تعييـن مـوقعيت آنـي با gps در منـاطـق وسيـع

[M.A.H.S.A]

با بهره گيري از روش (DGPS) استفاده كنندگان GPS مي توانند موقعيتنقاط را تا دقت 5 متر، حتي در شرايطي ، تا دقت 1 متر به دست آوردند. در اين روشآنها از تصحيحات شبه فاصله سنجي مخابره شده استفاده مي كنند كه بويژه قادر است خطايمدار ماهواره و خطاهاي ساعت و S.A و همچنين تاخيراتي كه به دليل آشفتگي در لايه هاييونسفر وتروپسفر ايجادمي شود را كاهش دهند

با بهره گيري از روش (DGPS) استفاده كنندگان GPS مي توانند موقعيت نقاط را تا دقت 5 متر، حتي در شرايطي ، تا دقت 1 متر به دست آوردند. در اين روش آنها از تصحيحات شبه فاصله سنجي مخابره شده استفاده مي كنند كه بويژه قادر است خطاي مدار ماهواره و خطاهاي ساعت و S.A و همچنين تاخيراتي كه به دليل آشفتگي در لايه هاي يونسفر و تروپسفر ايجاد مي شود را كاهش دهند. معهذا، كاربرد DGPS به همراه يك ايستگاه ثابت معايبي هم دارد. براي مثال دقيق ترين اطلاعات متاسفانه تنها به منطقه اي كوچك محدود مي شود. براي غلبه بر چنين معايبي گروههاي تحقيق متعددي در حال متحول كردن تكنولوژي (WADGPS) هستند. در اين مقاله تايسن مولر از مشاوران تيل در كوپرتينوي كاليفرنيا درباره مزايا و معايب WADGPS و نيز الگوريتم متفاوتي كه براي كاربرد آن طرايح شده است سخن مي گويد. او با بيش از 25 سال تجربه مهندسي در زمينه سيستم هاي رديابي و مكان يابي از جمله طرح شبكه WADGPS براي رديابي دريايي شايسته ترين فرد براي راهبري اين بحث مي باشد. (WADGPS) يكي از فن آوري هاي شبكه تعيين موقعيت آني با GPS در مناطق وسيع است ، كه اين روزها بطور روز افزون وگسترده مورد توجه قرار دارد. اين امر نه تنها از نظر نهادهاي دولتي همچون ناسا (NASA) و گارد ساحلي آمريكا و يا اداره فدرال هوانوردي (FAA) را جلب كرده است ، بلكه از سوي صاحبان خدمات مختلف تجارتي نيز مورد توجه واقع شده است.
ناسا با اين كار بطور مشخصي سهولت كاربرد شبكه جهاني از ايستگاههاي مرجع GPS را جهت فراهم آوردن تصحيحات DGPS مورد بررسي قرار داده است، تا از اين طريق بتواند شاتل هاي فضايي (Space Shuttle) را قادر به فرود اضطراري در پايگاههايي كه امكانات امدادي بسيار محدودي دارند بنمايد. هم اكنون گارد ساحلي آمريكا در حال بررسي امكان شبكه بندي علائم راديويي جهت هدايت دريايي كشتي ها به WADGPS است. درعين حال اداره فدرال هوانوردي نيز استفاده از شبكه WADGPS را براي CONIS (بخش عمليات قاره اي آمريكا) تحت بررسي دارد، تا از طريق GPS امكان رد يابي و فرود دقيق هواپيماها را ممكن سازد. از سوي ديگر يك مؤسسه خدماتي نيز در حال تحقيق در استفاده از شبكه ساحلي GPS براي پوشش كامل اقيانوسي است . در حال حاضر دو مؤسسه خدماتي ديگر و نيز يك مؤسسه در آينده از اين سيستم بهره مند خواهند شد . {mospagebreak}
بنابراين جا دارد بپرسيم واقعا WADGPS چيست كه اين چنين توجه بسياري را به خود جلب كرده است و چگونه مي توان آن را با DGPS مقايسه كرد. چرا اين تكنولوژي از اهميتي كه گفته شد براي نهادها بـرخـوردار است؟ نقاط ضعف آن چيست؟ هم اكنون از چـه روشهـايي در اين زمينـه استفاده مي شودو .... اين ها بخشي از پرسشهايي است كه در اين مقاله سعي شده به آنها پاسخ داده شود.
محـاسن و معـايب WADGPS
WADGPS توسط چانگ دون كي، از استانفورد و همكارانش در اداره هوانوردي فدرال معمول و رايج شد. از اين طريق شبكه اي از ايستگاههاي مرجع GPS را توصيف كند كه قادر به ارسال تصحيحات DGPS در منطقه وسيع براي استفاده كنندگان باشد. كاربرد معمول در اين زمينه مي تواند مكان يابي وسايل هوايي و دريايي و ساير وسايل نقليه و نيز عمليات نقشه برداري مانند اكتشاف باشد.
عبارت DGPS نيز توسط پيتر لوميس رايج شد. او اين عبارت را در تحقيقي كه در آن تكنولوژيهايي را در جهت اتصال ايستگاههاي تك مرجعي DGPS توصيفي مي كرد بكاربرد. هدف اين اتصال قادر ساختن استفاده كننده در دستيابي به ايستگاه چند مرجعي بود. اين عبارت محدوده محلي و محدوده گسترده و جهاني را شامل مي شود.
محاسن برجسته استفاده از WADGPS
- WADGPS داراي پوششي قابل گسترش در مناطق غير قابل دسترسي همچون پيكربنديهاي بزرگ آني است.
- پوشش WADGPS مي تواند ايستگاههاي مرجع را شامل شود . اين مسئله با توجه به بافت منطقه قابل تغيير است.
- دقت WADGPS با توجه به فاصله طول باز از نزديكترين ايستگاه مرجع بيشتر از روش مشابه در DGPS مي باشد و نيز اين سيستم با توجه به الگوريتم مورد استفاده در شبكه كاملا مستقل از طول مبنا عمل مي كند .

بـرخي معـايب استفـاده از WADGPS
- شبكه هاي WADGPS بطور معمول براي استقرار و شروع عمليات نسبت نسبت به DGPS هزينه بيشتري را شامل مي شود . چرا كه سخت افزار و نرم افزارهاي بيشتري را طلب مي كند و در نتيجه هزينه هاي ارتباطي آنها نيز بالا ميرود.
- شبكه هاي WADGPS به اندازه DGPS تك مرجع قابل اعتبار نيست چرا كه نيازمند سخت افزار و نرم افزار پيچيده تري هستند .
- شبكه هاي WADGPS ممكن است باعث ايجاد پوشش هاي بيشتر در ارسال تصحيحات بشوند. چرا كه با توجه به نوع الگوريتم بكار برده شده نياز به ارتباطات فرا شبكه اي و نرم افزارهاي بسيار پيچيده تر نسبت به DGPS دارند.
سـاختـار شبكـه
همانطور كه در نگاه 1 ، ديده مي شود شبكه WADGPSيك ايستگاه مرجع GPS است كه در منطقه تحت پوشش گسترش يافته و در غير اينصورت مورد فوق الذكر حداقل در حول ناحيه تحت پوشش قرار مي گيرد. در ايستگاه مركزي ، كنترل تصحيحات DGPS از هر يك از ايستگاههاي مرجع جمع آوري شده و بعنوان معيار اندازه گيري در الگـوريتم شبكه WADGPS بكـار بـرده مي شود، تا تصحيحات DGPS حاصل شود . ايستگاه اين تصحيحات را از طريق ناحيه تحت پوشش به استفاده كننده مخابره م يكند و همچنين اين اطلاعات به ايستگاههاي مانيتور كه مجموعه تصحيحات را از هم متمايز مي كند ، نيز مخابره مي شود. {mospagebreak}
جدول 1 چند نوع از شبكه WADGPS را كه مي تواند براي ايجاد تصحيحات بويژه هنگاميكه بيش از يك ايستگاه DGPS در دسترس باشد و بكار برده شود را نشان مي دهد . اين روشها تفاوت هايي با هم دارند . روش adhoc كه به آن عنوان گسترش يافته داده اند تا شبكه WADGPS جهاني مانند ، را در نظر مي گيرد. وجه تمايز بين WADGPS و WWDGPS اين است كه دومي قادر به رديابي تمامي ماهواره ها يا وسايل فضايي (SVS) است و به همين دليل قادر است بطور كامل ميزان خطاهاي موجود در سيستم را نيز تخمين بزند.
دو واقعيت در ساختار شبكه DGPS وجود دارد ، هر چه منطقه پوشش بزرگتر باشد شبكه مرجع وسيعترخواهد بود و هرچه شبكه مرجع وسيعترباشد طبيعتا منطقه تحت پوشش نيز بزرگتر خواهد بود.
بعنوان مثال شبكه پيشنهادي WWDGPS ناسا، شبكه اي جهاني با (33) ايستگاه DGPS را در بر مي گيرد. متقابلا شبكه CONUS با (16) دستگاه مرجع نمونه اي از WADGPS براي گارد ساحلي آمريكا محسوب مي شود.
نگاهي به الگوريتم هاي متفاوت شبكه DGPS
انواع الگوريتم هاي شبكه
الگوريتم شبكه DGPS به دو دسته State – Space Domain , Measurement Domain تقسيم مي شود .
نوع اول، بدون آنكه خطاي DGSP را تخمين بزند تصحيحات DGPS را در اختيار استفاده كننده قرار مي دهد. نوع دوم ميزان خطاهاي منفرد DGPS را ايزوله كرده و يا آنها را مستقيما به استفاده كننده منعكس مي كند و يا آنها را به تصحيحـات DGPS كه در منطقـه مـورد استفاده اعتبار دارند تبديل مي نمايد.
مزيت استفاده از Measurement Domain اين است كه آنها را به راحتي قابل استفاده مي كند و حداقل به 3 ايستگاه مرجع يا بيشتر نياز دارد. اين ايستگاههاي مرجع الزاما نبايد درمنطقه وسيع پراكنده شوند، چرا كه اين روش به حداقل مشاهدات نيازمند است . عيب اين روش در اين است كه با دور شدن از مركز شبكه دقت تصحيحات آن كاهش مي يابد .
مزيت الگوريتم State – Space Domainعبارت است از اين كه خطاها مستقل از طول مينا عمل مي كنند، دقت طولهاي مبنا به بالا ترين مقدار خود بوده و بعضي از خطاهـا با تكـرار كمتري مخابره مي شوند. خطاهايي مانند مسير ماهواره و يونسفر، تغييرات كمتري نسبت به خطاي ساعت ماهواره كه شامل را نيز مي شود دارد، از معايب اين سيستم نياز به داشتن شبكه جغرافيايي گسترش يافته اي شامل 8 ايستگاه مرجع DGPS يا بيشتر، نرم افزار الزاما پيچيده تر، گيرنده دو فركانسه و در نتيجه گران تر است و تصحيحات آن نيز نيازمند نرم افزار پيچيده تري درگيرنده استفاده كننده مي باشد. {mospagebreak}
الگـوريتم پيشنهـادي بـراي شبكـه DGPS
جدول شماره 2 برخي از الگوريتم هاي پيشنهاد شده براي شبكه DGPS را نشان مي دهد . اين فهرست در درجه اول مي كوشد تا تعداد متعددي از روشهاي مختلفي را كه توسط طراحان و بانيان آن استفاده شده است را نشان دهد . اين فهرست ، فهرستي كامل از الگوريتم ها كه شايد دو برابر فهرست فعلي باشد نيست. سه الگوريتم اول جدول الگوريتم هاي Measurement Domain هستند و 5 الگوريتم آخر نشان دهنده الگوريتم State – Space Domain مي باشند(برخي طراحان الگوريتم هايي را ترجيح مي دهند كه عبارت WADGPS را براي State – Space Domainو DGPS شبكه اي را بطور كلي براي الگريتم هاي Measurement Domain بكار برند. ) همچنين اين جدول بطور خلاصه به اين مسئله مي پردازد كه هر الگوريتم چگونه مي تواند خطاي منحصر به فرد را كنترل كند .
الگـوريتـم Measurement Domain
اين دسته الگوريتم ها نوعي تصحيح در شبكه DGPS را فراهم مي آورد كه مجموعه تصحيحاتي است كه بصورت وزن دار در ايستگاه مرجع DGPS انجام مي شود. سه الگوريتم اول مربوط به روش Measurement Domain در جدول 2 از استراتژيهاي مختلفي براي بدست آوردن ضرايب وزن دارد بهره مي جويد . الگوريتم تانگ از فيلتر كالمن (Kalman) كه عدم وابستگي تصحيحات ايستگاه مرجع را در نظر مي گيرد استفاده مي كند ( از اين پس ما الگوريتم هاي مختلف را به نام بانيان اوليه آن بكار خواهيم برد و به رساله اي كه به بهترين شكل آنرا توصيف كند اشاره خواهيم كرد . ) الگوريتم لوميس بر مبناي اين فرض حركت مي كند كه تصحيحات شبكه بر سطحي هموار بر فراز محدوده تحت پوشش قرار گرفته و ضرايب وزن دار را با استفاده از بسط سري Taylor حول مركز شبكه استخراج مي كند . الگوريتم هاي فوق ضرايب وزن دار را بر اساس حداقل واريانس خطاي DGPS در تصحيحات بدست مي آورند الگوريتم اول و سوم مي توانند نتايج مشابه و قابل مقايسه اي فراهم آورند . چرا كه هر دو از دسته الگوريتم هايي با حداقل برآورد خطاها هستند .
الگـوريتـم State – Space Domain
اين گروه از الگوريتم ها منابع خطاي منحصر به فرد GPS را برآورد كرده و معمولا از الگوريتمي چند مرحله اي و گيرنده هاي دو فركانسه سود مي جويد .
الگوريتم براوون (Brown) اصل اوليه اي بود كه بعنوان برنامه كاري براي تعدادي از الگوريتم هاي WADGPS كه بعد ها هويدا شد بكار برده شد. الگوريتم WADGPS لوميس يكي از ساده ترين الگوريتمهاي State – Space Domain است كه مي تواند بعنوان الگوريتمي تك مرحله اي بكار برده شود .
سيستم براوون خطاهاي ساعت گيرنده مرجع را ناديده گرفته و خطاهاي ناشي از تاخيرات تروپسفر را با استفاده از اندازه گيري فشار، رطوبت، درجه حرارت خشك و با استفاده از مدل آلت شولر
(Alt Schuler) محاسبه مي نمايد و از گيرنده هاي دو فركانسه براي اندازه گيري تاخيرات يونسفري سود مي جويد. سپس اين اندازه گيري را براي به روز در آوردن مدل جهاني يونسفر بنت (Bent) بكار مي برد .
مدل نهايي شبيه مدل تاخير يونسفر ارسال شده از ماهواره است و نهايتا با استفاده از فيلتر كمترين مربعات بر روي مشاهدات شبه فاصله سنجي كه براي تاخيرات لايه هاي يـونسفر و تـروپسفر تصحيح مي گردد، تا خطاهاي ساعت ماهواره و موقعيت مدار را به دست آورد.
مي توان الگوريتم State – Space Domain را به منظور برآورد خطاها اين چنين بازنگري كرد :{mospagebreak}



- خطاي ساعت گيرنده مرجع :
روش براوون آن را ناديده مي گيرد. الگوريتمWADGPS متعلق به لوميس آنرا از طريق پردازش اوليه اندازه گيري ها از بين مي برد. Kee با استفاده از ساعت هاي اتمي درايستگاههاي مرجع مي كوشد تا آنرا به كمترين مقدار خود برساند و ساير محققان آن را تخمين مي زنند.
خطاي تاخير تروپسفر: Kee ، با آن بعنوان نويز برخورد مي كند . اشكنازي (Ashkenazi) آنرا به شكل همسان با خطاي تاخير يونسفر تركيب كرده و تخمين مي زند. ساير محققان با استفاده از پارمترهاي (فشار – رطوبت – درجه حرارت – درجه حرارت خشك ) اندازه گيري كرده و يا از آن مدل سازي استاندارد مي كنند .
- خطاي تاخير يونسفر : هم اشكنـازي و هم لـوميس در الگـوريتم WADGPS خود آنرا تقريب مي زنند. حال آنكه ساير محققين با استفاده از گيرنده هاي دو فركانسه آنـرا انـدازه گيري كرده و با مدل هاي مختلف يونسفر پردازش مي كنند.
- خطاي ساعت و مدار ماهواره : تمامي الگوريتم ها با استفاده از فيلتركمترين مربعات بصورت يك مرحله يا و دو مرحله اي خطاها را برآورد مي كنند. به جزء الگوريتم WADGPS لوميس كه فيلتر Beyesian را بكار مي برد . در حاليكه هم براوون و هم كي از فيلتر كمترين مربعات در هر اندازه گيري بهره مي گيرند لوميس در WADGPS خود يك پردازش دو مرحله اي را به همراه اندازه گيري چند منظوره بكار مي برد.
نتـايـج اجـرايـي
از آنجايي كه محققين متعدد نتايج عمليات مختلف خود را بر اساس اطلاعات آزمايشات مختلف منتشر نموده اند، مقايسه الگوريتم عملياتي به نظر دشوار مي آيد . با اين همه با استفاده از سيستم شبيه سازي Montcarlo مي توان عمليات ناوبري را به همراه الگريتم هاي State – Space Domain و
Measurement Domain مورد بررسي و ارزيابي قرار دارد. هر الگوريتم از همان مدل عملياتي خطاي DGPS استفاده مي كند كه شامل خطاهاي ساعت و مدار ماهواره همراه با DGPS باشد. براي اين منظور يك شبكه فرضي همانطور كه در نگاره 2 نشان داده شده است انتخاب شده كه شامل 6 ايستگاه مرجع شامل 1 گيرنده تك فركانسه (كد C/A ) مي باشد. اين نقاط متعلق به گارد ساحلي آمريكا در خليج مكزيك است كه عمليات نصب و ارسال علائم راديويي دريايي DGPS به روي آنها انجام شده است . براي الگوريتم State – Space Domain ما دقت ناوبري را براي استفاده كنندگاني كه در داخل محدوده شبكه ساحلي بودند و نيز تصحيحات خود را از بافت منطقه اي WDGPS كه خود شامل 16 ايستگاه مرجع با گيرنده هاي تك فركانس مي شد ارزيابي كرديم اين گيرنده هاي مرجع در سواحل آمريكا و نيز در پايگاههاي Hawaii, Puertorico, Alaska, Greatlakes واقع شده بودند. براي DGPS و ساير الگوريتم هاي Measurement Domain ما دقت ناوبري استفاده كنندگاني كه در ايستگاههاي مرجع ساحلي بودند را ارزيابي نموديم كه يا به شكل منحصربفرد و يا در شبكه 6 ايستگاهي مورد سنجش قرار داشته اند . نگاره 3- (rms) root – mean – square انحراف معيار تعيين موقعيت و ناوبري در راستاي قائم و افقي بيش از 700/1 استفاده كننده كه در محدوده 300 كيلومتري از شبكه ساحلي قرار داشتند را نشان مي دهد . نتايج حداقل واريانس با علامت
Gulf Net و فيلتر Beyesian با نام WADGPS مشخص شده است. همانطور كه ديده مي شود. دقت DGPS و الگوريتم حداقل واريانس با فاصله استفاده كننده از نزديكترين ايستگاه مرجع كاهش مي يابد هر چند كه شيوه عمل الگوريتم آخري به شكل قابل توجه با اولي فرق مي كند . الگوريتم Beyesian مستقل از طول مبنا عمل كرده و مي تواند همانطور كه در تصوير ديده مي شود بهتر از دو الگوريتم ديگر نسبت به طول مبنا عمل مي كند. {mospagebreak}
نتـايـج
در اين مقاله ما نگاهي به تكنولوژي شبكه WADGPS انداختيم و در طي آن به بحث درباره بافت شبكه و برآورد عملكرد معايب آنها پرداختيم . ديديم كه توجه روزافزون به تكنولوژي WADGPS ناشي از فراهم آوردن تصحيحات آني DGPS است كه مستقل از طول مبنا عمل مي كند و در عين دقت نيازي به شبكه متراكمي از گيرنده هاي مرجع ندارد.
عليرغم اينكه تا به امروز توجه بر الگوريتم شبكه Phase Smoothed Code Carrier بوده است امروزه هم در ايالت متحده و هم در ساير نقاط توجه روز افزوني به تكنولوژي روش كينماتيك همراه با فاز حامل و با استفاده ازالگوريتم شبكه اي مي شود. در آمريكا سازمان مهندسي ارتش و مركز تحقيقات ناسا رهبري اين تحقيقات را بر عهده دارند كه اولي نتيجه اين تحقيقات را براي بررسي دقيق مسيرهاي كشتيراني ، نقشه برداري زير آب و ديگري براي فرود هواپيما ها از آن بهره مي گيرند.

منبع: www.gisement.net