Navigacijos prietaisas jūrų gyliui matuoti

Echolotas - tai prietaisas, skirtas jūrų gyliui matuoti ultragarso bangomis. Jis veikia kaip elektrinis navigacinis prietaisas, leidžiantis tiksliai nustatyti jūros gylį. Echolotų yra įvairių tipų, pritaikytų skirtingiems poreikiams.

Echolotų tipai

• Daugiaspindulinis echolotas
• Garsinis echolotas
• Gelmyninis/giluminis echolotas
• Giliavandenių žuvų paieškos echolotas
• Horizontalusis echolotas
• Navigacinis echolotas
• Savirrašis echolotas
• Ultragarsinis echolotas
• Lago echolotas

Echoloto terminas žinomas įvairiomis kalbomis: anglų k. - acoustic depth finder, depth indicator, sonic depth finder, fathometer, echo-sounding; rusų k. - эхолот m; vokiečių k. - Echolot n, Tuefenmelder m, Behmlot n; prancūzų k. - écho-sonde m; échosondeur m; détecteur acoustique.

GPS - Globalinio Pozicionavimo Sistema

Globalinio Pozicijavimo Sistema (GPS) - tai didelio tikslumo palydovinė radionavigacinė sistema, suteikianti informaciją apie objektų padėtį erdvėje (3D), jų judėjimo greitį, kryptį ir įveiktą atstumą. Ji taip pat nurodo atstumus iki pasirinktų taškų, tikslų vietos laiką duotu momentu, geografinius saulėtekio/saulėlydžio laikus ir mėnulio fazes. GPS veikia nepriklausomai nuo oro sąlygų, paros ar metų laiko, bet kurioje pasaulio vietoje.

GPS palydovai

GPS sistemoje naudojami 24 palydovai, priklausantys JAV palydovinės navigacijos sistemai NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging). Pirmasis GPS palydovas buvo paleistas 1978 m., o visa 24 palydovų sistema pradėjo veikti 1994 metais. GPS palydovai skrieja 6 orbitinėmis trajektorijomis (po 4 kiekvienoje), kurių aukštis nuo Žemės paviršiaus yra apie 20180 km.

Palydovo parametrai

• Svoris - apie 907 kg
• Ilgis - apie 5 m
• Siunčiamo radiosignalo dažnis - 1575,42 MHz
• Siųstuvo galia - apie 50 vatų

Kiekvienas GPS palydovas radiosignalu į Žemę perduoda informaciją apie savo buvimo vietą (koordinates), tikslų laiką ir identifikavimo kodą. Naujai paleidžiami NAVSTAR serijos palydovai skirti pakeisti senus, sugedusius ar jau pasibaigusių resursų palydovus.

GPS imtuvai

GPS imtuvai - tai prietaisai, priimantys signalus iš GPS palydovų. Juos naudoja vartotojai, esantys Žemės paviršiuje ir aviacijai tinkamame atmosferos sluoksnyje, savo buvimo koordinatėms nustatyti. GPS imtuvą paprastai sudaro dvi pagrindinės dalys: pagrindinis imtuvo mazgas (GPS engine) ir vartotojiška taikomoji programa.

Koordinačių nustatymas

GPS imtuvas priima signalus iš 3-5 artimiausių GPS palydovų, esančių tiesioginio matomumo zonoje. Specialiais algoritmais apdorojami gauti signalai ir pateikiamos vartotojo buvimo vietos koordinatės:

• Platuma
• Ilguma
• Aukštis virš jūros lygio
• Judėjimo greitis
• Judėjimo kryptis

Informacija (grafinė ir tekstinė) yra išvedama vartotojui į ekraną. Imtuvas dažniausiai jungiamas prie delninio arba nešiojamo kompiuterio. GPS palydovų siunčiami signalai pasiekia bet kurią Žemės vietą, bet kuriuo paros laiku, nepriklausomai nuo oro temperatūros. Norint nustatyti 3D koordinates erdvėje (ilgumą, platumą ir aukštį virš jūros lygio), reikia priimti signalus mažiausiai iš keturių skirtingų palydovų vienu metu. Jei imtuvas apskaičiuoja tik 2D koordinates (ilgumą ir platumą), vartotojas turi pats įvesti esamą aukštį virš jūros lygio. Neteisingai įvedus šį parametrą, vietovės nustatymo rezultatai bus netikslūs, o 2D koordinačių nustatymo paklaida gali viršyti vertikalios dedamosios paklaidą 2-5 kartus.

Koordinačių tikslumas

Šiuo metu GPS imtuvo vietos nustatymo tikslumas gali siekti nuo 100 metrų iki 1 cm. Tai priklauso nuo naudojamo imtuvo sudėtingumo, matavimo ir apskaičiavimo priemonių bei metodų. Civilinės paskirties arba buitiniais GPS imtuvais nustatomų koordinačių paklaida siekia apie 3-5 m. Naudojant EGNOS (Euro Geostationary Navigation Overlay Service), ji gali sumažėti iki 1-1,5 m.

Kur reikalingas didelis tikslumas, prie GPS imtuvo naudojamas papildomas diferencialinis GPS imtuvas (DGPS). Jis skirtas panaikinti netikslumus, atsirandančius dėl atmosferinių signalų iškraipymo, signalų atspindžių ir kitų paklaidų šaltinių. DGPS tikslumas gali būti pagerintas antžeminės stoties pagalba. Antžeminė stotis, priėmusi palydovo signalą, apskaičiuoja jo paklaidą ir kitu radijo dažniu siunčia „patikslintą“ signalą DGPS imtuvui. Priklausomai nuo DGPS tipo ir naudojamų metodų, vartotojo buvimo vietą galima apskaičiuoti nuo kelių metrų iki 1 cm tikslumu, o judėjimo greičio paklaida - mažiau nei 0,15 km/h.

DGPS korekcijos perduodamos radijo bangomis naudojant įvairių tipų siųstuvus: žemų dažnių radionavigacinius švyturius, komercines FM stotis, VHF/UHF/SHF komercinius siųstuvus, geo-stacionarinius palydovus. Daugelio jų eksploatacija finansuojama JAV vyriausybinių agentūrų, o priimami DGPS duomenys yra nemokami.

WAAS sistema

WAAS (Wide Area Augmentation System) - tai sistema, kuomet korekcijos signalą, surinktą iš antžeminių stočių, perduoda specialus geostacionarinėje orbitoje esantis palydovas. Kadangi duomenims perduoti naudojamas tų pačių parametrų signalas, kaip ir GPS palydovų, vartotojui nereikia jokių papildomų įrenginių - užtenka turėti GPS imtuvą su šia funkcija. Šiuo metu WAAS veikia tik Šiaurės Amerikoje, o jos paklaida yra mažesnė nei 3 metrai. Kituose regionuose kuriamos panašios sistemos, pvz., Europoje - EGNOS, Azijoje - Japonijos MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System).

GPS imtuvų eksploatacija ir trukdžiai

Vartotojo koordinačių nustatymo kokybė priklauso nuo GPS transliuojamos informacijos tikslumo, signalo priėmimo sąlygų ir GPS imtuvo kokybės. Saugumo sumetimais GPS transliuojama civilinė informacija specialiai iškraipoma, įvedant paklaidas. Signalo priėmimo sąlygas gali pabloginti atmosfera, aukšti objektai šalia imtuvo (kalnai, tankus miškas, pastatai, tuneliai ir pan.). Lietus, šlapdriba ir sniegas trasoje tarp imtuvo ir GPS palydovo paprastai neturi juntamos įtakos priimamam GPS signalui. Tačiau sniegas ir ledas, susikaupę ant GPS imtuvo išorinės priėmimo antenos, gali gerokai pabloginti signalo priėmimą.

GPS imtuvams kenkia žaibai; žaibo iškrova netoliese gali visiškai sugadinti imtuvą. Normaliam darbui GPS imtuvas turi „matyti“ bent 3 palydovus. Automobiliniuose GPS navigacijos aparatuose būna ne mažiau kaip 12 GPS imtuvų kanalų. Kai kurie navigacijos aparatai turi viduje giroskopus, kurie palaiko vidinį sistemos pozicionavimą prapuolus GPS ryšiui (pvz., tunelyje). Giroskopas - tai inertinis prietaisas, išlaikantis nekintančią padėtį erdvėje.

Elektros perdavimo linijų sukeliami trukdymai GPS signalų priėmime beveik nepasireiškia dėl žemo tinklo dažnio (50 Hz). Tačiau šie trukdymai kur kas labiau pasireiškia priimant DGPS korekcinius signalus. Stiprūs magnetiniai laukai neturi pastebimos įtakos GPS priėmimui, neigiamą įtaką paprastai sukelia elektromagnetinių laukų energija, generuojama kompiuterių ir kitų šaltinių.

DGPS imtuvų tikslumas blogėja, vartotojui tolstant nuo korekcinius signalus siunčiančios stoties. Tam įtakos turi jonosferos nevientisumai ir trumpalaikiai "iškraipymai", atsirandantys dėl saulės įtakos. Saulės aktyvumo metais DGPS paklaida išauga ir didėja proporcingai atstumui nuo korekcinius signalus siunčiančios stoties (iki 1 m kiekvienam 100 km atstumo). Norint išvengti šių paklaidų, naudojami dviejų dažnių DGPS imtuvai.

Navigacijos programų ypatumai

Navigacijos programa maršrutą į tą patį tikslą gali sudaryti skirtingai, priklausomai nuo vartotojo pasirinkimų. Pavyzdžiui, pasirinkus režimą „Greitas“, bus parinktas tiesiausias (nebūtinai trumpiausias) maršrutas keliais su minimaliais greičio apribojimais.

GPS žemėlapiai

GPS žemėlapių įtaka maršruto sudarymui yra didelė: ta pati navigacijos programa tą patį maršrutą sudarys skirtingai, priklausomai nuo to, kokio sudarytojo žemėlapius naudoja ir kaip kelias apibūdintas žemėlapyje. Jei kelias apibūdintas kaip „prastas“, sistema jo vengs; jei kaip „geras“ - ves per jį. Šie duomenys priklauso ne tik nuo žemėlapio naujumo, bet ir nuo sudarytojų profesionalumo. Navigacijos programa „mąsto“ žemėlapių kokybės ribose.

• Padengimas: Elektroninio žemėlapio (ir navigacijos aparato) kaina tiesiogiai priklauso nuo komplektuojamų smulkių šalių žemėlapių. „Šalis (99%)“ reiškia, kad žemėlapiai aprėpia 99% kelių ilgio, gyventojų skaičiaus ar teritorijos, arba tai, ką sugalvoja žemėlapių tiekėjai.
• Tikslumas: GPS žemėlapiai turi būti su tiksliomis kiekvienos sankryžos, kelio vingio ar pastato koordinatėmis. Ši informacija yra pati brangiausia, nes koordinatės į žemėlapius įvedinėjamos tik fiziškai važiuojant tais keliais.
• Kelių charakteristikos: Navigacijos programa sudarys maršrutą, atsižvelgdama į kelių apibūdinimą žemėlapyje.
• Lankytinos vietos (LV) arba Svarbios vietos (POI): GPS žemėlapio kokybę apibūdina ir LV skaičius (aikštelės, degalinės, viešbučiai ir t.t.). Kuo daugiau naudingos informacijos, tuo geriau.
• Sunkvežimių GPS žemėlapiai: Yra su papildoma informacija apie sunkvežimių eismo apribojimus (leidžiamos tiltų apkrovos, aukščiai, riboženkliai ir t.t.) ir sankryžų pravažumo duomenimis.

Ekrano vaizdas ir navigacijos funkcijos

• 3D / 2D navigacija: Trimatis pasviras arba dvimatis-plokščias žemėlapio vaizdas GPS navigacijos ekranėlyje. Mažas ekranas negali atvaizduoti didelio ploto. 3D žemėlapis ekranėlyje pasviręs ir panašus į vaizdą pro automobilio langą: artimiausi objektai didesni, būsimas maršrutas - tolumoje.
• Automatinis mastelis: Automobilinių GPS navigacijos aparatų ekranėlio vaizdo ypatybė, kai žemėlapio mastelis keičiasi priklausomai nuo kelio sudėtingumo ir automobilio greičio.
• Sunkvežimių navigatorius: Skiriasi nuo „paprastų“ navigacinių aparatų navigacijos programos galimybe sudarinėti maršrutus, įvertinant iš anksto įvestus sunkvežimio gabaritus. Efektyviam darbui naudojami specifiniai sunkvežimių žemėlapiai.
• TMC (Eismo pranešimų kanalas - Traffic Message Chanel): Pranešimus apie spūstis, remontus, avarijas, pavojingas sąlygas nemokamai transliuoja įprastos FM radijo stotys RDS kanalu. Navigatoriai, turintys RDS TMC modulius, tai priima, parodo ekrane bei pasiūlo perskaičiuoti maršrutą apvažiuojant spūstį.

Alternatyvios navigacijos sistemos ir metodai

Šiais laikais orientuotis padeda ne tik turistiniai ar automobiliniai GPS imtuvai, bet ir mobilieji telefonai. Navigacija vadinama visa tai, kas padeda nustatyti savo padėtį erdvėje ir joje orientuotis. Tiksliausiai savo buvimo vietą nustatysime, naudojant aplink Žemę keliaujančius kosminius palydovus.

Orientavimasis be GPS

GPS signalą sunku pagauti tunelyje ar požeminėje stovėjimo aikštelėje. Tokiose situacijose mobilieji telefonai gali nustatyti buvimo vietą keliais būdais:

• WLAN ryšio pagalba: Telefonas randa aplinkui esančius WLAN tinklo maršrutizatorius ir nuskaito jų MAC adresus. Pagal šią informaciją ir signalo stiprumą įrenginys nustato buvimo vietą iki 20 metrų tikslumu. Kuo daugiau aplinkui WLAN ryšio šaltinių, tuo tikslesnis vietos nustatymas.
• Mobiliojo ryšio antenų pagalba: Telefonui reikia nustatyti, kur yra artimiausios GSM ryšio antenos. Kuo arčiau ir kuo daugiau antenų yra aplink mobilųjį telefoną, tuo tiksliau nustatoma buvimo vieta. Miestuose šio vietos nustatymo paklaida yra apie 50 metrų, užmiestyje - net iki trijų kilometrų. Tai pats netiksliausias būdas, tačiau veikia ten, kur GPS ryšys visiškai nepasiekiamas.

Kitos navigacijos sistemos

• Glonass: Rusų navigacijos sistema, pradėta kurti 1976 metais. Veikia panašiai kaip GPS ir pradžioje taip pat buvo skirta kariniams tikslams.
• Galileo: Europos Sąjungos kuriama navigacijos sistema, pradėta diegti 2003 metais. Jos tikslas - sumažinti priklausomybę nuo amerikietiškojo GPS ryšio bei padidinti tikslumą. Sistemą sudarys 30 kosminių Žemės palydovų, o koordinatės galės būti nustatomos maždaug keturių metrų tikslumu.
• Compass: Kinijos kuriama navigacijos sistema, kuri turėtų būti pabaigta 2015 metais ir veikti visame pasaulyje. „Compass“ naudos net 35 kosminius Žemės palydovus. Tai jau antroji Kinijoje sukurta navigacinė sistema.

Navigacijos istorija ir praktinis pritaikymas

Navigacijos raida

• Nuo senovės: Švyturiai navigacijoje naudojami nuo neatmenamų laikų.
• Nuo viduramžių: Jūrininkai jau naudojo kompasą ir popierinius žemėlapius.
• Nuo 1730-ųjų: 1730-aisiais metais išrastu sekstantu galima nustatyti koordinates pagal dangaus šviesulius.
• Nuo 1900-ųjų: Henrikas Hercas atradus radijo bangas, jos buvo panaudotos ir navigacijai.
• Nuo 2000-ųjų: GPS ryšys pradėtas naudoti net 1978-aisiais metais ir pradžioje buvo skirtas tik kariniams JAV tikslams.
• Nuo 2007-ųjų: Pirmasis telefonas, nustatantis savo padėtį bevielio WLAN tinklo pagalba, buvo pirmosios kartos „Apple iPhone“.

Praktinis GPS pritaikymas

GPS sistema su papildoma įranga plačiai pritaikoma navigacijoje - apskaičiuojamas maršrutas tarp pasirinktų taškų, rodomas objekto judėjimas detaliame žemėlapyje, teikiami grafinio kelvedžio nurodymai, kaip įveikti artėjančias kryžkeles, sankryžas ar posūkius, o nukrypus - kaip vėl sugrįžti į maršrutą. GPS navigacija masiškai taikoma transporto, turizmo ir kt. srityse. Didelio tikslumo GPS sistema naudojama kariniams tikslams, aviacijoje, kartografijoje, geodezijoje ir kt.

Papildomos funkcijos ir programos

• Vietų paieška: Turėdami GPS įrenginį, galime lengvai susirasti artimiausią degalinę, aikštelę, viešbutį. Daugelyje navigatorių yra dideli lankytinų vietų sąrašai.
• „Wikitude“: Programėlė, suderinanti GPS imtuvo, interneto ir fotoaparato galimybes. Nukreipus fotoaparatą į pastatą, pamatysite visą informaciją apie jį.
• Turistiniai GPS imtuvai: Populiarūs tarp turistų, dviratininkų ir sportininkų. Jie suteikia daugiau informacijos apie vietovę nei automobiliniai navigatoriai, gali rodyti vietovių aukštį, pėsčiųjų, dviratininkų kelius ir kitus objektus.
• „Geotagging“: Nuotraukų ir filmų failuose prie informacijos apie aparatūrą ir nustatymus pridedama vietos žymė. Tai patogu, tačiau gali kelti privatumo riziką.
• „Geocaching“: Žaidimas GPS imtuvų turėtojams, primenantis lobių ieškojimą. Žaidėjai paslepia dėžutes su daiktais ir bloknotu, o koordinates paskelbia svetainėje www.geocaching.com.
• Sporto žaidimai: Pavyzdžiui, „Fastfoot Challenge“ (www.fastfoot.mobi), kuriame žaidėjai bėga ir gaudo vienas kitą, stebėdami padėtį žemėlapyje.
• Socialinės programėlės: „Foursquare“ ir „Gowalla“ leidžia pranešti draugams apie apsilankymus įvairiose vietose, suteikiant nuolaidų ir akcijų.
• „Google Latitude“: Paslauga mobiliesiems telefonams ir kompiuteriams, leidžianti dalintis savo buvimo vieta su pasirinktais žmonėmis.
• Artimųjų, darbuotojų sekimas: Mobilieji telefonai leidžia sekti artimuosius ar darbuotojus. Tam gali būti naudojamas mobiliojo ryšio signalas (paklaida mieste - apie 50 metrų, užmiestyje - iki 12 kilometrų) arba GPS „blakės“ (angl. GPS „Tracker“) su mobiliuoju ryšiu.

tags: #navigacijos #prietaisas #juru #gyliui #matuoti