Η "Νέα" Πρόταση Για Την Υποβοήθηση Του GPS

Αυτές τις ημέρες κυκλοφόρησε μια είδηση για ένα "νέο" σύστημα που θα μπορούσε να υποβοηθήσει το Global Positioning System (GPS) και είναι βασισμένο στην ανίχνευση του μαγνητικού πεδίου της γής.

Μια και αυτό το καιρό έχω ξεκινήσει μια σειρά απο άρθρα σχετικά με το προγραμματισμό Smart Devices ή PDAs και τη παρουσίαση μιας μικρής εφαρμογής GPS αποφάσισα να γράψω δύο λόγια σχετικά με αυτό το σύστημα.

Το πρώτο σημείο όπου διάβασα γι' αυτό το σύστημα ήταν το περιοδικό Newscientist[1] σε ένα άρθρο όπου περιέγραφε ένα νέο και πρακτικό Γεωμαγνητικό αισθητήρα. Ο αισθητήρας αυτός παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο είναι ανάλογο της απόκλισης του μαγνητικού πεδίου της γής σε ένα σημείο.

Δουλεύει λοιπόν σαν μια πολύ ευαίσθητη πυξίδα η οποία έχει τη δυνατότητα να μετρήσει την απόκλιση απο το Βορρά αλλά και τη γωνία που σχηματίζει η πυξίδα με ένα επίπεδο εφαπτόμενο σε ένα σημείο της γής.

Για να γίνει πιο εύκολα κατανοητό αυτό, αναλογιστείτε οτι μια πυξίδα, ακριβώς επάνω απο την ακριβή τοποθεσία του μαγνητικού Βορρείου πόλου θα έδειχνε προς...το έδαφος. Αν απομακρύνουμε τη πυξίδα απο αυτό το σημείο θα αρχίσει να δείχνει μια απόκλιση απο το Βορρά (η συνηθισμένη γωνία της πυξίδας) αλλά και μια διαφορετική βύθηση.

Αν η γή ήταν μια τέλεια σφαίρα με ένα πολύ δυνατό μαγνήτη να διαπερνά δύο αντιδιαμετρικά σημεία της, οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου θα περιέβαλαν τη σφαίρα ομοιόμορφα και ίσως ήταν πάρα πολύ εύκολο να συσχετίσουμε τις δύο γωνίες της πυξίδας με την τοποθεσία επάνω σε αυτή τη σφαίρα[2].

Ευτυχώς όμως ο πανέμορφος πλανήτης μας μόνο σφαιρικός δεν είναι. Εκτός του οτι η Γή έχει σχήμα ελλειπτικό, έχει και μια ανομοιόμορφη κατανομή του υλικού της κατα τόπους. Αυτό σημαίνει οτι οι μαγνητικές γραμμές δεν περιβάλουν τη Γή ομοιόμορφα αλλά σε τροχιές που καθορίζοντε απο διάφορους παράγοντες. Σα να μην έφτανε αυτό, το μαγνητικό πεδίο της Γής έχει κάποιες πολύ αργές διακυμάνσεις (τάξης μεγέθους εκατοντάδων χρόνων) που μπορεί να φτάσουν και σε πλήρη αντιστροφή του μαγνητικού πεδίου.

Το σύστημα αυτό λοιπόν προτείνει την υποβοήθηση του GPS στις περιοχές όπου δεν υπάρχει καλή λήψη παρακολουθόντας τη τοπική απόκλιση και βύθηση και αντιστοιχίζοντας τη στη τοποθεσία.

Αυτή η ιδέα είναι τόσο παλιά -σχεδόν- όσο και η πυξίδα για την οποία πρόσφατα γράφτηκε ένα πολύ όμορφο βιβλίο υπο τον τίτλο...Compass του Alan Gurney[3] (ISBN-10: 0393327132).

Το συνιστώ ανεπιφύλακτα καθώς περιέχει μια πλήρη περιγραφή της ιστορίας της Πυξίδας σαν όργανο ναυσιπλοϊας μέχρι τη βελτοίωση και εφαρμογή των ηλεκτρομηχανικών πυξίδων με γυροσκόπια.

Απο το συγκεκριμένο βιβλίο παραθέτω το εξής ενδιαφέρον κομμάτι:

"But the finding of one's latitude and longitude by magnetic dip and variation was based on quicksand. This was an age when scientific hypotheses were argued from small amounts of evidence. And the great tragedy of science (as later pointed out by Thomas Huxley) is the slaying of a beautiful hypothesis by an ugly fact.

The ugly fact emerged in 1633. Henry Gellibrand, an English mathematician (dismissed by the Dictionary of National Biography as "a plodding industrious mathematician, without a spark of genius"), found that the variation in London had decreased from Borough's 1580 measurement of 11+1/4 degrees East to 4 degrees East. Other measurements also showed a perplexing decrease in variation. What was once thought to be static was proving to have an alarming and skittish behaviour. Gellibrand published his findings and concluded that the variation had a buit in variation: the secular change.

Gellibrand's findings, nevertheless, failed to slay the beautiful idea of finding longitude by variation. On the contrary: Henry Bond, a teacher of navigation, thought it a positive help. Having studied the decrease of variation he foretold that hte variation in London, by 1657 would be zero; and then slowly increase to the west. He gained great kudos by being right: and then moved on to draw up a theoritical table of magnetic elements. This table with a compass for measuring variation and a dipping needle, would result in a mariner's being able to find his longitude. And all this could be found in his volume The Longitude Found, published in 1676 - followed, two years later, by Peter Blackbarrow's defeating The Longitude Not Found.

But the idea of finding one's position at sea with a compass and dipping needle refused to die. In 1721, William Whiston published The Longitude and Latitude discovered by the Inclinatory or Dipping Needle. Whiston was no stranger to the milder forms of lunacy. After the wreckling of Shovells's fleet he, with another deluded man, had suggested a crack-brained scheme of anchored ships strung across the Atlantic. These ships would fire rockets into the sky timed to explode at a certain height. Any mariner seeking his position would take a compass bearing and note the time between the flash and the sound of the explosion, thus obtaining his distance and bearing from the ship."

Απίστευτες ιδέες, σε μια εποχή που η λέξη δορυφόρος ίσως έφερνε στο νού μόνο το άγαλμα[4].

H μαγνητική πυξίδα εκτοπίστηκε απο τη λειτουργία της απο το μηχανικό Γυροσκόπιο[5] το οποίο έχει τη δυνατότητα να ρυθμιστεί ώστε να δείχνει το πραγματικό Βορρά (και όχι το μαγνητικό, όπως η πυξίδα) θα περίμενε κανείς οτι ένα ιδανικό βοήθημα για το GPS θα ήταν βασισμένο σε αυτού του είδους τη τεχνολογία και όχι σε κάποιο μαγνητικό αισθητήρα.

Η τεχνολογία των γυροσκοπείων έχει βελτοιωθεί κατα πολύ σήμερα. Ιδιαίτερα με την έλευση των Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)[6] (στα οποία έχω αναφερθεί και σε προηγούμενο άρθρο) που έχουν επιτρέψει τη κατασκευή πολύ μικρών συσκευών που μπορούν να μετρήσουν την επιτάχυνση, θα περίμενε κανείς οτι μια μελοντική λύση θα βασιζόταν σε κάτι τέτοιο. Ένας παρόμοιος αισθητήρας υπάρχει μέσα σε κάθε Wiimote της Nintendo![7] (Το οποίο Wiimote ίσως μας απασχολήσει στο μέλλον σε αυτό το Blog).

Τα συστήματα που βασίζουν τη λειτουργία τους στη μέτρηση της επιτάχυνσης ενός σώματος, προσδιορίζουν τη θέση του απλά ολοκληρώνοντας το σήμα της επιτάχυνσης δύο φορές (με τη πρώτη ολοκλήρωση προσδιορίζεται η ταχύτητα και με τη δεύτερη το "διάστημα" και κατ' επέκταση η θέση). Αυτά τα συστήματα έχουν φυσικά τα μειονεκτήματα τους με το μεγαλύτερο να είναι η συσώρευση των μικρών σφαλμάτων που έχουν σαν συνέπεια σφάλματα στη θέση. Αυτό το πρόβλημα είναι μεγαλύτερο στους φθηνότερους και λιγότερο ευαίσθητους αισθητήρες. Παρ' όλα αυτά κάποιες μικρές ανοχές ίσως θα ήταν ανεκτές μια και ένα τέτοιο σύστημα θα λειτουργούσε ώς βοηθητικό του GPS.


Με τη μαγνητική τεχνολογία αλλά και τη τεχνολογία των MEMS συσκευών να βρίσκοντε στο στάδιο της ανάπτυξης, είναι πολύ πιθανό να δούμε στο άμεσο μέλλον μια σύγκρουση αυτών των δύο τεχνολογιών, για το ποιά θα επικρατήσει σαν βοηθητικό ή εναλλακτικό σύστημα προσδιορισμού θέσης.


Περισσότερες πληροφορίες στις παρακάτω τοποθεσίες:

[1] Magnetic Device To Augment satellite GPS
[2] Το μαγνητικό πεδίο της Γής
[3] Compass - Alan Gurney
[4] Ο Δορυφόρος του Πολύκλειτου
[5] Το Γυροσκόπειο
[6] Micro Electro Mechanical Systems
[7] Wiimote