(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Компас

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 24-10-2014

Метки: , , ,

Исследование новых земель, прокладка торговых путей, развитие отношений с далекими странами – все это требовало усовершенствования методов морской и сухопутной навигации. Как удалось Птолемею создать подробные географические карты множества территорий, не имея компаса? Тем не менее, компаса у Птолемея не было. Не было его и у Пифея, открывшего Великобританию, Северное и Балтийское моря. Не было компаса у греков, в 6 веке до нашей эры впервые обогнувших Африку. Удивительно.

Как же люди определяли стороны света в «докомпасную» эпоху? Очень просто — ориентируясь по расположению звезд (Полярная звезда, к примеру, расположена в северном направлении), по направлению движения Солнца (с востока на запад), по кронам деревьев (с южной стороны листва гуще, с северной – реже). То есть кажется, что просто. А на самом деле… Как быть, скажем, в пасмурную погоду, когда не видно ни солнца, ни звезд, да еще и в открытом море, где нет никаких видимых ориентиров? Вот поэтому-то древние мореходы и совершали свои походы лишь в зоне прямой видимости береговой линии.

Компас, прибор для определения сторон света по стрелке, указывающей направление магнитного меридиана, был изобретен китайцами около 2-3 века нашей эры. Точных исторических свидетельств нет, но известно, что мореплаватели Древнего Китая использовали для определения сторон света кусочки магнитного железняка – руды, обладающей остаточной намагниченностью.

Работает этот маленький прибор на основании физического закона взаимного притяжения разнонаправленных магнитных полюсов. Любой продолговатый металлический предмет – игла или полоска — обладающий остаточной намагниченностью, стремиться сориентироваться таким образом, чтобы  положительно заряженный конец иглы был направлен в сторону Северного магнитного полюса Земли, который имеет отрицательный заряд, а отрицательно заряженный конец иглы, соответственно, был направлен в сторону Южного магнитного полюса Земли, имеющего положительный заряд. При этом игла компаса располагается вдоль магнитного меридиана — воображаемой линии, соединяющей два полюса планеты.

Из-за смещения магнитного поля Земли относительно оси вращения планеты, расположение магнитных полюсов не совпадает с расположением полюсов географических. Поэтому для точного определения азимута движения по географическому меридиану требуется введение корректирующей поправки. Еще одно ограничение применения компаса – прибор не работает вблизи магнитных полюсов, поскольку стрелка стремиться занять вертикальное положение. Наконец, стрелка компаса может показывать неправильное направление в сильном магнитном поле – рядом с намагниченными предметами или в районах залегания магнитного железняка (их называют магнитными аномалиями), основной железосодержащей руды.

Несмотря на простоту устройства, компас не всегда был таким, каким мы знаем его сегодня. Первые приборы, появившиеся в Европе около 12 века нашей эры, представляли собой сосуд с водой, в котором плавал кусочек дерева с закрепленной на нем магнитной стрелкой. К 14 веку конструкция компаса была изменена – стрелку закрепили на вертикальной оси, установленной в центре разграфленного бумажного круга. На круг были нанесены метки сторон света. Позже появилась градусная шкала, облегчающая определение азимута – угла между магнитным меридианом и линией направления движения к наблюдаемому объекту.

Таким образом, были заложены основы конструкций двух основных типов компаса – жидкостного и стрелочного. Стрелочный компас применяется для ориентировки на суше. Он выполняется в виде небольшого карманного прибора, либо крепится ремешком на руке подобно наручным часам. Для правильной работы стрелочный компас следует располагать горизонтально, чтобы в узле сочленения оси и стрелки не возникало перекосов.

В открытом море, когда судно раскачивает на волнах из стороны в сторону, обеспечить горизонтальное положение компаса невозможно, поэтому на кораблях устанавливают жидкостные приборы. Жидкостный компас устроен следующим образом. В герметичную емкость со стеклянной крышкой заливают масло. В закрытой масляной ванне плавает диск из немагнитного материала (дерева или пластика) с вмонтированной в него магнитной стрелкой. Благодаря закрепленному в нижней части диска грузу, стрелка жидкостного компаса сохраняет горизонтальное положение при любом наклоне корпуса прибора. Более того, жидкостный компас более точен, поскольку на стрелку не воздействуют силы трения в узле ее сочленения с осью. А недостатками жидкостного компаса являются стационарная конструкция, большие размеры и вес.

Умение ориентироваться на местности обязательно для любого современного человека. Даже не имея компаса его всегда можно изготовить из обычной швейной иглы и кусочка пробки. Большинство железных предметов обладает остаточной намагниченностью, достаточной для того, чтобы выполнять функцию стрелки компаса.

Однако точность работы компаса оставляет желать лучшего. В самом деле, достаточно приблизить к стрелке намагниченный кусочек железа, как прибор начинает давать сбои – то есть указывает неверное направление. А для прокладки маршрутов самолетов, кораблей, для геодезических работ и в других профессиональных областях точное определение азимута движения имеет огромное значение.

В 80-е годы 20 века в США была разработана и введена в эксплуатацию система глобального позиционирования или GPS. Созданная для военных целей, в начале 90-х годов эта система была открыта для свободного гражданского использования во всех странах мира. Отличие военной системы GPS от ее гражданской части в точности определения географических координат. Если в первом случае погрешность не превышает 1 метра, то в гражданском применении система дает погрешность около 100 метров. Но и это позволяет с предельно большой точностью определять координаты, направление и скорость движения, прокладывать маршруты, согласуя их с топографическими картами, и даже  определять высоту над уровнем моря.

Система глобального позиционирования состоит из спутников, выведенных на гелиостационарную орбиту (то есть располагающихся неподвижно над поверхностью планеты), наземной станции обслуживания и пользовательских приемников, настроенных на определенную радиочастоту. Каждый приемник снабжен жидкокристаллическим экраном, на который выводится цифровая и графическая информация – карта-схема движения владельца приемника GPS. Работает система GPS следующим образом. Каждый спутник получает радиосигнал с наземной станции обслуживания и ретранслирует его на землю. Приемник улавливает сигналы с трех спутников, сравнивает их между собой и с эталонным сигналом, который генерирует колебательный контур самого приемника. При этом компьютер приемника замеряет время сдвига частоты, который происходит при прохождении радиосигнала расстояния от спутника до приемника. На основании замеров сдвига частот радиосигналов от трех спутников и сравнения результатов с эталонным сигналом компьютер приемника вычисляет географические координаты своего расположения – долготу и широту.

Благодаря тому, что приемник получает сигналы сразу с трех спутников, располагающихся на большом расстоянии друг от друга, система GPS обеспечивает замер скорости движения. А синхронизация данных с электронной копией карты, заложенной в память приемника, позволяет выводить на экран карту с нанесенным на нее маршрутом передвижения. Более того, приемники GPS «умеют» рассчитывать время движения, прокладывать сразу несколько вариантов маршрутов, определять возможное время прибытия в конечную точку и выполнять множество вспомогательных функций (например, работать в качестве особо точного электронного компаса).

Сложная в техническом плане спутниковая система глобального позиционирования получила широчайшее распространение. Сегодня карманный  приемник GPS стоит столько же, сколько хороший радиоприемник или портативный магнитофон. Приемники GPS устанавливаются в легковые и грузовые автомобили, ими оснащаются малые и большие суда, не говоря уже о самолетах. Выпускаются и совсем миниатюрные модели, вроде приемников GPS, встроенных в наручные электронные часы и телефоны сотовой связи.

В больших городах приемники GPS позволяют отыскать путь к нужному дому или улице по топографической карте-схеме, которая выводится на экран приемника (причем, с названиями улиц и номерами домов). В сельской местности или в лесу приемник GPS помогает отыскать путь к ближайшим населенным пунктам. Единственное ограничение системы глобального позиционирования – она не работает вблизи полюсов Земли. Дело в том, что все 11 спутников системы располагаются над экватором, поэтому приполярных областей планеты их сигналы не достигают.

GPS для пешехода

Рубрика: (Больше чем телефон, Путешествия) | Автор: moderator | Дата: 12-02-2014

Метки: , , , ,

Допустим, у нас есть GPS. Допустим, это вполне удобный и, что существенно, недорогой аппарат. Вопрос — что в нём должно быть устроено таким образом, чтобы он не обременял нас своими габаритами и в то же время предоставлял сносный сервис? Или, иными словами, каким должен быть хороший приёмник GPS для пеших прогулок? Интересно? По-моему, очень интересно.

Договоримся сразу — мы рассматриваем смартфонные программы и наиболее дешевые приёмники. А это означает, что с чувствительностью приёмника могут возникнуть проблемы. Нам не нужна сантиметровая, особо точная навигация. Нам нужен приблизительный ориентир и названия. Больше ничего такого не требуется. Но при этом нужна загрузка карт и спутниковых ориентиров. Чтобы мы ориентировались по внятным привязкам, а не по условным обозначениям.

Короче, протестируем наиболее продвинутые и наиболее дешевые решения — вне зависимости от платформы. Нас интересует доступность. А программы — дело наживное. В нашем случае даже более наживное, чем можно это представить. Поехали?

Первым в зону внимания входит программа Google Maps — её андроидный вариант. Заметим, это родной для Андроида вариант. Следовательно, служить должен не просто хорошо, а — отлично. Он и служит отлично, если не обращать внимания на точность. В андроидных смартфонах главная навигационная программа — суть наполнения. Навигация отменная, но с условными ограничениями. Необходим, к слову, навигатор для пешеходных прогулок — получи его, но с ошибкой примерно на 50 метров. Больше, меньше — работает там, где больше или меньше точность ориентирования. То есть в столице с точностью будет получше, где-нибудь за городом — похуже. Но, в целом, тоже ничего. 50 метров — а это максимальная неточность, больше не бывает. Но оказывается, что для пешеходного навигатора это самая что ни на есть «сносная» точность. В смысле — вполне достаточная.

К слову — к андроидной программе добавляются агенты для Windows и OSX. Это вполне хорошие программы, деятельность которых зависит от скорости подключения к Интернету. Работают они надёжней, чем сугубо андроидные программы, но живут без каких бы то ни было адаптеров. То есть ориентирование на местности происходит по анализу расположения точек доступа, а не по положению спутниковой группы.

Изучение наземных ориентиров для программы Google Maps показывает, что они сняты достаточно давно и современному состоянию не соответствуют. Ну и ладно — для бесплатной-то программы. Сойдёт. А для платной — не очень годится, особенно если платить приходится за трафик. К слову — программа для iOS тоже называется Google Maps, тоже показывает все, что положено (стандарт, гибрид и спутник), и обладает теми же ограничениями. Для пешеходного экскурса, повторяю, подходит замечательно. А что касается дорожной навигации, то для этого у смартфонов есть другие и программы.

Ещё одной смартфонной программой для навигации можно считать электронный компас. Точнее — утилиту управления электронным компасом. Она не является навигационным прибором, но в паре с устройством A-GPS работает очень хорошо, показывая направление движения. Собственно, наличие электронного компаса и позволяет расценивать технику, как спутниковый навигатор. Как устройство для ориентирования на местности. Как неизменный указатель для страждущей души.

Постоянной утилиты для встроенного компаса, как правило, в устройствах нет. Но есть множество сторонних утилит — в том числе и бесплатных. И среди них есть такие, что превращают планшет или смартфон в настоящий навигатор. То есть смартфон становится вместилищем карты, управляемой электронным компасом. На практике штука настолько удобная, что дополнительных программ не требуется. Что есть, то и используем — вне зависимости от наполнения. А если что и потребуется, то все дополнения живут в виде других программ. Все очень просто.

Электронный компас — утилита настраиваемая. Её чувствительность зависит от местоположения смартфона. Поэтому у этих утилит есть возможность подстройки собственного положения. Подстройка осуществляется следующим образом. Запускаем программу. На экране появляется символ движения по горизонтали в виде восьмерки. Вращаем устройство до той поры, пока изображение не исчезнет. Вот и вся процедура…

Ладно, допустим, мы решили подготовиться к путешествию получше и купить настоящий пешеходный навигатор. Что выбрать? К сожалению, прогресс в области смартфонов и планшетных компьютеров поставил крест на пешеходных навигаторах. Они выпускаются, они есть. Но по развитию эти навигаторы сильно отличаются от смартфонных программ. При этом можно предположить, что отличаются в лучшую сторону — по точности ориентирования, по загрузке карт. Однако ни того, ни другого не происходит. И сегодня мы вынуждены заявить, что для пешеходного туризма лучшими являются навигаторы для смартфонов. Это общий случай, когда во внимание не берутся такие параметры, как размер экрана, наличие памяти и возможность загрузки карт.

Пешеходный навигатор — это сложный прибор. Его устройство сильно зависит от уровня оснащённости. То есть недорогой и хороший навигатор — две большие разницы. Поэтому навигаторы доступные, именующиеся пешеходными, по стоимости нам не подходят. К примеру, Garmin Forerunner 201  считается пешеходным навигатором. У него есть относительно крупный корпус с большим экраном, но нет загрузки карт. Следующая модель Garmin Oregon 200 — с нормальным экраном и возможностью подгрузки карт. Но с маленькой памятью — в 24 мегабайта. Наконец, модель Carmin Oregon 300 наделена памятью в 850 мегабайт, но цена прибора такова, что невольно задумаешься — а стоит ли иметь дело с такими навигаторами.

И, тем не менее, если нужен хороший прибор для пешеходного туризма, выбирать следует именно Oregon 300. Антивандальная конструкция с противоударным и водоотталкивающим корпусом, надёжная система питания со сменными элементами. Короче, хорошая штука именно для пешеходного туризма. Настоящая машина для записи впечатлений.

Но лучше уж перешагнуть рамки установленного и купить по-настоящему дорогой прибор. Навигатор туристического класса. Скажем, Oregon 400i с картами береговых линий озёр и рек, с детальной информацией о глубинах и мелях. Или Oregon 400t с ландшафтными картами указания нюансов высотных перепадов.

Все это сильно выделяется за пределы дешёвого навигатора. И стоит достаточно дорого. Но это не значит, что пешеходные навигаторы — техника для редких и противоречивых нужд. Ничего подобного. Если мы увлечены пешеходным туризмом, то и требования у нас другие. И пешеходный навигатор в данном случае выдвигается на первый план.

Система глобальной спутниковой навигации

Рубрика: (Путешествия) | Автор: moderator | Дата: 13-12-2013

Метки: , , , ,

Иногда новые технологии, изначально предназначавшиеся исключительно для военных целей, находят вполне мирные применения. И оружие превращается в свою противоположность – из средства уничтожения в инструмент созидания. В истории ХХ века подобных примеров сколько угодно. Например, большие пассажирские лайнеры, которые появились благодаря тяжёлой бомбардировочной авиации. Относительно небольшая переделка и – дальний реактивный бомбардировщик «Ту-16» превратился в легендарный пассажирский самолёт «Ту-104». То же происходило и с некоторыми компьютерными технологиями. Вездесущий Интернет возник из закрытой сети, объединяющий компьютеры военных исследовательских центров.

Спору нет, переделывать танк в трактор смысла большого нет (хотя такие примеры тоже есть). И из пушки ничего мирного, кроме разве что траурного лафета, не получится. Но в конце тысячелетия случилось так, что исключительно военная и, следует признать, весьма грозная технология вдруг стала мирной. И сегодня доступна всем, у кого есть в ней потребность.

Речь о системе GPS, которая была запущена в эксплуатацию в конце 80-х годов ХХ века и предназначалась для наведения на цель крылатых ракет, ориентирования в открытом океане военных кораблей и для нужд военной авиации США. В начале 90-х годов эта система была открыта и для свободного гражданского использования, правда, с некоторым ограничением точности работы.

Система GPS – это Global Positioning System или спутниковая навигационная система, состоящая из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 километров в секунду, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа. На спутниках расположены радиопередатчики небольшой мощности (не более 50 ватт). Они постоянно транслируют на поверхность земли информационные радиосигналы. Эти сигналы улавливает приёмник GPS,  который находится в руках путешественника.

Все спутники пронумерованы – им присвоены номера от 1 до 32. Запас нумерации (спутников-то всего 24 штуки) нужен для запуска новых спутников и вывода с орбиты старых, отслуживших свой срок (к сведению – срок службы навигационного спутника 10 лет).

Радиоприёмник GPS получает со спутника его идентификационный номер (псевдослучайный код), точную дату, время и информацию о техническом состоянии спутника (эфимерис), и важную для работы системы информацию (альманах). Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

Одновременно приёмник улавливает сигналы от 3-5 спутников. Внутренние часы приёмника, синхронизированные по радиосигналу с часами спутника, это основной инструмент определения географических координат. Для определения местоположения приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Учитывая информацию о расстоянии, измеренном до других спутников, приёмник GPS определяет свой местоположение.

Если приёмник улавливает сигналы только трёх спутников одновременно, он может определить географические координаты в двухмерной плоскости – только широту и долготу (это называется двухмерной фиксацией). Если спутников четыре и больше – появляется возможность определить и высоту. Постоянно отслеживая сигналы спутников, приёмник вычисляет направление и скорость движения.

Итак, в маленьком приборе, который использует информацию, передаваемую спутниками системы GPS, мы получаем – прибор для быстрого и безошибочного определения географических координат, широты, долготы и высоты над уровнем моря. Прибор для определения скорости движения (не имеет значения, передвигаемся мы пешком, на велосипеде, автомобиле или корабле). Точные часы и календарь (точней не бывает). Электронный компас, который никогда не ошибается. И это ещё не всё!

Продвигаясь по незнакомой местности, мы можем включить на приёмнике режим фиксации промежуточных точек маршрута (их может быть несколько сотен). Заблудились, поворачиваем назад и – приёмник укажет нам стрелкой обратный путь от одной промежуточной точки к другой, вплоть до начальной. Более того, вернувшись домой, мы можем нанести весь маршрут на карту, отметив на ней координаты всех промежуточных точек.

Приёмники GPS (это единственное, на что придётся потратиться, эксплуатация самой системы навигации бесплатна) выпускаются в самом разном исполнении. Есть простейшие карманные приборы – они умеют делать только то, о чём мы только что рассказали. Они похожи на сотовые телефоны с монохромным дисплеем, не бояться воды, питание получают от аккумуляторов или сменных элементов формата АА. Есть совсем крошечные приёмники, выполненные в виде наручных электронных часов (но у них слишком маленький экран). Есть приёмники, встроенные в сотовый телефон.

Следующий класс приёмников – карманные устройства с возможностью подключения к персональному компьютеру. Эти устройства умеют не только запоминать промежуточные точки маршрута, но и отображать их прямо на карте, которая выводится на дисплей. Карты можно загружать с компьютера, затем, по возвращению, снова выгружать их в память машины, же с проложенным маршрутом движения.

Для удобства экран приёмника может иметь большие размеры и отображать карту в цвете. Ещё удобней приёмники GPS, выполненные в виде модулей, подключаемых к карманным (и не только) компьютерам. Экран карманной машинки гораздо больше, чем экран приёмника GPS. И ориентироваться по нему легче (не говоря уже о том, что компьютер может использоваться и по другому назначению). Ещё наглядней маршрут движения отображается на экране ноутбука. К портативному компьютеру можно подключить тот же модуль для карманной машинки, причем и беспроводным способом – через беспроводной радиоинтерфейс Bluetooth (он применяется в сотовой телефонии для подключения гарнитур и в компьютерной технике для подключения периферийных устройств).

Есть и более «серьёзные» устройства, предназначенные для установки в салоне легкового или в кабине грузового автомобиля, катера (в этом случае питание поступает от бортовой сети). Специальные модели устанавливаются в пилотских кабинах самолётов, в рубках морских судов – везде, где нужно постоянно отслеживать параметры движения и знать свои точные координаты.

Даже самые простые, самые недорогие приёмники GPS оснащаются массой дополнительных функций. В них может быть будильник, календарь, игры (как в сотовых телефонах). Выпускаются особо защищённые модели, которые выдерживают падение в воду или погружение на глубину.

Вместе с географическими координатами система GPS способна работать и с топографическими данными. Если мы загрузим в память приёмника карту нашего города (например, Москвы), то на экране будет показана схема улицы, по которой мы движемся, контуры домов, магазинов, парков и так далее. Правда, для территории России таких загружаемых карт немного – доступны только карты крупных городов. А в Европе и Америке можно загрузить карты самых маленьких населённых пунктов или даже целых штатов (областей, регионов, провинций). Специальная программа для карманного компьютера или ноутбука позволяет прокладывать маршрут движения прямо во время движения. Стоит лишь указать на карте, отображаемой на экране компьютера, начальную и конечную точки, как программа на основе данных, полученных с навигационных спутников, рассчитает наиболее рациональный маршрут с учётом дорожных пробок или ремонтных работ. Во время движения эта система показывает стрелками, куда следует повернуть водителю автомобиля.

Самые совершенные навигационные компьютеры устанавливаются в автомобили прямо на заводе. Это часть электронного оснащения хорошей машины, которая, разумеется, повышает стоимость автомобиля, но и удобств водителю предоставляет немало. Водитель тяжёлого грузовика при помощи спутникового навигатора легко найдёт нужный склад в незнакомом городе. Путешествующий автомобилист разберётся с лабиринтом улиц в городе, в котором он никогда до этого не бывал. А таксист очень быстро и без особых проблем отыщет адрес дома, из которого поступил заказ на машину.

Выглядит фантастично, но всё перечисленное уже есть и уже работает. Причём система GPS активно развивается. Выпускаются всё новые приёмники – и простые, для массового использования (например, пешими и велотуристами, рыбаками и грибниками), и достаточно сложные (для ценителей высоких технологий, не пропускающих «горячих» новинок, и для профессионального применения на транспорте). Приёмники выпускаются различными компаниями, наиболее известная из которых – американская Garmin.

Но не стоит думать, что GPS поддерживается только в США. Подобная спутниковая система, ГЛОНАС, работает и у нас в России.

Насколько точна система GPS? Для открытого гражданского использования точность составляет 100 метров. Однако на практике этот показатель выше – на уровне 25-30 метров. Вполне достаточно, чтобы не заблудиться.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru