GPS-Protokoły
5
Jak wykonać pomiary przy pomocy GPS?
Protokół: Podstawowe pomiary prowadzone przy pomocy GPS
Protokół: Pośredni pomiar przy pomocy GPS
GPS-Protokoły
6
Jak wykonać pomiary przy pomocy GPS
Przygotowanie
Miejsce prowadzenia badań
Uczniowie muszą określić szerokość, długość geograficzną oraz wysokość nad poziomem
morza w miejscach, gdzie znajduje się szkoła, która jest centrum Obszaru Badawczego
Programu GLOBE, dla badań atmosfery, biologii, hydrologii, wilgotności gleby, pokrycia
terenu oraz charakterystyki gleby. Program GLOBE zapewnia dostęp do satelitarnego,
ręcznego odbiornika GPS. Patrz Rys. GPS-P-1. Zanim pożyczysz odbiornik powinieneś
określić położenie stanowisk, w których uczniowie będą przeprowadzać pomiary
w nadchodzącym roku.
Tabela GPS-1: Miejsca wykonywania pomiarów za pomocą GPS
Miejsce prowadzenia badania
Miejsce pomiarów z GPS
Szkoła
Główne wejście
Miejsce prowadzenia badania atmosfery
Miejsce ustawienia klatki meteorologicznej i
deszczomierza
Miejsce prowadzenia badań hydrologicznych Miejsce pobierania próbek wody
Miejsce prowadzenia badań biologicznych
Środek obszaru 30m
×30m gdzie wykonywane
są systematyczne pomiary biometryczne
Miejsce prowadzenia badania pokrycia terenu Środek każdego obszaru 90m
×90m gdzie
dokonuje się oceny pokrycia terenu
Miejsce prowadzenia badania charakterystyki
gleby
Miejsce gdzie znajduje się profil glebowy
Miejsce prowadzenia badania wilgotności
gleby
Położenie środka gwiazdy lub środka
transektu
Lokalizacja Miejsc prowadzenia badań atmosfery i wilgotności gleby powinna być na
terenie o dobrej widoczności, tam odbiór satelitarny będzie na ogół dobry, natomiast Miejsca
prowadzenia badań hydrologicznych i biologicznych mogą być przysłonięte gęstymi
koronami drzew, a zatem mieć słaby odbiór sygnału GPS. Położenie szkoły jest wyznaczone
przez ścianę frontową lub główne wejście, zwykle budynek blokuje do pewnego stopnia
odbiór satelitarny. Aby rozwiązać ewentualne problemy złego odbioru sygnału GPS należy
zastosować protokół Pośredni pomiar GPS.
Częstotliwość
Szerokość i długość geograficzną oraz wysokość każdego miejsca badania należy zmierzyć
tylko raz i wyniki przesłać do Programu GLOBE.
Przyrządy do pomiarów GPS
Program GLOBE posiada odbiorniki GPS, którymi na co dzień opiekuje się University
Navstar Consortium w skrócie UNAVCO. Szkoły w Polsce, które uczestniczą w Programie
GLOBE, mogą prosić krajowego koordynatora o wypożyczenie GPS:
Kontakt: e-mail:
Można również znaleźć dostęp do innych odbiorników GPS np. u lokalnych badaczy lub
pożyczyć je od Straży Pożarnej czy służb leśnych. Należy jednak pamiętać, że muszą one
spełniać wymogi podane w Instrumentarium. Niektóre szkoły kupują własne odbiorniki GPS,
GPS-Protokoły
7
ceny tych urządzeń maleją. Z powodu ograniczonej liczby odbiorników w naszym
posiadaniu, akceptujemy dane uzyskane przy pomocy innych odmian GPS. Dlatego zawsze
należy podać nazwę odbiornika GPS, podczas wpisywania danych do Internetowego arkusza
danych.
Rysunek GPS-P-1: Przykładowy ręczny odbiornik GPS. Program GLOBE nie rekomenduje
żadnych konkretnych rodzajów, czy modeli GPS.
System lokacyjny używany w Programie GLOBE musi odpowiadać specyfikacji
rządowego serwisu GPS Stanów Zjednoczonych pozwalającej na osiągnięcie dokładności do
100 metrów. Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje można obejrzeć listę
dydaktycznych stron Internetowych poświęconych GPS. UNAVCO stwierdziło, że średnia
z 15 pomiarów wykonanych z pomocą odbiorników GPS w odstępach jednominutowych
z reguły redukuje błąd pomiaru do wartości mniejszej niż 30 metrów.
Inżynierowie, którzy zbudowali i zaprogramowali twój odbiornik GPS określają położenie
na podstawie odległości do czterech lub więcej satelitów. Odległości te można wyznaczyć
znając położenie satelitów i mierząc w miliardowych częściach sekundy różnice czasu
przebiegu sygnałów nadawanych z tych satelitów. Wiele szczegółów działania systemu GPS
zostanie przedstawione w trakcie przeprowadzania doświadczeń.
GPS-Protokoły
8
Protokół:
Podstawowe pomiary prowadzone przy
pomocy GPS
Cel
Określenie szerokości i długości geograficznej oraz wysokości n.p.m. głównego wejścia
do szkoły lub drzwi frontowych oraz miejsc badania Programu GLOBE, gdy odbiór
sygnałów satelitarnych nie jest blokowany przez budynki lub drzewa
Przegląd
Do pomiaru szerokości i długości geograficznej oraz wysokości n.p.m. będzie używany
odbiornik GPS
Czas
Pomiar trwa od 15 do 60 minut na każdym stanowisku
Poziom nauczania
Wszystkie
Częstotliwość
Pomiar jednorazowy
Główne pojęcia
Odwzorowanie długości i szerokości geograficznej
Umiejętności
Czytanie mapy
Posługiwanie się odbiornikiem GPS
Używanie szerokości i długości geograficznej do sporządzania map
Środki dydaktyczne
Jeden odbiornik GPS
Arkusz roboczy protokołu GPS
Przygotowanie
Wybranie miejsca i przyniesienie na nie odbiornika GPS i arkusza do rejestrowania
wyników
Uwarunkowania
Nie ma
Procedura
Każdy pomiar powinien zostać wykonany średnio w ciągu 25 minut po przybyciu na
stanowisko pomiarowe
Przed pomiarami
Należy zdecydować, gdzie chcemy wykonać pomiary, pamiętając o tym, że przeszkody
takie, jak drzewa mogą pogarszać jakość sygnału satelitarnego.
GPS-Protokoły
9
Podczas pomiarów
1. Co najmniej dwóch uczniów powinno wykonywać pomiary. Muszą mieć ze sobą arkusz
do zapisywania wyników i odbiornik GPS. Jeden będzie obsługiwał GPS, a drugi zapisywał
wyniki.
2. Instrukcja obsługi odbiornika GPS: Naciśnij jeden raz guzik on/off aby włączyć
odbiornik. Obróć antenę tak, żeby pokazały się dane oznaczające szerokość, długość
i wysokość. Możesz trzymać w ręku odbiornik lub położyć go, ale pamiętaj, żeby nie
zasłaniać antenie nieboskłonu. Schemat odbiornika GPS pokazany jest na rysunku GPS-P-2.
3. Należy poczekać, aż odbiornik wskaże, że ma łączność z co najmniej czterema
satelitami, co umożliwi dobry pomiar (z ekranu znikną wtedy “2D” i ikona sygnalizująca
stan). Ikona stanu odbiornika pokazana jest na Rys. GPS-P-3. W innych modelach ikony te
mogą wyglądać inaczej.
4. Dokonaj 15 pomiarów w jednominutowych odstępach. W tym czasie nie przesuwaj
odbiornika więcej, niż o jeden metr. Na Arkuszu do notowania danych położenia stanowisk
badawczych zapisz wszystkie cyfry i symbole następujących wyświetlających się wartości:
szerokości geograficznej, długości, czasu, wysokości, ikon stanu
5. Wyłącz odbiornik
Po pomiarach
6. Uśrednij wszystkie 15 pomiarów szerokości, długości i wysokości.
W Działaniach poznawczych GPS, w rozdziale Praca z kątami pokazane jest jak uśredniać
kąty uzyskane w pomiarach. Ponadto strona WWW, gdzie wprowadza się dane z pomiarów
GPS, odsyła do innej strony, gdzie można takie uśrednianie wykonać.
7. Upewnij się czy twoje wyniki mają sens.
Powinieneś być w stanie mniej więcej określić twoją szerokość i długość geograficzną
patrząc na globus lub mapę terenu. Chociaż jest właściwie niemożliwe, żeby GPS wyświetlał
Rysunek GPS-P-2: Schematyczny rysunek
przykładowego odbiornika GPS
GPS-Protokoły
10
nieprawdziwe dane, chyba, że jest popsuty. Jeżeli jesteś przekonany, że jest uszkodzony,
skontaktuj się z UNAVCO, w celu wymiany odbiornika. Pragniemy, abyś mógł
przeprowadzić pomiary bez trudu i skutecznie. Nie chcielibyśmy, żebyś się zniechęcił do
badań z powodu wadliwych narzędzi.
8. Zanotuj wszystkie dane dotyczące położenia twojego stanowiska badawczego, które
uzyskałeś przy pomocy GPS i prześlij je do Uczniowskiego Servera Danych Programu
GLOBE.
Postępuj zgodnie z tym protokołem na każdym stanowisku badawczym. Wskazówki są
dostosowane do specyfiki odbiorników GPS, które aktualnie są udostępniane przez GLOBE.
Miej na uwadze, że różne odbiorniki GPS mogą mieć inne instrukcje. Z powodu różnic
w czasie lokalnym w różnych strefach czasowych, odbiorniki UNAVCO są dostrojone do
Czasu Uniwersalnego (UT), który jest taki sam, jak Średni Czas Greenwich (GMT), czyli
czas na ziemskim południku 0. Bez względu na to jakim odbiornikiem GPS się posługujesz,
zawsze zapoznaj się z dołączoną przez producenta instrukcją, żeby dowiedzieć się, jakie
cechy ma dany instrument i jak można sobie poradzić z problemami, o których tutaj nie
piszemy.
Jeśli masz inny odbiornik GPS, dopasuj go, na ile to możliwe, do naszych wskazówek, ale
zrób to w sposób konsekwentny. Odbiornik inny, niż GPS dostarczany przez Program
GLOBE powinien być ustawiony tak, żeby:
– Wyrażał długość i szerokość w całych stopniach, minutach, dziesiątych i setnych
częściach minuty (tzw. „minutach decymalnych” w odróżnieniu od zwykłej miary kątowej
podawanej w minutach i sekundach kątowych) z dokładnością do 0,01 minuty.
– Pokazywał Czas Uniwersalny (UT) w godzinach, minutach i sekundach.
– Używał danych z mapy WGS-84 i wskazywał wysokość w metrach.
Co zrobić, jeśli pojawiają się problemy?
Czas potrzebny do odebrania sygnałów z niezbędnej liczby satelitów
Po włączeniu odbiornika GPS potrzebuje on od trzech (z reguły) do 20 (w najgorszym
przypadku) minut, aby odebrać satelitarne sygnały z takiej liczby satelitów, które gwarantują
dobre pomiary. Odbiorniki UNAVCO są wyposażone w baterie. Jeśli GPS nie włącza się po
naciśnięciu guzika on/off, wtedy trzeba je wymienić na nowe.
Odbiornik nie wyświetla szerokości i długości
Odbiornik oprócz „Położenie 1” ma wiele innych funkcji, więc początkowo po
uruchomieniu GPS mogą wyświetlać się inne dane. Zajrzyj do załączonej instrukcji obsługi
i użyj tych funkcji po wykonaniu pomiarów położenia. „Położenie 1” dostarczy ci
niezbędnych informacji do wykonania pomiarów twojej pozycji. Po eksperymentowaniu
z wyświetlaniem innych danych, wciśnij guzik LOC, żeby powrócić do funkcji „Położenie 1”
(Location 1).
Rysunek GPS-P-3: Ikony stanu na wyświetlaczu odbiornika GPS dostarczanego przez
UNAVCO
GPS-Protokoły
11
Pokazuje się ikona stanu lub ikona złej jakości sygnału
Nie rejestruj danych jeśli pojawiają się ikony pokazane na Rys. GPS-P-3. Prawdopodobnie
ikony znikną, jeśli odbiornik nie jest przesłonięty i „widzi” satelity. Musisz chwilę zaczekać
lub nieznacznie się przesunąć. Jeżeli osoba wykonująca pomiar stoi zbyt blisko odbiornika
lub grupa osób się nad nim nachyla, to odbiór satelitarny jest zakłócony. Może to
spowodować chwilową utratę sygnału i pojawienie się ikony. Odsuń się lub trzymaj odbiornik
wyżej. Jeśli stanowisko znajduje się pod drzewami lub jest zadaszone odbiornik może nie być
w stanie połączyć się z wymaganymi czterema satelitami. Jako że, satelity poruszają się po
niebie, warto ponowić próbę później, być może otrzymamy lepsze wyniki. Jeśli z powodu
przeszkód problemy utrzymują się wykonaj Protokół pośredniego pomiaru GPS.
Wiele szkół na całym świecie korzysta z niewielkiej liczby naszych odbiorników GPS.
Eksperymentuj i baw się, kiedy jesteś w posiadaniu tych instrumentów, ale zwracaj
pożyczone GPS w terminie, żeby umożliwić przeprowadzenie badań następnej szkole.
Przekazywanie wyników pomiarów uzyskanych z pomocą GPS
Po wykonaniu w terenie pomiarów za pomocą GPS i uśrednieniu danych dotyczących
położenia, prześlij uzyskane wyniki na Arkuszu przekazywania danych. Wzory arkuszy są
zawarte w Przewodniku dla nauczycieli w części Załączniki do odpowiednich badań.
W załączniku to tego badania znajduje się Arkusz przekazywania danych określających
położenie szkoły. Szerokość i długość powinny być zaokrąglone do najbliższej 0,01 minuty
tak jak wyświetla odbiornik. Prosimy, żeby dane każdego Miejsca badania zawierały:
Notowane wartości
Jednostki
Uśredniona długość
Stopnie, minuty
Uśredniona szerokość
Stopnie, minuty, np. 35 stopni 20,27 minut Płn.
Uśredniona wysokość
Metry
Czas rozpoczęcia pomiarów
Rok, miesiąc, dzień, czas uniwersalny (UT), minuty
Typ odbiornika
Numer UNAVCO lub producenta, numer modelu i serii
Inne
Informacje zgodne z wymaganiami
GPS-Protokoły
11
Badania przy pomocy GPS
Arkusz danych roboczych
Rysunek GPS-P-4: Przykładowy Arkusz danych roboczych GPS
GPS-Protokoły
13
Protokół:
Pośredniego pomiaru przy pomocy GPS
Cel
Określenie szerokości i długości geograficznej stanowiska, na którym nie można
dokonać dokładnego pomiaru GPS
Przegląd
Jeśli dla wybranego przez nas stanowiska badawczego nie możemy za pomocą GPS
określić jego długości i szerokości geograficznej, prosimy uczniów, aby przesunęli się na
południe lub na północ do takiego miejsca, gdzie dokładny pomiar będzie możliwy. Po
zarejestrowaniu szerokości i długości geograficznej tego miejsca, uczniowie zmierzą
odległość, która dzieli ich od stanowiska badawczego. Na tej podstawie obliczą jakie jest
położenie wybranego wcześniej stanowiska badawczego.
Przewidywany czas
Jedna jednostka lekcyjna
Częstotliwość
Jeden raz dla każdego stanowiska
Poziom nauczania
Średni i zaawansowany
Główne pojęcia
Obliczanie szerokości i długości geograficznej danego miejsca znając położenie punktu
znajdującego się w pobliżu
Deklinacja magnetyczna
Umiejętności
Ustalanie lokalnej deklinacji magnetycznej
Posługiwanie się kompasem w celu wyznaczenia geograficznej północy i południa
Mierzenie długości przy pomocy taśmy
Wyznaczanie położenia danego miejsca na podstawie położenia innego punktu
Dodawanie i odejmowanie kątów mierzonych w stopniach i minutach
Środki dydaktyczne
Odbiornik GPS
Kompas
Taśma miernicza
Ołówek i pióro
Arkusz danych roboczych pośredniego pomiaru GPS służący do notowania pomiarów i
obliczenia wyników
Przygotowanie
Wybranie tych miejsc badania, dla których chcemy określić położenie za pomocą GPS,
ale z powodu słabego sygnału nie możesz wykonać bezpośredniego pomiaru.
Określenie lokalnej deklinacji magnetycznej (patrz niżej).
Uwarunkowania
Rozumienie protokołu pomiarów GPS
Znajomość geometrii
GPS-Protokoły
14
Wprowadzenie
Co zrobić jeśli nie można wykonać pomiarów szerokości i długości geograficznej miejsca
badania, ponieważ satelitarne sygnały GPS są zakłócane przez gęste listowie lub budynek?
Patrz Rysunek GPS-P-5.
Możesz przenieść się niedaleko poza stanowisko badawcze, gdzie twój odbiornik będzie
odbierał sygnały satelitarne. Wtedy po zmierzeniu kierunku kompasowego i odległości
pomiędzy twoim stanowiskiem badawczym, a miejscem dokonania pomiarów z GPS,
będziesz mógł określić położenie stanowiska badawczego. W zasadzie, żeby określić
położenie twojego stanowiska potrzebna ci będzie wiedza z zakresu trygonometrii. Jeśli
jednak skierujesz się dokładnie na północ lub południe, będziesz mógł wyznaczyć szerokość
i długość geograficzną stanowiska odwołując się jedynie do arytmetyki i podstawowych
wiadomości o naszej planecie.
Nasza planeta jest prawie kulą. Wszystkie koła na obwodzie przechodzące przez równik
i oba bieguny są tej samej rozmiaru wielkości i nazywają się południkami. Dzieląc obwód
Ziemi wynoszący 40 074 kilometrów przez 360 stopni, przekonamy się, że na jeden stopień
obwodu przypada 111,32 kilometrów. Dzieląc to ponownie przez 60, stwierdzimy ile
kilometrów lub metrów przypada na jedną minutę obwodu (1,855 km/min czyli 1855 m/min).
Odbiorniki GPS z reguły podają położenie z dokładnością do najbliższej 0,01 minuty, co
odpowiada 18,55 metrom szerokości na Ziemi. Dlaczego GPS podają wyniki z dokładnością
do 0,01 minuty? Patrz GPS Działania poznawcze – Praca z kątami.
Jeśli przesunęliśmy się dokładnie na północ lub południe, to znając odległość między
naszym stanowiskiem badawczym a miejscem przeprowadzania pomiarów, możemy określić
różnicę ich szerokości geograficznej.
Dla typowego dystansu będzie to ułamek minuty kątowej.
Deklinacja magnetyczna
Bieguny magnetyczne Ziemi nie pokrywają się dokładnie z biegunami geograficznymi.
Bieguny magnetyczne powoli się przemieszczają. Obecnie północny biegun magnetyczny jest
zlokalizowany na Terytoriach Północnych Kanady w odległości około 11 stopni kątowych od
północnego bieguna geograficznego. Ponadto, właściwości magnetyczne skorupy ziemskiej
nie są wszędzie jednakowe. Te różnice powodują lokalne zaburzenia pola magnetycznego
Ziemi.
W konsekwencji, kierunek północy magnetycznej, który pokazuje nam igła magnetyczna
kompasu na ogół różni się o kilka stopni od kierunku północy geograficznej. Tę różnicę
nazywamy deklinacją magnetyczną.
Deklinacja magnetyczna zależy od twojego położenia. Na przykład blisko wybrzeża
atlantyckiego w Północnej Karolinie w USA, igła magnetyczna wskazuje kierunek około 8,5
Rysunek GPS-P-5: Miejsce z widokiem na
satelitę GPS i miejsce osłonięte
GPS-Protokoły
15
stopni na zachód od północy geograficznej. W Wisconsin w USA ciągu bieżącego roku
deklinacja magnetyczna zmieniła się o około jedną dziesiątą stopnia, co pokazuje, że w czasie
twojego życia mogą nastąpić znaczące zmiany, a wtedy współczesne wykresy i mapy
Rysunek GPS-P-6 Południki, wymiary, równoleżniki
Jak ważne jest dokonywanie korekty tego potencjalnego źródła błędu? Gdybyś posługując
się kompasem chciał przejść 100 metrów na północ wzdłuż wybrzeża Północnej Karoliny,
bez skompensowania wynoszącej 8,5 stopnia lokalnej deklinacji magnetycznej, znalazłbyś się
około 15 metrów na zachód od linii geograficznej północy. Jeśli chciałbyś ustalić, w którym
pikselu o wymiarach 30 na 30 metrów na obrazie z Landsata w danej chwili się znajdujesz, to
pomijając deklinację magnetyczną mógłbyś się pomylić o cały piksel.
Możesz poznać wartość i kierunek lokalnej deklinacji magnetycznej pytając naukowców
lub kogoś kto zajmuje się topografią albo posługuje się mapami morskimi lub lotniczymi.
Możesz też sam odczytać deklinację magnetyczną z map nawigacyjnych.
Rysunek GPS-P-7: Uczniowie robią pomiary i wypełniają Arkusz danych roboczych
pośredniego pomiaru GPS
Południki
Promień
Średnica
Obwód
GPS-Protokoły
16
Jak określić położenie stanowiska badawczego na podstawie
pośrednich pomiarów GPS
1. Udaj się na wybrane stanowisko i zaznacz je. Spróbuj wykonać protokół GPS.
Sprawdź, czy dobry pomiar z pomocą GPS jest wykonalny.
2. Posługując się kompasem wyznacz północ magnetyczną. Następnie korygując kierunek
o lokalną deklinację magnetyczną wyznacz północ geograficzną.
3. Przesuń się na północ lub południe do najbliższego punktu na otwartej przestrzeni,
gdzie będziesz mógł dokonać poprawnego pomiaru GPS. To będzie twoje miejsce
zastępcze.
4. Wykonaj Protokół Pomiarów GPS i zanotuj szerokość oraz długość geograficzną.
Zaznacz, że są to pomiary wykonane w miejscu zastępczym.
5. Zanotuj czy miejsce zastępcze znajduje się na północ czy na południe od twojego
stanowiska badawczego.
6. Zmierz i zanotuj odległość pomiędzy miejscem zastępczym, a twoim stanowiskiem
badawczym. Upewnij się czy dobrze wykonałeś pomiar taśmą mierniczą stosując
technikę mierzenia krokami opisaną w dziale Pokrycie terenu/Badanie biologiczne w
procedurze Wyznaczanie długości kroku.
7. Podziel otrzymany dystans przez 1855m/minutę, żeby uzyskać w minutach kątowych
różnicę szerokości geograficznych miejsca zastępczego i stanowiska badawczego.
8. Dodaj lub odejmij tą wartość od zmierzonej wartości szerokości, aby otrzymać
szerokość stanowiska badawczego. Patrz Dzałania poznawcze – Praca z kątami.
Długość geograficzna stanowiska badawczego i miejsca zastępczego są takie same.
Rysunek GPS-P-8: Przykładowy Arkusz danych roboczych pośredniego pomiaru GPS