Космос12-14 г.

Сателитите: как работи GPS

Как телефонът разбира къде си с помощта на сателити на 20 000 км над нас, атомни часовници и малко математика.

Капитан Комета

Тук Капитан Комета от орбита! Точно сега над главата ти летят десетки сателити, които не знаят нищо за теб, и въпреки това телефонът ти разбира къде си с точност до няколко метра. Как става този фокус?

Реши теста

История от живота

На 4 октомври 1957 г. Съветският съюз изстрелва Спутник 1, първия изкуствен спътник. Двама млади учени от университета „Джонс Хопкинс“ в САЩ, Уилям Гайър и Джордж Вайфенбах, започват да слушат сигнала му за забавление. Те забелязват, че тонът се променя, докато спътникът приближава и се отдалечава, и по тази промяна изчисляват цялата му орбита. Тогава колегата им Франк Макклур задава гениалния въпрос: щом от Земята можем да намерим спътника, можем ли от спътника да намерим място на Земята? Така се ражда идеята за сателитна навигация, а първият сателит от системата GPS полита през 1978 г.

Разбери го стъпка по стъпка

  1. Съзвездие в небето

    GPS е американска система от около 30 работещи сателита (минимумът за пълно покритие е 24). Те обикалят на около 20 200 км височина и правят една обиколка за почти 12 часа. Подредени са така, че от всяка точка на Земята под открито небе винаги се виждат поне 4.

  2. Сателитът само „вика“

    Всеки сателит постоянно изпраща радиосигнал: „Аз съм сателит номер еди-кой си, ето къде съм и ето колко е часът точно сега“. Телефонът само слуша, той не изпраща нищо към GPS сателитите. Затова GPS сам по себе си не може да те следи.

  3. Разстояние от времето

    Сигналът лети със скоростта на светлината, около 300 000 км в секунда. Телефонът сравнява кога сигналът е тръгнал и кога е пристигнал. Разстояние = скорост x време. Ако сигналът е пътувал 0,07 секунди, сателитът е на около 21 000 км.

  4. Трилатерация, или защо трябват 4

    Едно разстояние казва само, че си някъде на голяма сфера около сателита. Втори и трети сателит стесняват мястото до две точки, от които само едната е близо до Земята. Четвъртият е нужен, защото часовникът в телефона не е точен, и той помага да се поправи грешката във времето.

  5. Атомни часовници и Айнщайн

    Една милионна от секундата грешка във времето прави около 300 м грешка в мястото. Затова сателитите носят атомни часовници. Заради теорията на относителността часовниците горе избързват с около 38 микросекунди на ден, и ако инженерите не го поправяха, грешката щеше да расте с около 10 км всеки ден.

Представи си така: Представи си, че си със завързани очи в стая, а трима приятели викат едновременно от различни ъгли. По това кой глас стига по-силно и по-рано, ти познаваш къде си. GPS е същото, само че приятелите са сателити, а гласовете са радиосигнали.

ИнфографикаОт Спутник до телефона ти
  1. 1957Спутник 1, първият изкуствен спътник; учени изчисляват орбитата му по сигнала
  2. 1978Изстрелян е първият сателит от системата GPS
  3. 1983САЩ обявяват, че GPS ще бъде достъпна и за граждански цели
  4. 1995GPS е обявена за напълно работеща
  5. 2000Изключено е умишленото влошаване на точността за граждани
  6. ДнесТелефоните ползват GPS заедно с европейската Галилео, руската ГЛОНАСС и китайската Бейдоу

Решени примери

Защо в тунел или подземен паркинг навигацията се „губи“?

GPS сигналите са слаби и не минават през дебел бетон и земя. Телефонът спира да чува сателитите и не може да изчисли мястото си.

Включваш навигация в самолетен режим, без интернет. Може ли GPS да работи?

Може, защото приемът на GPS не иска интернет. Без интернет обаче телефонът може да няма свалена карта и да намери мястото ти по-бавно.

Сигнал е пътувал 0,068 секунди. На какво разстояние е сателитът?

300 000 км/с x 0,068 с = 20 400 км. Това е съвсем близо до височината на GPS сателитите.

Внимавай с тези грешки

  • GPS сателитите следят къде съм и изпращат информацията на някого.GPS сателитите само излъчват сигнал. Телефонът сам изчислява мястото си. Ако някое приложение споделя мястото ти, то го прави през интернет, не през GPS сателита.
  • За GPS ти трябва интернет.Приемането на GPS сигнал е безплатно и работи без интернет. Интернетът помага само за картите и за по-бързо намиране.
  • Сателитите стоят неподвижно над нас.GPS сателитите летят с около 14 000 км/ч и обикалят Земята за почти 12 часа. Неподвижни спрямо земята изглеждат само геостационарните сателити на около 35 800 км, например за телевизия.

Задачи

Лесни

  1. Обясни с 2 изречения защо телефонът трябва да „чуе“ поне 4 сателита.

    Подсказка

    Спомни си частта за трилатерацията.

    Отговор

    Три сателита определят мястото, а четвъртият поправя грешката в часовника на телефона.

  2. С разрешение на родител отвори карта на телефона на двора и после в средата на голяма сграда. Сравни колко точен е синият кръг на мястото ти.

    Подсказка

    Синият кръг около точката показва колко е несигурен телефонът.

    Отговор

    Навън кръгът е малък и точен, вътре е по-голям или скача, защото сградата спира сигналите.

Средни

  1. Сигнал е пътувал 0,0675 секунди. На какво разстояние е сателитът? (скорост 300 000 км/с)

    Подсказка

    Умножи скоростта по времето.

    Отговор

    300 000 x 0,0675 = 20 250 км.

  2. Часовникът в телефона греши с 0,000001 секунди (1 микросекунда). С колко метра се „мести“ разстоянието до сателита?

    Подсказка

    Пресметни в километри и после превърни в метри.

    Отговор

    300 000 км/с x 0,000001 с = 0,3 км = 300 метра.

Трудни

  1. Начертай на лист три кръга (с пергел и с помощ, ако трябва): център А с радиус 5 см, център Б на 6 см от А с радиус 5 см, и център В с радиус по избор. Нагласи третия кръг така, че трите да се пресичат в една точка. Какво показва тази точка?

    Подсказка

    Първо намери двете пресечни точки на кръговете А и Б, после избери кое да мине през третия.

    Отговор

    Тази точка е мястото на приемника: единствената точка, която е на точното разстояние и от трите сателита.

  2. GPS сателит прави една обиколка за около 12 часа по кръг с радиус около 26 600 км (20 200 км височина + 6 400 км радиус на Земята). Пресметни приблизителната му скорост в км/ч. (Обиколка = 2 x 3,14 x радиус)

    Подсказка

    Скорост = изминат път / време.

    Отговор

    2 x 3,14 x 26 600 е около 167 000 км; 167 000 / 12 е около 13 900 км/ч.

Мини проект · 25 минути

Живо GPS в двора

Цел: Да изиграеш трилатерация с приятели и въжета.

  1. Трима съученици са „сателити“ и застават в различни точки в двора или физкултурния салон. Всеки държи въже или ролетка.
  2. Един ученик („телефон“) застава на тайно място. Учителят измерва разстоянието от всеки сателит до него и казва само числата.
  3. Останалите ученици, без да гледат телефона, опъват трите въжета с дадените дължини и търсят точката, където се срещат краищата.
  4. Проверете дали сте познали мястото. После опитайте само с 2 въжета и вижте колко възможни места има.

Накрая: Показват точката, намерена с 3 разстояния, и обясняват защо с 2 разстояния има 2 възможни места.

Тест с точки

10 въпроса, 18 точки, оценка накрая и разбор какво да преговориш.

Започни теста

Още от „Космос“

Космос12-14 г.Галактиките: Млечният път и съседитеКакво е галактика, къде е нашето място в Млечния път, кои са съседите ни и защо гледането в Космоса е гледане в миналото.Космос12-14 г.Звездите: как се раждат и умиратРазбери как от облак газ се ражда звезда, защо свети милиарди години и какво остава след нея: бяло джудже, неутронна звезда или черна дупка.Космос12-14 г.Има ли живот другаде във ВселенатаКак учените търсят живот извън Земята: екзопланети, подземни океани, радиосигнали и защо още нямаме отговор.Космос12-14 г.Черните дупки: къде изчезва светлинатаКакво е черна дупка, защо светлината не може да избяга от нея и как учените я снимаха за първи път през 2019 г.Космос9-11 г.Астронавтите: един ден в космосаКак ядат, спят, тренират и работят астронавтите на космическата станция и кой е първият българин в космоса.Космос9-11 г.Гравитацията: защо не политамеКаква е невидимата сила, която ни държи на Земята, защо Луната не пада и защо космонавтите плават.

Всички теми в „Космос“