Studiul vremii prin maparea oceanelor cu GPS – 2 – Localizarea prin triangulație

Unde suntem pe Pământ?

Cum pot aceste nave spațiale să realizeze astfel de hărți exacte? La urma urmei, nu numai că trebuie să cunoască foarte exact înălțimea suprafeței oceanului, ci trebuie să șrie cu o precizie de câțiva centimetri locul în care se află în spațiu față de Pământ.

Sarcina de a afla poziția exactă în orice moment al unui obiect care călătorește cu peste 25.000 kilometri pe oră ar fi extrem de dificilă, chiar și la sol, dar cu TOPEX/Poseidon și Jason-1, nava spațială se află la 1300 de kilometri deasupra noastră în spațiu! Cum este posibil acest lucru?

Există de fapt trei instrumente la bordul TOPEX/Poseidon și Jason-1 care ajută la măsurarea poziției lor. Unul dintre ele, Global Positioning System Demonstration Receiver (GPSDR), utilizează semnale provenite de la o constelație de 24 de sateliți ai sistemului de poziționare globală (GPS), care au fost lansați anterior în spațiu de către Departamentul de Apărare al Statelor Unite.

În următoarea activitate, vom explora modul în care Jason-1 va utiliza semnalele venite de la sateliții GPS pentru a afla locația exactă în spațiu.

De la cât de repede la cât de departe

Jason-1 își găsește locația folosind două principii: (1) distanță vs. timp, și (2) triangulare.

Fiecare satelit GPS emite un semnal radio cu un model unic de repetare. Semnalele radio circulă cu o viteză fixă (viteza luminii), deci într-o anumită perioadă de timp, semnalul parcurge o anumită distanță. Dacă timpul de călătorie este dublat, distanța semnalului parcurs este de asemenea dublată. Dacă știm timpul necesar semnalului pentru a călători de la un satelit GPS la Jason-1, putem calcula distanța de la nava spațială Jason-1 la acel satelit GPS.

Dar dacă folosim un singur satelit GPS, știm doar că locația lui Jason-1 este undeva pe suprafața unei sfere a cărei rază este distanța parcursă de semnal. Ne putem face o idee despre cum arată acest lucru în două dimensiuni folosind cercuri pentru a arăta toate locurile care sunt la o distanță egală de punctul din centru. Punctul reprezintă astfel un satelit GPS, iar cercul reprezintă toate locațiile posibile ale navei spațiale Jason-1.

Pentru a identifica locația exactă a lui Jason-1 pe acel cerc, trebuie să primim semnale de la mai mulți sateliți GPS. Dacă folosim doi sateliți, am obține două sfere (sau cercuri în aproximația noastră), reprezentând pozițiile posibile ale lui Jason-1 față de fiecare dintre cei doi sateliți. Observați că cele două cercuri se suprapun în două locuri. Asta înseamnă că Jason-1 ar putea fi în oricare dintre cele două puncte, care ar putea fi distanța corectă a fiecăruia dintre sateliți. Aceasta este mai bine, dar încă nu este suficient.

Magicul număr trei

Pentru a afla care dintre cele două intersecții este locația corectă, Jason-1 trebuie să utilizeze semnalul de la un al treilea satelit GPS. Observați că în a treia diagramă există un singur punct care este intersectat de toate cele trei cercuri. Această metodă de a identifica o locație utilizând distanța cunoscută de la trei puncte diferite se numește triangulare.

De fapt, GPS-ul va utiliza minimum patru sateliți pentru a identifica poziția exactă a lui Jason-1 în spațiu. Al patrulea satelit este utilizat pentru sincronizarea ceasurilor dintre Jason-1 și sateliții GPS. Pentru a găsi poziția, trebuie să știți ora precisă, astfel încât al patrulea satelit este folosit pentru timp. Sateliții suplimentari (de la cinci la opt) sporesc acuratețea informațiilor despre poziție.

Pozițiile fiecăruia dintre cei 24 de sateliți GPS sunt cunoscute cu o mare precizie. (Vedeți finalul acestui articol.) Motivul pentru a avea 24 de sateliți GPS în spațiu este să vă asigurați că cel puțin patru dintre aceștia se află în linie cu oricare punct de pe Pământ sau din spațiu în orice moment. Deseori vor fi mult mai mulți decât cel puțin patru sateliți GPS vizibili la un moment dat.

1. Maparea oceanelor
2. Localizarea prin triangulație
3. Construcția unui sistem de poziționare a camerei (SPC)
4. Cum funcționează Sistemul de Poziționare Globală (GPS)

PDF: https://www.telework.ro/ro/e-books/studiul-vremii-prin-maparea-oceanelor-cu-gps/

La acest articol a contribuit de Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, reflectând cercetările efectuate în baza unui contract cu National Aeronautics and Space Administration. A fost scrisă de Enoch Kwok și Diane Fisher. Domnul Kwok este profesor și consultant la liceu. Dna Fisher este o scriitoare de știință și tehnologie și proiectantă la The Space Place, un site web cu activități distractive și educaționale legate de spațiu la http://spaceplace.jpl.nasa.gov. Pentru mai multe despre oceane și El Niño, accesați http://spaceplace.jpl.nasa.gov/topex_make1.htm. Pentru mai multe informații despre misiunea Jason-1, consultați http://topex-www.jpl.nasa.gov/jason1/. Traducere, editare și adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro.