Global Positioning System (gps) Systeem voor Wereldwijde Plaatsbepaling



Vergelijkbare documenten
Plaatsbepaling met Global Navigation Satellite Systems GNSS Basisbeginselen

BLIKSEM ONDER DE LOEP GENOMEN I. INLEIDING

Tabellenboek. Gitaar

Examen ste tijdvak Vinvis zingt toontje lager

Golven. 4.1 Lopende golven

GPS. Global Positioning System, werking en toepassingen. Maarten Mennes Mei 2006.

Cartografische oefeningen

Examen HAVO. wiskunde B. tijdvak 1 donderdag 9 mei uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Eindexamen vmbo gl/tl wiskunde I

Geluid - oscilloscoop

Leerdoelen. Wat is GPS? Na het uitwerken van deze werkbladen...

1 f T De eenheid van trillingstijd is (s). De eenheid van frequentie is (Hz).

Hoofdstuk 7: METING VAN DE FREQUENTIE- NAUWKEURIGHEID

Achter het correctievoorschrift is een aanvulling op het correctievoorschrift opgenomen.

1. 1 Wat is een trilling?

KINEMATICA 1 KINEMATICA

Hierin is λ de golflengte in m, v de golfsnelheid in m/s en T de trillingstijd in s.

Cartografische oefeningen antwoorden voor de leerkracht

Inleiding tot de natuurkunde

Havo 4 - Practicumwedstrijd Versnelling van een karretje

Hoe kunnen we dat probleem oplossen? Door een houdertje te maken!.we ontwerpen een GSM-houder!

Significante cijfers en meetonzekerheid

Naam: Klas: Toets Eenvoudige interferentie- en diffractiepatronen VWO (versie A)

Examen VMBO-GL en TL 2008 wiskunde CSE GL en TL tijdvak 1 donderdag 22 mei uur

wiskunde CSE GL en TL

NaSk overal en extra opgaven

7-8. Fietsbel. Waarvoor worden geluiden gebruikt?

Rekenkunde, eenheden en formules voor HAREC. 10 april 2015 presentator : ON5PDV, Paul

m 2. De berekening terug uitvoeren met die P en r = 100 m i.p.v. 224 m levert L = 57 db.

Datum versie: 1 Mei Technische aspecten

Eindexamen wiskunde vmbo gl/tl I OVERZICHT FORMULES: omtrek cirkel = π diameter. oppervlakte cirkel = π straal 2

Inleiding tot de natuurkunde

Acoustics. The perfect acoustics of a car. Jan Hoekstra

4VMBO H5 LES.notebook January 27, Geluid. BINAStabellen: 6, 7, 8, 27, 28, 29 en 30. Luidspreker. Drukverschillen

Exact Periode 5 Niveau 3. Dictaat Licht

Eindexamen natuurkunde 1 vwo II

Quiz. Golven en trillingen. Staande golven, dopplereffect, interferentie, frequentie, golflengte,

Examentraining Leerlingmateriaal

UITWERKING TOELICHTING OP DE ANTWOORDEN VAN HET EXAMEN 2002-I WISKUNDE. MAVO-D / VMBO-gt

Samenvatting NaSk H7 geluid

Exact Periode 5. Dictaat Licht

Sonar. Klas: 2T. Docent: Wi

Opgave 2 Amplitude = afstand tussen de evenwichtsstand en de uiterste stand.

wiskunde B havo 2019-I

Samenvatting snelheden en

Theorie: Snelheid (Herhaling klas 2)

Vlakke meetkunde. Module Geijkte rechte Afstand tussen twee punten Midden van een lijnstuk

En aantal maanden geleden heb ik aangegeven iets te gaan vertellen over plaatsbepaling.

In de figuur hieronder zie je een Elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(zie figuur).

TENTAMEN NATUURKUNDE

Eindexamen havo wiskunde B I

HiFi over 8,33 khz channel spacing? Ik dacht het niet.

Eindexamen havo natuurkunde pilot II

Examen VWO. wiskunde B1. tijdvak 2 woensdag 18 juni uur

Geluidsnelheid. 1 Inleiding. VWO Bovenbouwpracticum Natuurkunde Practicumhandleiding

Examen VMBO-GL en TL. wiskunde CSE GL en TL. tijdvak 1 dinsdag 19 mei uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Hoofdstuk 9 Golven. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

Maar het leidde ook tot een uitkomst die essentieel is in mijn werkstuk van een Stabiel Heelal.

Elektro-magnetisme Q B Q A

Eindexamen natuurkunde pilot havo II

Samenvatting Natuurkunde Hoofdstuk 1

Eindexamen wiskunde B1 vwo 2008-II

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Geluid 10/6/2014. dr. Brenda Casteleyn

Hoofdstuk 9 Golven. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

1BK2 1BK6 1BK7 1BK9 2BK1

5.5 Gemengde opgaven. Gemengde opgaven 159

Examen VWO. natuurkunde 1. tijdvak 2 woensdag 24 juni uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

GEBRUIKERSHANDLEIDING PANIEKKNOP EN LOKALISATIE

Werkblad 3 Bewegen antwoorden- Thema 14 (NIVEAU BETA)

Positionering Nokia N76-1

Meten is weten, dat geldt ook voor het vakgebied natuurkunde. Om te meten gebruik je hulpmiddelen, zoals timers, thermometers, linialen en sensoren.

Hoofdstuk 1 Beweging in beeld. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

BOEING 777 VERSUS F-16

Lessen wiskunde uitgewerkt.

Hoe kunnen we dat probleem oplossen? Door een houdertje te maken!.we ontwerpen een GSM-houder!

In het internationale eenhedenstelsel, ook wel SI, staan er negen basisgrootheden met bijbehorende grondeenheden. Dit is BINAS tabel 3A.

Naam Klas: Repetitie trillingen en geluid HAVO ( 1 t/m 6)

natuurkunde havo 2017-II

Speciale relativiteitstheorie

ULTRASONE MEETTECHNIEK

Systematische Probleem Aanpak (SPA) Voorbeeld opgave Electriciteit.

PROBLEEMOPLOSSEND DENKEN MET

Exact periode 3.1 Dictaat exact blok

Trillingen en geluid wiskundig

E = mc². E = mc² E = mc² E = mc². E = mc² E = mc² E = mc²

6,9. Samenvatting door een scholier 1093 woorden 21 september keer beoordeeld. Aardrijkskunde HFD 1 1. Schaalniveaus

GPS Instructie MC de Kraats. Probleemloos gebruik maken van Garmin GPS Navigatie op de motor

Werken met eenheden. Introductie 275. Leerkern 275

Trevler AIR handleiding. Opmerkingen

Meetfouten, afronding, voorvoegsels en eenheden

wiskunde B pilot havo 2015-II

Speciale relativiteitstheorie: de basisconcepten in een notedop

. Dat kun je het beste doen in een donkere ruimte. Dan gebruik je een stroboscooplamp die de hele korte licht fitsen maakt van 0,5 sec.

Opa gaat de lucht in!

Pulsar Natuurkunde 2e vwo 3 Hoofdstuk m/s. 13 6,3 km/h. 14 a = 1, b c d e 2244.

Practicum algemeen. 1 Diagrammen maken 2 Lineair verband en evenredig verband 3 Het schrijven van een verslag

Naam: Klas: Repetitie Golven VWO (versie A) Opgave 2 Leg uit wat het verschil is tussen een transversale golf en een longitudinale golf.

Eindexamen natuurkunde 1-2 havo 2000-II

GELUID Wat horen onze oren? Jo Hermans OZV Oegstgeest, 13 november 2017

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Geluid. 4 november Brenda Casteleyn, PhD

Transcriptie:

Global Positioning System (gps) Systeem voor Wereldwijde Plaatsbepaling Leerkrachtenhandleiding bij de gps kit Roger Van Overstraeten Society vzw Kapeldreef 75 B 3001 Leuven België Tel: +32 16 281 064 Fax: +32 16 288 416 E mail: info@rvo society.be www.rvo society.be Alle rechten voorbehouden. Behoudens de uitdrukkelijk bij de wet bepaalde uitzonderingen mag niets uit deze uitgave worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, op welke wijze ook, zonder de uitdrukkelijke voorafgaande en schriftelijke toestemming van RVO Society.

Inhoud A. Inleiding en opzet van de gps kit...3 B. Leerdoelen van de activiteit en overeenkomsten met de eindtermen (2 de en 3 de graad SO)...4 1. Korte beschrijving van de gestelde leerdoelen...4 2. Eindtermen tweede graad...4 3. Eindtermen derde graad...4 C. Materiaalbeschrijving...5 D. Activiteiten met de gps kit...6 1. De klas in kaart brengen...6 2. De satellieten plaatsen...9 3. Afstandsbepaling tussen satelliet en ontvanger... 10 4. De onbekende positie bepalen... 11 E. Bondige achtergrondinformatie... 12 1. Positiebepaling... 12 2. Afstandsmeting... 13 3. Werking van de gps kit... 15 F. Links op het internet... 16 G. Bijlage: 5x5 millimeterpapier om een kaart van de klas te maken... 17 2

A. Inleiding en opzet van de gps kit Sinds het openstellen van het gps systeem voor burgers in 2000, neemt het aantal gpstoepassingen steeds toe: voor navigatie in de auto, op de fiets en tijdens wandelingen, als hulpmiddel in wetenschappelijke studies zoals platentektoniek of vulkanologie en bij hobby s zoals geocaching. Onvermijdelijk komen ook kinderen en jongeren in contact met het gps fenomeen, en hoewel ze een gps ontvanger kunnen gebruiken, blijft het systeem erachter een zwarte doos. In een klasactiviteit kan de gps kit de zwarte doos voor begrip en kennis openen. Meer interesse voor gps technologie is natuurlijk het beoogde doel. Het meetprincipe van het gps is op de afstandsmeting tussen satelliet en ontvanger gebaseerd. De afstand tussen beide systemen wordt uit de opgemeten looptijd van de radiogolven afgeleid. Voor deze gps kit wordt met geluidsgolven een analoog satelliet ontvanger systeem dat ook binnen werkt gesimuleerd. De leerlingen ontdekken hands on hoe het gps werkt. 3

B. Leerdoelen van de activiteit en overeenkomsten met de eindtermen (2 de en 3 de graad SO) 1. Korte beschrijving van de gestelde leerdoelen Het opstellen van een kaart (en het gebruik van een schaal) Referentiestelsels (assenstelsel & oorsprong versus raster) Directe en indirecte metingen (bv: hoe ver is het onweer?) Golven (voortplantingssnelheid, frequentie, golflengte, amplitude, ) Verschillen tussen elektromagnetische en geluidsgolven Nut van een protocol Meetkundige plaatsen (vb:cirkel) Lokalisatie van een onbekende plaats, gebruik van de transitiviteitseigenschap Nauwkeurigheid van meetprocessen IJking van meettoestellen 2. Eindtermen tweede graad Deze activiteiten beantwoorden aan: de gemeenschappelijke eindtermen voor wetenschappen de vakgebonden eindtermen wiskunde (algemeen, meetkunde) de vakgebonden eindtermen aardrijkskunde (vaardigheden) de vakoverschrijdende eindtermen T.O. 3. Eindtermen derde graad Deze activiteiten beantwoorden aan: de gemeenschappelijke eindtermen voor wetenschappen. de vakgebonden eindtermen fysica (trillingen en golven) de vakgebonden eindtermen aardrijkskunde (kennis & vaardigheden) de vakoverschrijdende eindtermen T.O. 4

C. Materiaalbeschrijving De koffer bestaat uit deze onderdelen: o 1 centrale meter (de gps simulator) o 3 satellieten o 4 universele 5V geschakelde voedingen o 3 driepikkeltjes voor het bevestigen van het satellietje Verdere informatie over de inhoud van deze koffer en het gebruik ervan staat in de tekst Handleiding satellietdemonstratorset. Voor het uitvoeren van de activiteiten moeten ook volgende materialen voorzien worden: twee (lint)meters (voldoende lang) kopieën van het millimeterpapier (zie bijlage) schrijfgrief een lat een schaar lijm 5

D. Activiteiten met de gps kit 1. De klas in kaart brengen De werkruimte wordt eerst in kaart gebracht, in ons geval is dit de klas. Daarvoor is een assenstelsel nodig. Het is in een rechthoekige ruimte het eenvoudigste om de oorsprong van het assenstelsel met één van de vier hoekpunten van de ruimte te laten samenvallen (zie rode stip op de tekening). De twee muren worden dan de X en Y as omdat hun snijpunt met de oorsprong van de assen overeenkomt (zie rode pijlen). 6

Eenmaal de lengte en breedte gemeten zijn, kan de klas een gepaste schaal kiezen en de omtrek van het lokaal tekenen. In de volgende stap meet de klas alle maten van het meubilair. De leerlingen tekenen elk meubel in schaal op een nieuw blad millimeterpapier. Ze knippen elk meubel op het millimeterpapier vervolgens uit. 7

Tot slot moeten we enkel nog de positie bepalen van één hoekpunt voor elke meubel. Daarvoor meten we de loodrechte afstanden tot elk van de muurassen in de klas en herleiden we deze afstanden op schaal om ze op de kaart te zetten. Als de positie van één hoekpunt van het meubelstuk op de kaart gelokaliseerd is, kan de schaaltekening van het meubel op de kaart geplakt worden. Het plan is af als elk schaalmeubel op de kaart kleeft. 8

2. De satellieten plaatsen Het gps systeem gebruikt een ander referentiesysteem dan de kaart van het lokaal. De gpsontvanger berekent zelf zijn afstand tegenover de gekende posities van de satellieten en weet daardoor waar hij zich bevindt. Plaats de 3 gps satellieten verspreid in het lokaal en bepaal hun coördinaten ten opzichte van het oorspronkelijke assenstelsel in de klas. Duid hun positie op de kaart van de klas aan. 9

3. Afstandsbepaling tussen satelliet en ontvanger Voor deze activiteit te starten, kijk je best na of de batterijen van ontvanger en satelliet nog voldoende geladen zijn en indien nodig verder op te laden. De aan en uittoetsen staan vooraan op de satellieten en op de ontvanger. Aan de bovenzijde van de gps ontvanger staat links een select toets om te kiezen of de ontvanger de afstand van satelliet 1, 2 of 3 moet bepalen. Rechts op de ontvanger staat measure. Met deze toets laat je de ontvanger de afstand tot de geselecteerde satelliet bepalen. (zie ook de handleiding bij de gps kit) Bepaal op deze manier de afstand van de ontvanger tot elke satelliet. 10

4. De onbekende positie bepalen De leerlingen kenden de plaatsing van de satellieten op de kaart al en bepaalden erna de afstand tussen de ontvanger en elke satelliet. Als de leerlingen drie cirkels tekenen met de satelliet als middelpunt en de afstand tot de ontvanger als straal, ontstaat er ergens op de kaart een doorsnede (in het ideale geval een punt). In die doorsnede bevindt zich de ontvanger: de leerlingen hebben dus de exacte positie van hun ontvanger bepaald. Op de kaart lezen de leerlingen hun afstand tot de beide assen af. Met behulp van de schaal kunnen ze die naar reële maten omrekenen om daarna met de lintmeter te verifiëren dat het klopt. Conclusie: ze hebben hun positie op de kaart en in de klas bepaald door de afstanden tot de satellieten te meten! 11

E. Bondige achtergrondinformatie 1. Positiebepaling Om je positie op een terrein te bepalen, kan je gebruik maken van een kaart van de omgeving waarin je je bevindt. Om zo n kaart op te stellen en te gebruiken is eerst een referentiestelsel nodig. Vanuit de wiskunde kiest men voor een referentiepunt (oorsprong) en assen die loodrecht op elkaar staan. In een praktische aanpak teken je een raster op de kaart door op regelmatige afstanden van elkaar parallellen aan de assen te trekken. Zo kan je eenvoudig terugvinden in welk vakje op de kaart je ontvanger zich bevindt. Maar hoe bepaalt het gps dan je juiste positie? De omgeving is geen weerspiegeling van het raster op je kaart (met assen), het gps werkt dus met gekende referentiepunten om je positie terug te vinden (met cirkels). In het gps en gsm systeem maakt men gebruik van antennes. Deze antennes worden op gekende posities geplaatst en kan je dus op de kaart terugvinden. Als het systeem er dan in slaagt onze positie te bepalen tegenover de antenne(s), weet je gps (of gsm) ook waar je je bevindt, want het toestel kent de exacte posities van de antennes op de kaart. 12

2. Afstandsmeting Er bestaan twee manieren om de afstand tussen ontvanger en antenne te berekenen: a. Directe meting Directe meting is geschikt voor kleine afstanden. Je gebruikt hierbij een meetinstrument om de directe, ononderbroken afstand tussen twee punten te bepalen. b. Indirecte meting Directe meting kan moeilijk zijn omdat de afstand te lang of niet rechtstreeks te overbruggen is. Daarom meten we soms een andere grootheid die in verband met de afstand staat. Bij golven bestaat bijvoorbeeld een eenduidig verband tussen de afstand die een golf aflegt en de tijd die het hiervoor nodig heeft. Verschillende golven zoals geluidsgolven en elektromagnetische golven planten zich met een eigen karakteristieke snelheid voort. Dit verband wordt gegeven door: S = v. t o S = de afstand afgelegd door de golf o v =de voortplantingssnelheid van de golf o t = de tijd die de golf hiervoor nodig heeft om de afstand te overbruggen Het spreekt voor zich dat door de grote afstand van het gps toestel tot de satellieten in de ruimte, gps toepassingen met onrechtstreekse afstandsbepaling werken. In reële situaties maken gps toestellen gebruik van elektromagnetische golven. Voor de gps kit in de klas maken we echter gebruik van ultrasone geluidsgolven. De snelheid van geluidsgolven, de geluidssnelheid, hangt af van het medium waarin de golven zich voortbewegen en van factoren als temperatuur en vochtigheidsgraad. Hoe hoger de trillingsfrequentie (= hoe meer cycli per tijdseenheid en ook per lengte eenheid), hoe hoger de waargenomen toon. Voor mensen liggen hoorbare trillingsfrequenties tussen de 20 en 20.000 Hz. Hogere frequenties (dus kortere golflengtes) tot 800 MHz noemt men ultrasone trillingen. Nog hogere frequenties worden hypersone trillingen genoemd. 13

Toepassing van indirecte meting: Donder & bliksem Een bliksemstraal kan een snelheid van 10 tot 30 procent van de snelheid van het licht (300.000 km/s) bereiken. In diezelfde bliksemstraal ontstaat (in één duizendste van een seconde) een zeer hoge temperatuur. Die hitte plaatst zich als een drukgolf in alle richtingen voort en veroorzaakt donder. Hoewel een bliksemstraal zich met een snelheid van ruim 100.000 km per seconde verplaatst, bereikt donder slechts de schamele snelheid van 330 meter per seconde. Daarom horen we donder dus pas nadat we de bliksemschicht zagen. Als een donderslag onmiddellijk op het licht van de bliksem volgt, dan is het onweer gevaarlijk dichtbij. Het licht van de bliksem plant zich met 300.000 km/s razendsnel voort. Je kunt dus stellen dat je de bliksem zo goed als op hetzelfde ogenblik ziet als dat het ontstaat op de plaats van het onweer 1. Je begint te tellen als je de bliksem ziet. Het geluid van de donder plant zich met 330m/s veel trager voort. Je zal de donder dus niet onmiddellijk horen, maar pas nadat de geluidsgolf de weg naar je oor heeft afgelegd. Uit deze tijd kun je bepalen hoever de bliksemschicht van jou verwijderd was: S = (330m/s). t o o S = de afstand tot het onweer t = de tijd (in seconden) tussen het zien van de bliksem en het horen van de donder De tijd die we meten tussen het zien van de bliksemschicht en het horen van de donderslag kunnen we uitdrukken in seconden. Als we elke seconde vermenigvuldigen met de snelheid van het geluid (330m/s) dan krijgen we de afstand tot de blikseminslag. Vuistregel: Tel de seconden die tussen een bliksem en een donderslag in zit. Vermenigvuldig dit met 330 (de snelheid van de donder). Dus als je 10 seconde hebt geteld dan is de blikseminslag ongeveer 3 kilometer ver van je verwijderd. 1 De lichtsnelheid is afhankelijk van het materiaal waar het licht door moet. Licht beweegt bijvoorbeeld langzamer door water, glas of door onze atmosfeer dan door een vacuüm. De verhouding waarmee het licht wordt vertraagd, noemen we de refractive index van dat medium. 14

3. Werking van de gps kit Hoewel ze op dezelfde principes bouwen, werkt de gps in de auto anders dan de gps kit. Een gewone gps kan binnen bijvoorbeeld geen signaal ontvangen, terwijl de gps kit juist beter binnen werkt. De gps kit bevat een soort gps toestel met een zender en een ontvanger. De zender zendt een signaal naar een satelliet (antenne), die op zijn beurt het signaal naar de ontvanger van het gps toestel terugstuurt. De tijd die het daarvoor nodig heeft, bepaalt de afstand tussen het toestel en de satelliet. Als twee antennes dicht bij elkaar staan, kan het signaal naar satelliet 1 verstoord worden door satelliet 2. Deze interferentie werd in de gps kit door codering opgevangen. Elke satelliet heeft een persoonlijke code en zal alleen het signaal terugsturen dat zijn code bevat. Soms wordt het signaal ook fout teruggestuurd omdat het niet alleen door de satelliet, maar ook door bijvoorbeeld een muur werd teruggekaatst. Om deze reflectie te vermijden, werd een wachttijd van 50 milliseconden ingebouwd: zowel de ontvanger als de satelliet wachten 50 milliseconden alvorens op een signaal te reageren. Gereflecteerde signalen keren sneller naar de ontvanger terug en worden dus genegeerd. Besluit: Bij de technologie die komt kijken bij afstandsbepalingen, onthouden we twee belangrijke principes. 1. De afstand tussen meter en antenne wordt bepaald uit de tijd die het gps toestel nodig heeft om het signaal naar één van de antennes te zenden en terug te ontvangen plús de wachttijd bij de antenne om reflectie tegen te gaan. 2.S = v.t t = Z + 50ms + O Of S=(v/2).( Z + 50ms + O) v = voortplantingssnelheid van de golf t = de tijd die de golf nodig heeft om een afstand te overbruggen S = afstand van zender tot satelliet Z = tijd die het signaal nodig heeft om van de zender naar de satelliet te gaan O = tijd die het signaal nodig heeft om van de satelliet naar de zender te gaan 2. Een protocol bepaalt welke antenne het gezonden signaal ontvangt. 15

F. Links op het internet o http://nl.wikipedia.org/wiki/global_positioning_system o http://www.gps.oma.be/nl/lbesch_nl_ok_css.htm o http://www.trimble.com/gps/index.shtml o http://telecom.tlab.ch/~zogg/dateien/gps_basics_u_blox_en.pdf o http://www.howstuffworks.com/gps.htm/printable 16

G. Bijlage: 5x5 millimeterpapier om een kaart van de klas te maken 17