Мета гутірки
Ознайомити юнацтво з системою глобального позиціонування (GPS) та можливостями його застосування в рамках підготовки до здачі вмілості "Картографія ІІ"
План проведення
- Обговорити з юнацтвом прилади, за допомогою яких можна орієнтуватися на місцевості
- Що таке GPS і як воно виникло
- Як працює GPS
- GPS прилади для мандрівництва
- Підведення підсумків, порівняння традиційних приладів для орієнтування з приймачем GPS
Основний матеріал
Теоретичний матеріал гутірки варто доповнити практичним заняттям (грою,використанням GPS під час мандрівки та ін.). Без сумніву, під час гутірки необхідно продемонструвати як працює GPS на приладі.
Що воно таке?
За часів першої війни в Іраку американські ВМФ під егідою Міноборони США запустили в експлуатацію систему глобальної сателітарної навігації NAVSTAR, аби влучніше потрапляти ракетами в ціль. Сама абревіатура GPS (global positional system/satellite) була введена для позначення принципово нового стандарту комунікації. А перший апарат запустили у 1978 році, коли про комерційне використання такої системи ніхто й гадки не мав. Але її зручність «розкусили» всі. У відповідь СРСР запустив власну систему «зоряних війн» ГЛОНАСС, яка, на відміну від американської, досі залишається закритою для простих смертних. За приблизними розрахунками, вона обійшлася державі у 15 млрд. доларів. Системи відкривали нові можливості перед військовими — здатність визначення власного місцезнаходження і дистанційного керування безпілотними об’єктами.
Приблизно з початку 1980-х років починається комерційна ера використання стандарту GPS. А перші фірми-виробники (Garmin, Magellan) «відвойовують» доступ до каналів системи і починають налагоджувати виробництво пристроїв-приймачів.
Принцип дії
Комплекс GPS складається з понад 25 діючих супутників, що обертаються навколо планети на висоті в середньому 15 000 км, ряду наземних підсилюючих станцій та власне приймачів.
Супутники на орбітах розташовані так, щоб у будь-який час і в будь-якій точці земної кулі на небосхилі їх було достатньо для навігації. Приймач GPS сканує радіоефір на частотах 1,2 і 1,5 ГГц, виявляє всі можливі супутникові сигнали і на основі часових затримок, визначених за допомогою високоточних атомних годинників, встановлює відстань до сателіта і відповідно — власне розташування на земній кулі у трьохвимірному просторі з отриманням координат X, Y та висоти Z. Ці дані конвертуються процесором пристрою в градуси, мінути та секунди, які й співставляються з картою. На малюнках нижче зображено як працює вся система супутників і як працює один супутник.
Жодна альпіністська експедиція в Гімалаї, на Памір чи Кавказ не обходиться без GPS-навігатора. І навіть в Карпатах — у другому за складністю орієнтування районі на території колишнього СРСР — його присутність доречна.
Пристрої GPS
Станом на сьогодні модулі GPS вбудовуються в мобільні телефони, фотоапарати, не кажучи про машини і т.д. Нас ж будуть цікавити окремі пристрої, які ми можемо використовувати для мандрівництва. Серед представлених на ринку є величезний вибір моделей ціною від кількох десятків до кількох сотень і навіть тисяч доларів, які відрізняються за призначенням, формою, можливостями тощо.
Практично всі моделі GPS-приймачів мають наступний набір базових функцій:
1. Визначення координат широти та довготи, висоту над рівнем моря.
2. Визначення дирекційного кута на точку, сторін світу, емуляція компаса.
3. Визначення поточної, малої, середньої і максимальної швидкості.
4. Підтримку декількох систем координат і можливість задавання користувача, що є необхідною умовою використання приймачів з картами, які виробляються в Україні та країнах СНД.
5. Визначення відстані і орієнтовний час прибуття до вибраної точки, прораховуючи поточну або середню швидкість.
6. Визначення напрямку руху об’єкта.
7. Можливість збереження в пам’ять приймача координат обраних точок.
8. Можливість збереження в пам’ять приймача пройдений маршрут і подальше його відтворення.
9. Визначення пройденого шляху
10. Відображення точного місцевого часу, а також час світанку і заходу
11. У новітніх картах для портативних і автомобільних GPS-приймачів, добавлена функція відображення камер, які фіксують перевищення швидкості і порушення правил дорожнього руху, розташованих в міста і по трасах.
12. Можливість підключення приймача до комп’ютера, КПК, смарфона і т.д. для прямого моніторингу місця розташування.
Звичайна точність сучасних GPS-приймачів в горизонтальній площині складає приблизно 10-12 метрів при хорошій видимості супутників.
Нюанси
Пристрій отримує щосекундні сигнали з об’єктів, розташованих на великій відстані від поверхні землі і його робота передбачає цілу низку складних розрахунків. А це енергоємкі процеси. У тривалі мандрівки варто брати додаткові акумулятори. І вмикати приймач лише тоді, коли орієнтування звичним способом втрачає свій сенс.
Безперешкодна видимість неба обов’язкова умова отримання сигналів з космосу. Це означає, що під землею, в приміщенні, в густому тумані або лісі, в авто, в палатці стеження за супутниками неможливе. Адже сателітарний сигнал є високочастотною радіохвилею, за природою схожою до сонячного променя. Відповідно робота через прозоре і чисте скло, хмарне небо і негустий ліс не є критичною для навігації. GPS-приймач не допоможе визначити місцезнаходження у вузькій ущелині, тому що для роботи йому потрібен зв’язок щонайменше з трьома супутниками.
Додатково необхідно подбати про наявність карти району, де планується мандрівка. Картки можна офіційно придбати або спробувати знайти у вільному доступі в Інтернеті.
Доступні в інтернеті радянські генштабівські кілометрівки прописані в геодезичній системі координат Пулковської обсерваторії 1942 року. Цю систему Ґармінівські приймачі, що працюють на WGS (World Geodetic Survey), не підтримують. За лінками в кінці матеріалу, можна знайти поради мережевих ентузіастів для адаптації навігатора до даної системи координат. Відмінність між Пулково і WGS значна — 100-150 м.
Застосування GPS
1. Міське господарство. GPS є ефективним при зйомці каналізаційних, газових і водяних трубопроводах, а також електричних і телефонних ліній. Аварійні машини і ремонтні бригади можуть використовувати GPS для навігації безпосередньо до місця аварії комунікацій. Час їхнього прибуття та відправлення точно реєструється, разом з їх коментарями і планом виконання сервісних робіт.
2. Сільське господарство. GPS картографічні системи допомагають описувати особливості ділянок полів, які перебувають в інтенсивному сільськогосподарському використанні. Ви можете точно пов’язати такі характеристики як мікроклімат, тип грунту, ділянки врожаю пошкоджені комахами або хворобами, обсяг продукції.
3. Природні ресурси. GPS допомагає у зборі даних про типи грунтів, які в комбінації з тривимірними моделями територій дозволяють виділити окремі аспекти для передбачення областей, які потребують спеціального управління. Крім того, GPS можна використовувати для картографування місця розташування колодязів і інших джерел води; запису розмірів озер і їх стану; реєстрації ареалів поширення риби і диких тварин; змін берегової лінії, польових угідь і кліматичних зон.
4. Археологія, історія. Археологи та історики можуть використовувати картографічні GPS системи для навігації та реєстрації розкопок та історичних місць.
5. Військово-морська навігація. Військове застосування сигналів GPS дозволяє покращувати контроль збройних сил за допомогою точного наведення зброї чи армії на ціль. На океанському дні GPS необхідна для пошуків затонулих кораблів або виконання інших технічних операцій, на суші використання навігаційних пристроїв не менш важливе.
6. Спорт та ігри. Широке поширення приймачів GPS призвело до появи спортивної супутникової навігації, змагань з орієнтування на автомобілях та ігри Геокешінг (пошук скарбів і схованок з відомих координатах).
7. GPS моніторинг рухливих об’єктів. Система GPS дозволяє визначити місце розташування в будь-якій точці на суші, на морі і в навколоземному просторі.Залежно від галузі застосування, діапазон якої досить широкий, а також від вартості, яка може коливатися від сотень до декількох тисяч доларів, види GPS приймачів також різноманітні. У цілому весь спектр моделей можна розділити на чотири великі групи:
- Персональні GPS приймачі індивідуального застосування. Ці моделі відрізняються малими габаритами та широким набором сервісних функцій: від базових навігаційних, включаючи можливість формування і розрахунку маршрутів прямування, до функції прийому та передачі електронної пошти.
- Автомобільні GPS приймачі, які призначені для установки в будь-якому наземному транспортному засобі і мають можливість підключення зовнішнього приймально-передавального обладнання для автоматичної передачі параметрів руху на диспетчерські пункти.
- Морські GPS приймачі, оснащені ультразвуковим ехолотом, а також додатковими змінними картриджами з картографічною і гідрографічною інформацією для конкретних берегових районів.
- Авіаційні GPS приймачі, які використовують для визначення маршруту літальних апаратів, включаючи комерційну авіацію.
Недоліки та обмеження GPS-системи
1. Так як система належить міністерству оборони США, вона може бути відключена як повністю так і по регіонах, за наявності загрози національно безпеки США, про що неодноразово офіційно заявлялося.
2. Паперові карти масштабу крупніше 1:50000 (в 1см 500м) є секретними.
3. Користувач приймача, завжди повинен бути готовий орієнтуватися без GPS, про що виробники попереджають нас в керівництві користувача, знімаючи тим самим з себе всю відповідальність за будь наслідок відмов їх пристроїв та / або системи GPS в цілому.
Загальним недоліком використання будь-якої радіонавігаційної системи є те, що за певних умов сигнал може не доходити до приймача, або приходити із значними спотвореннями або затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири усередині залізобетонної будівлі, в підвалі або в тунелі. Оскільки робоча частота GPS лежить в дециметровому діапазоні радіохвиль, рівень прийому сигналу від супутників може серйозно погіршитись під щільним листям дерев або через дуже велику хмарність. Нормальному прийому сигналів GPS можуть завадити перешкоди від багатьох наземних радіоджерел, а також від магнітних бур.
Інші схожі системи
- Galileo – глобальна система, яка розвивається Європейським Союзом за участі інших країн партнерів (серед них і Україна), планується до запуску в 2014 році і дозволяє втсновлювати місце знаходження з більшою точністю ніж GPS (до 1 м проти 10-12 м в GPS), оскільки розробляється на технологіях 90-х років, тоді як GPS розроблена на технологіях 70-х.
- Beidou – регіональна система Китаю, яка покриває Азію
- COMPASS – глобальна система Китаю, яка планується до запуску в 2020
- GLONASS – Глобальна навігаційна система, яка була розроблена в Радянському Союзі і зараз належить Росії
- IRNSS – регіональна навігаційна система Індії, що планується до запуску в 2012 році і покриває Індію і північну частину Індійського океану.
- QZSS – регіональна система позиціонування Японії, що покриває Азію і Океанію