Мониторинг перемещения диких животных с использованием модернизированных GPS-ошейников Garmin

1. Введение

Мониторинг передвижения диких животных играет ключевую роль в сохранении видов и управлении экосистемами. Этот процесс не только помогает исследователям лучше понять поведение животных и их миграционные паттерны, но также способствует охране биоразнообразия и эффективному управлению природными ресурсами.

Решаемые проблемы

1. Сохранение видов: отслеживание перемещений животных помогает оценить их популяционный статус, а также выявить угрозы, такие как браконьерство или потеря среды обитания.
2. Изучение миграционных путей: понимание миграционных путей жизненно важно для создания и поддержания заповедников и миграционных коридоров.
3. Управление видами: данные о передвижении помогают принимать обоснованные решения о защите видов и управлении их популяциями.
4. Изучение влияния климатических изменений: мониторинг помогает исследовать, как изменение климата влияет на поведение и распространение животных.
5. Профилактика болезней: отслеживание движений животных может помочь в предотвращении распространения зоонозных болезней.

Заинтересованные стороны

1. Экологи и биологи: для изучения поведения и экологии животных.
2. Организации по охране природы: для разработки стратегий сохранения и управления видами.
3. Правительства и местные власти: для управления природными ресурсами и планирования зон охраны.
4. Научные исследовательские учреждения: для проведения обширных исследований в области экологии и эволюции.
5. Общественность и образовательные учреждения: для повышения осведомленности о важности сохранения дикой природы.

Значимость GPS-технологий

Использование GPS-технологий в мониторинге диких животных открыло новые возможности для научного сообщества:

1. Точность и непрерывность данных: GPS обеспечивает высокую точность данных о перемещении животных в реальном времени.
2. Минимальное вмешательство: GPS-ошейники позволяют отслеживать животных на большие расстояния без необходимости частого вмешательства человека.
3. Большие данные и аналитика: сбор больших объемов данных способствует более глубокому пониманию экологических и биологических процессов.
4. Мультидисциплинарный подход: GPS-мониторинг позволяет сочетать данные из разных источников, таких как погодные условия, географические особенности и поведенческие данные.

Подводя итог введения, мониторинг диких животных с использованием GPS-технологий не только улучшает понимание динамики популяций и экосистем, но также играет важную роль в глобальных усилиях по сохранению биоразнообразия и устойчивому управлению природными ресурсами.

Цель исследования: возможность мониторинга диких животных с помощью модернизированных GPS-ошейников марки Garmin, модель Alpha T 5.

2. Обзор литературы

На основе анализа научной литературы можно выделить следующие аспекты использования GPS-ошейников в мониторинге диких животных, а также некоторые недостатки и ограничения существующих технологий:

Применение и преимущества GPS-ошейников

Революция в мониторинге диких животных: GPS-технологии значительно изменили подходы к исследованиям в области экологии и управления дикой природой, позволяя изучать широкий спектр поведенческих, экологических и управленческих вопросов.

Новое поколение GPS-Ошейников: появились новые модели GPS-ошейников Garmin Alpha T 5, предлагающие ограниченное количество ежедневных фиксаций местоположения, относительно длительный срок службы батареи и низкую стоимость по сравнению с более сложными и профессиональными моделями.

Выявленные недостатки и ограничения

Точность и надежность: важным аспектом является точность определения местоположения и надежность работы устройств. Некоторые исследования показали, что точность GPS-ошейников может ухудшаться под лесным покровом.

Переменная эффективность: результаты исследований показывают, что эффективность GPS-ошейников может значительно варьироваться в зависимости от вида животного и условий использования.

Проблемы с трансмиттерами: отмечена проблема с частыми отказами VHF трансмиттеров, при выходе из строя УКВ антенны.

Проблемы с GPS антеннами: отмечена проблема частого выхода из строя GPS антенны по причине повреждения тонкого коаксиального вплавленного в резиновый шлейф соединяющий основной блок с управляющей электроникой и модулем GPS антенны.

Ограниченное применение низкобюджетных моделей: несмотря на привлекательность низкобюджетных моделей GPS-ошейников, важно учитывать их ограничения в плане точности и надежности перед применением в полевых исследованиях.

Возможности для модернизации

Исходя из выявленных недостатков, предлагаемая модернизация ошейника Garmin T5 может включать следующее:

Улучшенные GPS и УКВ антенны: разработка антенн, которые лучше справляются с условиями плотного лесного покрова и другими сложными условиями, может повысить точность и надежность передачи данных.

Дополнительный модуль питания: увеличение времени работы ошейника позволит проводить более длительные исследования без необходимости замены ошейников.

Устойчивость к физическому воздействию: улучшение конструкции ошейников для повышения их устойчивости к повреждениям, особенно при использовании на крупных млекопитающих, таких как бизоны и олени. Такая модернизация может значительно улучшить эффективность и надежность GPS-ошейников для мониторинга диких животных, расширяя их применение в научных исследованиях и охране природы.

3. Материалы и методы

Объекты исследования:

1. Стандартный ошейник Garmin T5: исследование времени работы ошейника в стандартной конфигурации.

Рис. 1. Внешний вид стандартного ошейника Garmin Т5

2. Модернизированный ошейник Garmin T5: оценка эффективности с дополнительным модулем питания.

Рис. 2. Внешний вид модернизированного ошейника Garmin Т5

Задачи исследования:

Анализ времени работы стандартного ошейника: измерить максимальное время работы стандартного ошейника Garmin T5 в различных условиях.

Выявить факторы, влияющие на продолжительность работы (такие как условия окружающей среды, частота передачи данных).

Оценка эффективности модернизации: изучить влияние дополнительного модуля питания на продолжительность работы ошейника.

Сравнить время работы модернизированного ошейника с базовой моделью, оценить процентное увеличение автономности.

Анализ конструкции GPS Антенны: оценить недостатки конструкции стандартной GPS антенны Garmin T5 (такие как уязвимость к повреждениям, ограничения приема сигнала).

Сравнить с предлагаемым улучшенным аналогом антенны с точки зрения прочности, чувствительности и надежности.

Исследование применимости в мониторинге диких животных: анализировать, как улучшения в ошейнике (увеличение емкости батареи и улучшенная антенна) влияют на эффективность мониторинга.

Оценить потенциальные преимущества модернизированного ошейника для долгосрочного отслеживания диких животных в различных экологических условиях.

Методология

Экспериментальное тестирование: провести полевые испытания обоих типов ошейников в контролируемых и естественных условиях.

Сбор данных: записывать и анализировать данные о времени работы, стабильности сигнала GPS и общей надежности устройства.

Статистический анализ: использовать статистические методы для оценки значимости различий между стандартными и модернизированными ошейниками.

Ожидаемые результаты

Улучшенное время работы: демонстрация значительного увеличения автономности модернизированных ошейников по сравнению со стандартными.

Повышенная надежность: выявление улучшений в стабильности и надежности приема GPS-сигналов.

Практическая применимость: подтверждение того, что модернизации делают ошейник более эффективным для мониторинга диких животных, особенно в сложных условиях.

4. Результаты испытаний

Для начала проведем испытания на максимальное время работы стандартного ошейника Garmin Alpha T 5, результаты запишем в таблицу Условия теста: открытая местность, вдали от построек и высоких деревьев, ясное небо, температура +20°C.

Таблица 1

Также проведем измерение мощности передачи радиосигнала в зависимости от остаточного уровня заряда основной АКБ, результаты запишем в таблицу 2.

Рис. 3. Измерение мощности полностью при 100% заряженном АКБ

Таблица 2

Рис. 4. Измерение мощности при практически полностью разряженном АКБ

Далее установим полностью заряженный дополнительный блок аккумуляторов с интеллектуальной схемой поддержки питания основного аккумулятора в максимально заряженном состоянии и проведем измерения времени работы, результаты запишем в таблицу 3.

Таблица 3

5. Сравнение и анализ характеристик

Далее проведем сравнительный анализ технических характеристик стандартной и модернизированной GPS антенн.

Сравнение механических характеристик:

Оригинальная GPS антенна. GPS модуль вынесен за пределы основного блока на 115мм для более качественного приема GPS сигнала. Питание и передача сигнала осуществляется через коаксиальный кабель RG-178 (диаметр внешней оболочки Ø1,78 мм). Коаксиальный кабель проложен в гибкой основе - шлейфе, выполненный из термопластичного эластомера (ТПЭ). Кабель интегрирован в шлейф процессе изготовления ТПЭ в термопластавтомате по технологии Insert Molding (пластиковое литье с вставками).

Достоинства: за счет вынесение модуля GPS антенны в верхнюю часть ошейника, уровень приема GPS сигнала более качественный. Гибкая часть позволяет более плотному и удобному ношению ошейника. Материал ТПЭ не гигроскопичен, имеет эстетичные свойства, удобен при очистке от грязи.

Недостатки:

1. Основной недостаток – это материал шлейфа, со временем и под воздействием окружающей среды, ТПЭ начинает трескаться и крошится, оголяя при этом достаточно уязвимый и тонкий кабель.
2. Метод производства – за счет того, что кабель, который практически не имеет линейного расширения впаян при производстве в шлейф из термопластичного эластомера, который в процессе эксплуатации испытывает различного рода деформации, в том числе и линейные, которые приводят к повреждению кабеля, что выводит из строя GPS антенну, вследствие чего дальнейшая передача местоположения становиться невозможной.
3. Соединение пластиковой части и гибкой в месте перехода от гибкой части шлейфа к модулю образуют так называемый “эффект ножниц” в котором достаточно быстро образуются заломы на кабеле, а в дальнейшем повреждение кабеля и выход из строя устройства целиком.

Рис. 5. Оригинальная GPS антенна Garmin

Модернизированная GPS антенна. Представляет из себя отдельную разработку как механической, так и электронной части. GPS модуль вынесен также за пределы основного блока, чтобы обеспечить более надежный прием радиосигналов от спутников GPS и ГЛОНАСС. Гибкая часть шлейфа выполнена из прочного нейлонового рукава. Переход кабеля из гибкой части шлейфа к модулю антенны защищен пластиной из нержавеющей стали, что прочно защищает кабель и также благоприятно влияет на качество принимаемого GPS сигнала.

Рис. 6. Модернизированная GPS/ГЛОНАСС антенна gFixer

Недостатки: Нейлоновый ремень впитывает влагу и грязь и со временем выглядит не эстетично, но на механические характеристики это никак не влияет.

Достоинства:

1. За счет использования рукава из нейлона, небольшого запаса длины кабеля, низкого показателя линейного растяжения, а также свободного перемещения кабеля, внешние деформации нейлонового шлейфа (растяжение, изгиб, резкие рывки) практически не влияют на целостность кабеля, надежно защищая его от повреждений). Дополнительные защитные вставки из прочного пластика защищают кабель от повреждений веток, а также позволяют шлейфу удерживать радиальную форму.
2. Прочное и точное крепление из нейлона за счет лазерной резки и оплавления материала надежно удерживается в месте фиксации у основного блока, а также у блока модуля собственно антенны, что значительно сокращает повреждения кабеля при резких рывках за ошейник.
3. Защитная пластина из нержавеющей стали защищает переход кабеля от повреждений в месте крепления шлейфа к модулю.
4. Многослойная защита из полиуретана электронику модуля защищает от вибрации и от ударов.

Сравнение радиоэлектронных характеристик:

В модернизированной GPS/ГЛОНАСС антенне используется более чувствительная керамическая антенны, имеющая бо́льшую площадь по сравнению с оригинальной антенной. Передаточная характеристика модернизированной антенны по сравнению с оригинальной, представлена на рис 7.

Рис. 7. Сравнение передаточных характеристик антенн

Как видно из графика, полоса пропускания модернизированной антенны (синий график) более узкая, чем у оригинальной (желтый график):

• Подавление возможных помех у модернизированной антенны на частоте 1547 МГц лучше на 30дБ.
• Подавление возможных помех у модернизированной антенны на частоте 1518,5 МГц лучше на 5 дБ.

6. Заключение

Подводя итоги тестов, можем сделать следующие выводы: время бесперебойной работы ошейника при использовании дополнительного блока аккумуляторов увеличилось как минимум в 4 раза (прирост более 300% от времени работы штатного АКБ). Также учитывая зависимость мощности передачи сигналов от уровня заряда АКБ, можно с уверенностью сделать вывод что как минимум при 80% общего заряда модернизированного ошейника, уровень мощности радиосигнала будет приближен к максимальной, т.к. уровень заряда штатной АКБ будет поддерживаться на 100% за счет постоянной подзарядки от внешнего блока АКБ. А следовательно увеличится не только время бесперебойной работы ошейника, но также значительно увеличится стабильность максимального показателя дальности передачи местоположения.

Использование модернизированной антенны позволяет значительно снизить вероятность повреждения кабеля связи основного блока и блока выносной антенны, использования модернизированной электроники модуля позволяет использовать диапазон принимаемых частот дополнительно для спутниковой системы ГЛОНАСС, а также лучшее подавление помех и более высокая чувствительность принимаемого сигнала от навигационных спутников позволяет более качественно определять местоположение в сложных условиях (густой лес и неблагоприятные метеоусловия).

Исходя из вышеописанных выводов можно подвести положительный итог возможности мониторинга диких животных с помощью модернизированных GPS-ошейников марки Garmin, модель Alpha T 5, так как за счет модернизации значительно увеличивается надежность конструкции и увеличивается на 300% (в 4 раза, по сравнению с оригинальным решением).

1. Инструкция по эксплуатации Garmin T5 (характеристики), [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www8.garmin.com/manuals/webhelp/alpha100tt5/EN-US/Alpha_100_with_T5_OM_EN-US.pdf (дата обращения 08.11.2021).
2. Характеристики GPS/ГЛОНАСС антенны gFixer [Электронный ресурс] Режим доступа: https://gfixer.ru/catalog/zapchasti/elektronika/gps_antenna_osheynika_t_5_oranzh_v2_1/ (дата обращения 08.11.2021).
3. Греков О.А. Применение современных технических средств и новых информационных технологий в системе авиационного учета численности охотничьих животных. XXIX Межд. конгресс биологов-охотоведов. Сб. мат. Ч 1. Москва 17-19 августа 2009 г. М. 2009. С. 313-315.
4. Рожнов В.В., Эрнандес-Бланко Х.А., Лукаревский В.С., Найденко С.В., Сорокин П.А. и др., 2010а. Применение спутниковых ошейников GPS-Argos для изучения пространства, используемого амурскими тиграми // Амурский тигр в Северо-Восточной Азии: проблемы сохранения в XXI веке. Междунар. науч.- практ. конф., 15–18 марта 2010 г., Владивосток. Владивосток: Дальнаука. С. 61–65.
5. Гафаров Е.Р. Антенна ГЛОНАСС/GPS с частотно-селективной поверхностью / Е.Р. Гафаров, Ю.П. Саломатов // Известия высших учебных заведений. Физика. Ежемесячный научный журнал (Томск). – 2010. – Т. 53, № 9/2. – С. 60–61.
6. Дьяконов В.П. Все о трекинг-генераторах анализаторов спектра и их применении // Компоненты и технологии. 2011. № 3.
7. Курочкин, А. П. Теория и техника антенных измерений / А. П. Курочкин // Антенны. – 2009. – № 7(146). – С. 39-44. – EDN TEULHD.
8. Дворянчиков, С. Д. Инструменты и методики измерения поляризационных характеристик антенн / С. Д. Дворянчиков, С. В. Кузьмин, А. А. Морозов // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании : сборник научных статей: в 4х томах, Санкт-Петербург, 24–25 февраля 2021 года. Том 3. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2021. – С. 129-134. – EDN NTELGF.
9. Селезнев, А. А. Особенности термопластичных эластомеров с хлорсульфированным полиэтиленом / А. А. Селезнев, С. А. Сафронов, В. А. Навроцкий // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2021. – № 5(252). – С. 37-42. – DOI 10.35211/1990-5297-2021-5-252-37-42. – EDN KAVTGM.
10. Мультикомпонентные термопластичные эластомеры / Г. В. Степанов, А. А. Селезнев, С. А. Сафронов [и др.] // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2019. – № 12(235). – С. 139-145. – EDN JJSVXG.