družic. Ve výzkumu ji využíváme k tomu, abychom přesně popsali tvar nebo rotaci Země a jejich změny. Můžeme například měřit lokální i globální posuny zemského povrchu, změny gravitačního pole nebo těžiště Země. GNSS měření jsou také zásadní pro sledování velkoplošných změn v rozložení hmoty na Zemi – například v atmosféře, hydrosféře nebo ledovcích.
Systém GPS byl první a funguje od 90. let. Jaké jsou další systémy a dá se o nich říct, že jsou technologicky pokročilejší?
Pokud jde o vědecké využití, tak GPS má jistá omezení, protože tento systém nebyl původně navržen pro účely výzkumu Země, ale pro vojenské využití. Až postupem času jsme zjistili, že se tyto družicové systémy dají použít i mnohem širším způsobem.
Jako vědci neustále vyvíjíme nové způsoby využití dat GNSS. Osobně to vnímám jako ekologický přístup: maximálně využíváme družice, které již létají na oběžné dráze, aniž bychom museli vypouštět další. Hledáme inovativní aplikace pro stávající infrastrukturu, čímž maximalizujeme její hodnotu a zároveň minimalizujeme dopad na životní prostředí.
Paralelně se systémem GPS byl vyvíjen ruský GLONAS. Evropská unie pak od roku 2011 spouštěla první družice systému Galileo – celá konstelace byla dokončena v roce 2022. Čína začala vyvíjet svůj systém BeiDou o něco později než Galileo, ale díky rychlému pokroku dosáhla globální operační schopnosti přibližně ve stejné době.
Nahradí tyto novější systémy GPS?
Spíš je potřeba ověřit, jestli nové systémy potvrzují závěry, ke kterým jsme došli na základě GPS. Z uživatelského a vědeckého hlediska umožňuje použití více systémů robustnější, přesnější a křížově ověřená pozorování. Nové systémy, jako je Galileo nebo BeiDou zvyšují naši schopnost detekovat jevy, které byly dříve pod citlivostí GPS, takže skutečnou hodnotou je spíše integrace než náhrada.
V čem se jednotlivé systémy odlišují?
Každý systém má své specifické vlastnosti nebo omezení. Jeden je lepší na monitorování krátkodobých změn, jiný pokryje malé změny v dlouhodobých procesech.
Ačkoli konstelace GNSS, jako jsou GPS, Galileo a BeiDou, slouží podobným účelům, liší se strukturou signálu, geometrií oběžné dráhy a dalšími technickými parametry. Tyto jemné rozdíly komplikují srovnatelnost dat a mohou ztěžovat určení, zda jsou odchylky, které pozorujeme, způsobeny skutečnými geofyzikálními jevy nebo třeba jen chybami při zpracování dat.
V čem je nejpoužívanější systém GPS výjimečný?
Je navržený tak, aby poskytoval vysokou opakovatelnost – satelitní konstelace se každý den ve stejný čas nachází v identické konfiguraci vůči Zemi, tedy laicky řečeno za 24 hodin Zemi oběhne a vrátí se na stejné místo. To sice zjednodušuje určování polohy, ale v jiných typech výzkumu to může být limitující. Například při snaze měřit rotaci Země dochází ke specifické rezonanci mezi pohybem satelitů a rotací planety, což může komplikovat interpretaci výsledků. To byl mimochodem jeden z klíčových poznatků mé disertační práce.
„GNSS data používáme k validaci modelů přírodních procesů,“ říká geodet Radosław Zajdel. Na fotografii ukázka dat v jeho notebooku. (foto: Gabriela Goffová, zdroj: SIC)
Čemu se věnujete ve svém výzkumu?
Pokládám si otázku, proč měření z různých GNSS systémů poskytuje odlišné výsledky, zaměřuji se hlavně na systém Galileo a BeiDou. K tomu využívám data z GNSS stanic, což jsou zařízení pevně ukotvená k zemské kůře a vybavená citlivými přijímači, pomocí kterých můžeme přesně sledovat i drobné posuny daného místa. Po světě je hustá síť takových stanic a díky ní dokážeme sledovat změny v různých regionech, ať už jde o tektonickou aktivitu nebo o dlouhodobé vlivy klimatických procesů.
Tato pozemní měření pak porovnáváme s měřeními z dalších družicových systémů. Tím můžeme lépe pochopit, který GNSS funguje za určitých podmínek nejlépe, identifikovat nesrovnalosti a pracovat na spolehlivější syntéze „pravdy“. Naše analýza může navíc poskytnout cenné informace pro vývoj samotného GNSS – družice se neustále modernizují a nahrazují novějšími a provozovatelé systémů aktivně vyhledávají zpětnou vazbu od vědecké komunity.
Kromě toho ale také pracujete s geofyzikálními modely. Jak je propojujete s vašimi daty?
GNSS data používáme k validaci modelů přírodních procesů, které připravují kolegové s příslušným zaměřením. Jde například o modelování slapových jevů oceánů jako je příliv a odliv, ale i o modelování atmosféry, hydrologických změn nebo dlouhodobých jevů, jako je pozvolné nadzvedávání zemské kůry po ústupu ledovců. Pokud mezi výsledky modelů a reálnými měřeními existují rozdíly, tak je potřeba zjistit, jestli je problém v samotném modelu, nebo v datech, kterými jej ověřujeme. Proto se snažíme pochopit, co způsobuje odchylky v měření – zda jsou výsledkem konkrétního satelitního systému, regionálních specifik nebo třeba nepřesností v modelech. Toto pochopení má zásadní význam i pro tvůrce politik. Například chyba 1 mm/rok v odhadu vzestupu mořské hladiny může znamenat rozdíl mezi stabilitou a existenčním rizikem pro celé pobřežní státy. Zjištění pravdy není jen vědeckým cílem – je to společenská nutnost.
Radosław Zajdel v Národní technické knihovně v Praze (foto: Gabriela Goffová, zdroj: SIC)
Vojenské versus civilní systémy
Fakt, že BeiDou a Glonass jsou vojenské systémy patřící Číně a Rusku, může vyvolat řadu bezpečnostních otázek. Nepřispíváte tím, že upozorňujete na chyby, k vylepšování obou systémů?
To určitě ne. BeiDou i Glonass jsou převážně pasivní systémy, což znamená, že přijmeme signál, analyzujeme ho, zpracujeme a získáme informace. Já pak data dále hodnotím. Problém obou systémů, ale i GPS, je ten, že o nich nemáme dostatek technických informací, což komplikuje vědecké využití dat, které jsou spíše vedlejším důsledkem jejich existence.
Proč se EU rozhodla vytvořit vlastní systém Galileo a kolik ji to stojí?
Evropská unie vytvořila satelitní systém Galileo, aby si zajistila nezávislost na americkém systému GPS a ruském systému GLONASS. Cílem Galilea je poskytnout civilně řízenou navigační službu s vysokou přesností. Tento strategický krok zvyšuje bezpečnost, přesnost a spolehlivost jak pro veřejné, tak komerční využití.
Galileo je plně financován Evropskou unií z daní občanů všech členských států. Podle Evropské kosmické agentury (ESA) činily celkové náklady na infrastrukturu 3,2 miliardy eur. Je však třeba počítat i s dalšími výdaji – některé zdroje uvádějí celkové náklady až 10 miliard eur. Roční provozní náklady pak činí 800 milionů eur, včetně nákladů na náhradní satelity.
Z mého pohledu Galileo představuje jednu z nejefektivnějších strategických iniciativ Evropy. Pro občany EU to znamená zhruba 7 eur na osobu za celou vývojovou fázi – tedy přibližně cenu jedné kávy jednou za několik let – výměnou za strategickou nezávislost a nejpřesnější navigační systém na světě, který slouží 4 miliardám uživatelů po celém světě
Galileo je od počátku vyvíjen jako civilní systém. K němu tedy technické parametry máte?
Přesně tak. A právě díky nim můžeme provádět velmi přesná měření a snižovat počet neurčitostí, které musíme odhadovat společně s tím, co jsme chtěli měřit. Dobrým příkladem je, že dříve jsme nedokázali podrobně modelovat síly, které působí na satelit, protože jsme neměli přesné informace o jeho konstrukci. Nevěděli jsme ani, jaké má satelit přesné rozměry, z jakých materiálů je zkonstruován ani jak je orientovaný při oběhu kolem Země – právě to nám může pomoci pochopit, jaké síly na družici ve vesmíru působí. Informace o satelitech Galileo jsou dostupné i vědcům mimo Evropskou kosmickou agenturu, takže všichni mohou poskytovat k vývoji systému zpětnou vazbu.
Mohou provozovatelé ovlivnit kvalitu signálu, který ze satelitů přichází?
Do určité míry to možné je. Například v počátcích GPS existovala takzvaná selektivní dostupnost a americké úřady úmyslně zhoršovaly přesnosti signálu. Ale geodeti si tehdy našli způsob, jak to obejít – začali pracovat s nosnou fází signálu místo s kódem, a tím dosáhli mnohem vyšší přesnosti i přes uměle zavedený šum.
Radosław Zajdel v Národní technické knihovně v Praze (foto: Gabriela Goffová, zdroj: SIC)
Jste jedním z držitelů stipendia MERIT, které uděluje Středočeské inovační centrum. Kudy vedla vaše cesta do Výzkumného ústavu geodetického, topografického a kartografického?
V roce 2021 jsem dokončil doktorát v oblasti kosmické a satelitní geodézie na Wroclawské univerzitě (Wroclaw University of Environemntal and Life Sciences) a už tehdy jsem se zabýval aplikacemi GNSS v geovědách. Svou první postdoktorandskou stáž jsem absolvoval v DLR – Německém středisku pro letectví a kosmonautiku v Oberpfaffenhofenu u Mnichova, pak jsem chvíli působil v GFZ Potsdam. Velmi mě potěšilo, že jsem za svou práci získal řadu ocenění a uznání odborníky, například v roce 2022 jsem byl oceněn jako jeden z pěti nejlepších mladých polských vědců do 30 let. Mám radost i z toho, že jeden z mých článků získal v roce 2021 ocenění za nejvýznamnější článek v oboru geodézie napsaný mladým autorem.
Proč jste si vybral zrovna VÚGTK?
V průběhu předchozích let jsem měl řadu mezinárodních spoluprací, jedna z nich byla také s kolegy z Geodetické observatoře Pecný, která patří pod VÚGTK. Během své vědecké cesty jsem se podílel na řadě žádostí o granty, často ve spolupráci s mezinárodními výzkumnými skupinami, mezi nimiž byla i spolupráce s Geodetickou observatoří Pecný, kterou vede dr. Jan Douša. Právě on mě také upozornil na možnost ucházet se o stipendium MERIT, které se mi nakonec podařilo získat. Přijel jsem v dubnu 2024 a stipendium mi končí v září 2026.
Co považujete za nejlepší výsledek své práce v rámci stipendia MERIT a co v něm ještě chcete stihnout?
Během prvního roku jsem se soustředil na spolupráci s Mezinárodní službou GNSS – moje činnost vyústila ve vývoj softwaru, zpráv a postupů, které budou uživatelům GNSS přinášet dlouhodobý prospěch. Letos jsem navázal formální spolupráci s Evropskou kosmickou agenturou a zajistil tak pro náš projekt nová odborná data a znalosti.
Také jsme zahájili novou vzrušující spolupráci s japonským úřadem pro geoprostorové informace (GSI) – využíváme jejich „superhustou“ síť přijímačů GNSS, abychom ukázali přínosy systému Galileo pro monitorování hydrologických změn v Japonsku. Tento různorodý projekt má několik větví, z nichž každá nabízí jedinečné možnosti rozvoje. Kromě toho podnikám první kroky v oblasti komercializačních strategií – pro mě zcela nové oblasti, ale jsem optimistický, že ESA BIC Czech Republic poskytuje vhodné prostředí pro zahájení této cesty.
Autorka: Tereza Mašínová, editor: Michal Ježek
Rozhovor vyšel ve Vědavýzkum.cz.
