שם מקור: The New Frontier of Extended Field Surveys

עבור אנשי מקצוע בארכיאולוגיה, מדע סביבתי, תכנון עירוני וניהול משאבי טבע, מכשירי GPS הם כלים הכרחיים.הם מספקים דיוק גיאו-ספטי כי תחת מיפוי מודרני, מעקב נכסים, איסוף נתונים מדעי.עם זאת, אחד המכשולים המתמשכים יש מוגבל היקף פעולות שדה: חיי סוללה. יחידת GPS מתה בקניון מרוחק, יער צפוף, או שדה גלקטי יכול להיות בעל השפעה שלילית, עבודה מהירה יותר, מעכבת את זה, מעכבת אתגרים חדשים, כדי למנוע אתגרים חדשים, כדי למנוע אתגרים חדשים יותר, כדי למנוע בעיות יעילות יותר, כדי למנוע בעיות הפעלה מחדש של פעילות יעילה יותר, כדי למנוע אתגרים חדשים, כדי למנוע אתגרים חדשים יותר, כדי למנוע אתגרים חדשים יותר, למנוע אתגרים חדשים, כדי למנוע אתגרים חדשים יותר, למנוע בעיות יעילות יותר, למנוע אתגרים חדשים יותר, למנוע בעיות אנרגיה יותר, למנוע בעיות אנרגיה.

מאמר זה בוחן את החידושים הקריטיים המעצבים מחדש את הכוח הנייד למכשירי GPS, מכמאים ליתיום מתקדמים ועד מערכות ניהול אנרגיה חכמות.נבדוק כיצד טכנולוגיות אלה לא רק מרחיבות את הזמן התפעולי אלא גם משפרות את איכות הנתונים, מפחיתות את הציוד מעל הראש, ופותחותפותפות אפשרויות חדשות לעבודות שדה בסביבה המאתגרת ביותר על פני האדמה.

The Critical Need for Extended Battery Life in Modern Surveying

הביקוש לפגישות שדה ארוכות יותר מונע על ידי מספר גורמים מתכנסים. ראשית, דרישות צפיפות נתונים עלו באופן דרמטי. מקלטי GPS מודרניים אוספים לא רק נתוני מיקום אלא גם נתונים של מיקום גבוה, תיקונים בזמן אמת (RTK) ושילוב עם חיישנים כגון LiDAR, מגנטים ומצלמות רב-spectral.כל אחד מזרמי נתונים נוספים אלה צורכים כוח.

שנית, סקרים רבים מתקיימים כעת במקומות שבהם קיימת תשתית גירוד נעדרת.אם זה צוות ממיפוי אתרים ארכיאולוגיים בהרי האנדים, ניטור קרחונים נסוגים בהמלאיה, או ביצוע הערכות המגוון הביולוגי באמזון, היכולת לפעול ליום שלם או יותר על מטען יחיד אינה עוד מותרות אלא צורך בביצוע עשרות חבילות סולמות היא החלפה לא מעשית, וצריכה ניתוק נתונים קבועים יותר.

פורצות דרך ב- Battery Chemistry and Design

הליבה של כל פתרון חשמל נייד הוא תא הסוללה עצמו, בעוד ליתיום (Li-ion) הוא תקן במשך שנים, חוקרים ויצרנים הם מסחרי כימאים חדשים המציעים שיפורים משמעותיים בצפיפות אנרגיה, חיי מחזור ובטיחות.

Lithium-Silicon Anodes: High Energy Density Without a Weight Penalty

סוללות לי-יון מסורתיות להשתמש גרפים aodes.FLT:0 סוללות ליתיום-סיליקון FLT:1 להחליף או להגדיל את הגרפן עם סיליקון, אשר יכול להחזיק באופן תיאורטי עד עשר פעמים יותר ליתיום ions.זה מתורגם לתוך צפיפות אנרגיה גבוהה משמעותית - כלומר אותה סוללה פיזית יכולה לאחסן יותר אנרגיה, או יכולת אנרגיה נתונה ניתן להשיג עם פחות, לארוז.

עבור סקרי שדה, זה אומר מכשיר GPS כי בעבר דרש סוללה של 5000 mAh לרוץ במשך 12 שעות יכול להשיג 18 שעות עם תא 4000 mAh סיליקון-נודה חברות כבר לשלב סיליקון-מוחות לתוך מוצרים מסחריים, ואילו אתגרים עם נפיחות ומחזור חיים להישאר, תאים מוכנים לייצור עבור אלקטרוניקה נייד הם מתעוררים.

סוללות חד-ארציות: בטיחות, תוחלת חיים, ורווחי אנרגיה

אחת החידושים הצפופים ביותר היא הסוללה של המדינה:0 solid-statecioFLT:1 במקום אלקטרוליט נוזלי, סוללות אלה להשתמש בחומר אלקטרוליט מוצק, לעתים קרובות קרמיקה או פולימר מבוסס.שינוי זה מציע יתרונות מרובים עבור יחידות GPS מבוזר שדה:

  • (ב) בטיחות: 0 (Enhanced Safety: 1FLT:1 no flamable Liquid אלקטרוליטטה מפחיתה את הסיכון של אש או פיצוץ, קריטי כאשר מכשירים נמצאים ליד הגוף או מאוחסנים בכלי רכב.
  • (FLT:0) צפיפות אנרגיה גדולה יותר: 1FLT:1 אלקטרוליטים מוצקים מאפשרים שימוש בבלוטות מתכת ליתיום, אשר יכול יותר מקיבולת כפולה בהשוואה סוללות לייון עכשווי.
  • (ב) חיים מחזוריים: 1FLT:1 תאים סולידריות המדינה הם פחות נוטים להשפלה, כלומר הם שומרים על יכולת לאחר מאות מחזורי מטען.
  • (FLT:0) רוחב הטמפרטורה שלBroader: 1FLT:1 רבים אלקטרוליטים מוצקים מבצעים היטב בטמפרטורות קיצוניות, מחום המדבר ועד לקור קדחתני, שבו סוללות קונבנציונליות מאבדות יעילות.

בעוד הייצור ההמוני עדיין גדל, סוללות מוצקות בשלב מוקדם כבר נבדקו במכשירי שדה ברמה מקצועית.ההשלכות של סקרים הפועלים באקלים קשים הן עמוקות.FLT:0A מחקר שפורסם ב-FLT 1:2 פרטים על תא-מדינה מוצק-ארצי-FLT 3, אשר משמר את היכולת של 80% לאחר 1,000 מחזורים, הרבה יותר ממפרט לי-היום.

טכנולוגיית טעינה מהירה: צמצום זמן

זמן ישיבה מורחב הוא יקר, אך חשוב באותה מידה הוא היכולת לחדש את הכוח בין מפגשים. סוללות חיזוי איפור (FLT:1), אך חשוב באותה מידה, להשתמש ברקמות מתוכננות במיוחד ואלקטרוליטים כדי לאפשר טעינה עתירה גבוהה ללא פגיעה בתא. עבור צוותי GPS, זה אומר הפסקת צהריים של 30 דקות יכול לשחזר 70% או יותר של הסוללה, ומאפשרת שני ניתוחים משמרות רציפה.

פרוטוקולים חדשים, כגון קבוע קבוע קבוע קבוע-voltage (CC-CV) אופטימיזציה הדופק טעינה, מוטבעים ישירות לתוך קושחה המכשיר.זה מבטיח כי הסוללה מקבלת את הזרם הבטוח המקסימלי ללא חימום יתר.התוצאה היא זרימת עבודה שדומה מאוד למהירות הטעינה של טלפונים חכמים מודרניים, אפילו בחפיסות בעלות יכולת גבוהה המיועדות לציוד שדה.

כוח גמיש ולבוש: Integrating Batteries לתוך שדה Gear

סקרים דורשים יותר ויותר פתרונות כוח שאינם מעצימים את גורמי המכשיר. Flexible and Wearable סוללות FLT:1] ניתן לעצב כדי להתאים בתוך מקרים מחוספסים, בהתאם לרצועות פרקי כף יד, או להיות תפירה לתוך אפודים תרמילאים. אלה תאים פולימרים דק-פיל מציעים מספיק עבור יום מלא של גלידת GPS תוך הוספת כמות מינימלית.

לדוגמה, טכנאי שדה עשוי ללבוש אפוד בעל גוף ששומר לא רק את יחידת ה- GPS אלא גם את יחידת ה- GPS, רדיו תקשורת, חיישן נייד.זה מרכזי ניהול חשמל ומפחית את מספר חבילות סוללות בודדות שיש לעקוב, מואשם, והוחלף. as Wearable אלקטרוניקה לפתח, יצרני GPS נוספים מציעים ערכות סוללות חיצוניות המציעות תקשורת עם המכשיר באמצעות ה-USB באמצעות אספקת USB (BUS-PD) כדי לייעל.

צ'מיסטים מתעוררים: ליתיום-סולפור וסויום-איון

במבט קדימה, שני כימאים מבטיחים אפילו יותר רווחים.FLT:0 סוללות ליתיום-סולפור (Li-S) 1 (Li-S) יש צפיפות אנרגיה תיאורטית כמה פעמים גבוה יותר מאשר לי-יון, והם אינם מסתמכים על קוביט, אשר יש שרשרת אספקה ונושאים אתיים.האתגר העיקרי היה מחזור חיים, אבל פריצות דרך האחרונות בקטודה המיוצרים מאות תאים של מחזורים האחרונים של מחזורי.

(FLT:0) סוללות סונומיום-יון (Sodium-ion סוללות FLT:1) הן אלטרנטיבה מבטיחה נוספת.Sodium הוא בשפע וזול, ובעוד צפיפות האנרגיה שלו מעט נמוכה יותר מלייון, זה בשפע עבור מכשירי GPS.תאים נתרן-יון הם גם בטוח יותר מטבעם ויכולים לטעון במהירות ושחרור.

טכנולוגיות שמשמשות את זמן סקר הזמן

כימיה סוללה לבדה היא רק חלק מהמשוואה.כדי למקסם את זמן השדה באמת, מכשירים מודרניים של GPS משלבים מספר טכנולוגיות משלימים אשר להפחית את כוח המשיכה ולספק מסלולי טעינה חלופיים.

מערכות ניהול אנרגיה חכמות (PMS)

יחידות GPS מודרניות מצוידות ב-FLT:0 (pLT:0) ניהול חשמל מחוספס שבבים fLT:1 שמפקח על מתח סוללה, טמפרטורה, וציור נוכחי בזמן אמת.

  • התאמה דינמית של קצב הדגימה GPS המבוסס על מהירות התנועה.סקר נייח עשוי למקם עמדה פעם כל 10 שניות, בעוד שמכשירי הפעלה נעים נכנסים פעם לשנייה.
  • באופן אוטומטי dim התצוגה, להפחית את ה-Wi-Fi ואת בדיקת Bluetooth, וכוח מטה מערך חיישן לא בשימוש.
  • יישום מצבי שינה עמוקים השומרים על נתוני ה- GPS phemeris ב- RAM תוך צריכת מיקרו-אמפס, המאפשרים התעוררות מיידית ללא מנעול לווייני מלא.
  • לתקשר עם המשתמש באמצעות אינדיקטור בריאות סוללה, אשר מעריך את הזמן התפעולי שנותר עם דיוק גבוה, המאפשר תכנון טוב יותר.

מיקרו-בקרים של PMS ואלגוריתמים שלהם יכולים להרחיב את פעולת המכשיר הכוללת ב-20 עד 40% ללא שינוי בחבילת סוללות פיזית.

אנרגיה מתרסקת בשדה

סקרים יכולים לטעון סוללות באופן פעיל תוך כדי עבודה.FLT:0Energy קציר מערכות למערכות סימול 1 משולב למכשירי GPS או נשאו כאביזרים להמיר אנרגיה מסובבת לחשמל:

  • (FLT:0) לוחות Solar:FLT:1 , לוחות מונוקליות גבוהה ניתן לשלב לתוך מדבק או רכוב על תרמיל.אפילו על ימים מצופים, פאנל של 10וואט יכול להטעון סוללה GPS, ביעילות להאריך סקר חד-ימי אחד לתוך ניתוח רב-יומי.
  • (FLT:0) גנרטורים אנדרומואלקטריים (TEGss): 1:1 אלה ניצול טמפרטורה שונה בין חום הגוף לבין האוויר שמסביב כדי לייצר כמויות קטנות של חשמל.
  • (FLT:0) kinetic או משככי כאבים: irFLT:1 הליכה, ריצה או טיפוס יוצר תנועה מכנית שניתן להמיר לחשמל.עבור סקרים המכסים מרחקים ארוכים, מכשיר אטואלקטרי משולב בצוואר או רצועת תרמיל יכול לייצר מילימטרים של כוח כדי להרחיב את זמן הריצה של המכשיר בשעות במהלך יום.

מחקר שנערך ב- IEEE, שפורסם ב- IEEE, שפורסם ב- IEEE, ב-IMF ElectronicstureFLT, הראה מערכת איסוף אנרגיה היברידית המשלבת מודולים סולאריים ותרמיים שסיפקו הרחבה של 35–50% בחיים התפעוליים עבור נתב GPS נייד במהלך בדיקות שדה.

מעבדי GPS אולטרה-Low-Power GPS ו- Signal Process

הצרכן היחיד בגודלו של כוח במכשיר GPS הוא שבב המקלט ועיבוד האות המשויך שלו.דור חדש של שבבים GPS:0low-power GPS SpinFLT:1 הונדס במיוחד עבור יישומים ניידים ו-IoT.

  • (FLT:0) תמיכת Multi-constellation: ההרחבה 1 (ראה: ⁇ ) על ידי עיבוד בו-זמנית GPS, GLONASS, גלילאו, ו-BeiDou אותות, השבב יכול לרכוש תיקון מהיר יותר ודיוק גדול יותר, צמצום זמן העיבוד הפעיל.
  • (FLT:0) ,Snapshot מיקום: FLT:1 במקום לשמור על השבב ברציפות, המכשיר יכול לקחת "תמונה" קצרה של אותות לווייניים, ואז להיכנס לשינה עמוקה.
  • (FLT:0) Assisted GPS (A-GPS): ההרחבה 1 כאשר תא או Wi-Fi קישוריות זמין, המכשיר מוריד נתונים של מסלול לוויין מהענן, תוך ביטול הצורך במקבל כדי לפענח את אות הלוויין האיטי עצמו.
  • (FLT:0) תוצאות נכווץ: FIRLT:1 ; שבבי GPS מודרניים בנויים על 28nm, 22nm, או אפילו 14nm תהליכים, להפחית באופן משמעותי את הכוח פעיל ועמיד בהשוואה עיצובים ישנים יותר 65nm. a סקר דירוג GPS שבב ממוכר מוביל עכשיו לצרוך מתחת 20mW במהלך מעקב מתמשך, שיפור כפול מעל פני עשור.

השפעה עולמית על פעילות סקר שדה

השילוב של כימאים מתקדמים וטכנולוגיות כוח משלימים מספק יתרונות מוחשיים לצוותי שדה ברחבי העולם.

משך זמן קצר-החתימה

סקרים יכולים לצפות כעת באופן מציאותי ל-16-20 שעות של חדירה רציפה של GPS חסכונית מתשלום יחיד, בהשוואה ל-8-10 שעות בלבד לפני מספר שנים בלבד.זה מאפשר יום עבודה מלא ללא כל תשלום מוקדם של ימי הביניים.עבור צוותים שעובדים באזורי הקוטב או בגובה גבוה, שבו אור היום הוא רציף בחודשי הקיץ, חיי סוללה מורחבים כבר ביטלו את הצורך במחנה ליד גנרטור.

מטען ציוד מופחת ולוגיסטיקה

עם סוללות צפיפות אנרגיה גבוהות יותר, משקל חבילות סוללות ירד. צוות שפעם נשא 4-5 חבילות Li-ion עבור סקר ארוך שבוע נושא רק 2. זה ירידה במשקל ישירות מתורגם פחות עייפות וניידות גדולה יותר, במיוחד על כף הרגל או על ידי מטוס קל משקל.בנוסף, הלוגיסטיקה של טעינה חבילות מרובות במחנה בסיס (נדרש כמה מטעני חשמל ייעודיים וניהול כוח) הוא פשוט לחסוך, ופעם.

מידע איכותי יותר מ- Longer Collection Windows

מפגשים ארוכים יותר מאפשרים איסוף נתונים מתמשך יותר, אשר משפר את הדיוק הסטטיסטי.לדוגמה, בסקרים מדויקים של נקודת ציון (PPP), חלונות תצפית ארוכים יותר נדרשים כדי להשיג דיוק ברמת הסנטימטר. צוות יכול כעת לעזוב תחנת בסיס GPS הפועלת בין לילה, תוך קבלת כמעט 24 שעות של נתונים סטטיים, אשר משפרת באופן דרמטי את הדיוק של מיקום לאחר עיבוד.

עבודה בסביבה בלתי נמנעת

מערות עמוקות, יערות מרוב קומות צפופים, וקניון עירוני מאתגר כל רכישת אות GPS.מכשירים עם שבבים בעלי כוח נמוך וניהול כוח חזק יכולים להישאר במצב רכישה לתקופות ארוכות ללא ניקוז הסוללה, הגדלת הסיכוי להשגת תיקון.תכונות סולאריות-recharging גם לאפשר פריסה של "דמונים" (התאגרמי נתונים אוטונומיים) במקומות מרוחקים במשך שבועות בזמן, איסוף נתונים סביבתיים ונתוני מיקום מתמשך.

פרספקטיבה עתידית: לקראת סקרי שדה לטווח ארוך

קצב החדשנות אינו מראה סימנים להאטה.מספר הכיוונים עשויים להגדיר את חמש השנים הקרובות בטכנולוגיית סוללות GPS.

ממשקי חשמל ומכשירים סטנדרטיים

מאחר שתקני טעינה אלחוטיים של צ'י הופכים לכלביים, מכשירי GPS עמידים למים ללא נמלי טעינה חשופים יהפכו נפוצים יותר.זה מבטל נקודה עיקרית של כשל וקורוזיון.בנוסף, ניתן לשתף בנקים סטנדרטיים עם USB-PD בכל יחידות GPS, מזל"טים ומחשבים ניידים, מפשט את המערכת האקולוגית עבור קבוצות שדה.

חכם יותר, ניהול סוללות חיזוי

אלגוריתמי למידת מכונות בקרוב יוטבעו בקושחה למכשיר כדי לחזות את צריכת סוללות בהתבסס על השטח הספציפי, גיאומטריה לוויינית ופעילות המשתמש.לדוגמה, יחידת ה- GPS יכולה "ללמוד" כי משתמש הנכנס לקניון יחוו יותר כוח עקב רכישה ממושכת, והוא באופן אוטומטי לפני המלחמה הסוללה (על ידי ציור זרם קטן) כדי לשפר את הניידות בטמפרטורות נמוכות.

שילוב עם מיקרוגרידים אנרגיה מתחדשת

עבור בקנה מידה גדול, סקרים של שבוע רב, צוותים יפיצו מיקרו-צמחים סולאריים או רוחיים ניידים המטעים בנק סוללות מרכזי. GPS, מצלמות וציוד תקשורת ימשוך כל המערכת הזאת.כימאים מתקדמים כגון LFP (ליטפט ברזל לית'יום) לבנק המרכזי, בשילוב עם תאים ניידים בעלי ערך גבוה למכשירים אישיים, יהפכו למחנות עצמאיים של דלקים מאובניים.

Beyond Lithium: Metal-Air and Flow Batteries

מחקר ב-FLT:0 סוללת ליתיום-אווירה FIRLT:1 מבטיח משקעים אנרגיה כי בנזין יריב, בעוד עדיין בשלב המעבדה, תא ליתיום-אוויר יכול לכפות מכשיר GPS במשך ימים ללא פיגור מחדש.

(FLT:0) תכנית המחקר המתקדמת של המחלקה לאנרגיה לחקר סוללות (Pala) ממשיכה לממן טכנולוגיות בסיכון גבוה, גבוהות יותר, מה שמצביע על כך ש פריצת הדרך הטרנספורמטיבית הבאה עשויה להיות רק כמה שנים.

מסקנה: תקן חדש ליציבות שדה

טכנולוגיית סוללות כבר לא גורם מגביל סקרי שדה GPS.עם חידושים החל ליתיום-סילייקון ובסיס מוצק בניהול כוח אינטליגנטי, קצירת השמש, וצ'יפס בעוצמה נמוכה, סקרים יכולים כעת להתמודד עם משימות שהיו בעבר לא מעשיות.התוצאה היא יותר נתונים שנאספו לסיבוב, פחות לוגיסטיים על פני, ואת היכולת לפעול ברוב הסביבות המתובעבועות והדרישה על פני כדור הארץ.

עבור אנשי מקצוע בארכיאולוגיה, ניטור סביבתי, תכנון עירוני, ומעבר לכך, חידושים אלה מתרגמים ישירות ליעילות רבה יותר, עלויות נמוכות יותר, ותפוקה מדעית באיכות גבוהה יותר.כפי שהטכנולוגיה ממשיכה את האבולוציה המהירה שלה, התחזוקה היחידה על סקר שדה תהיה השאיפה של סקרר עצמו.