نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی ژئودزی دانشکده نقشه برداری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
2 استادیار دانشکده مهندسی ژئودزی و ژئوماتیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Introduction
The remarkable advantage of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is providing navigation service to the user communities, which is independent of the weather condition. The GNSS signals pass through different layers of the Earth's atmosphere. Propagating signals are refracted while passing through every layer and therefore, the reception of the signals is delayed. This delay distorts the accuracy of the position which is computed for a receiver. Troposphere, which is the lower most part of the Earth's atmosphere, is one of the most important source of bias in this respect.
To analyze the impact of tropospheric delay, it is normally divided into dry and wet components. The contribution of the dry and wet parts is reported to be 90 and 10 percent respectively. In contrary to the wet component, the existing models are precise enough to compute the contribution of the dry part on the signal delay. Therefore, analyzing the efficiency of numerical weather models for modeling the tropospheric delay as compared to the existing standard techniques seems to be remarkable.
Materials and methods
In this paper, three methods are used for computing the tropospheric error. The first method is based on the Saastamoinen's global troposphere model. This model is commonly used for computing the tropospheric error. Required input parameters are derived from the standard atmosphere model. In the second and third method, ray tracing is used for correcting the GPS measurements. A Numerical Weather Prediction (NWP) model is used for this purpose. Here, meteorological data measured at the position of the station are used as the input parameters of the model. In the third method, the required surface meteorological data are extracted from a NWP model. The World Research and Forecasting (WRF) model is used for this purpose. The WRF daily forecasts with a horizontal resolution of 0.1 degrees in 25 pressure levels (from 1000 to 50 mill bars) are used together with the GPS carrier phase and code measurements at station TKBN. This permanent GPS station is located at ϕ=36̊ 47ˊ 9.33˝ and λ=50̊ 55ˊ 48.20˝. Sampling rate of the GPS measurements is 30 seconds. The observation time interval starts at November 2 and ends at November 13, 2011.
Results and discussion
Computed tropospheric corrections are applied to the raw measurements above. Daily precise positions of this station are estimated using the corrected data. Repeatability of the point positions is used as a measure for analyzing and comparing the obtained results. The repeatability of the station coordinates in the north component increases from 3.13 mm in the first method to 0.98 mm in the second one. The repeatability of the east and north components also improves by 1.73 mm and 2.11mm respectively when the raw observations are corrected by the tropospheric corrections which are derived from the second method above. This proves the efficiency the WRF numerical weather model for estimating the tropospheric error when the surface meteorological data that is observed at station is used.
Conclusion
The use of ray tracing with surface data from WRF model in comparison with Saastamoinen model does not lead to improved repeatability coordinates in all three components. The results of this study emphasize the Numerical Weather Prediction models used in this study has been poor to calculate the surface data. Otherwise the results of the ray tracing method based on WRF model with surface meteorological data is observed at station is the best method for Computed tropospheric corrections.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
امروزه با توجه به مزایای فراوان سیستمهای تعیین موقعیت و ناوبری ماهوارهای، استفاده از آنها رشد چشمگیری داشته است. از مزایایاین سیستمها میتوان به امکان استفاده از آنها در تمامی شرایط آب و هوایی و ساعات شبانهروز اشاره کرد. شناسایی منابعایجاد خطا و کشف روشهایی برای کاهش و یا حذف آنها به منظور افزایش دقت مختصات تعیین شده همواره یکی از چالشهای پیش روی در استفاده ازاین سیستمها بوده است(Witchayangkoon and Segantine, 2000) . یکی از منابعایجاد خطا، انکسار سیگنال GPSدر عبور از لایه های مختلف جو زمین است. پایینیترین لایه جو، تروپوسفر است. اثراین بخش از اتمسفر روی تمام فرکانسهای سیگنال GPS یکسان بوده و بر هر دو مشاهدات کد و فاز اثر میگذارد (Seebr, 2003). این اثر روی سیگنالهای ارسالی باعث تأخیر در دریافت سیگنال و در نهایت منجر به برآوردی ناصحیح از موقعیت نقاط میشود.این خطا به دو مؤلفه خشک و تر تقسیم میشود؛ که هر کدام از آن ها از سهمی مستقل در بروز خطا برخوردارند. مؤلفه خشک متأثر از دما و فشار و مؤلفه تر علاوه بر وابستگی به دما و فشار تابعی از میزان رطوبت در طول مسیر سیر سیگنال است. مسئله اساسی ضعف در تخمین مؤلفه تراین تأخیر است. تغییرات شدیدتر مکانی و زمانی رطوبت نسبت به دو پارامتر دیگر در مدل سازی بخش تراین تأخیر مشکل میسازد.
از روشهای مختلفی جهت تخمین خطای تروپوسفری استفاده میشود. یکی از روشهای تعامل با خطای مورد بحث استفاده از مدلهای پیشبینی جهانی است که از مهمترین آنها میتوان به مدل هاپفیلد (Hopfield, 1969)، مدل سستامینن (Saastamoinen, 1973, 1972) و مدل گود و گودمن (Goad and Goodman, 1974) اشاره کرد. تفاوتاین مدلها در پروفیل انکسار و نحوه نگاشت تأخیر عمودی محاسبه شده در راستای زاویه ارتفاعی ماهواره است.این مدلها با دریافت دادههای سطحی هواشناسی (نظیر دما، رطوبت و فشار هوا، حاصل از مشاهدات یا مدلهای استاندارد اتمسفری)، تأخیر تروپوسفری را در اختیار میگذارند.
یکی دیگر از روشهای محاسبه تأخیر مایل تروپوسفری استفاده از پیشبینیهای عددی مقادیر فشار، دما و رطوبت حاصل از مدلهای عددی پیشبینی وضع هوا[1] در یک شبکه سه بعدی است (Vedel et al., 2001, Nordman, et al., 2007, Hobiger et al., 2008, Eresmaa et al., 2008). مدلهای عددی پیشبینی وضع هوا نمایشی سه بعدی از ساختار اتمسفر بر اساس سطوح فشاری مختلف میباشند .(Warner, 2011) در مقایسه بین دو مجموعه نام برده می توان گفت که بیشتر مدل های پیشبینی جهانی صرفاً به زاویه ارتفاعی وابسته بوده و بنابراین نسبت به تغییراتی که در سطح اتفاق می افتد حساس نمیباشند.این ویژگی از دقت نتایج مدلهای مذکور میکاهد (Nordman, et al., 2007). اما تأخیر مایلی که از روش ردیابی اشعه با استفاده از مدلهای عددی هواشناسی حاصل میشود علاوه بر وابستگی به زاویه ارتفاعی به آزیموت مسیر ماهواره نیز وابسته است (Eresmaa & Jarvinen, 2006). از دیگر تفاوتهای مهم بین دو دسته مدل معرفی شده ضعف مدلهای پیشبینی جهانی در تخمین تأخیر تر تروپوسفری است. استفاده از پیشبینیهای مدلهای عددی وضع هوا در روش ردیابی اشعه منجر به تخمین بهتر مؤلفه تر میشود (Nordman, et al., 2007)
در سال 2001 روشی به منظور استفاده از دادههای مدل NWP جهت تخمین تأخیر تروپوسفری توسط وِدِل و همکارانش معرفی شد (Vedel et al., 2001). نوردمن (Nordman, et al., 2007) در تحقیقات خود نشان داد که استفاده از مدلهای عددی هواشناسی در تخمین تأخیر مایل تروپوسفری در مقایسه با مدل های پیشبینی جهانی از دقت بالاتری برخوردارند. اخیراً نیز تحقیقاتی در زمینه ارزیابی پتانسیل روش ردیابی اشعه با استفاده از مدلهای عددی هواشناسی در جهت محاسبه تأخیر تروپوسفری روی مشاهدات GPS انجام گرفته(Eresmaa & Jarvinen, 2010, Ghoddousi-Fard et al., 2009, Hobiger et al., 2008)
تفاوتهای موجود بین مدلهای نام برده و نتایج حاصل از تحقیق محققین دیگر، انگیزه بررسی و مقایسه نتایج حاصل از مدلهای مذکور را در کشورایجاد میکند. هدف از ارائهاین مقاله، ارزیابی و مقایسه بین دو مدل نام برده در منطقهای مرطوب از ایران است. از آنجا که مشکل عمده در تخمین مؤلفه تر تأخیر تروپوسفری است، منطقهای مرطوب ازایران دراین تحقیق انتخاب شده است تا کارایی روش ردیابی اشعه با استفاده از مدلهای NWP در بهبود برآورد مؤلفه نام برده بررسی شود. در این تحقیق از مدل پیشبینی جهانی سستامینن که با دادههای حاصل از مدل استاندارد اتمسفری حمایت می شود و تأخیر تروپوسفری حاصل از روش ردیابی اشعه با استفاده از مدل پیشبینی عددی وضع هوا، WRF[2] استفاده گردیده است. در استفاده از روش ردیابی اشعه دو رویکرد مورد بررسی قرار گرفته است. یک حالت زمانی است که از دادههای سطحی مشاهده شده توسطایستگاه هواشناسی در روند پردازش استفاده شده و در حالت دوم از دادههای سطحی حاصل از مدل NWP جهت محاسبات بهره گرفته شده است. میزان تأخیر تروپوسفری برای هر ماهواره و در هر اپک مشاهداتی برآورد شده و مشاهدات مربوطه نسبت به خطای مربوطه تصحیح شدهاند.
جهت ارزیابی کاراترین روش در حذف یا کاهشاین منبع خطا از سامانه های بر خط تعیین موقعیت مطلق دقیق استفاده شده است. در تعیین موقعیت با سامانه های مذکور علاوه بر موقعیت مطلق نقاط، مقدار تأخیر تروپوسفری نیز در راستای زنیتی هر اپک مشاهداتی تولید می گردد. از توابع نگاشت مختلفی میتوان جهت نگاشت تأخیر زنیتی بر راستای هر ماهواره و در هر اپک مشاهداتی استفاده کرد که از آن جمله میتوان به GMF[3], VMF[4], NMF[5]اشاره کرد .(Bohem et al., 2006, 2007, Neill, 1996) دراین تحقیق از تابع نگاشت GMF استفاده شده است. مقادیر تأخیر مایل بدست آمده از دو روش نام برده از مقدار حاصل از سرویس های بر خط تعیین موقعیت کم میشود واین اختلاف به عنوان باقیمانده خطای تروپوسفر روی مشاهدات کد و فاز در سطح فایل راینکس[6] به مشاهدات خام اعمال میگردد. فایلها برای پردازش به سامانه پردازش بر خط ارسال و موقعیت مطلق نقاط مجدداً محاسبه میگردد. تکرار پذیری موقعیت در دو دسته مختصات حاصله معیار مورد استفاده برای انتخاب روش بهینه است.
فصل دوم از این مقاله به مدل سازی تأخیر تروپوسفری و نحوه محاسبه این تأخیر با استفاده از مدلهای پیشبینی جهانی و ردیابی اشعه مبتنی بر NWP پرداخته است. در فصل سوم نحوه محاسبهاین تأخیر و نحوه اعمال آن بر روی مشاهدات خام دریافتی از گیرندههای GPS و در نهایت محاسبه موقعیت مطلق نقاط معرفی و نتایج حاصل مورد بررسی قرار میگیرد. در انتها نتایج عددی تحقیق و بررسی آنها موضوعی است که در فصل چهارم به آن پرداخته شده است.
پیشبینیهای مدلهای عددی هواشناسی در قالب یک شبکه سه بعدی ارائه میشوند. تقسیمبندی این شبکه در راستای ارتفاعی براساس سطوح فشاری است. کمیتهای هواشناسی در هر سطح فشاری، در یک شبکه افقی با رزولوشن مشخصی پیشبینی میشوند. بدین ترتیب اتمسفر تا یک سطح ارتفاعی مشخص شبیه سازی میگردد.
محاسبه شکست در طول مسیر سیگنال بین ماهواره و گیرنده با استفاده از مدلهای عددی پیشبینی وضع هوا مبتنی بر ردیابی اشعه از میان لایه های اتمسفری است. برای تعیین مسیر سیگنال و محاسبه تأخیر مایل تروپوسفری در روش ردیابی اشعه از مسیر هندسی، زوایای زنیتی و آزیموت هندسی بین گیرنده و ماهواره و موقعیت جغرافیایی گیرنده استفاده می شود. تأخیر مایل از انتگرال گیری انکسار در طول مسیر سیگنال بدست میآید (Hofmann-Wellenhof et al., 2001):
(4)
در رابطه اخیر میزان انکسار ، تابعی از دما، فشار و رطوبت است. این کمیتها از مدل عددی پیشبینی وضع هوا قابل استخراج است (Bevis e al., 1994):
(5)
جهت ارزیابی و مقایسه نتایج حاصل از دو روش شرح داده شده، روز میانی از بازه زمانی مورد تحقیق به عنوان اپک مرجع در نظر گرفته شده است و تکرارپذیری مختصاتهای بدست آمده از سرویس برخط مذکور، نسبت به این اپک مرجع مورد ارزیابی قرار میگیرد. نتایج در جدول 1 گزارش شده است.
روش مورد استفاده |
ریشه خطای مربعی متوسط تکرارپذیری (میلیمتر) |
||
شرقی- غربی |
شمالی- جنوبی |
ارتفاعی |
|
ردیابی اشعه همراه با دادههای سطحی مشاهداتی |
88/0 |
35/1 |
98/0 |
ردیابی اشعه همراه با دادههای سطحی مدل WRF |
42/3 |
95/2 |
28/3 |
مدل سستامینن |
61/2 |
46/3 |
13/3 |
تصحیحهای تروپوسفری محاسباتی با سه روش مذکور، به فایلهای مشاهداتی خام گیرنده اعمال و موقعیت دقیق روزانه ازاینایستگاه با استفاده از دادههای تصحیح شده تخمین زده شد. از تکرارپذیری موقعیت دقیق محاسبه شده برایایستگاه تنکابن به عنوان معیاری جهت تحلیل و مقایسه نتایج بدست آمده استفاده شده است. تکرارپذیری مختصات در مؤلفه ارتفاعی موقعیت این ایستگاه از 13/3 میلی متر در روش تصحیح تأخیر تروپوسفر با استفاده از مدل سستامینن به 98/0 میلی متر در روش ردیابی اشعه همراه با دادههای سطحی مشاهداتی کاهش پیدا کرده است. همچنین با اعمال تأخیر تروپوسفری حاصل از روش ردیابی اشعه همراه با دادههای سطحی مشاهداتی (روش دوم در این مقاله)، تکرار پذیری در مؤلفههای شرقی و شمالی به ترتیب 11/2 و 73/1 میلی متر بهبود مییابد. نتایج بدست آمده گویای این مطلب است که استفاده از مدلهای عددی پیشبینی وضع هوا به دلیل در اختیار گذاشتن شبکهای سه بعدی از پارامترهای جوی، همراه با دادههای سطحی مشاهداتی، راهکاری مناسب در برآورد خطای تروپوسفری مشاهدات GPS است.
اما استفاده از روش ردیابی اشعه با دادههای سطحی حاصل از مدل WRF در مقایسه با روش استفاده از مدل سستامینن به بهبود تکرارپذیری مختصات در هر سه مؤلفه نمی انجامد. به عبارت دیگر بر اساس نتایج حاصل، تخمین تأخیر تروپوسفری با مدل پیشبینی جهانی سستامینین به برآوردی صحیح تر از این تأخیر در مقایسه با روش ردیابی اشعه بدون استفاده از دادههای سطحی مشاهداتی میانجامد. نتایج این پژوهش بر این نکته تاکید دارد که مدل عددی هواشناسی مورد استفاده دراین تحقیق در محاسبه دادههای سطحی ضعیف بوده و بنابراین استفاده از آن در تعیین موقعیت مستلزم استفاده از روشهای پس پردازشی یا داده گواری جهت بهبود نتایج این مدل در سطح زمین است. توجه به این موضوع از آن جهت حائز اهمیت است که کوچکترین خطا در دادههای سطحی میتواند به خطای بزرگی در نتایج تعیین موقعیت منتهی گردد (Doch et al., 2007). بنابراین پیشنهاد میشود تا در غیاب دادههای سطحی دقیق از مدلهای استاندارد اتمسفری و مدلهای پیشبینی جهانی جهت برآورد تأخیر تروپوسفری استفاده گردد. در غیراین صورت نتایجاین تحقیق بر استفاده از روش ردیابی اشعه مبتنی بر دادههای مدل هواشناسی WRF به همراه دادههای سطحی با دقت مناسب برای حذف اثر تأخیر تروپوسفری تاکید دارد.