BREVDUER MED GPS. Oversættelse og indledende bemærkninger Ove Fuglsang Jensen

Transkript

1 BREVDUER MED GPS Oversættelse og indledende bemærkninger Ove Fuglsang Jensen Denne artikel er hentet fra et fagtidsskrift Galileo`s World, der bl.a. handler om brugen af GPS-systemet, samt om verdens mindste GPS-enhed til brevduer. Artiklen er dette nummers tophistorie i Galileo`s World. Artiklen er tidligere sendt til redaktøren af Brevduen, som dog ikke mente at det havde interesse for bladets læsere, og ved henvendelse til Hovedbestyrelsen for DdB mente denne heller ikke det havde interesse. Jeg vil derfor takke DANSK BREVDUESPORT for adgang til hjemmesiden, og takker samtidig for hjælp ved ombrydning og oversættelse. Til sidst i artiklen er der tilføjet en ultrakort teknisk gennemgang af fakta omkring GPS systemet. I 2004 vil der komme nye forskningsresultater fra nye testflyvninger med GPS-enheder - som vi vil bringe her. Skal en GPS-enhed fæstnes på en brevdue, kræves en sofistikeret teknologi. For at forstå hvordan brevduer navigerer, har forskere udviklet verdens mindste GPSenhed. Brevduen finder hjem ved at bruge en kombination af kort og kompas mekanismer. For at bestemme sin position i forhold til dueslaget, bruger brevduen et kort af fysiske faktorer, der kan indbefatte lugt, magnetisk intensitet, infralyd, polariseret lys og muligvis landkending. De fysiske faktorer menes at forme en slags gitter. Brevduer lærer værdierne hjemme på slaget, og sammenligner dem med de værdier de møder på deres småture eller træningsture. De sidste 30 år SIDE 1 AF 11

2 forskere har arbejdet med brevduer, har man fundet af at der er 2 slags kompasser: Solkompasset og et magnetisk inklinations kompas. Solens azimuth (horisontal position) og intensiteten af magnetismen, fungerer som et sol og magnetisk inklinations kompas. Desuden har brevduer et internt ur, og kan kompensere for solens skiftende horisontale position i løbet af dagen. Den traditionelle metode at studere brevduers orientering, er ved at iagttage dem med kikkert på slipstedet ved enslip, og se hvilken vej de forsvinder, - dette kaldes på engelsk vanishing bearing (Startorientering). Denne metode er selvfølgelig ikke tilfredsstillende, da man kun kan følge duerne de første kilometer. Hvis man kan kortlægge brevduers komplette rute til slaget, og sammenligne den med områdets topografiske struktur og andre mulige faktorer, kan man muligvis udlede hvorledes brevduer finder hjem over større afstande. Observatører der bruger den traditionelle metode ved navigeringsforsøg. Der bruges kikkert for at følge duerne og bestemme retning for startorienteringen. Hvorfor vælge GPS? Som ansat på Institute of Zoology på Franfurt Universitetet, arbejder jeg sammen med Professor Wolfgang Wiltschko. Jeg begyndte i 1995 at udvikle en GPS fligth recorder til brevduer. Et år senere stødte Eckhard Rüter til projektet. Vi har i løbet af de fem år det varede, været igennem utallige forsøg, men endte med den nuværende model. Oprindelig begyndte vi med mere traditionelle navigerings teknologi: Simpel sattelitsystem kaldet ARGOS, alm. radiosporing fra fly, og andre former. Vi endte med GPS-modellen af følgende grunde: Verdensomspændende rækkevidde, meget præcise sted bestemmelser og valg af signalfrekvens (sampling rates). SIDE 2 AF 11

3 Unikke krav For at bygge en modtager kræves en række faktorer opfyldt: Vægt: Brevduer vejer gram. For at flyve normalt, må en due ikke blive tynget med mere end 10% af legemsvægten, ja faktisk skulle den være tættere på 4% af vægten. Luftmodstand: En rygsæk forstyrrer den aerodynamiske strøm omkring duen, og gør derved flyvningen mere besværlig. Vores GPS-enhed skal have et kompakt design og lav profil. Signalfrekvens (Sampling rates): Brevduers gennemsnitlige hastighed i flugt er ca. 70 km/t. Ved den hastighed, er signalfrekvensen med én position pr. minut så lang, at der er 1 kilometer mellem hvert plot. Dette er for meget, og det blev besluttet at ét signal hvert 1-5 sekund ville være det ideelle. Operationstid: Orienteringsforsøg med duer laves sædvanligvis i en afstand af km, hvor duerne returnerer til slaget på mellem 3 til 24 timer. Vores batteri måtte derfor holde mindst nogle timer, og samtidig være super let. Andre faktorer: GPS-enheden skulle selvfølgelig ikke forstyrre de magnetiske felter omkring duen, og samtidig være så lille at det ikke forstyrrer duens bevægelser. Kostprisen skal selvfølgelig også være lav, for at få så mange enheder som muligt til forsøgene. Konklusion: Modtageren skal opfylde følgende krav: Angive positionen med en nøjagtighed på meter, ikke større end 70 x 40 x 30 millimeter, ikke veje mere end 30 gram inklusive antenne og batteri, operationstid 3-12 timer, ingen tab af data ved strømsvigt. Konstruktion af GPS-enheden Med udgangspunkt i den teknologi der var tilgængelig i 1997 var det muligt for os at konstruere en GPS-enhed til brevduer. I starten af 1998 gik vi i gang. Vi lavede først en prototype som vejede SIDE 3 AF 11

4 gram, som vi gennem ni måneder testede og foretog forbedringer på. For eksempel, så var den passive antenne som vi anvendte fejlbehæftet i 25% af alle forsøg, fordi den ikke modtog de afsendte signaler vedrørende den aktuelle position - der blev afsendt fra GPS-enheden. Desuden gemte den eksterne data-lagrings-enhed ofte kun én af de mange værdier/positioner som der blev afsendt til den. Det betød, at vi skulle omprogrammere hele den software som vi i første omgang havde taget udgangspunkt i. Da vi konstaterede det, var det lige før, at vi havde opgivet hele projektet. Men i foråret 1999 blev der lanceret en ny type GPS teknologi, som sparrede os for en masse bekymringer med den gamle model. Den nye prototype version to gav os en ny og frisk start på projektet. Eckhard Rüter og Michael Reichmann fra firmaet Rüter EPV Systeme GmbH. udviklede en ny og funktionsdygtig GPSenhed. ETH i Zürich bidrog med udviklingen af antennen. Den nye enhed indeholder et GPS hybrid bundkort, en data opsamlingsenhed, en strømconverter, en smal/flad antenne, et litium batteri, en ekstra mikroprocessor til styringen af det specielt programmerede software til GPS-enheden. Alle komponenter er slutteligt emballeret i tyndt plastic-folie. Det hele til sammen fylder kun 8,5 x 4 x 1,5 cm. og vejer kun 33 gram, plus 5 gram til seletøjet. Figur 1. Diagram af GPS-enheden Hjælpemidler til træning og testflyvning: Nederst til højre ses seletøjet, øverst til højre selve GPSenheden. De andre ting er vægte af træ og plastik. Lagringsenheden kan gemme ca positioner, der kan gemmes én position per sekund og batteriernes holdbarhed er ca. 3 timer. Under flyvningerne gemmer GPS-enheden således alle positioner i den interne hukommelse. Når flyvningen er overstået, så kan alle SIDE 4 AF 11

5 informationer blive overført til den Personlige Computer. Her kan alle data blive behandlet og efterfølgende visualiseret på et landkort. I tilfælde af strømsvigt under flyvningen, da vil alle positioner blive lagret i flash RAM (en hukommelsesenhed/chip) som betyder, at ingen data vil gå tabt. Disse data kan hentes ned fra GPS-enhedens standard protokol (kaldet en NMEA som er forkortelsen for; National Marine Electronics Association) der kort fortalt anvendes til at transmittere data med. Der kan både være tale om simple data (også kaldet; binary format) eller mere komplekse størrelser (også kaldet; ASCII format). Alle disse data bliver indlæst og behandlet i et software program (kaldet; Visual Basic) som foretager oversættelsen til mere brugbare informationer som herefter kan viderebehandles på PC eren. GPS-enheden går i luften SIDE 5 AF 11

6 Træningen af duerne: Vi brugte voksne brevduer, der var vant til orienteringseksperimenter. Duerne fik 3 mdr. til at vænne sig til seletøj og vægte. Først blev det prøvet at komme 25 gram vægte på duerne med det samme., men duerne virkede meget foruroliget, og vi fjernede derfor straks vægten, og prøvede os frem langsomt med 8 gram og endte til sidst på 35 gram. I den første tid med seletøj og vægte på, opførte duerne sig mærkeligt, og satte sig i bunden af dueslaget i underlige positioner, med et underligt udtryk som ville de sige: Hvad sker der her? Efter et stykke tid begyndte de at opfører sig normalt, men blev stadig ved med at pikke på seletøj og vægte. Test flyvninger: Efter nogle korte testflyvninger i Minden og Frankfurt i begyndelsen af September 1999, besluttede man at afvikle den endelige testflyvning September Som slipssted blev valgt Obermörlen, ca. 30 km nord for Frankfurt, en lokalitet forskere har benyttet ved forsøg med brevduer i 22 år. Ti forskellige duer bar GPS-enheder, otte duer bar vægte og yderligere 11 duer uden nogen vægte. På denne måde kunne man se om der var forskel på opførsel af duer med og uden GPS-enhed. Ved denne testflyvning ville de mange uafklarede spørgsmål, hvordan det egentlig ville virke, blive klarlagt. Slipstedet: Valget af Obermörlen skete af to grunde: Stedet var et gennemprøvet slipsted og havde samtidig en moderat afstand, nok til at teste GPS-enhederne. Obermörlen har også hvad man kalder en slipstedsafvigelse (Release site bias). Dette betyder at duernes startorientering afviger permanent et vist antal grader fra den direkte retning mod slaget. Ved Obermörlen viser startorienteringen altid en afvigelse mod øst. Gennemsnitsafvigelsen viste i årene SIDE 6 AF 11

7 før 1993 en afvigelse fra grader, og i foråret 2000 en afvigelse fra grader. Den lige vej hjem ville være 185 grader. En af grundene til at bruge GPS-enheder på duerne, er netop at finde ud af hvordan duerne retter op på den forkerte slipstedsafvigelse. Derfor er spørgsmålet: Ville dette også blive vist på vores lille testflyvning? Der havde i 22 år været gode erfaringer med Obermörlen, og da vores udstyr er ret dyrt ønskede vi det naturligvis tilbage. Udover dette er topografien interessant (Figur 2) da en bakke en dalsænkning og et bjerg vil tvinge duerne til at vælge retning. Figur 2. Topografien ved slipstedet (Rød plet). Eichberg bakke, en dalsænkning samt en bjergkæde forhindrer duens tur hjemad. SIDE 7 AF 11

8 Flyvningens resultat Før den egentlige flyvning slog vi GPS-enheden til, for at modtagerne kunne spore satellitterne, lavede et hurtigt check og slap derefter duerne fri. Ved gennemførelse af denne flyvning, var vi nervøse for resultatet da det var i slutningen af september med lunefuldt vejr. Den sidste due med en modtager kom næste dag. Af de 10 duer med GPS-enheder, lykkedes det at udmåle de 9 flyveruter, da 1 modtager svigtede. Hver flyverute bestod af ca positioner og hjemkomsttiden kunne måles fra alle 10 duer. Syv af de ni flyveruter var komplette (Figur 3) fra slipsted til slaget. 2 andre tilfælde tog så lang tid at batterierne løb tør for strøm. Flyveruterne plottes At plotte flyveruterne var ikke så nemt som vi troede, og specielt konverteringen af data tog tid. Til sidst lykkedes det os at plotte 4 forskellige ruter på et topografisk kort (Figur 4). Hver retning, drejning eller cirkelbevægelse duerne havde foretaget sig blev registreret. Dette var sandelig helt efter den plan vores projekt havde håbet at opnå! Ved de forskellige testflyvninger, iagttog vi omhyggeligt duer med og uden modtager. Duer med en GPS-enhed havde tendens til at flyve lavere, og vingerne blev løftet højere, men bortset fra det fløj de som de andre duer. De fleste duer kredsede for at vinde højde og tog derefter retning mod syd, hvilket er en helt naturlig opførsel (Figur 4). Alle flyveruterne er øst for den direkte linie, og de fleste SIDE 8 AF 11

9 duer afviger ca. 9.3 km øst for den direkte rute (Figur 3). Få kilometre syd for slipstedet er der en bakkekam på 70 meter. I tre tilfælde drejer duerne stik øst og derefter sydøst, men det mest interessante er de duer der flyver over bakkekammen, for derefter at flyve mod SydØst! Figur 4. Syv komplette flyveruter. Den lige linie til venstre er den direkte linie til slaget i Frankfurt. Andre data Vores GPS-enhed aflæser også tiden, hvilket gør os i stand til at undersøge hvornår og hvor længe en due holder pause. De fleste duer tog adskillige pauser på turen, lige fra 1 minut til 3 timer. På grund af den høje signalfrekvens på 1 signal pr. sekund., er det muligt at se alle bevægelser i detaljer. De fleste duer der bar modtagere tog noget længere tid med hjemkomsten end duer uden modtager. For duer med modtagere tog det gennemsnitlig 133 minutter, sammenlignet med kontrolduer uden modtagere som tog 52, 91 og 56 minutter. Den hurtigste due med modtager tog 52 minutter og den mest langsomme tog 6 timer og 40 minutter. Fremtidige forbedringer Den nuværende prototype på GPS-enheden, ser ud til at være nær perfekt. Man regnede oprindelig med, at få et signal pr. 5 sek., men har nu 1 pr. sekund. Man regnede med at kunne plotte positioner, men er nu oppe på positioner, og hvis batteriet holder længe nok kan man lagre positioner. Ved ældre forsøg med duer påmonteret en sender der vejer 2,5-5% af duens vægt, viste der sig en forøgelse af kuldioxid på 40-50%. Det er altså anstrengende med de 38 gram ekstra vægt, men på den anden side er det ikke ret meget mere end den vægt af foder duen æder (25-30 gram). SIDE 9 AF 11

10 GPS i andre forsøg Vores GPS-enhed kan i fremtiden let bruges til større fugle: Falke, albatrosser og gæs. Man kan nu lave forsøg et hvilken som helst sted på jorden, den eneste grænse er batteriets holdbarhed og den menneskelige snilde. Fabrikation GPS-enheden er udtænkt og udviklet af Karen Von Hünerbein og udviklet og fremstillet af Rüter EPV-Systeme GmbH, baseret på en y-blox hybrid board. Data converter software er udviklet ved brug af Microsoft Visual Basic, og duernes flyverute er plottet med Northport System mapping software Fugawi og Daimler Benz Aeroespace & Dornier Top 50. Karen Von Hünerbein er Biolog og Datalog ved Frankfurt am Main Universitet. Eckhard Rüter er Elektronik Ingeniør der arbejdede ved Alcatel SEL, Stuttgart. Han startede senere sit eget firma og udviklede og fremstillede TauRIS-systemet til elektronisk hjemkomst. Tekstforfattere Karen Von Hünerbein, Frankfurt am Main Universitetet. Eckhard Rüter, Rüter EPV-Systeme (TauRIS). SIDE 10 AF 11

11 Fakta om Global Positioning System GPS er en forkortelse for Global Positioning System, som er et satellitbaseret redskab til positionsbestemmelse i forbindelse med navigation, landmåling og geodæsi. Satellitterne: GPS består af ca. 24 satellitter, hvoraf de 21 er aktive satellitter, mens de øvrige er aktive reservesatellitter. De bevæger sig omkring jorden med en omløbstid på ca. 12 timer i en højde på ca km over jordens overflade. Det vil sige, at set fra jorden har satellitterne den samme placering på himlen efter ca. 24 timer. Satellitterne er fordelt i 6 baneplaner, med 4 satellitter i hvert plan. Baneplanerne er forskudt 60º i forhold til hinanden. Det enkelte baneplan hælder 55º i forhold til ækvator. Fordelingen af satellitterne er valgt således, at der til ethvert tidspunkt er mindst 4 satellitter synlige overalt på jorden, men ofte er der mange flere synlige ad gangen. Den enkelte satellit vejer 850 kg, og er udstyret med to solcellepaneler på hver 7.2 m². Solenergien benyttes primært til den daglige drift af satellitten, d.v.s. til at sende signaler. SIDE 11 AF 11