Systém GPS neumožňuje přesné měření nadmořské výšky, a proto výrobci přidávají do svých přístrojů elektronický barometrický výškoměr. Podívejte se, na jakém principu funguje.
Nadmořská anebo relativní výška nad povrchem země představuje například pro letectví zcela klíčový údaj. V případě navigací si význam této informace posuzuje každý sám: většina turistů a sportovců nadmořskou výšku nesleduje, spokojí se jen s absolvovanou vzdáleností, případně rychlostí. Pro menší skupinku s mottem „nezáleží, jak daleko, nýbrž jak vysoko“ se však měření nadmořské výšky stává prioritou a více než nad celkovými kilometry se tetelí blahem nad výškovým profilem právě absolvované trasy. Patřím k nim.
Tip: možná vás bude také zajímat, jak funguje elektronický kompas.
Americký systém GPS však z technologického principu nenabízí příliš přesné měření nadmořské výšky. Princip trilaterace funguje velmi dobře pro prostorové určení polohy. Pro měření nadmořské výšky, nebo ostřeji změn nadmořské výšky, však velmi rostou nároky na přesné měření vzdálenosti přijímače od satelitů. Vzhledem ke zkreslení signálů při průchodu ionosférou pak zůstává přesný výpočet změny výšky velmi složitý.
V praxi se problém projevuje takzvaným dýcháním nadmořské výšky. Jakýkoli přístroj fungující pouze na základě systému GPS vám na jednom místě bude v průběhu času neustále měnit nadmořskou výšku, a to – i za podmínky špičkového příjmu – až do rozsahu několika desítek metrů bez ustálení na konkrétní hodnotě. Pokud pak používáte program, který vám na základě zaznamenané trasy počítá nastoupané metry, zjistíte, že jste při lehké projížďce údolím nastoupali pár stovek metrů. Vypadá to hezky, ale nezhubnete.
Když pomůže software
Ukázku dýchání výšky ilustruje následující obrázek, kdy zhruba před 25 kilometrem ležel přijímač na jednom místě bez hnutí. Co vteřinu se mírně měnila poloha přijímače (tzv. driftování) a tím i nadmořská výška (modrá linka).
Všimněte si: změny výšky před 25 kilometrem se do celkového stoupání nenačítají
Tyto problémy dokáže částečně vyřešit software, který záznam trasy stahuje z přístroje a vyhodnocuje. Na předchozím obrázku si všimněte nejen zelené linky – výškového profilu trasy, ale i modré linky, která vyjadřuje absolutní hodnotu nastoupaných metrů. Opět se zaměřte na pětadvacátý kilometr, kdy program Qsports od výrobce Qstarz potlačil nežádoucí dýchání nadmořské výšky a linka zůstává vodorovná. Dopad filtrace je pak jednoznačný: zatímco číselný, nefiltrovaný údaj hovořil o nastoupaných 811 metrech, graf vyšplhal na rovných 500. Rozdíl zhruba čtyřicet procent. Ne každá aplikace však takovou filtraci bodů nabízí a pozor tedy na nereálné optimistické výsledky.
Vznik barometrického výškoměru
Problém s dýcháním nadmořské výšky na základě dat systému GPS si uvědomili výrobci nejrůznějších navigačních přístrojů. Brzy se na trhu objevily přístroje, které výpočet výšky místo výpočtem z GPS suplovaly barometrickým výškoměrem.
Barometrický výškoměr měří hmotnost sloupce vzduchu nad daným místem, přičemž platí logická rovnice, že s rostoucí nadmořskou výškou klesá mocnost tohoto sloupce vzduchu a tím i vyvíjený tlak. Abychom situaci neměli tak jednoduchou, pokles tlaku s výškou není ideálně lineární, nicméně toto zajímá pouze ty, kteří nestojí nohama anebo kolama pevně na zemi.
Drobná historická odbočka do středověku a do školních lavic fyziky. Barometr objevil okolo roku 1645 italský matematik Evangelista Torricelli, žák slavného Galilea. Jako první vytvořil jednoduchý barometr pomocí nádoby s rtutí a dnem vzhůru otočeným skleněným válcem. V horní části válce se vytvoří určitý prostor s podtlakem, kam může rtuť při zvýšení atmosférického tlaku na volnou hladinu v nádobě stoupat. Při poklesu tlaku naopak hladina ve válci poklesne. Pak již stačí pouze válec vhodně ocejchovat a barometr je na světě.
Náčrt principu fungování jednoduchého barometru, jak jej vynalezl Torricelli
Jistě ale uznáte, že nosit s sebou nádobu, skleněný válec a nějaké to deci jedovaté rtuti není příliš lákavé. Rtuť byla zvolena záměrně díky své vysoké hmotnosti. Kdyby Torricelli použil nezávadnou vodu, jeho skleněný válec by musel být vysoký minimálně 10 metrů.
Přívětivá podoba barometru: aneroid
Výsledkem bádání, jak barometr zabalit do přívětivější formy, se stal takzvaný aneroid. Základem je kovová plochá uzavřená kapsle obsahující minimum vzduchu s pružnými stranami. Změna atmosferického tlaku pak ovlivní tloušťku této kapsle, jejíž změnu pak přímým propojením zobrazuje ručička na ciferníku. Pro vyšší přesnost se často používá série těchto kapslí.
Změna tloušťky kapsle na základě okolního tlaku (zdroj)
Aneroidy často najdete v domácích meteostanicích, čímž se pomalu dostáváme do křížku s našim původním záměrem využití barometru. Jak známo, se změnou počasí se mění i atmosferický tlak: nízký tlak nás varuje před požmourným počasí s vyšší pravděpodobností srážek, vysoký tlak naopak slibuje modrou oblohu.
Barometrický výškoměr založený na aneroidech (zdroj Encyclopedia Britannica)
Důsledkem toho musíme potvrdit méně příjemnou pravdu: ani přístroj s barometrickým výškoměrem vám nezaručí absolutně přesnou hodnotu nadmořské výšky kdykoli a kdekoli. Ve většině případů nám ale jde především o výškový profil trasy a její relativní, nikoli absolutní hodnoty. Trasu navíc absolvujeme často během jednoho dne, obvykle za stálého a neměnného počasí.
Pokud chcete sledovat svou absolutní nadmořskou výšku, nevyhnete se u turistických navigací kalibraci výškoměru. Jednoduše řeknete přístroji, že stávající naměřený tlak odpovídá vám známé nadmořské výšce (odečtem údaje z mapy nebo z kóty). Bohužel, taková kalibrace se pro přesné získání absolutních údajů musí provádět poměrně často, například před každým výšlapem anebo i při prudké změně počasí během dne. Změna počasí přitom může vyvolat odchylku až několik desítek metrů.
Elektronická verze barometru
Torricelliho nádobu s rtutí se výrobcům do turistických přístrojů překvapivě vměstnat nepodařilo a neuspěli ani s menším aneroidovým barometrem. Podobně jako v případě elektronického kompasu se hledala elektronická verze barometrického výškoměru. Jakkoli to zní zajímavě, vězte, že jde pouze o jinou podobu tlakoměrů, které se využívají všude kolem nás: v motorech, potrubích a podobně. Přitom se využívá několik často i zcela odlišných technologií.
Blokové schéma barometrického výškoměru Intersema MS5561-C (datasheet)
V rámci běžných tlakoměrů se nejvíce využívá takzvaného piezoresisitivního jevu. Určité materiály mají schopnost měnit svůj odpor na základě mechanického namáhání, a tedy i tlakem. Působí-li tedy na povrch materiálu, určitý tlak, mění se jeho odpor. Tento jev lze pozorovat u kovů i polovodičů, přičemž v druhém případě je efekt mnoho násobě vyšší. Při tlaku dochází k deformaci vnitřních struktur, čímž se mění průchodnost volných záporných elektronů a kladných děr. Při stálém proudu pak dochází k měřitelné změně napětí. Charakteristika polovodičů se výrazně mění spolu s teplotou okolí, proto musí senzory kompenzovat i tyto změny.
Pro vyšší přesnost se používá více senzorů v můstkovém zapojení. Pak je již otázkou dodatečných hardwarových komponent (AD převodníku, procesoru) a softwaru, aby signalizovanou změnu tlaku korektně vyhodnotil.
Lépe a přesněji
Elektronické výškoměry dosahují výborné přesnosti, při neměnném počasí i okolo jednoho metru, tedy o řád lepší než prostřednictvím systému GPS. V praxi barometrický výškoměr takřka nedýchá a získaný výškový profil odpovídá skutečnosti s velkou přesností.
Často dostáváme dotaz, zda se investice do dražšího přístroje s výškoměrem vyplatí. Odpověď je pak zcela prostá: pokud vás zajímá počet nastoupaných metrů a zajímá vás výškový profil náročného výšlapu, pak rozhodně ano. Cenový rozdíl se liší u jednotlivých modelů, například za Dakotu 20 si ve srovnání s modelem 10 připlatíte necelou tisícikorunu, u modelu Oregon je rozdíl vyšší. Nepřiplácíte si ale pouze za výškoměr, ale i za elektronický kompas a další funkce navíc. Myslím, že se v obou případech příplatek vyplatí.
