خطاهاي ناشي از اتمسفر بر روي GPS
در آغاز اين مبحث ما ذكر كرديم كه چگونه امواج راديويي ، امواج ميكروويو و نورهاي مرئي ، اشعه
و ساير امواج راديويي با سرعت نور حركت مي كنند ، با وجود آنكه آنها انواع مختلف امواج X هاي
الكترومغناطيسي مي باشند ولي در فركانسهاي مختلف كار مي كنند . جيمز كلزك ماكسول
يك فيزيكدان اسكاتلندي ، اين مطلب را به صورت قوانين تئوري بيان نمود .
به حال ما گفتيم امواج راديويي كه از ماهواره ها فرستاده مي شوند با سرعت نور حركت مي كنند
: V= 2.99792488 * 10^8
تعريف شده است و دقيق ترين مقدار موجود مي باشد GPS اين سرعت ، سرعتي است كه در دستگاه
. ولي اين سرعت در خلا امكان پذير مي باشد . همانطور كه مي دانيم نور خورشيد به امواج رنگي با
طول موجهاي مختلف قابل تجزيه مي باشد . اين تجزيه با يك منشور قابل رويت است . يك سيگنال
ماهواره اي نيز هنگامي كه وارد قسمتهاي مختلف اتمسفر زمين مي شود تحت تاثير واقع مي شود
نيوتن پراكندگي رنگها را در نور خورشيد كشف كرد . توجه كنيد كه رنگ قرمز پائين ترين اشعه
است چون رنگ قرمز پائين ترين فركانس را دارد و رنگ بنفش بالاترين فركانس را در طيف امواج
مرئي دارد و امواج فركانس پائين كمتر از امواج فركانس بالا قابل شكست هستند
نيز سرعتشان تغيير مي كند و دچار شكست مي شوند GPS به طور مشابه ، سيگنالهاي ماهواره اي
هنگامي كه وارد اتمسفر زمين مي شوند . اين پديده را مي توان به دو بخش تقسيم كرد : آينوسف يريك
و تروپسفيريك . خطاي ابتدايي در اينوسفريك اتفاق مي افتد . يك لايه ، اشعه هايي كه بين 80 مايلي
تا 200 مايلي كره زمين مي باشند را شارژ مي نمايد .چگالي اشعه هاي شارژشده در اينوسفريك در
شب و روز و فصل به فصل با توجه به ميزان انرژي خورشيد رسيده به اتمسفر فرق مي كند . همچنين
تاخير امواج راديويي به چگالي اشعه هاي شارژ شده بستگي دارد و البته قابل پيش بيني مي باشد
از يك مدل تاخير انداز رياضي استفاده مي كنند .يك روش بهتر براي GPS بعضي از گيرنده هاي
محاسبه تاخير در امواج راديويي مقايسه دو سيگنال با فركانس هاي مختلف است . اين همان مس اله
پراكندگي و تجزيه امواج نور خورشيد است كه در مورد آن صحبت كرديم . جائي كه فركانس هاي
پائين رنگ قرمز دچار زاويه شكست كمتر نسبت به فركانس هاي بالاتر مي شوند . يك فرمول براي
توصيف اين پديده وجود دارد . ميزان كاهش سرعت يك سيگنال به طور معكوس با فركانس رابطه
دارد . اين روشي است براي تشخيص خطاي اينوسفريك كه معمولاً در تجهيزات نظامي و در مدل
هاي پيشرفته در گيرنده هاي دو فركانسه استفاده مي شود
1227.6 MHz 1575.42 و MHz يا L دو فركانس منتشر مي كنند . 1 GPS ماهواره هاي
گيرنده هاي دو فركانسه هر دوي اين فركانسها را دريافت مي كنند و مي توانند با استفاده از ; L يا 2
اين دو فركانس و مقايسه آنها و با توابع نرم افزاري موجود در اين دستگاهها عمل تصحيح را انجام
دهند .اين محاسبات قسمت اعظم خطاي اينوسفريك را اصلاح مي كند . به هر حال بيشتر گيرنده هاي
استفاده مي كنند . به خاطر اينكه قيمت گيرنده هاي دوفركانسه بسيار بالا L از فركانس 1 GPS
مي باشد و بيشتر براي مقاصد نظامي آمريكا استفاده مي شود
تروپسفير محدوده بالاي سطح زمين است . ( كل محدوده اي كه هوا در آن مي باشد . ) بخار آب مي
تواند بر روي امواج راديويي تاثير بگذارد و اين تاخير را مي توان با تقريب خوبي توسط يك مدل
رياضي توصيف نمود . الگوريتم اين مدل رياضي در دستگاه گيرنده شما تعبيه شده كه از اين مدل
جهت تصحيح خطا استفاده مي شود
مدل رياضي
اين بخش ، قسمت خوبي براي آشنايي شما با يك عمل مهندسي مي باشد . در قسمتهاي قبل ما مدلهاي
رياضي را كه جهت تصحيح خطاي اتمسفر بر روي اطلاعات استفاده مي شود را معرفي نموديم . بيشتر
اوقات ، مهندسين از مدلهاي مختلف طراحي شده جهت حل مسائل استفاده مي كنند
يك مورد از اين مدلها ، استفاده از نتايج تجربي مي باشد . مهندسين ساخت و طراحي م اشين ،
فرمولهايي براي توصيف رفتارها و مشخصات يك موتور براي كنترل دقيق آن دارند . اين فرمولها و
معادلات بر اساس پايه هاي تئوري نمي باشد . در عوض آنها با توجه به آزمايشات و مشاهدات مي
توانند جدولهايي را بوجود بياورند كه فرمول تئوري آن بسيار مشكل است به طوري كه فاكتورهاي
يك نمونه از فرمولهاي GPS زيادي بر روي كاركرد يك موتور تاثير مي گذارد . در كاربرد در
تجربي استفاده از تقويم نجومي مي باشد . اين مساله بسيار اساسي است به گونه اي كه در اين جدول ،
نيروي جاذبه زمين ، نيروي جاذبه ماه و ساير فاكتورهاي ديگر در نظر گرفته شده است كه توصيف آنها
بر اساس فرمولهاي تئوري بسيار مشكل و كاري تقريباً غير ممكن مي باشد . اين جدولها مانند قوانين
كپلر يا تئوري نيوتن در مورد جاذبه زمين نمي باشند . بنابراين تنها راه عملي براي حل اين مشكلات
شما از روش ديگر نيز جهت استفاده از مدلهاي رياضي دارد . GPS مدل رياضي مي باشد . گيرنده
از يك مدل كروي به عنوان شكل زمين جهت محاسبه طول جغرافيايي ، عرض جغرافيايي و GPS
ارتفاع استفاده مي نمايد . شعاع استوايي كره زمين 6378173 كيلومتر و شعاع قطبي آن
6350762 كيلومتر مي باشد ( زمين كره نيست . ) در مورد اين مدل در فصول بعد بيشتر توضيح
خواهيم داد
Selective Availibility خطاي
ما قبلاً گفتيم كه ساعت فوق العاده دقيق ماهواره ها و اندازه گيري زماني راهي براي محاسبات دقيق
بر اساس زمان استاندارد با ساعتهاي اتمي است به خاطر اينكه سيستم GPS مي باشد . زمان GPS
موقعيت ياب جهاني از اختلافات زماني براي محاسبه موقعيت دقيق استفاده مي نمايد
داستان دوبرادر
الآن بهترين روزهاي زندگي است . الآن بدترين روزهاي زندگي است . براي آلبرت و هانري ، دو
برادر دوقلوي 20 ساله
بهترين زمانها است به خاطر اينكه آلبرت يك سفر فضايي طولاني مدت بين ستارگان را براي اولين بار
در تاريخ بشري انجام مي دهد . اطراف هر ستاره سياره هايي هستند . تحقيقات نشان مي دهد كه يكي
از سياره هاي اطراف ستاره ها براي زندگي بسيار مناسب مي باشد و ممكن است آلبرت تمدنهاي
پيشرفته اي بر روي آن سياره ها بيابد
به هر حال فاصله ستاره از منظومه شمسي ما بسيار زياد مي باشد كه اين مقدار براي نزديكترين ستاره
برابر 30 سال نوري مي باشد . سال نوري زماني است كه نور در يك سال طي مي كند كه برابر مي
شود با
300000*86400(Second/day)*365(day/year) = 9460800000000 Km
حال اگر سفينه آلبرت بتواند با نهايت سرعت ، يعني سرعت نور حركت بنمايد چندين دهه طول مي
كشد تا او سفر خود را به پايان برساند . يك تئوري معروف مي گويد : هيچ جسمي سريعتر از سرعت
نور حركت نمي كند .
متاسفانه هنري نمي تواند با برادر خود سفر كند چون او كارهاي مهمي در كره زمين دارد . هنگامي كه
آلبرت به كره زمين برگردد ساعت آلبرت اينگونه نشان ميدهد كه چند سال گذشته است ولي براي
هنري چندين دهه گذشته است . بدترين روزها براي هنري به اين معنا است كه آنها ممكن است هرگز
همديگر را نبينند . اگر هنري به اندازه كافي عمر كند و بتواند تا 80 سالگي يا كمي بيشتر زنده بماند
ممكن است برادر خود را ببيند . اين در حالي است كه آلبرت جوان كه از اديسه برگشته است هنوز در
اوايل 20 سالگي مي باشد . اين مساله براي اين دو نفر از لحاظ احساسي بسيار ناراحت كننده است
اين مساله را باور داشته باشيد يا نه ، اين يك داستان جالب يا يك فيلم سينمايي نيست . به ياد داشته
باشيد كه همه اين مسائل حقيقت است
مسلماً در برابر پيشرفت بشر هيچ كاري نمي شود كرد . تنها كاري كه مي شود انجام داد پاسخ به اين
سوال است كه چگونه زمان در يك سفينه فضايي كه با سرعت وحشت آوري حركت مي كند با زمان
روي كره زمين متفاوت است ؟!
فرضيه مخصوص نسبي بودن اينشتين بيان مي دارد كه زمان مانند مكان به حركت نسبي و سرعت نسبي
بستگي دارد . ساعت نصب شده بر روي سفينه فضايي بسيار كندتر از ساعت روي كره زمين حركت
مي كند . و فاصله بين منظومه شمسي و منظومه مجاور بسيار كوتاهتر خواهد شد . اين كوتاه شدن
فاصله به علت حركت نسبي است . از نظر آلبرت در سفينه فضايي ساعت او مانند زمين عادي كار مي
كند . به هر حال فاصله بين زمين و منظومه بعدي بسيار كوتاهتر از همان فاصله بر روي كره زمين مي
باشد . بنابراين فقط چند سال نياز است تا به منظومه بعدي برسيم . همينطور چند سال نياز است تا
بازگرديم و در طي كمتر از 10 سال آلبرت برادرش هنري را ملاقات مي كند ولي براي هنري كه
هميشه بر روي زمين است فاصله بين زمين و منظومه بعدي هميشه 30 سال نوري مي باشد . بنابر اين از
نظر هنري چندين دهه طول مي كشد تا برادرش آلبرت را ببيند
اين نظريه نسبيت زمان و فاصله در فيزيك مدرن بسيار غير منطقي و حتي وحشت آور در فيزيك
كلاسيك مي باشد . مي دانيم كه در فيزيك كلاسيك هميشه زمان و مكان ثابت مي باشند . نتيجه
ديگري كه از نسبيت استخراج مي شود كه شما هم ممكن است با آن آشنايي داشته باشيد رابطه بين
مقدار ثابت سرعت نور مي باشد وقتي C كه ; E=mC^ انرژي و جرم است . براي مثال در فرمول 2
به توان 2 مي رسد و در جرم ضرب مي شود مقدار فوق العاده زيادي خواهد شد . اين مساله بيانگر اين
است كه مقدار كمي جرم مي تواند انرژي زيادي آزاد نمايد . اين مساله نحوه توليد انرژي اتمي و
انرژي فراوان سطح خورشيد را توجيه مي كند
GPS فرضيه نسبي بودن
يكي از اولين سيستمهاي عملي بود كه بشر توليد كرد . به غير از مساله شتاب ذره ها و انرژي GPS
توليد شده توسط آنها ، اثرات نسبي كه آنها نسبت به يكديگر دارند نيز بايد در نظر گرفته شود . يك
ممكن است سرعت نسبي زيادي نسبت به زمين داشته GPS دليل براي اين حرف اين است كه ماهواره
باشد . قبلاً گفتيم كه وقتي ماهواره ها نسبت به زمين ثابت نيستند ، يك سرعت نسبي نسبت به زمين
با سرعت سفينه فضايي آلبرت قابل مقايسه نيست GPS خواهند داشت . با اينكه سرعت ماهواره هاي
ولي با اينحال مقدار كمي خطا ايجاد مي كند كه اين خطا بايد توسط عملكرد سيستم و دستگاه گيرنده
تصحيح شود . ساعتهاي روي ماهواره در حال حركت كمي آهسته تر از ساعتهاي روي زمين ك ار مي
كنند . ( به دليل سرعت نسبي ماهواره نسبت به زمين ) اين اثرات ممكن است قابل مشاهده نباشند چون
بسيار كوچك هستند . ولي بايد توجه داشته باشيد كه اين سيستم با ساعت اتمي كار مي كند براي
اينكه كوچكترين زمانها هم براي تعيين فاصله بسيار مهم مي باشند ( زمانها در حدود نانوثانيه مي باشند
ابتدا سرعت نسبي بين GPS . ) اين خطاهاي كوچك بايد توسط دستگاه گيرنده اصلاح شوند
خود و ماهواره موردنظر را با توجه به نرم افزار تقويم نجومي خود محاسبه مي كند و بعد از اين
اطلاعات جهت تصحيح خطاي موجود استفاده مي نمايد
يك خطايي ايجاد GPS اين اختلاف زمان در نظر گرفته نشود ، اين GPS اگر در طراحي سيستم
يا در اختصار Selective Availibility مي كند كه قابليت برداشتن يا اصلاح نكردن اين خطا
گفته مي شود . حال بايد بدانيم كه چرا سازندگان تا مدتها اين خطا را اصلاح نك ردند ؟ !اين SA
از تروريست ها و دولت هاي مهاجم به خاطر استفاده از دقت U.S مساله به دليل نگراني دولت
باعث مي شود كه در يك ناحيه محدود موقعيت شما با S.A دستگاه در جهت هاي منفي است . اثر
كمي خطا مشخص شود
در 2 مي 2000 ، ايالات متحده اين خطا را براي افزايش دقت دستگاه گيرنده كاربران حذف نمود
Differential هاي تفاضلي GPS
هاي استاندارد توانستند به يك GPS ، در مي سال 2000 ميلادي S.A بعد از غير فعال كردن حالت
ها در 95 درصد اوقات GPS غير فعال شود S.A دقت عرضي 30 متري برسند . ولي قبل از اينكه
هاي تشخيص GPS دقت عرضي 100 متري و دقت طولي 156 متري داشتند .همچنين دقت بالاتر با
هاي تشخيص دهنده استفاده از يك گيرنده مرجع كه در يك مكان GPS دهنده بدست آمد . فن
موقعيت ، GPS مشخص و از پيش تعيين شده قرار دارد . گيرنده مرجع مانند بقيه گيرنده هاي
ماهواره ها را نسبت به زمين مي داند و همچنين موقعيت دقيق خود را روي زمين مي داند و اين ايستگاه
مي تواند فاصله دقيق خود را تا ماهواره ها تشخيص دهد و با بدست آوردن اين فاصله بر سرعت نور
براي بدست آوردن زمان استفاده نمايد . اين زمان ، زماني است كه طول مي كشد تا سيگنال از ماهواره
به پايگاه گيرنده برسد . گيرنده اين زمان محاسبه شده را با زمان واقعي براي رسيدن سيگنال مقايسه مي
GPS كند و اختلاف بين اين زمانها ، زمان خطا مي باشد . اين پايگاه ، خطا را در فضا منتشر مي كند و
هايي كه در برد اين انتشار قرار داشته باشند مي توانند از اين تصحيحات جهت محاسبه موقعيت دقيق
استفاده نمايند
بيشتر خطاهايي كه ما قبلاً آنها را برشمرديم كه بر روي دستگاههاي كيرنده تاثير گذار بودند عبارت
بيشتر خطاها مي توانند به روش . S.A بودند از تاخير اتمسفريك ، خطاي ساعت ماهواره و فعال بودن
هاي نقشه برداري اين GPS بالا كم شوند . درنتيجه دقتي با خطاي 1 متر بدست مي آيد كه براي
خطا در حد سانمتيمتر مي رسد
WAAS
بايد دقت و هوشياري GPS براي بسياري از كاربردهاي عمومي ، مثلاً براي يك عمليات نجات
Wide Area Augmentation بالايي از نظر نرم افزاري داشته باشد . سيستم افزايش محدوده
و GPS توسط دولت فدرال امريكا مورد بررسي قرار گرفت . در اين سيستم ، درستي System
در مراحل اوليه فقط WAAS تصحيحات خطا توسط پايگاههاي زميني محاسبه مي شوند . سيستم
مي باشد DGPS در واقع چيزي شبيه به همان سيستم WAAS . در امريكا مورد استفاده قرار گرفت
با اين تفاوت كه به جاي ايستگاههاي زميني ، از تعدادي ماهواره جديد استفاده مي نمايد . ماهواره
مي باشند و نسبت به زمين موقعيت ثابتي دارند . اين GEOStationary از نوع WAAS هاي
را از ايستگاههاي زميني گرفته و كدهاي درست و اصلاح شده را GPS ماهواره ها اطلاعات خطاي
براي گيرنده شما مي فرستند . با انجام اين كار ، دقت شما به مثبت منفي 2 متر و عرضي 3 متر افزايش
در دسترس US اين گزينه فقط در ، WAAS مي يابد . با توجه به ثابت بودن موقعيت ماهواره هاي
بوده و در صورتي كه شما در كشور ديگري از آن استفاده كنيد براي شما قابليتي نخواهد داشت . در
حال حاضر ، برخي كشورها در حال توسعه سيستمهاي تصحيح خطا و ماهواره هاي مربوط به كشور
در كشورشان مي WAAS براي توسعه سيستم US خود مي باشند . برخي هم در حال اخذ قرارداد با
باشند
+ نوشته شده در پنجشنبه ۲۵ اسفند ۱۳۹۰ساعت 16:10 توسط سيد مصطفي محمدزاده
|
