Пронајдете го со GPS!

Дизајн предизвик

Вие сте тим инженери на кои им е даден предизвик за решавање на проблем со кој се соочува светот преку употреба на GPS. Прво, ќе споредите мерење на растојанието помеѓу две места во дворот на вашето училиште користејќи и ГПС систем (или рачен, или еден вграден во телефон) и традиционално мерење, користејќи јаже или жица.

Потоа, ќе имате бура на идеи во рамките на вашата група за да идентификувате три проблеми, а потоа да одредите кој од трите има најголемо влијание врз општеството. Developе развиете предлог да го презентирате пред вашиот час, а потоа секој тим ќе ја одрази и разгледа најдобрата нова апликација на GPS. Haveе треба да размислите дали потенцијалните грешки или дури и саботажата на ГПС системот би предизвикале повеќе проблеми отколку што би решила вашата апликација.

Критериуми

• Споредете го растојанието помеѓу 2 точки.
• Предложете 3 проблеми.

Ограничувања

• Користете ги само дадените материјали.

Што е глобален систем за позиционирање?

Глобалниот систем за позиционирање (ГПС) е соelвездие на навигациски сателити кои кружат околу Земјата на надморска височина од околу 12,000 20,000 милји (10 21 километри). На оваа надморска височина, сателитите завршуваат две орбити за нешто помалку од еден ден. Иако првично беше дизајниран од Министерството за одбрана на САД за воени апликации, федералната влада го направи системот достапен за цивилна употреба и ги укина безбедносните мерки дизајнирани да ја ограничат точноста на 3 метри. Оптималното соelвездие се состои од 55 сателит со 15 оперативни „резервни делови“. Како што покажува сликата надесно, орбитите на GPS сателитите се склони кон екваторот на Земјата за околу XNUMX by. Системот е дизајниран да осигури дека најмалку четири сателити се видливи најмалку XNUMX ° над хоризонтот во кое било дадено време, на кое било место во светот.

ГЛОНАСС и ГАЛИЛЕО

ГАЛИЛЕО е европски глобален сателитски систем за навигација, кој во моментов е во фаза на развој. Во моментов корисниците во Европа немаа друга алтернатива освен да користат американски GPS или руски сателитски сигнали ГЛОНАСС. Овој нов систем ќе биде под цивилна контрола и ветува дека ќе биде интероперабилен со GPS и GLONASS.

Одредување на позициите

Позициите се добиваат од GPS со одредување на растојанија до видливите сателити во процес познат како трилатерација. Интернет-страница на PBS го илустрира овој принцип на www.pbs.org/wgbh/nova/longitude/gps.html. Времето на пренос на сигналот на сателитот се споредува со времето на прием кај приемникот. Разликата помеѓу двете покажува колку време му требало на сигналот да патува од сателитот до приемникот. Со множење на времето на патување со брзината на светлината, го одредуваме растојанието до сателитот. Како што покажува сликата надесно, со повторување на овој процес на три сателити, имате област каде што сите три се преклопуваат, што е дводимензионална позиција на Земјата. Потребен е четврти сателит за да се одреди третата димензија - висина. Колку повеќе сателити се видливи, толку поточна е добиената позиција. Постојат извори на грешка, вклучувајќи грешки во часовникот, атмосферски одложувања, сигнали што се рефлектираат на објектите на површината на Земјата и деградација на сателитскиот сигнал.

Поблизок поглед на науката и математиката

Глобалниот систем за позиционирање дозволува GPS приемник да ја утврди својата позиција со користење на формулата: (Брзина x Време = Растојание).

За вообичаен пример, разгледајте го прашањето ако велосипед патува три часа со брзина од 15 милји или километри на час, колку далеку би поминал? Во овој случај, одговорот е: Брзина (15 mph) x Време (3 часа) = Растојание (45 милји)

За ГПС не ја мериме брзината на велосипедот, туку брзината со која патува радио сигналот, што е приближно 186,000 милји во секунда. Поголем предизвик е мерење на времето на патување. Ако еден од сателитите е над главата, времето на патување би било многу кратко, околу 0.06 секунди. Значи, системот се потпира на многу прецизни часовници за да може да го разликува времето што му треба на еден сателит за да испрати сигнал до GPS-уред.

Сигналот навистина се нарекува „Псевдо случаен код“ (НР Кина), што во основа е комплексна низа на „вклучени“ и „исклучени“ дигитални импулси. ГПС-сателитите континуирано ги пренесуваат овие НР Кина во специфично, планирано време. Тогаш ГПС-уредот треба да го измери точниот момент кога ќе пристигне НР Кина и да ја пресмета разликата помеѓу времето на примање и времето кога сигналот го напуштил сателитот за да се одреди „времето“. Времињата треба да бидат многу точни затоа што грешката на часовникот во приемникот од дури неколку наносекунди би резултирала во грешка во позиционирањето од неколку стотици метри.

Значи, за пример со формула за GPS: Брзина (186,000 милји во секунда) x Време (065 секунди или 650,000 наносекунди) = Растојание (12090 милји)

GPS апликации

Цивилна употреба

Постојат многу GPS-апликации за цивилна употреба. Многумина користат GPS системи за да водат сметка за нивната локација и дестинација при пешачење или возење. Во многу делови на светот, ГПС ја подобрува автобуската и такси услугата и безбедноста. Имајќи можност да ги следат кабините или автобусите со ГПС систем, диспечерите можат да осигурат дека возачите на нивните компании брзо стигнуваат до патниците и со тоа прават повеќе деловни активности дневно.

Во Австралија, GPS го прави патувањето со воз повеќе предвидливо. GPS технологијата ги известува патниците на бродот и ги чекаат патниците за локацијата на возот и времето на пристигнување на дестинацијата. Во Обединетото Кралство, Олимписките испитувања на едриличари во Велика Британија во 1995 година во заливот Вејмут и пристаништето Портланд претставуваа прва употреба на GPS технологија во мапирање на трките со едрење. Традиционалното поставување курсеви беше тешко и неконзистентно бидејќи временските услови честопати ги принудуваа слоевите на курсевите да прават промени во курсевите. Притоа, поставувачите на курсеви можат ненамерно да ја променат предвидената должина на курсот. Користејќи рачни GPS приемници, организаторите на Британското олимписко испитување на Кралската асоцијација за јахтации беа во можност да соберат податоци за позиционирање и со тоа да обезбедат квалификациските настани да ги одржуваат истите, точни должини на курсот, без оглед на постојните временски услови. На овој начин, пробните курсеви ќе ги исполнуваат стандардите што ги поддржуваат организаторите на Олимписките игри.

Следењето на глечерите, ледените текови и сантите мраз со GPS спречуваат оштетување и загуба на животи и имаат апликации каде и да патуваат или живеат луѓе во регионите на Арктикот. Имено, на Исланд, GPS се користи за следење на неодамнешниот пад на глечерот предизвикан од вулканска ерупција под мразот на ледникот. Собраните податоци помагаат да се предвиди движењето на мразот и надојдените води. Овозможувајќи да се воведат ефективни безбедносни мерки, планирањето со оваа информација ќе спаси животи во иднина.

Воени апликации

GPS стана важен за скоро сите воени операции и системи за оружје. Тоа им овозможува на трупите да напредуваат во песочни бури и помага да се идентификува локацијата на одделни војници.

Нови апликации

Инженерите и научниците секогаш доаѓаат со нови апликации за воспоставени технологии како што се GPS! На пример, за време на епидемии на болести, ГПС системот се користеше за да се создаде непосредно мапирање на случаи на грип, како што беа пријавени.

Примена на технологија за решавање на проблеми

Вие сте тим инженери на кои им е даден предизвик за решавање на проблем со кој се соочува светот преку употреба на GPS. Stе креирате идеи во рамките на вашата група за да идентификувате три предизвици, а потоа да одредите кој од трите има најголемо влијание врз општеството. Овие можат да решат човечки проблем, животински проблем или проблем со животната средина.

Developе развиете предлог да го презентирате пред вашиот час, а потоа секој тим ќе ја одрази и разгледа најдобрата нова апликација на GPS. Haveе треба да размислите дали потенцијалните грешки или дури и саботажата на ГПС системот би предизвикале повеќе проблеми отколку што би решила вашата апликација. На пример, некои размислуваат да користат GPS за да водат сметка за криминалците за програмите за предвремено ослободување од затвор. Ако знаеме дека GPS понекогаш е несигурен среде големи згради, дали ова ќе биде безбедна апликација?

Фаза на истражување / подготовка

1. Прегледајте ги различните листови за студенти за да дознаете сè за GPS.
2. Посетете ја интерактивната веб-страница на PBS (www.pbs.org/wgbh/nova/longitude/gps.html) што ја илустрира GPS технологијата и ја објаснува трилатерацијата. Ако пристапот до Интернет не е достапен во вашето училиште, вашиот наставник може да ви ја обезбеди активноста на локален компјутер.

Фаза на истрага

1. Демонстрирајте го ГПС системот користејќи рачен GPS уред или телефон опремен со GPS технологија. Еве како:

• Обележете две позиции во дворот на вашето училиште со знаме или мал стап.
• Обележете ја оригиналната локација со вашиот GPS, одете до втората локација и означете го второто место.
• Одредете го растојанието помеѓу двете локации врз основа на информациите за локацијата дадени од GPS. Вметнете какви било белешки во полето подолу:

• Сега… обидете се да го измерите растојанието користејќи низа или јаже.
• Одговорете на следниве прашања - задолжително разговарајте како група!

1. Дали најдовте разлика помеѓу физичките мерења што ги направивте со помош на низа или јаже и резултатот од GPS? Ако е така, зошто мислиш дека имаше разлика?

2. Кој метод сметаше дека е полесен? Зошто?

3. Кој метод би бил полесен ако меревте растојание помеѓу две училишта низ градот? Зошто?

Бура на идеи како тим

1. 

   Запознајте се како тим за да креирате идеи за нови апликации на GPS што ќе решат проблем со кој се соочуваат луѓето, животните или околината. Бидете креативни и размислете за големи или мали проблеми со кои луѓето се справуваат или на индивидуална или на глобална основа. Како пример, овчарите можеби ќе треба да ја идентификуваат локацијата на нивните животни ако се приближува големо невреме. Тие често лутаат во оддалечени области. Прикачувањето на ГПС уред на животните ќе овозможи следење на локацијата на животните во итна ситуација.

2. Во полето подолу наведете ги трите проблеми за кои мислите дека може да се решат со помош на GPS и одговорете на поврзаните прашања.

Подготовка за презентација

1. Како тим, договорете се кој од трите проблеми што ги идентификувавте ќе донесе најголема корист за светот.

2. Одговорете на следниве прашања во врска со новата апликација, во рамките на подготовките за презентацијата на часот. Можеби ќе сакате да нацртате дијаграм за да ја илустрирате вашата идеја, да создадете постер или PowerPoint презентација или да користите други материјали за да ја покажете вашата идеја за часот.

Накратко опишете го проблемот што вашиот тим реши да го реши:

Како помага примената на GPS во решавањето на овој предизвик?

Што би се случило со вашето решение, ако поради некоја причина сателитскиот систем престане да работи привремено? Трајно? Дали би имало некои лоши ефекти?

Колку луѓе или животни проценувате дека ќе влијаат на вашето решение?

Кој треба да плати за да ја спроведе вашата идеја? Влада, бизнис, поединци, универзитет? Зошто?

Колку време сметате дека на инженерите ќе им требаат да ја спроведат вашата идеја? Бидете специфични и размислете за истражување, тестирање, производство.

Дали има некои етички размислувања што може да ги натера другите да не ја одобруваат вашата идеја?

Презентација

1. Презентирајте ја препораката за GPS апликација на часот и обрнете внимание на препораките на другите тимови во вашата училница.

Евалуација

Пополнете ги прашањата за евалуација подолу:

1. Која беше најдобрата нова апликација на GPS што ја слушнавте за време на презентациите на часовите? Зошто?

2. Што мислите, кои чекори треба да ги преземете за да ја направите оваа апликација реалност?

3. Дали има некои етички или правни проблеми за кои мислите дека треба да ги решите ако навистина ја спроведете вашата идеја? На пример, ако додадете GPS на производ што веќе постои, како што е ски-дизајн, кој би имал корист од продажбата на новиот GPS ски? Вие или оригиналниот ски дизајнер, или обете? Зошто?

4. Колку важен пронајдок мислите дека е GPS? Зошто?

5. Можете ли да помислите на други инженерски достигнувања што влијаеја на светот? Што мислите, што имало најпозитивно влијание врз луѓето? За животната средина? На животните?