Pomiary za pomocą GPS Konrad Bajer, Krzysztof Markowicz

Prezentacja na temat: "Pomiary za pomocą GPS Konrad Bajer, Krzysztof Markowicz"— Zapis prezentacji:

1 Pomiary za pomocą GPS Konrad Bajer, Krzysztof Markowicz
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki Center for Small-Scale Atmospheric Research cessar.fuw.edu.pl [Briefly introduce the topic and yourself as a GLOBE trainer.] Feel free to add your name and date to the introduction slide above. Last modified: July 19, 2005 The GLOBE Program Office can only insure the validity/reliability of the content in these slides if they were downloaded from the GLOBE Web site. Since PowerPoint files can be modified, anyone receiving these slides from a third party should be aware that the slide content may have been edited or modified.  Please visit for original versions. The GLOBE Teacher’s Guide 2003 version was used when referencing specific page numbers. 2005

2 Do czego potrzebujemy GPS w badaniach GLOBE?
Podajemy lokalizację szkoły i lokalizacje poszczególnych stanowisk pomiarowych Wprowadzamy dokładne współrzędne, które umożliwiają przestrzenną analizę danych Lokalizacja podana jest w formacie, który jest jednakowy dla całego świata (w przeciwieństwie do współrzędnych mapy Student-collected measurements in the GPS Measurement Protocol are helpful to scientists in the following ways: -Geo-referenced data can be mapped and compared between different locations. -Mapped (or spatial) data can reveal patterns, trends, or change over time in the data. 2005

3 Navigation Satellite Timing And Ranging System
Czym jest GPS ? NAVSTAR GPS Navigation Satellite Timing And Ranging System 24 satelity na orbitach wokółziemskich Wyznaczanie pozycji, nawigacja i precyzyjny pomiar czasu Działają 24 godziny na dobę przy każdej pogodzie Używane wszędzie tam, gdzie potrzebna jest dokładna znajomość położenia Why do you think you need to know where measurements are taken? Can you think of examples of when you need to know locations very accurately? How accurate do you think the location needs to be for the following things? Finding buried treasure Locating a tall mountain When you are on a ship in the middle of the ocean and need to report your location because you have engine trouble. Locating a country Someone calling 911 in an emergency (Invite people to think of other examples) In science, researchers might need to know exact locations to: Compare different data from similar latitudes Compare data from different altitudes Find a measurement nearby to check to see if it similar to your own Compare temperatures in corn fields to temperatures in soybean fields 2005

4 Z czego składa się GPS? Satelity na orbicie www.montana.edu/places/gps
Kontrola naziemna Użytkownicy 1978 Pierwszy satelita Block 1 umieszczony na orbicie w roku. 1986 Katastrofa Challengera opóźnia budowę systemu. 1989 Pierwszy satelita Delta 2. System GPS jest pod kontrolą Departamentu Obrony USA 2005

5 Codziennie wyłaniają się znad horyzontu o 4 min. wcześniej
Okres obiegu ok. 12 h Codziennie wyłaniają się znad horyzontu o 4 min. wcześniej 24 satelity w sześciu płaszczyznach orbitalnych nachylonych pod kątem 55 do płaszczyzny równika. Wysokie orbity są stabilne Odległość od Ziemi ok km. Dla porównania satelity TV (geostacjonarne) 42,245 km 28 na orbicie (maj 2003) minimum: 24 2005

6 Jak działa GPS? Orbity są tak zaprojektowane, że w każdym miejscu na Ziemi, w każdym momencie „widać” conajmniej 4 satelity Satelity nadają zsynchronizowany sygnał czasu co 15 sekund Odbiornik GPS oblicza swoje położenie na podstawie względnych opóźnień między sygnałami, które do niego docierają Odbiornik musi „widzieć” minimum 3 satelity, żeby obliczyć długość i szerokość geograficzną, a 4 satelity, żeby obliczyć również wysokość Sygnały czasu są zsynchronizowane z dokładnością do nanosekund (0, s). W czasie jednej ns sygnał przebywa ok. 30cm Dokładność pomiaru ręcznym odbiornikiem jest na całym świecie nie mniejsza niż 10-15m a zwykle jest znacznie lepsza How does the GPS work? -28 GPS satellites in orbit at 20,200 km above Earth’s surface -Orbits are planned so at least 4 satellites are always in view -Satellites broadcast highly accurate time signals every 15 seconds -GPS receivers calculate distance to GPS satellites by measuring time delays between 4 satellite timing signals -At least three satellite signals needed for latitude and longitude, at least four satellite signals are needed for elevation -time given on GPS receiver is accurate to within one billionth of a second A Global Positioning System (GPS) receiver is a hand-held device that receives data directly from overhead satellites. Accuracy almost anywhere in the world is about plus or minus meters. This allows for GLOBE sites to identify (with sufficient accuracy) their individual pixel (30m x 30m) in Landsat images. 2005

7 Wyznaczanie odległości od satelity
Zegary satelitów i odbiornika są dokładnie zsynchronizowane Satelity i odbiorniki generują ten sam pseudolosowy kod (patrz rysunek) Z przesunięcia kodu własnego i kodu otrzymanego z satelity odbiornik może obliczyć odległość do satelity Dodatkowe komplikacje są spowodowane tym, że prędkość rozchodzenia się sygnału zależy od stanu atmosfery (zawartość wody) i wysokości satelity (teoria względności) 2005

8 Długość i szerokość geograficzna
Deklinacja magnetyczna 1° długości geograficznej = 0 km 1° szerokości geograficznej = ~111 km Bieguny magnetyczne nie pokrywają się z geograficznymi. Bieguny magnetyczne powoli się przemieszczają -Lines of equal latitude are parallel and everywhere on the Earth. They are called parallels. 1 degree of latitude is approx. =111 km. -Lines of equal longitude converge at the Poles. They are called meridians. 1 degree of longitude varies from ~111km at the Equator to 0km at the Poles. Magnetic Variation : Magnetic North vs. True North -On Earth, the magnetic North and South poles do not line up exactly with the true North and South poles (along our planet’s rotation axis). Earth’s magnetic north pole is slowly moving and is currently located in Canada’s Northwest Territories. Magnetic declination is the angle between True North and Magnetic North -You may use the map given in the Teacher’s Guide or a topographic map to determine the magnetic declination and true North at your location. You will need use the true North heading for the Measuring Wind Direction Field Guide in the Atmosphere Investigation and for the Offset GPS Field Guide in the GPS Investigation. -The diagram shows lines of equal magnetic declination throughout the U.S. and Canada. Copyright 1995 by Ray Sterner, John Hopkins University Applied Physics Laboratory. 1° długości geograficznej = ~111 km 2005

9 Ruch bieguna magnetycznego
Zmiany polaryzacji Ruch dobowy edition.cnn.com/interactive/tech/0203/north.pole/frameset.exclude.html/ Ruch wiekowy 2005

10 Mapa deklinacji magnetycznej
Mapa deklinacji magnetycznej. W Polsce deklinacja jest niewielka, ale np. w Nowej Zelandii sięga 20° Students can generate local inquiry questions to create a context for data collection to answer the question. Local inquiry topics can be connected or scaled to provide a local to global perspective on environmental research. Please generate a local example that teachers and students can relate to. Examples: How do distances in miles compare to differences in latitude and longitude? How would you describe your school’s location to people in your town? Would this description be helpful to people who live in another country? Can you think of any other universal system that would be easily understood by people all over the world to locate specific places? 2005

11 Jaką wysokość mierzy GPS?
GPS mierzy wysokość względem elipsoidy Wysokość topograficzna jest mierzona względem geoidy -All measures of elevation are made using the mean sea level as a point of reference. Since the sea level fluctuates daily with tides, the mean sea level is used as a reference. The reference surface that passes through the global mean sea level is called the Geoid. It is shaped by the Earth’s gravitational field and thus is not smooth. -GPS receivers cannot save the complicated Geoid shape internally in memory. Instead a smooth simplified shape is used, called the Reference Ellipsoid. (A model of the earth’s shape.) -Because of this, the elevation of your location measured with a GPS receiver may be significantly different from the elevation determined by other methods (for example, topographic maps). The differences between the Geoid and Ellipsoid can from -106 m to +85 m. Note: The GLOBE server will automatically make the Geoid correction to your elevation once you have entered your GPS measurements for latitude, longitude, and elevation for your site. Since the corrections are not exact, the resulting altitudes are sometimes obviously incorrect. (for example, a school at sea level may be corrected to below sea level). Scientists will double check elevations when such things occur and make appropriate corrections. 2005

12 Elipsoida i geoida Model geoidy jest zbyt skomplikowany by był zapisany w GPS. Dlatego używa się elipsoidy 1. Ocean 2. Elipsoida 3. Pion lokalny 4. Kontynent 5. Geoida Geoida jest teoretyczną powierzchnią, na której potencjał siły ciężkości Ziemi jest stały, równy potencjałowi siły ciężkości na średnim poziomie mórz otwartych i przedłużoną umownie pod powierzchnią lądów. 2005

13 Przyrządy: odbiornik GPS i kompas
Any brand and model of GPS receiver and magnetic compass can be used for this protocol. The GPS receiver shown in the picture above is a Garmin. Before you use a GPS to receiver make sure that it is set to display time in UT, elevation in meters, and lat/long in decimal degrees. Sometimes the GPS receiver fails to determine a valid location. Possible causes and solutions are: 1. Mountains, buildings, trees and dense foliage can block the GPS signals. Move to a site with unobstructed sky view or Use Offset GPS Protocol to calculate desired site location. 2. Your body can block the GPS signals. Move away from the receiver or hold the receiver above you and others. 3. Low battery power. Replace the batteries. A compass will have three basic parts: 1. The magnetic needle is attracted by the magnetic North Pole of the earth. 2. The graduated dial is used to set the desired bearing. 3. The base plate has an orienting arrow and a sighting arrow. 2005

14 GPS 12 GPS 72 Odbiorniki GARMIN 2005

15 Pomiary Pomiary za pomocą GPS Pomiar pośredni GPS (jeśli konieczny)
Szerokość geograficzna Długość geograficzna Wysokość (nad elipsoidą) Pomiar pośredni GPS (jeśli konieczny) Północ geograficzna („prawdziwa”) Szerokość geograficzna (z uwzględnieniem poprawki) Wysokość 2005

16 Ekrany GARMINa 12 2005

17 Graficzne przedstawianie danych
Country (Latitude, Longitude, Elevation) Australia (41.13 S, W, 120m) Switzerland ( N, W, 507m) Cyprus ( N, W, 133m) Czech Republic ( N, W, 320m) Czech Republic (55.05 N, 37.3 W, 516m) Germany ( N, W, 262.4m) Spain ( N, E, 45m) Spain ( N, E, 698.9m) Finland ( N, W, 123m) Finland ( N, W, 11m) Ghana ( N, 0.25 W, 229m) Croatia ( N, W, 90m) India ( N, W, m) Lebanon ( N, W, 7.4m) Norway ( N, W, 170m) New Zealand ( S, W, 102.5m) Poland ( N, W, 27m) Thailand ( N, W, 116m) USA, Alaska ( N, E, 12m) USA, Alaska ( N, E, 145m) USA, Arkansas (36.11 N, E, 95m) USA, Arkansas (36 N, 94 E, 437m) USA, Arizona ( N, 111 E, 1436m) Guinea ( N, W, 828m) Iceland ( N, E, 15m) Argentina (34.53 S, E, 0m) 2005

18 TRANSPORT  Drogowy  Kolejowy  Lotniczy  Publiczny  Morski
SIECI ENERGETYCZNE  Pomiar czasu z dokładnością mikrosekundową pozwala zlokalizować miejsce awarii z dokładnością do 300 m, co jest równe odległości między słupami  Prace poszukiwawcze, np pozycjonowanie platform wiertniczych. TELEKOMUNIKACJA  Precyzyjna lokalizacja telefonów komórkowych  Serwisy informacyjne zależne od lokalizacji telefonu  Procedury ratunkowe zależne od położenia ratowanego.  Wycena usług zależna od położenia (strefy „biznesowe” i „mieszkaniowe”) Zastosowania 2005

19 SZYFROWANIE.  Precyzyjny sygnał czasu może być
SZYFROWANIE  Precyzyjny sygnał czasu może być podstawą skutecznych i powszechnych metod szyfrowania finanse, bankowość, ubezpieczenia certyfikacja dokumentów elektronicznych ROLNICTWO  Łatwa i szybka rejestracja obszarów zajmowanych pod poszczególne uprawy  Precyzyjne stosowanie chemikaliów ŚRODOWISKO  Badanie stanu atmosfery  Monitorowanie gatunków zwierząt POMOC LUDZIOM NIEPEŁNOSPRAWNYM  Informacja o położeniu i wskazywanie drogi niewidomym (zastępuje mapę)  Planowanie trasy dla ludzi na wózkach inwalidzkich (programowalne wózki)  Pomoc dla ludzi z zanikami pamięci (choroba Alzheimera)  Systemy informacji w środkach transportu publicznego 2005