Использование спутниковых технологий на уроках информатики

Поздина Е.А. МОУ «Лицей № 1 г. Волгореченск»
Использование спутниковых технологий на уроках
информатики
Тема урока: Передача информации по техническим каналам связи.
Цели урока:



обучающая: Объяснить принципа работы навигационных систем;
развивающая: стимулировать познавательный процесс с помощью применения
новых современных ИТ;
воспитательная: воспитывать внимательность, стремление к познанию нового.
Знать
 виды и свойства источников и приемников информации,
 способы кодирования и декодирования,
 причины искажения информации при передаче;
 связь полосы пропускания канала со скоростью передачи информации.
GPS навигаторы позволяют ученикам понять место информатики как науки в
современном мире, значение ее для развития разных видов информационных процессов.
Что такое GPS?
GPS - Глобальная система навигации и позиционирования. Сеть спутников,
которые постоянно передают закодированную
информацию, с помощью которой можно точно
определить месторасположение на земле путем
измерения расстояния до спутников.
Как указано в приведенном выше определении
GPS
означает
Глобальная
Система
Позиционирования (Global Positioning System), и
относится к группе спутников Министерства
Обороны США, постоянно вращающихся вокруг
Земли. Спутники передают радио сигналы малой
мощности, позволяя каждому, у кого есть GPS
навигатор, определять свое месторасположение на
Земле.
КТО ИСПОЛЬЗУЕТ GPS?
У GPS навигатора есть множество применений на суше, в воде и в воздухе. В
основном GPS навигатор позволяет вам записывать или задавать точки
месторасположения
на
земле
и
помогает
продвигаться от и к этим точкам. GPS навигатор
может использоваться везде, кроме мест, где нет
приема сигнала, т.е. внутри помещений, в пещерах,
парковках и прочих местах, находящихся под
землей, а также под водой.
Поздина Е.А. МОУ «Лицей № 1 г. Волгореченск»
3 СЕГМЕНТА GPS
Система NAVSTAR (официальное название GPS в Министерстве обороны США)
состоит из космического сегмента (спутники), контрольного сегмента (наземные станции)
и пользовательского сегмента (вы и ваш GPS навигатор).
Космический сегмент
Космический сегмент, который состоит минимум из 24 спутников (21 активный и 3
запасных) является сердцем системы. Спутники находятся на так называемой "верхней
орбите" на высоте около 12 тыс. миль над поверхностью Земли. Функционирование на
такой большой высоте позволяет сигналам покрывать бОльшую территорию.
Каждый спутник передает радио сигналы малой мощности на нескольких частотах
(выделенные L1, L2 и др.). Гражданские GPS навигаторы "слушают" частоту L1 1575,42
МГц в сверхвысокой полосе частот. Сигналы проходят "линию видимости", что значит,
что они пройдут через облака, стекло и пластик, но не пройдут сквозь большинство
твердых объектов, таких как здания и горы.
Чтобы вы смогли получить представление о положении сигнала L1 в радиоспектре,
вспомните ваши любимые FM радиостанции, они работают на частотах где-то между 88 и
108 МГц (и звучат намного лучше!). Спутниковые сигналы очень малой мощности,
порядка 20-50 Вт. Для сравнения, FM радиостанция около 100 000 Вт. Представьте теперь,
как сложно пытаться услышать 50 Вт радиостанцию, передающую на высоте 12 000 миль!
Вот почему так важно иметь чистый обзор неба при использовании GPS навигатора.
L1 содержит два "псевдослучайных" (комплексный шаблон цифрового кода)
сигнала, Защищенный (Р) код и код гражданского доступа (С/А). Каждый спутник
передает уникальный код, позволяющий GPS приемнику идентифицировать сигналы.
"Анти-спуфинг"
относится
к
шифрованию
Р-кода
для
предотвращения
несанкционированного доступа. Р-код также называют "Р(Y)" или "Y" код.
Основной целью этих закодированных сигналов является возможность вычисления
времени прохождения (или времени прибытия сигнала) от спутника до GPS навигатора на
земле. Время прохождения, умноженное на скорость света, равно дальности спутника
(расстояние от спутника до GPS навигатора). Навигационное сообщение (информация,
которую спутники передают GPS навигатору) содержит данные об орбите спутника,
системном времени, общем состоянии системы, а также модель задержки сигналов в
ионосфере. Спутниковые сигналы рассчитываются с использованием сверхточных
атомных часов.
Контрольный сегмент
Контрольный сегмент выполняет то, о чем говорит само его название "контролирует" GPS спутники, отслеживая их и обеспечивая правильной информацией об
орбите и времени. На земле расположено пять контрольных станций - четыре станции
слежения и одна станция основного контроля. Четыре станции постоянно получают
данные со спутников и затем передают информацию на станцию основного контроля,
которая "корректирует" данные спутников и вместе с двумя другими антенными
полигонами передает (по восходящему потоку) информацию к GPS спутникам.
Пользовательский сегмент
Поздина Е.А. МОУ «Лицей № 1 г. Волгореченск»
Пользовательский сегмент включает вас и ваш GPS навигатор. Как уже
упоминалось, пользовательский сегмент состоит из туристов, пилотов, охотников,
военных и других, кто хочет знать, где находится, где находился или куда направляется.
GPS НАВИГАЦИЯ - КАК ЭТО РАБОТАЕТ?
МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ
Теперь расскажем о том, как это работает. GPS навигатор
должен знать две вещи, чтобы выполнить свою работу. Он
должен знать, ГДЕ находятся спутники (месторасположение) и
как ДАЛЕКО они находятся (расстояние). Посмотрим сперва
как GPS навигатор знает, где в космосе находятся спутники.
GPS навигатор получает два вида кодированной информации от
спутников. Один вид информации, называемый "альманах",
содержит данные о расположении спутников. Эти данные
постоянно передаются и сохраняются в памяти GPS навигатора,
так что он знает орбиты спутников и где каждый спутник предположительно должен
находится. Данные альманаха периодически обновляются по мере перемещения
спутников. Любой спутник может немного отклоняться от орбиты, а наземные станции
постоянно отслеживают орбиту, высоту, расположение и скорость спутников. постоянно
отслеживают орбиту, высоту, расположение и скорость спутников. Наземные станции
посылают данные об орбите на станцию основного контроля, которая, в свою очередь,
передает откорректированные данные обратно спутникам. Эти откорректированные
данные точного месторасположения спутника называются данными "эфимериса", которые
действительны около четырех или шести часов и передаются GPS навигатору в виде
кодированной информации. Таким образом, получив данные альманаха и эфимериса, GPS
навигатор всегда знает местонахождение
ВРЕМЯ
Даже если GPS навигатор знает точное положение спутников в космосе,
ему все равно необходимо знать, насколько они далеко (расстояние), чтобы
определить свое месторасположение на земле. Существует простая
формула, говорящая приемнику, как далеко он находится от каждого из
спутников: расстояние от данного спутника равно скорости передаваемого
сигнала, умноженной на время, необходимое сигналу, чтобы пройти от
спутника до GPS навигатора
Скорость * Время прохождения сигнала = Расстояние
(Скорость радиоволны - 186 000 миль в секунду (скорость света), с учетом задержки
сигнала при прохождении сквозь атмосферу Земли).
Теперь GPS навигатору необходимо определить временную составляющую
формулы. Ответ кроется в закодированных сигналах, которые передают спутники.
Передаваемый код называется "псевдослучайным кодом" потому, что похож на шумовой
сигнал. Когда спутник генерирует псевдослучайный код, GPS навигатор генерирует такой
же код и пытается согласовать его с кодом спутника. GPS навигатор сравнивает два кода,
чтобы определить, насколько необходимо задержать (или сместить) свой код, чтобы
Поздина Е.А. МОУ «Лицей № 1 г. Волгореченск»
соответствовать коду спутника. Чтобы получить расстояние время задержки (смещения)
умножается на скорость света.
Часы GPS навигатора не отслеживают время с такой точностью, как часы спутника.
Каждое измерение расстояния требует корректировки на величину погрешности
внутренних часов GPS навигатора. По этой причине измерение расстояния относится к
"псевдорасстоянию". Чтобы определить позицию, используя данные псевдорасстояния,
необходимо отслеживать и пересчитывать зафиксированные данные минимум с четырех
спутников, чтобы погрешность исчезла.
ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ GPS НАВИГАТОРОВ
Гражданский
GPS
навигатор
имеет
потенциальную погрешность определения
месторасположения
как
результат
совокупности
погрешностей
от
следующих источников:
Задержки
ионосферы
и
тропосферы - Сигнал спутника проходит
сквозь атмосферу. Система использует
встроенную
"модель",
которая
высчитывает среднее, но не точное,
значение задержки.
Отражение сигнала - встречается, когда
сигнал перед тем, как достичь приемника, отражается от таких объектов как высотные
здания или горы. Это увеличивает время прохождения сигнала, вызывая тем самым
ошибку.
Ошибки часов приемника - поскольку не практично устанавливать атомные часы в
приемниках GPS навигаторов, имеющиеся встроенные часы могут выдавать очень
незначительные временные ошибки.
Орбитальные ошибки - также известны как "ошибки эфимериса", это неточности
данных о расположении спутника.
Количество видимых спутников - чем больше спутников может "видеть" GPS
навигатор, тем выше точность. Здания, рельеф местности, электронная интерференция,
иногда даже густая листва могут блокировать прием сигнала, вызывая ошибки
месторасположения или полное отсутствие показаний. Чем чище обзор, тем лучше прием.
GPS навигаторы не будут работать в помещении (как правило), под водой или под землей.
Геометрия/затенение спутника - имеет отношение к относительному расположению
спутников в любое заданное время. Идеальная геометрия спутников бывает, когда
спутники располагаются под тупым углом по отношению друг к другу. Плохая геометрия
является результатом расположения спутников на одной линии или в тесной группе.
Намеренное ухудшение сигнала спутника - намеренное ухудшение сигнала
министерством обороны США известно как "Избирательная доступность" и
предназначено для предотвращения использования с враждебными намерениями GPS
сигналов высокой точности. Этим объясняется большинство ошибок. "Избирательная
доступность" была отменена 2 мая 2000г. и в данный момент не применяется. Это значит,
Поздина Е.А. МОУ «Лицей № 1 г. Волгореченск»
что вы можете ожидать от GPS навигатора точности в пределах 6 - 12 метров (около 20 40 футов).
Практическая работа
Составьте сравнительную таблицу «GPS навигаторов различных фирм». При
составлении таблицы учитывайте следующие показатели:
1. Время работы от батарей
2. Размер и вес
3. Конфигурация антенны
4. Возможность DGPS
5. Цена
6. Внешняя антенна
7. Внешний источник питания
8. Крепления
9. Программное обеспечение
10. G-Charts (морские карты)
Источник http://www.gp-s.ru/text/gps-info-010.shtml
Материал размещен http://www.uchmet.ru/