un blog de Radu Dumitru

Uitați-vă și pe canalul meu de YouTube.

De la secundar la GPS

7 Oct 2020  ·

TEHNOLOGIE  ·

17 comentarii

La Smithsonian Air and Space Museum din Washington DC sunt expuse o grămadă de lucruri fascinante din istoria acestui domeniu, de la capsule spațiale și până la avionul real al fraților Wright, cel cu care s-a efectuat primul zbor. Bonus, accesul este gratuit, ca la majoritatea muzeelor din oraș. Dacă vreți să-l vedeți, este disponibil în Google Arts and Culture în format streetview.

Au acolo și o expoziție despre cum se orientau marinarii și aviatorii de la începutul aviației și cât de dificil era totul. În muzeu am învățat să folosesc un sextant. Era unul expus pentru a te juca cu el și eu am fost mereu curios să înțeleg cum funcționează.

Sextantul îți spune la ce unghi față de orizontală este o anumită stea aleasă de tine sau chiar Soarele. Este un fel de raportor cu o lunetă atașată, ca să țintești bine steaua respectivă. Navigatorii puteau recunoaște măcar câteva stele importante de pe cer. Sextantul îți spune cu precizie ridicată unghiul respectiv, iar apoi șmecheria este că deschizi o carte de navigație, un fel de tabel cu poziția stelelor, și găsești acolo scris chestii de genul “dacă pe 18 octombrie 2020, la ora 21:20, ai măsurat că steaua nordului este la 62,5 grade față de orizontală, înseamnă că tu te afli la coordonatele x și y de pe planetă”. E un tabel destul de lung în acea cărțulie, iar fără ea sextantul devine inutil.

Sextant.jpg
Public Domain, Link

Cu un astfel de dispozitiv s-a navigat timp de decenii, chiar secole, pe mări și oceane.

Secțiunea următoare din acea zonă vorbește însă despre problemele primelor decenii de aviație. Sextantul nu putea fi folosit cu precizie în interiorul unui avion, mai ales în avioanele mici din acea perioadă, mai ales în condiții de turbulențe sau plafon noros consistent. Și fix în astfel de condiții ai nevoie de orientare cât mai precisă.

Așa că o grămadă de aviatori au murit încercând să găsească aeroportul de destinație. Închipuiți-vă nori, rafale de vânt din diverse direcții, un avion mic, complet analogic, cu cockpit nepresurizat în care se mai aburesc geamurile sau vizibilitatea este îngreunată de ploaie sau ceață. Închipuiți-vă că aeroporturile de atunci erau o pistă de mici dimensiuni, poate de iarbă, fără sistemele performant de iluminare din prezent, când pista poate fi făcută vizibilă prin ceață sau nori.

Sau închipuiți-vă zborul peste mare sau ocean, când totul arată la fel chiar și când ai vizibilitate.

Aviația a progresat într-un ritm foarte alert. În 1903, frații Wright făceau primul zbor cu avionul lor pe o lungime de doar 37 de metri și la doar 3 metri altitudine. În 1923, doar 20 de ani mai târziu, se efectua primul zbor de pe o coastă pe alta a Statelor Unite ale Americii, din New York în San Diego, cu un avion produs de Fokker și numit T-2. A durat 27 de ore, dar s-a încheiat cu bine. În acel moment deja avusese lor Primul Război Mondial și aviația devenise crucială în domeniul militar, transportului de corespondență și chiar și de pasageri. În 1927, Charles Lindbergh trecea Atlanticul.

T-2, avionul, este în acest muzeu. Arată atât de fragil încât m-aș urca cu grijă în el și la sol, că de zburat n-aș avea curajul. Aviația, ca multe alte domenii, a fost însă pentru cei curajoși, pentru pionieri, iar mulți n-au ajuns la destinația lor.

Scrie acolo în muzeu că un moment de cotitură în navigația aeriană a fost inventarea unor ceasuri mult mai precise. Introducerea secundarului pe ceas și o precizie bună a acestuia au contat enorm. În acele vremuri, dacă-ți cunoșteai viteza avionului, cronometrai câte minute și secunde ai mers într-o anumită direcție și astfel calculai distanța parcursă, ca să știi când trebuie să-ți modifici cursul urmat.

Un ceas care rămâne în urmă un minut sau mai mult la fiecare oră nu-i mare problemă la sol, pentru un om normal. Eroarea acesta, însă, se amplifică în cascadă pentru un pilot și o deviația de câteva mile de la traseu poate însemna că nu mai vezi aeroportul pe care trebuie să ajungi și nici nu știi cum și unde ai greșit navigația, mai ales în condiții de nori sau ceață sau în noapte.

Așa că ceasurile mai bune au contat enorm și astfel și-au făcut renumele producători precum Longines sau Breitling și de asta și astăzi avem multe ceasuri de mână în game de “aviatori”, deși nu mai este nevoie de ele.

După ce am început să joc Flight Simulator 2020, am început să învăț și despre sisteme de navigație pentru avioane și cum se utilizează ele. De exemplu, prin țară, pe tot globul de altfel, există niște stații numite VOR, VHF Omnidirectional Range. Acestea emit câte un semnal radio diferit pe fiecare direcție în jurul lor, ca spițele unei roți sau umbrele, iar avionul care-l recepționează știe deci pe ce direcție este față de acea stație VOR.

Dacă stația emite și un semnal DME, Distance Measuring Equipment, avionul (dacă-i echipat cu receptoarele potrivite pentru aceste semnale) află și la ce distanță este față de respectiva stație VOR-DME și practic determină unde este pe hartă. Nu știe și altitudinea, dar aceasta se determină prin alte mijloace.

Navigația VOR a fost implementată pe scară largă în 1946 și de atunci a fost principala metodă prin care avioanele s-au orientat în zborul lor, indiferent de distanță. În general se zboară de la o stație VOR la alta, folosindu-le ca niște waypoint-uri, iar fiecare aeroport are de obicei propria stație ce poate fi folosită ca ghid pentru destinația finală.

Aeroportul Henri Coandă are două stații în preajmă, Florești care emite pe 112,2 MHz și Roșiori pe 117,1 MHz, ambele marcate pe hartă cu simbolul de VOR-DME. De la stația Roșiori, dacă mergi direct spre Vest (sau hai să zicem un 265 grade) ajungi la aeroport.

Te uiți pe o astfel de hartă (asta e din Skyvector) și-ți faci singur planul de zbor, notezi frecvențele necesare radioului din avion pentru a “prinde” stațiile, distanțele dintre ele și alte asemenea informații. Nu era nici asta treabă simplă, că trebuia să iei în considerare deviația indusă de vânt lateral sau alți factori, dar na… cu VOR-DME omenirea s-a descurcat câteva decenii inclusiv în zboruri intercontinentale.

Apoi a venit sistemul GPS. Sateliți lansați de americani în spațiu, cu ceasuri atomice la bord, transmițând pentru toată lumea un semnal care putea fi utilizat pentru a determina poziția pe hartă. Inițial gândit pentru utilizare militară, dar permis și pentru utilizare civilă în 1983, după un ordin semnat de președintele Reagan.

Întreaga constelație de sateliți a devenit operațională în 1993. Probabil de atunci avioanele moderne au început să folosească pe scară largă GPS-ul pentru poziționare și navigație, împreună cu hărți digitale.

Avioanele moderne încă folosesc VOR-DME. Aviația are backup peste backup și nu se bazează doar pe GPS, că poate pică sistemul, e atacat, e închis în caz de război șamd. Avioanele moderne au și alte sistem de poziționare la bord, de altfel, și de asistență în coborâre către pistă inclusiv în condiții de ceață bună de tăiat cu sabia.

Gândiți-vă totuși la evoluția aceasta tehnologică. Cândva, acum vreo sută de ani, o revoluție în domeniu o constituia un ceas de mână cu secundar și abatere mică care-ți permitea să faci tu niște calcule matematice pentru a ști unde te afli.

Acum, orice pilot cu un iPad și Google Maps știe cu precizie de un metru sau mai puțin unde se află. Uneori joc Flight Simulator cu un Cessna 152, care are doar indicatoare analogice old-school, și mi se pare stupid că trebuie să le folosesc pe acestea pentru a urma traseul de la un VOR la altul când, în lumea normală, aș scoate telefonul din buzunar chiar acolo în avion și aș vedea direct pe hartă unde sunt.

Am făcut asta ca pasager.

Nici nu mi-ar trebui Internet. Google Maps poate fi utilizat offline, iar eu am dat ca exemplu o aplicația preinstalată, dar sunt multe altele gândite special pentru navigație. Nici nu contează avionul sau altitudinea. Acum un an am scris despre aplicații cu care pasagerii aflați la 10.000 de metri altitudine în avioane de zboară cu 850 km/h pot afla unde sunt în acel moment, ce-i pe sub ei șamd.

Primul zbor, în 1903, a avut 37 de metri lungime la o altitudine de 3 metri. 20 de ani mai târziu se zbura deja peste ocean. În prezent zborul oricând, oriunde, este ceva banal (ok, nu fix în această perioadă, buy you get my drift). Voi fi dezamăgit dacă peste 100 de ani zborurile către Lună sau Marte nu sunt ceva banal, ceva de făcut în timp ce asculți muzică direct din chip-ul din creier și te joci Angry Birds 278 în realitate augmentată inserată direct în nervul optic.

    17 comentarii

  1. Vezi pe telefon în avion unde ești dacă ai net. La 10km în aer ai semnal pe mobil? Deasupra și în mijlocul Atlanticului?! Fără internet de la avion.

      (Citează)

    • Ne surprinzi placut mereu :))). In avion ai gps, gps ul ala se suprapune cu o harta salvata cand aveai internet pe mobil…hai ca nu e asa greu.

        (Citează)

    • Și cum comunică acel GPS cu telefonul? De unde știe aplicația de hărți din telefon să accepte informația?

        (Citează)

    • Nu stiu ce telefon ai tu, dar telefonul meu are gps incorporat. Si e un amarat de samsung s6 edge. Daca ai un smartphone, pune telefonul pe modul avion, porneste gps, stai la geam, afara si da drumul la google maps..o sa vezi ca te arata pe harta, poti sa te misti o sa vezi ca se misca si punctul de pe harta.

        (Citează)

    • Se pare ca tu chiar nu stii cum functioneaza GPS-ul, desi e foarte banal. Nu ai nevoie de conexiune la internet ca sa poti afla locatia.
      Sa explicam:
      Satelitii GPS (Global Positioning System), intre 27 si 32 la numar, ca se mai strica si se mai inlocuiesc, emit TOT TIMPUL doua semnale, in spectrul de microunde, pe frecventele de 1.2 si 1.5 MHz. In acel semnal este un status si un timestamp. Receptoarele GPS (cu care sunt echipate mai toate telefoanele astazi) eu nevoie de o antena care sa primeasca acest semnal (in principal, pentru public se foloseste doar 1575.42 Mhz, cea de 1227.6 MHz este folosita de echipamentele militare pentru o mai buna acuratete, deci e nevoie de o singura antena de GPS instalata in telefon), iar modulul GPS stie sa calculeze cat timp face acest semnal de la satelit la receptor. Cand primeste 3 sau mai multe semnale de la sateliti diferiti, atunci, folosind geometrie simpla, poate calcula exact pozitia pe glob, in latitudine si longitudine.
      Ca sa calculeze cu precizie cat mai buna, trebuie sa tina cont si de teoria relativitatii (de fapt ambele, si cea speciala si cea generala, pentru ca satelitii se misca cu viteza destul de mare, ca sa fie geostationari, si sunt si in camp gravitational, iar asta le afecteaza timpul masurat de ei). Daca n-ar tine cont si de aceasta, ar fi atat de mare eroarea incat sistemul n-ar putea fi folosit.
      Ei, acum, stiind latitudinea si logitudinea, aplicatia de harti poate sa o ceara de la sistemul de operare al telefonului si sa afiseze un punctul pe harta reprezentat de acestea.
      Enjoy :)
      PS: Pe langa sistemul GPS (American) mai avem si GLONASS (Rusesc), Galileo (UE) si BeiDou (China). Mai sunt si unele regionale, care nu acopera tot globul: QZSS (Japonia) si RNSS (India).
      Unlele receptoare stiu sa primeasca semnal de la mai multe pentru o mai buna acuratete.

        (Citează)

    • e simplu de inteles de ce nu ai nevoie de internet, dar altfel mie nu mi se pare nimic simplu la felul cum functioneaza GPS-ul :-)
      adica asa o intelegere superficiala poti obtine, dar nu una in profunzime

      de exemplu eu stiam ca e nevoie de cel putin 4 sateliti, nu 3; dar de ce, nu mai stiu.

      iar efectele relativiste sunt si inverse, cred ca din general rezulta o accelerare a ceasurilor satelitilor si din special rezulta o incetinire, si daca imi amintesc bineefectul din general e mai puternic, asa ca ceasurile satelitilor sunt de fapt incetinite pentru a fi sincronizate cu un ceas care ar fi pe pamant

      repet, nu mi se pare nimic simplu si banal la GPS, sunt de fapt absolut uimit ca avem asa ceva in buzunar

        (Citează)

    • OK, functioneaza GPS-ul cu harta incarcata in mod offline. Google Maps iti incarca pentru mod offline orasul de resedinta si ceva suprafata in jur. Ce faci cand ai depasit Bucurestiul, adica aproape imediat ce ai ajuns la altitudinea de croaziera? Ai GPS, nu ai harta pentru ca nu ai net decat daca iti da compania cu care zbori. Deci nu vezi pe telefonul tau unde esti.

      Daca esti intr-un mic avion personal, nu ai nici un fel de net, trebuie sa iti iei unitate GPS dedicata cu harti. Deci nu vezi pe telefon.

      Daca se alineaza toate circumstantele, sa prinzi semnalul GPS prin avionul ecranat, sa ai net de la compania cu care zbori sau sa iti fi cumparat o harta globala, atunci poti vedea pe telefon pe unde e avionul.

        (Citează)

    • Iti poti descarca gratis pe telefon hartile google maps. Asta e cea mai simpla modalitate, fara sa folosesti alta aplicatie. Daca inainte de plecare te-ai uitat pe harta google, pana la destinatie, ea ramane in cache si vezi pe unde zboara avionul(nu poti da zoom pana la nivel de strada asa) fara sa salvezi practic nimic in telefon. Ba chiar si daca te-ai uitat acum ceva timp, folosind metoda asta vezi deasupra carei tari zbori, directia de zbor etc. Nu e nimic complicat. Daca zbori cu un avion mic, majoritatea au si gps dedicat, dar poti folosi si un telefon/ceas daca e necesar.

        (Citează)

    • Mai poti incerca ceva, cu telefonul propriu pe modul avion, da zoom out pe google maps si miscate pe harta. Da putin zoom pe australia sau zone pe unde nu ai fost si vezi daca iti apare ceva sau nu vezi nimic. Pentru un pasager care vrea sa vada pe unde se afla in mare, deasupra la ce tara/zona zboara e mai mult decat suficient.

        (Citează)

    • @Gaelex, solutia cea mai simpla este asta:
      – ai o aplicatie de GPS cu harti locale, pe telefon;
      – merge si Google Maps, daca ai calulat traseul inainte de a te urca in avionsi nu ai inchis aplicatie;
      – ca sa te asiguri ca prinzi/pastrezi semnalul GPS, cel mai bine este sa cauti satelitii exact inainte de a te urca in avion, asa telefonul stie ce sateliti sunt in zona si unde anume sa ii caute;
      – recomandat sa stai pe locul de la geam, fiindca pe locurile de la mijloc este posibil sa nu te poti conecta la sateliti.

      Nu este nimic sofisticat, nu este nevoie sa se alinieze astrele, ai nevoie doar de un telefon si o simpla aplicatie descarcata din Store.

        (Citează)

  2. G:
    pentru ca satelitii se misca cu viteza destul de mare, ca sa fie geostationari

    Satelitii GPS nu sunt geostationari (asa credeam si eu, m-am inselat).

      (Citează)

    • Yep, asa este. My bad. Oricum viteza lor este destul de mare, de 3.9 km pe secund (vreo 14000 km/h)

        (Citează)

    • Satelitii GPS nu sunt geostaționari ( nu stau in același loc deasupra pământului – la ecuator – ca satelitii TV ) ca sa poată asigura vizibilitate buna pe toată suprafața chiar si aproape de poli, sau “la umbră” unde soarele si satelitii de deasupra ecuatorului nu sunt vizibili.

      E nevoie de minim 4 sateliti ca sa determini pozitia. Fiecare satelit isi transmite propriul timp (si pozitia sa) Receptorul (telefonul) primeste informatia cu o anumită întârziere si va sti ca e la o anumită distanță de acea poziție ( adica pe o sfera ). Daca primește semnal de la 2 sateliti stii ca esti la inersectia a 2 sfere: adica un cerc. Cu informația de la al treilea satelit stii ca esti la intersecția a doua cercuri (adica in unul din doua puncte). Daca ai sti ca esti la suprafata pamantului ai alege puntul acela si ai ignora celalalt punct la mii de km distanță de suprafață, dar nu poti fi sigur de asta asa ca ai nevoie de al 4-lea satelit.

        (Citează)

    • @tudor
      de fapt nu, al 4 lea satelit vad ca e pentru corectii legate de timp (ceasul din telefon nu e la fel de precis ca cel din satelit)

      i-adevarat ca intersectia a 3 sfere sunt 2 puncte, dar unul din puncte poate fi eliminat pt ca va fi intotdeauna fie mult in spatiu fie in interiorul pamantului, deci ramane doar cel de pe suprafata (sau din apropierea suprafetei)

      v-am zis eu ca nu e nimic simplu la GPS

      sursa: wikipedia
      “GPS requires four or more satellites to be visible for accurate navigation. The solution of the navigation equations gives the position of the receiver along with the difference between the time kept by the receiver’s on-board clock and the true time-of-day, thereby eliminating the need for a more precise and possibly impractical receiver based clock.”

        (Citează)

    • E nevoie de minim 4 sateliti ca sa determini pozitia. Fiecare satelit isi transmite propriul timp (si pozitia sa) Receptorul (telefonul) primeste informatia cu o anumită întârziere si va sti ca e la o anumită distanță de acea poziție

      Marean:

      de fapt nu, al 4 lea satelit vad ca e pentru […altceva]

      sursa: wikipedia
      “GPS requires four or more satellite”

      Cateodata e greu de comunicat.
      Cand faci un detector de sembal de GPS nu trebuie sa presupui ca e folosit pe suprafața pământului.
      In particular, daca sungurui 3 sateliti vizbili sunt la linia orizontului, cele doua puncte intre care trebuie receptorul sa decida sunt in masina din parcare sau in avionul de la 10 km deasupra.

        (Citează)

    • https://medium.com/iotforall/6-things-you-didnt-know-about-gps-efb37e83bd02
      Ca sa complicam si mai mult lucrurile, pe langa complicatenia numita GPS, mai e si complicatenia numita glob pamantesc si harta atasata. Forma globului pamantesc (geoid) este aproximata si exista mai multe metode de aproximare, care dau rezultate mai bune in anumite situatii (tinand cont si de faptul ca aproximarile mai precise sunt calculate mai greu, i.e. dureaza mai mult calculul). Practic nici harta nu e pozitionata precis pe globul pamantesc real. Asta daca GPS-ul era prea simplu :)

        (Citează)

    • Da, satelitii GPS nu sunt geostationari, fac cam 2 rotatii pe zi in jurul pamantului. Hai sa complicam lucrurile: exista un sistem cu sateliti stationari numit WAAS in SUA si EGNOS in Europa care fac corectia erorilor aproape instant. De aceea SUA a renuntat la bruierea intentionata a semnalului civil (C) Selective Availability. Codul militar P = precise este fff restrictionat.

        (Citează)

    Alătură-te discuției, spune-ți părerea:

    Your email address will not be published. Required fields are marked *

    Vreți un avatar în comentarii? Mergeți pe gravatar.com (un serviciu Wordpress) și asociați o imagine cu adresa de email cu care comentați.

    Dacă ați bifat să fiți anunțați prin email de noi comentarii sau posturi, veți primi inițial un email de confirmare. Dacă nu validați acolo alegerea, nu se va activa sistemul și după un timp nu veți mai primi nici alte emailuri

    Comentariile nu se pot edita ulterior, așa că verificați ce ați scris. Dacă vreți să mai adăugați ceva, lăsați un nou comentariu. Fără înjurături și cuvinte grele, că vorbim prietenește aici, și fără mesaje doar de dragul URL-spam-ului. Link-urile către alte site-uri, dar care au legătură cu subiectul discuției, sunt binevenite. Apăsați pe Citează pentru a cita întreg comentariul cuiva sau selectați întâi anumite cuvinte și apăsați apoi pe Citează pentru a le prelua doar pe acelea.

sus