Jelikož jsem elektronik a tento obor je i mým koníčkem chtěl bych Vás malinko seznámit s taji tohoto odvětví a to pomocí této cache.
Dneska snad každý využívá moderních technologií a to jak inteligentních telefonů, tabletů, počítačů, televizí a spousta jiných "hračiček". Jedním takovýmto zařízením je přístroj bez kterého by tato hra neexistovala, tomuto přístroji a technologii říkáme GPS. Téměř každý jí umíme obsluhovat, ale víte jak vlastně funguje? Pokud ne pokusím se Vás seznámit s tím co se v této "krabičce" vlastně děje při našem pochodu za pokladem.
Jak to začalo
Na počátku sedmdesátých let byla myšlenka vybudovat družicový, pasivní, dálkoměrný systém, se kterým by bylo možné určovat přesnou polohu v trojrozměrném prostoru, spolu s přesným časem. Pojem pasivní systém znamená, že uživatel vlastnící GPS může data jen přijímat, nikoliv odesílat. Dne 17.12.1973 padlo v USA definitivní rozhodnutí na vybudování prvního tohoto systému. Projekt byl oficiálně pojmenován NAVSTAR – GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging GPS). Současně v osmdesátých letech byl spuštěn projekt GLONASS v tehdejším SSSR. Sytém GLONASS ale není tak rozšířen jako NAVSTAR – GPS, a to převážně z finančních důvodů. Z tohoto důsledku není jeho kosmický segment plně obsazen družicemi k celosvětovému pokrytí.
Pro civilní použití byl systém GPS přístupný od 90. let. Do roku 2000 byla ale přesnost pro civilní použití záměrně armádou omezena zhruba na sto metrů a to z důvodu bezpečnosti. Plnohodnotné zpřístupnění GPS pro veřejnost přineslo velké výhody. Podstatně se tak urychlil jeho vývoj. Přišly nové moderní přístroje které se stále zmenšovaly. Zvýšila se jejich přesnost a stali se i více cenově dostupné. Další velký vývoj byl v podporovaném softwaru.
Vlastní systém
Kosmický segment
- je tvořen soustavou družic obíhajících kolem Země po definovaných oběžných drahách. Dále je určený počtem družic a jejich rozmístěním. GPS má 24 družic, z toho je 21 družic pracovních a 3 rezervní. Družice jsou umístěny ve vzdálenosti 20183km nad povrchem Země a jsou umístěny na šesti oběžných drahách. Každá družice obsahuje atomové hodiny, které se starají o dlouhodobou frekvenční stabilitu vysílaného signálu s odchylkou přesnosti max 3ns. Z každého místa na zemi je viditelných 6 družic. K určení zeměpisné šířky a délky nám postačí 3 družice. K určení ještě nadmořské výšky potřebujeme družice 4. Čím větší počet družic máme v dosahu, tím je určení polohy přesnější. Družice vysílají signál, který nese informaci o poloze družice a čas odeslání zprávy.
Řídící segment
- tvoří pozemní stanice. Hlavní řídící stanice je na letecké základně v Colorado Springs v USA. Ostatní monitorovací stanice jsou rozmístěny rovnoměrně po obvodu Země a to kolem rovníku. Pokud družice prolétne nad touto stanicí, probíhají korekce v dráze letu družice a i korekce vysílaného signálu. Dále dochází také k synchronizaci atomových hodin na družici. Řídící systém provádí zprávu a údržbu družic a spolupracuje s umisťováním nových družic.
Uživatelský segment
- skládá se z GPS přijímačů jednotlivých uživatelů a dalších technických zařízení, které umožňují využívání družicového polohového systému. Tento systém je pasivní a to z bezpečnostních důvodů. Přijímače GPS nemohou být zaměřeny nepřítelem. Jelikož přijímače nekomunikují s družicemi, je systém GPS schopen obsloužit neomezený počet uživatelů. Tento segment je konfigurován na požadavky uživatelů a technickými možnostmi a omezeními kosmického segmentu. S řídícím segmentem uživatelé do přímého styku nepřicházejí.
Způsob měření
Jak již bylo uvedeno, tak systém GPS je pasivní, tudíž přijímač určuje svoji vzdálenost vždy k několika družicím navigačního systému a svoji polohu pak stanoví protínáním. Určení vzdálenosti přijímače od družice se provádí kódovým měřením.
Využívají se dálkoměrné kódy, které vysílají jednotlivé družice. Jedná se o přesné časové značky, které umožňují přijímači určit čas, kdy byla daná značka odvysílána. Přijímač z přijímaného signálu detekuje dálkoměrný kód družice. Zjistí tak čas odeslání a přijetí jedné sekvence kódu a ze zjištěného časového rozdílu určí vzdálenost mezi přijímačem a družicí. Jelikož hodiny v přijímači a družici nejsou plně synchronní, je časový rozdíl zatížen chybou hodin přijímače. Při výpočtu vzdálenosti se tedy neurčí skutečná vzdálenost, ale jen zdánlivá. Absolutní poloha přijímače v terénu se určuje pomocí zdánlivých vzdáleností získaných kódovými měřeními. Na obrázku 2. je zobrazen způsob určení polohy. Čárkovaně je zobrazeno ideální měření, plnou čarou pak reálné. Dochází k časové odchylce vzorku ∆T. Z jednoho změření zdánlivé vzdálenosti jsme schopni určit, že přijímač se nachází někde na kulové ploše se středem v družici a poloměrem r1 který se rovná zdánlivé vzdálenosti mezi přijímačem a družicí. Stejná měření provedeme i k dalším dvěma družicím. Tím se nám plochy protnou a v jejich protnutí se nachází přijímač. V případě ideálního měření se plochy protnou v jednom bodě. U reálného pak vzniká oblast kde se přijímač může nacházet. Proto je potřebná ještě čtvrtá družice, která měří časový posun hodin přijímače a tím se provádí další korekce při určovaní přesné polohy. Chyba určení polohy pomocí GPS pro navigační účely je max 6m. Pro přesnější měření v armádě je to 60cm.
Určení polohy přijímače
Úkolem přijímače GPS je lokalizovat čtyři nebo více satelitů, zjistit vzdálenost ke každému z nich a za pomoci získaných informací spočítat svou polohu. Celá tato operace je založena na jednoduchém matematickém principu nazvaném
trilaterace. Trilaterace v trojrozměrném prostoru je pro představu složitá a proto začneme s příkladem na jednodušší dvourozměrné trilateraci.
2-D Trilaterace
Představte si, že se nacházíte někde na Zemi, jste ÚPLNĚ ztraceni a nemáte absolutně žádný klíč k nalezení své pozice. V tom okamžiku potkáte domorodce a na otázku „Kde prosím jsem?“ se dozvíte, že „jste
XXX km od Mnichova.
To je sice pěkná, ale pro vás nepoužitelná informace. Nacházíte se totiž na jednom z bodů kružnice, která má střed v Mnichově a poloměr
XXX km.
Potom potkáte dalšího, zeptáte se, kde jste a on odpoví „Jste
YYY km od Brna“. V této chvíli již máte cosi v ruce. Pokud informaci zkombinujete s informací předchozí, získáte dvě kružnice, které se protínají ve dvou bodech. A v jednom z těchto bodů se nyní nalézáte.
Pokud vám třetí domorodec prozradí, že jste
ZZZ km od Hannoveru, jednu z možností můžete eliminovat, jelikož třetí kružnice se protne s dvěma předešlými pouze v jediném bodě. Teď přesně víte, že
jste v Praze.
Podobně funguje trilaterace i v trojrozměrném prostoru. S tím rozdílem, že namísto kružnic se v ní pracuje s plochami koulí.
Trilaterace ve 2D podle předchozího příkladu
Trilaterace ve 3D
Prostorová trilaterace není oproti dvourozměrné rozdílná, jen je složité ji vizualizovat. Pokuste se představit si poloměry z předchozího příkladu nejen v rovině, ale prostorově. Namísto 3 kružnic máte před sebou 3 protínající se koule.
Pokud tedy jste 100 km od satelitu A (to je jen příklad – pro š’ťouraly, kteří ví, že to není možné, když satelity létají přes 20000 km nad povrchem Země), nacházíte se někde na plášti imaginární koule o poloměru 100 km. Pokud současně víte, že jste 150 km od satelitu B, můžete nechat tyto dva pláště vzájemně protnout. Výsledkem bude dokonalá kružnice. Znáte-li vzdálenost ke třetímu satelitu, získáte třetí kulovou plochu, protínající výše zmíněnou kružnici ve dvou bodech.
Budeme-li Zemi považovat za čtvrtou kouli a uvědomíme-li si, že v daném okamžiku může být pouze jeden ze dvou získaných bodů na povrchu Země, eliminací druhého budu ve vesmíru získáme svou polohu na Zemi. Přijímače všeobecně vyhledávají čtyři a více satelitů, aby ze získaných informací zlepšily přesnost výpočtu polohy a nadmořské výšky
A z čeho se takový přístroj skládá
** Anténa (pasivní či aktivní)- přijímá signál z družic **
** Vstupní zesilovač a filtry - zesiluje signál z úrovně uV na zpracovatelný signál a filtry odstraňují jeho nechtěnou složku **
** Procesor - je mozkem celé navigace, zpracovává veškerá data, obsluhuje zběrnice **
** Display - zobrazuje a interpretuje nám zpracovaná data procesorem **
** Paměťové zařízení - a to jak interní FLASH paměť tak i externí karta slouží k uložení pracovních a mapových podkladů pro procesor **
** Napájecí a pomocné obvody - zajišťují zásobování energií všech obvodů přístroje, nabíjení baterie **
Myslím že to pro osvětu funkce GPS bohatě stačí, ve skutečnosti je určování polohy mnohem složitější a vlastní přístroj provádí mnoho výpočtů, aby byly kompenzovány různé negativní vlivy okolí.
No a nyní víme jak toto zařízení funguje, teď si trošku zkusíte jaké to je nejen toto zařízení používat, ale i jaké to je být konstruktérem, který musí takováto zařízení umět spočítat a navrhnout jeho obvody. Ale nebojte nebudu Vás nutit počítat obvody GPS, ovšem počtům se nevyhnete pokud ještě cach lovit chcete. Zkusíte si spočítat zapojeníčko z kterého má dost studentů elektrotechniky strach a tím je tzv. RESISTOR CUBE, nebo-li krychle tvořená rezistory.
Ale nebojte není to tak složité jak se na první pohled zdá, stačí se jen trochu zamyslet.. Budiž tu krychle...
Každý rezistor má hodnotu 0,942 kilo ohm
Vaším úkolem je zjistit jakou výchylku bude vykazovat ohmmetr, pokud ho připojíme na svorky A a B. Tato výchylka v ohmech zaokrouhlená na celá čísla odpovídá písmenu R.
R=??? ohm
Aby jste dostali zbylou část souřadnic přičtěte ke každé hodnotě odporu v ohmech z nichž se krychle skládá ještě stokrát čtverec čísla pí zaokrouhleného na dvě desetinná místa, opět spočtěte jaký odpor v ohmech bude krychle mezi body A a B mít, číslo zaokrouhlete na tři desetinná místa. No a pokud jste ještě odhodláni dále pokračovat a získat zbylou souřadnici, zjistěte jaký proud I nám ukáže ampérmetr pokud tuto krychli připojíme na ideální zdroj napětí s elektromotorickým napětím U = 711,73 V a vnitřním odporu 0 ohm. Výsledek zaokrouhlete na tři desetinná místa a převeďte na mA, číslo Vám dá potřebné I.
I=??? mA
Takže výsledné souřadnice na kterých cache bude uložena jsou N 49°53. [R] E 16°25. [I]
Jen napovím že při hledání řešení na internetu se Vám budou hodit termíny jako paralelní a sériová kombinace rezistorů, ohmův zákon, vztah mezi násobkami jednotek jako kilo, mili, mega, mikro...
Při odlovu pozor na protější mudly, logování můžete provést na lavičce která je poblíž.
I když to tak nevypadá v cachi loogbook opravdu je. Malá nápověda...jsem zlatý šest hran mám, poklad v sobě ukrývám. Chyť mě za hlavu a otoč.
!!!Upozornuji že při hledání cache není třeba na geoobjektu nic rozebírat, ani nikam lézt do výšek!!!
Jelikož se blízko Vás nachází elektrické zařízení dbejte na bezpečnost svou i ostatních.
Odlov na vlastní nebezpečí.
!!!Při vracení cache do původního stavu požijte prosím TROCHU síly jinak jí nebude možné vrátit do svého uložení!!!
Asi na závěr doporučím kousek hadříku nebo rukavici, aby nedošlo k náhodnému pořezání při otevání loogbooku.
Tak šťastný lov a snad se Vám tato cache bude alespoň trochu líbit.