Document Type : Original Article
Authors
Abstract
Keywords
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.