منابع خطا در GNSS چیست؟

در این مقاله با منابع خطا در GNSS آشنا می‌شوید.

Errors

هریک از مشاهدات اساسی GNSS شامل خطاهای مختلفی است که در برآورد دقیق موقعیت گیرنده یا سرعت آن می‌بایستی حذف یا به حداقل ممکن برسند. عوامل مختلفی از زمان انتشار سیگنال در ماهواره (مانند باقی‌مانده نیروهای اغتشاشی و ساعت ماهواره) تا زمان دریافت آن در گیرنده (مانند تغییرات مرکز فاز آنتن) بر روی سیگنال‌های ناوبری ماهواره‌ای اثر می‌گذارند که هر یک به عنوان یک منبع خطا شناخته می‌شود.

  • خطای یونسفری:
    یونسفر، شامل لایه‌های مختلف جو از حدود ۵۰ کیلومتر تا ۱۰۰۰ کیلومتر بالای سطح زمین است که یک محیط پاشنده (dispersive) برای سیگنال‌های سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای می‌باشد. بنابراین سیگنال‌های GNSS در حین عبور از این لایه دچار تاخیر یا تقدم می‌شوند. از آنجا که مقدار این خطا بعد از خطای عمدی SA بزرگترین سهم را در برآیند كل خطاها دارد، مطالعات بسیار وسیعی برای مقابله با آن انجام شده است. میزان خطای یونسفری متناسب با تعداد الکترون‌های آزاد موجود در واحد سطح مسیر عبور سیگنال است. تعداد الکترون‌های آزاد موجود در واحد سطح مسیر عبور سیگنال نیز به عواملی همچون فعالیت‌های خورشیدی، فعالیت‌های مغناطیسی، زمان، موقعیت گیرنده زمینی و زاویه ارتفاعی ماهواره بستگی دارد و به همین دلیل مقدار خطای یونسفری متغیر می‌باشد.
  • خطای تروپسفری:
    لایه تروپسفر به بخشی از جو اطلاق می‌گردد که از بالای سطح زمین تا ارتفاع تقریبی ۱۰ کیلومتری قرار دارد. لایه تروپسفر یک محیط ناپاشنده نسبت به امواج رادیویی تا فرکانس‌های 15 GHz می‌باشد و بنابراین سرعت انتشار سیگنال‌های GNSS در این لایه مستقل از فرکانس است و حذف انکسار ترپسفری با داشتن دو فرکانس L1 و L2 امکان پذیر نیست. میزان خطای تروپسفری از ۳۰ متر تا کمتر از ۵ متر است که بستگی به عواملی چون دما، رطوبت، فشار، ارتفاع گیرنده، جنس زمین در زیر مسیر سیگنال GNSS دارد.
  • خطای مداری:
    خطای مداری ماهواره مجموع خطاهای ناشی از مدلسازی ناقص دینامیک ماهواره در فضا يا اثر باقی‌مانده نیروهای اغتشاشی (خطای اسمی dpa) و اعمال پدیده قابلیت انتخابیSA  در صورت فعال بودن، است. دقت مداری حاصل از اطلاعات مداری استاندارد (Broadcast Ephemeris) در حالت غیرفعال بودن SA، حدود چند متر بوده و برای اطلاعات مداری دقیق (Precise Ephemeris) این دقت به حدود چند سانتی‌متر می‌رسد.
  • خطای ساعت ماهواره:
    خطای ساعت ماهواره ناشی از اختلاف زمان ساعت ماهواره نسبت به زمان GNSS است. ارتباط بین زمان ساعت ماهواره و زمان GNSS توسط بخش کنترل زمینی سامانه GNSS از طریق ارسال ضرایب یک مدل چند جمله‌ای در اطلاعات ناوبری معین می‌گردد.
  • خطای ساعت گیرنده:
    همانند خطای ساعت ماهواره، خطای ساعت گیرنده نیز اختلاف زمانی بین ساعت گیرنده و زمان GNSS است و می‌توان آن را به شکل یک مدل ساده چند جمله‌ای نمایش داد. البته می‌دانیم که قبل از شروع هر پروژه نقشه‌برداری با GNSS، گیرنده‌های ژئودتیک با زمان GNSS هم زمان می‌شوند. اما این همزمان‌سازی تنها تا کسری از یک میلی‌ثانیه اعتبار دارد و همان مقدار باقی‌مانده خطای ساعت گیرنده را تشکیل می‌دهد. این نوع خطا در گیرنده‌های مختلف دارای مقادیر متفاوتی می‌باشد که به سخت‌افزار داخلی و نوسان‌ساز بکار رفته در گیرنده بستگی دارد. به‌عنوان مثال دامنه این خطا از ۲۰۰ نانو ثانیه تا چند میلی‌ثانیه گزارش شده است که عامل تعیین کننده‌ای در قیمت گیرنده‌ها است.

در تعیین موقعیت نقطه‌ای (مطلق) این خطا به‌عنوان یکی از پارامترهای مجهول باید برآورد شود، در حالی که در تعیین موقعیت نسبی سعی بر حذف آن می‌شود. می‌دانیم که خطای ساعت گیرنده برای همه مشاهدات انجام گرفته توسط یک گیرنده یکسان است و بنابراین با اعمال روش‌های تفاضلی مناسب این خطا بطور کامل حذف می‌شود.

gnss errors

  • خطای چند مسیری:
    خطای چند مسیری ناشی از دریافت سیگنال‌های GNSS توسط گیرنده از یک مسیر غیر مستقیم است که بواسطه انعکاس سیگنال‌های GNSS از روی اشیاء و سطوح منعکس کننده اطراف آنتن ایجاد می‌شود. این خطا بر روی هر دو مشاهده کد و فاز موج حامل اثر می‌گذارد. هم چنین این خطا در هر دو روش نسبی و مطلق و استاتیک و کینماتیک وجود دارد.
  • خطای صفر و تغییرات مرکز فاز آنتن:
    مركز فاز آنتن‌ها نقطه‌ای است که اندازه‌گیری سیگنال رادیویی به آن نسبت داده می‌شود و بطور معمول با مرکز فیزیکی آنتن یکی نیست و می‌تواند به دو بخش تقسیم شود. یکی بخش ثابت است که بیانگر یک اختلاف ثابت بین مرکز فاز میانگین و مرکز فیزیکی آنتن است که تعیین آن بر اساس مشاهدات آزمایشگاهی با چرخاندن آنتن کار نسبتا ساده‌ای است. بخش دوم متغیر است و بستگی به ارتفاع، آزیموت و شدت سیگنال ماهواره دارد و برای هر موج متفاوت است. معمولا دقت آنتن‌ها بر اساس تغییرات مرکز فاز آنتن سنجیده می‌شود و نه براساس جدایی ثابت یا خطای صفر. مدلسازی تغییرات مركز فاز آنتن کار نسبتا پیچیده‌ای است و برای هر آنتن این اثر متفاوت است.
  • نویز گیرنده:
    خطای نویز گیرنده اساسا، ناشی از محدودیت‌های الکترونیکی گیرنده است. این خطا از نویز حرارتی بوجود آمده در آنتن نویز نوسان‌ساز گیرنده و سایر قطعات سخت‌افزاری گیرنده حاصل می‌شود. نویز گیرنده به عواملی همچون عرض باند ردیابی، نسبت سیگنال به نویز (S/N) و پارامترهای مکانیزاسیون ردیابی کد بستگی دارد. بنابراین بسته به نوع گیرنده مقدار نویز گیرنده از 0.1 تا 1 درصد طول موج یا چیپ سیگنال مورد ردیابی متغیر است.

مطالب ویژه