¡Encuéntrelo con GPS!

Reto de Diseño

Eres un equipo de ingenieros que se ha enfrentado al desafío de resolver un problema al que se enfrenta el mundo mediante el uso de GPS. Primero, comparará la medición de la distancia entre dos puntos en el patio de su escuela usando un sistema GPS (ya sea de mano o integrado en un teléfono) y una medición tradicional, usando una cuerda o una cuerda.

Luego, hará una lluvia de ideas dentro de su grupo para identificar tres problemas y luego determinar cuál de los tres tiene el mayor impacto en la sociedad. Desarrollarás una propuesta para presentar a tu clase y luego cada equipo reflexionará y considerará la mejor nueva aplicación de GPS. Tendrá que considerar si los posibles errores o incluso el sabotaje del sistema GPS causarían más problemas de los que resolvería su aplicación.

Criterios

• Compara la distancia entre 2 puntos.
• Proponga 3 problemas.

Limitaciones

• Utilizar solo los materiales proporcionados.

¿Qué es el Sistema de Posicionamiento Global?

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una constelación de satélites de navegación que orbitan la Tierra a una altitud de aproximadamente 12,000 millas (20,000 kilómetros). A esta altitud, los satélites completan dos órbitas en poco menos de un día. Aunque originalmente fue diseñado por el Departamento de Defensa de EE. UU. Para aplicaciones militares, el gobierno federal puso el sistema a disposición para usos civiles y levantó las medidas de seguridad diseñadas para restringir la precisión a 10 metros. La constelación óptima consta de 21 satélites con 3 "repuestos" operativos. Como indica la imagen de la derecha, las órbitas de los satélites GPS están inclinadas hacia el ecuador de la Tierra en unos 55º. El sistema está diseñado para garantizar que al menos cuatro satélites sean visibles al menos a 15 ° sobre el horizonte en un momento dado, en cualquier parte del mundo.

GLONASS y GALILEO

GALILEO es el sistema mundial de navegación por satélite europeo que se encuentra actualmente en desarrollo. Actualmente, los usuarios en Europa no han tenido otra alternativa que utilizar las señales de los satélites GPS estadounidenses o GLONASS rusos. Este nuevo sistema estará bajo control civil y promete ser interoperable con GPS y GLONASS.

Determinando posiciones

Las posiciones se obtienen del GPS determinando las distancias a los satélites visibles en un proceso conocido como trilateración. Un sitio web de PBS ilustra este principio en www.pbs.org/wgbh/nova/longitude/gps.html. El tiempo de transmisión de la señal en el satélite se compara con el tiempo de recepción en el receptor. La diferencia entre los dos indica cuánto tiempo tardó la señal en viajar desde el satélite hasta el receptor. Al multiplicar el tiempo de viaje por la velocidad de la luz, determinamos la distancia al satélite. Como muestra la imagen de la derecha, al repetir este proceso en tres satélites, tiene un área donde los tres se superponen, que es una posición bidimensional en la Tierra. Se necesita un cuarto satélite para determinar la tercera dimensión: la altura. Cuantos más satélites sean visibles, más precisa será la posición resultante. Sin embargo, existen fuentes de error, incluidos errores de reloj, retrasos atmosféricos, señales que se reflejan en objetos en la superficie de la Tierra y degradación de la señal del satélite.

Una mirada más cercana a la ciencia y las matemáticas

El Sistema de Posicionamiento Global permite que un receptor GPS determine su posición usando la fórmula: (Velocidad x Tiempo = Distancia).

Para un ejemplo común, considere la pregunta si una bicicleta viaja a 15 millas o kilómetros por hora durante tres horas, ¿qué distancia habría recorrido? En este caso, la respuesta es: Velocidad (15 mph) x Tiempo (3 horas) = ​​Distancia (45 millas)

Para el GPS, no estamos midiendo la velocidad de una bicicleta, sino más bien la velocidad a la que viaja una señal de radio, que es de aproximadamente 186,000 kilómetros por segundo. El mayor desafío es medir el tiempo de viaje. Si uno de los satélites está en el aire, el tiempo de viaje sería muy corto, alrededor de 0.06 segundos. Por tanto, el sistema se basa en relojes muy precisos para poder diferenciar el tiempo que tarda un satélite en enviar una señal a un dispositivo GPS.

La señal se llama realmente "código pseudo aleatorio" (PRC), que es básicamente una secuencia compleja de pulsos digitales "encendido" y "apagado". Los satélites GPS transmiten continuamente estos PRC en momentos específicos y planificados. El dispositivo GPS tiene que medir el instante exacto en que llega el PRC y calcular la diferencia entre la hora de recepción y la hora en que la señal salió del satélite para determinar la "hora". Los tiempos tienen que ser muy precisos porque un error de reloj en el receptor de incluso unos pocos nanosegundos daría como resultado un error de posicionamiento de varios cientos de metros.

Entonces, para un ejemplo de fórmula de GPS: Velocidad (186,000 millas por segundo) x Tiempo (.065 segundos o 650,000 nanosegundos) = Distancia (12090 millas)

Aplicaciones GPS

Uso civil

Hay muchas aplicaciones de GPS para uso civil. Muchos usan sistemas GPS para realizar un seguimiento de su ubicación y destino cuando van de excursión o conducen. En muchas partes del mundo, el GPS está mejorando el servicio y la seguridad de autobuses y taxis. Al tener la capacidad de rastrear taxis o autobuses con un sistema GPS, los despachadores pueden asegurarse de que los conductores de sus empresas lleguen a los pasajeros rápidamente y, por lo tanto, hagan más negocios por día.

En Australia, el GPS hace que los viajes en tren sean más predecibles. La tecnología GPS mantiene informados a los pasajeros a bordo y en espera de la ubicación del tren y los tiempos de llegada al destino. En el Reino Unido, las pruebas de vela olímpica británica de 1995 en la bahía de Weymouth y el puerto de Portland representaron el primer uso de la tecnología GPS en la cartografía de pistas de regatas. La configuración tradicional de los campos ha sido difícil e inconsistente, ya que las condiciones climáticas a menudo han obligado a los niveles de los campos a realizar cambios en los campos. Al hacerlo, los organizadores del curso pueden alterar inadvertidamente la duración prevista de un curso. Sin embargo, utilizando receptores GPS portátiles, los organizadores de las pruebas olímpicas británicas de la Royal Yachting Association pudieron recopilar datos de posicionamiento y, por lo tanto, garantizar que los eventos de clasificación mantuvieran las mismas longitudes de recorrido precisas, sin importar las condiciones climáticas existentes. De esta manera, los campos de prueba cumplirían con los estándares sostenidos por los organizadores de los Juegos Olímpicos.

El rastreo de glaciares, flujos de hielo e icebergs con GPS previene daños y pérdida de vidas, y tiene aplicaciones dondequiera que los humanos viajen o vivan en las regiones árticas. En particular, en Islandia, el GPS se utiliza para rastrear un derretimiento reciente de un glaciar causado por una erupción volcánica debajo de la capa de hielo del glaciar. Los datos recopilados ayudan a predecir el movimiento del hielo y las aguas de la inundación. Al permitir que se implementen medidas de seguridad efectivas, la planificación con esta información salvará vidas en el futuro.

Aplicaciones militares

El GPS se ha vuelto importante para casi todas las operaciones militares y sistemas de armas. Permite que las tropas avancen en tormentas de arena y ayuda a identificar la ubicación de los soldados individuales.

Nuevas Aplicaciones

¡Los ingenieros y científicos siempre están ideando nuevas aplicaciones para tecnologías establecidas como el GPS! Por ejemplo, durante los brotes de enfermedades, se utilizó el sistema GPS para crear un mapeo inmediato de los casos de gripe a medida que se informaban.

Aplicación de tecnología para resolver problemas

Eres un equipo de ingenieros que se ha enfrentado al desafío de resolver un problema al que se enfrenta el mundo mediante el uso de GPS. Realizarás una lluvia de ideas dentro de tu grupo para identificar tres desafíos y luego determinar cuál de los tres tiene el mayor impacto en la sociedad. Estos pueden resolver un problema humano y animal o un problema ambiental.

Desarrollarás una propuesta para presentar a tu clase y luego cada equipo reflexionará y considerará la mejor nueva aplicación de GPS. Tendrá que considerar si los posibles errores o incluso el sabotaje del sistema GPS causarían más problemas de los que resolvería su aplicación. Por ejemplo, algunos están considerando usar GPS para realizar un seguimiento de los delincuentes en los programas de liberación anticipada de la prisión. Si sabemos que el GPS a veces no es confiable en medio de grandes edificios, ¿sería esta una aplicación segura?

Fase de investigación / preparación

1. Revise las diversas Hojas de referencia para estudiantes para aprender todo sobre el GPS.
2. Visite el sitio web interactivo de PBS (www.pbs.org/wgbh/nova/longitude/gps.html) que ilustra la tecnología GPS y explica la trilateración. Si el acceso a Internet no está disponible en su escuela, su maestro puede proporcionarle la actividad en una computadora local.

Fase de investigación

1. Demuestre el sistema GPS utilizando un dispositivo GPS de mano o un teléfono equipado con tecnología GPS. Así es cómo:

• Marque dos posiciones en el patio de su escuela con una bandera o un palo pequeño.
• Marque la ubicación original con su GPS, camine hasta la segunda ubicación y marque el segundo lugar.
• Determine la distancia entre las dos ubicaciones según la información de ubicación proporcionada por el GPS. Incorpore cualquier nota en el cuadro a continuación:

• Ahora ... intente medir la distancia con una cuerda o una cuerda.
• Responda las siguientes preguntas, ¡asegúrese de discutirlas en grupo!

1. ¿Encontraste alguna diferencia entre las medidas físicas que tomaste con una cuerda o cuerda y el resultado del GPS? Si es así, ¿por qué cree que hubo una diferencia?

2. ¿Qué método te pareció más fácil? ¿Por qué?

3. ¿Qué método sería más fácil si estuviera midiendo la distancia entre dos escuelas en la ciudad? ¿Por qué?

Lluvia de ideas en equipo

1. 

   Reúnase en equipo para intercambiar ideas sobre nuevas aplicaciones de GPS que resolverían un problema que enfrentan los humanos, los animales o el medio ambiente. Sea creativo y piense en problemas grandes o pequeños con los que la gente se enfrenta, ya sea a nivel individual o global. Por ejemplo, los pastores de ovejas pueden necesitar identificar la ubicación de sus animales si se acerca una gran tormenta. Con frecuencia deambulan por áreas remotas. La conexión de un dispositivo GPS a los animales permitiría rastrear la ubicación de los animales en una situación de emergencia.

2. En el cuadro a continuación, indique los tres problemas que cree que podrían resolverse utilizando GPS y responda las preguntas relacionadas.

Preparación de la presentación

1. Como equipo, acuerden cuál de los tres problemas que identificaron resultaría en el mayor beneficio para el mundo.

2. Responda las siguientes preguntas sobre la nueva aplicación, como preparación para la presentación de su clase. Es posible que desee dibujar un diagrama para ilustrar su idea, crear un póster o una presentación de PowerPoint, o utilizar otros materiales para demostrar su idea a la clase.

Describa brevemente el problema que su equipo decidió abordar:

¿Cómo ayuda la aplicación del GPS a resolver este desafío?

¿Qué pasaría con su solución si por alguna razón el sistema de satélite dejara de funcionar temporalmente? ¿Permanentemente? ¿Habría efectos negativos?

¿Cuántas personas o animales estima que se verían afectados por su solución?

¿Quién debería pagar para implementar su idea? ¿Un gobierno, una empresa, individuos, una universidad? ¿Por qué?

¿Cuánto tiempo cree que les tomaría a los ingenieros implementar su idea? Sea específico y considere la investigación, las pruebas y la fabricación.

¿Existe alguna consideración ética que pueda hacer que otros no aprueben su idea?

Presentación

1. Presente la recomendación de su aplicación GPS a la clase y preste atención a las recomendaciones de los otros equipos en su salón de clases.

Evaluación

Complete las preguntas de evaluación a continuación:

1. ¿Cuál fue la mejor aplicación nueva de GPS que escuchó durante las presentaciones de su clase? ¿Por qué?

2. ¿Qué pasos crees que deberías seguir para intentar hacer realidad esta aplicación?

3. ¿Hay algún problema ético o legal que crea que debería abordar si realmente implementara su idea? Por ejemplo, si agrega GPS a un producto que ya existe, como un diseño de esquí, ¿quién se beneficiaría de la venta del nuevo esquí GPS? ¿Tú o el diseñador de esquí original, o ambos? ¿Por qué?

4. ¿Qué tan importante crees que es un invento GPS? ¿Por qué?

5. ¿Puedes pensar en otros logros de la ingeniería que hayan impactado al mundo? ¿Cuál crees que ha tenido el impacto más positivo en las personas? ¿En el medio ambiente? ¿En animales?