خطاهای ناشی از اتمسفر بر روی GPS

 در آغاز این مبحث ما ذکر کردیم که چگونه امواج رادیویی ، امواج میکروویو و نورهای مرئی ، اشعه
 و سایر امواج رادیویی با سرعت نور حرکت می کنند ، با وجود آنکه آنها انواع مختلف امواج X های
 الکترومغناطیسی می باشند ولی در فرکانسهای مختلف کار می کنند . جیمز کلزک ماکسول
   یک فیزیکدان اسکاتلندی ، این مطلب را به صورت قوانین تئوری بیان نمود .  
 به حال ما گفتیم امواج رادیویی که از ماهواره ها فرستاده می شوند با سرعت نور حرکت می کنند
 : V= 2.99792488 * 10^8
 تعریف شده است و دقیق ترین مقدار موجود می باشد GPS این سرعت ، سرعتی است که در دستگاه
 . ولی این سرعت در خلا امکان پذیر می باشد . همانطور که می دانیم نور خورشید به امواج رنگی با
 طول موجهای مختلف قابل تجزیه می باشد . این تجزیه با یک منشور قابل رویت است . یک سیگنال
 ماهواره ای نیز هنگامی که وارد قسمتهای مختلف اتمسفر زمین می شود تحت تاثیر واقع می شود
 نیوتن پراکندگی رنگها را در نور خورشید کشف کرد . توجه کنید که رنگ قرمز پائین ترین اشعه
 است چون رنگ قرمز پائین ترین فرکانس را دارد و رنگ بنفش بالاترین فرکانس را در طیف امواج
 مرئی دارد و امواج فرکانس پائین کمتر از امواج فرکانس بالا قابل شکست هستند
 نیز سرعتشان تغییر می کند و دچار شکست می شوند GPS به طور مشابه ، سیگنالهای ماهواره ای
 هنگامی که وارد اتمسفر زمین می شوند . این پدیده را می توان به دو بخش تقسیم کرد : آینوسف یریک
 و تروپسفیریک . خطای ابتدایی در اینوسفریک اتفاق می افتد . یک لایه ، اشعه هایی که بین 80 مایلی
 تا 200 مایلی کره زمین می باشند را شارژ می نماید .چگالی اشعه های شارژشده در اینوسفریک در
 شب و روز و فصل به فصل با توجه به میزان انرژی خورشید رسیده به اتمسفر فرق می کند . همچنین
 تاخیر امواج رادیویی به چگالی اشعه های شارژ شده بستگی دارد و البته قابل پیش بینی می باشد
 از یک مدل تاخیر انداز ریاضی استفاده می کنند .یک روش بهتر برای GPS بعضی از گیرنده های
 محاسبه تاخیر در امواج رادیویی مقایسه دو سیگنال با فرکانس های مختلف است . این همان مس اله
 پراکندگی و تجزیه امواج نور خورشید است که در مورد آن صحبت کردیم . جائی که فرکانس های
 
 پائین رنگ قرمز دچار زاویه شکست کمتر نسبت به فرکانس های بالاتر می شوند . یک فرمول برای
 توصیف این پدیده وجود دارد . میزان کاهش سرعت یک سیگنال به طور معکوس با فرکانس رابطه
 دارد . این روشی است برای تشخیص خطای اینوسفریک که معمولاً در تجهیزات نظامی و در مدل
 های پیشرفته در گیرنده های دو فرکانسه استفاده می شود
 1227.6 MHz 1575.42 و MHz یا L دو فرکانس منتشر می کنند . 1 GPS ماهواره های
 گیرنده های دو فرکانسه هر دوی این فرکانسها را دریافت می کنند و می توانند با استفاده از ; L یا 2
 این دو فرکانس و مقایسه آنها و با توابع نرم افزاری موجود در این دستگاهها عمل تصحیح را انجام
 دهند .این محاسبات قسمت اعظم خطای اینوسفریک را اصلاح می کند . به هر حال بیشتر گیرنده های
 استفاده می کنند . به خاطر اینکه قیمت گیرنده های دوفرکانسه بسیار بالا L از فرکانس 1 GPS
 می باشد و بیشتر برای مقاصد نظامی آمریکا استفاده می شود
 تروپسفیر محدوده بالای سطح زمین است . ( کل محدوده ای که هوا در آن می باشد . ) بخار آب می
 تواند بر روی امواج رادیویی تاثیر بگذارد و این تاخیر را می توان با تقریب خوبی توسط یک مدل
 ریاضی توصیف نمود . الگوریتم این مدل ریاضی در دستگاه گیرنده شما تعبیه شده که از این مدل
 جهت تصحیح خطا استفاده می شود
 مدل ریاضی
 این بخش ، قسمت خوبی برای آشنایی شما با یک عمل مهندسی می باشد . در قسمتهای قبل ما مدلهای
 ریاضی را که جهت تصحیح خطای اتمسفر بر روی اطلاعات استفاده می شود را معرفی نمودیم . بیشتر
 اوقات ، مهندسین از مدلهای مختلف طراحی شده جهت حل مسائل استفاده می کنند
 
 یک مورد از این مدلها ، استفاده از نتایج تجربی می باشد . مهندسین ساخت و طراحی م اشین ،
 فرمولهایی برای توصیف رفتارها و مشخصات یک موتور برای کنترل دقیق آن دارند . این فرمولها و
 معادلات بر اساس پایه های تئوری نمی باشد . در عوض آنها با توجه به آزمایشات و مشاهدات می
 توانند جدولهایی را بوجود بیاورند که فرمول تئوری آن بسیار مشکل است به طوری که فاکتورهای
 یک نمونه از فرمولهای GPS زیادی بر روی کارکرد یک موتور تاثیر می گذارد . در کاربرد در
 تجربی استفاده از تقویم نجومی می باشد . این مساله بسیار اساسی است به گونه ای که در این جدول ،
 نیروی جاذبه زمین ، نیروی جاذبه ماه و سایر فاکتورهای دیگر در نظر گرفته شده است که توصیف آنها
 بر اساس فرمولهای تئوری بسیار مشکل و کاری تقریباً غیر ممکن می باشد . این جدولها مانند قوانین
 کپلر یا تئوری نیوتن در مورد جاذبه زمین نمی باشند . بنابراین تنها راه عملی برای حل این مشکلات
 شما از روش دیگر نیز جهت استفاده از مدلهای ریاضی دارد . GPS مدل ریاضی می باشد . گیرنده
 از یک مدل کروی به عنوان شکل زمین جهت محاسبه طول جغرافیایی ، عرض جغرافیایی و GPS
 ارتفاع استفاده می نماید . شعاع استوایی کره زمین 6378173 کیلومتر و شعاع قطبی آن
 6350762 کیلومتر می باشد ( زمین کره نیست . ) در مورد این مدل در فصول بعد بیشتر توضیح
 خواهیم داد
 Selective Availibility خطای
 ما قبلاً گفتیم که ساعت فوق العاده دقیق ماهواره ها و اندازه گیری زمانی راهی برای محاسبات دقیق
 بر اساس زمان استاندارد با ساعتهای اتمی است به خاطر اینکه سیستم GPS می باشد . زمان GPS
 موقعیت یاب جهانی از اختلافات زمانی برای محاسبه موقعیت دقیق استفاده می نماید
 داستان دوبرادر
 
 الآن بهترین روزهای زندگی است . الآن بدترین روزهای زندگی است . برای آلبرت و هانری ، دو
 برادر دوقلوی 20 ساله
 بهترین زمانها است به خاطر اینکه آلبرت یک سفر فضایی طولانی مدت بین ستارگان را برای اولین بار
 در تاریخ بشری انجام می دهد . اطراف هر ستاره سیاره هایی هستند . تحقیقات نشان می دهد که یکی
 از سیاره های اطراف ستاره ها برای زندگی بسیار مناسب می باشد و ممکن است آلبرت تمدنهای
 پیشرفته ای بر روی آن سیاره ها بیابد
 به هر حال فاصله ستاره از منظومه شمسی ما بسیار زیاد می باشد که این مقدار برای نزدیکترین ستاره
 برابر 30 سال نوری می باشد . سال نوری زمانی است که نور در یک سال طی می کند که برابر می
 شود با
 300000*86400(Second/day)*365(day/year) = 9460800000000 Km
 حال اگر سفینه آلبرت بتواند با نهایت سرعت ، یعنی سرعت نور حرکت بنماید چندین دهه طول می
 کشد تا او سفر خود را به پایان برساند . یک تئوری معروف می گوید : هیچ جسمی سریعتر از سرعت
 نور حرکت نمی کند .
 متاسفانه هنری نمی تواند با برادر خود سفر کند چون او کارهای مهمی در کره زمین دارد . هنگامی که
 آلبرت به کره زمین برگردد ساعت آلبرت اینگونه نشان میدهد که چند سال گذشته است ولی برای
 هنری چندین دهه گذشته است . بدترین روزها برای هنری به این معنا است که آنها ممکن است هرگز
 همدیگر را نبینند . اگر هنری به اندازه کافی عمر کند و بتواند تا 80 سالگی یا کمی بیشتر زنده بماند
 ممکن است برادر خود را ببیند . این در حالی است که آلبرت جوان که از ادیسه برگشته است هنوز در
 اوایل 20 سالگی می باشد . این مساله برای این دو نفر از لحاظ احساسی بسیار ناراحت کننده است
 
 این مساله را باور داشته باشید یا نه ، این یک داستان جالب یا یک فیلم سینمایی نیست . به یاد داشته
 باشید که همه این مسائل حقیقت است
 مسلماً در برابر پیشرفت بشر هیچ کاری نمی شود کرد . تنها کاری که می شود انجام داد پاسخ به این
 سوال است که چگونه زمان در یک سفینه فضایی که با سرعت وحشت آوری حرکت می کند با زمان
 روی کره زمین متفاوت است ؟!
 فرضیه مخصوص نسبی بودن اینشتین بیان می دارد که زمان مانند مکان به حرکت نسبی و سرعت نسبی
 بستگی دارد . ساعت نصب شده بر روی سفینه فضایی بسیار کندتر از ساعت روی کره زمین حرکت
 می کند . و فاصله بین منظومه شمسی و منظومه مجاور بسیار کوتاهتر خواهد شد . این کوتاه شدن
 فاصله به علت حرکت نسبی است . از نظر آلبرت در سفینه فضایی ساعت او مانند زمین عادی کار می
 کند . به هر حال فاصله بین زمین و منظومه بعدی بسیار کوتاهتر از همان فاصله بر روی کره زمین می
 باشد . بنابراین فقط چند سال نیاز است تا به منظومه بعدی برسیم . همینطور چند سال نیاز است تا
 بازگردیم و در طی کمتر از 10 سال آلبرت برادرش هنری را ملاقات می کند ولی برای هنری که
 همیشه بر روی زمین است فاصله بین زمین و منظومه بعدی همیشه 30 سال نوری می باشد . بنابر این از
 نظر هنری چندین دهه طول می کشد تا برادرش آلبرت را ببیند
 این نظریه نسبیت زمان و فاصله در فیزیک مدرن بسیار غیر منطقی و حتی وحشت آور در فیزیک
 کلاسیک می باشد . می دانیم که در فیزیک کلاسیک همیشه زمان و مکان ثابت می باشند . نتیجه
 دیگری که از نسبیت استخراج می شود که شما هم ممکن است با آن آشنایی داشته باشید رابطه بین
 مقدار ثابت سرعت نور می باشد وقتی C که ; E=mC^ انرژی و جرم است . برای مثال در فرمول 2
 به توان 2 می رسد و در جرم ضرب می شود مقدار فوق العاده زیادی خواهد شد . این مساله بیانگر این
 
 است که مقدار کمی جرم می تواند انرژی زیادی آزاد نماید . این مساله نحوه تولید انرژی اتمی و
 انرژی فراوان سطح خورشید را توجیه می کند
 GPS فرضیه نسبی بودن
 یکی از اولین سیستمهای عملی بود که بشر تولید کرد . به غیر از مساله شتاب ذره ها و انرژی GPS
 تولید شده توسط آنها ، اثرات نسبی که آنها نسبت به یکدیگر دارند نیز باید در نظر گرفته شود . یک
 ممکن است سرعت نسبی زیادی نسبت به زمین داشته GPS دلیل برای این حرف این است که ماهواره
 باشد . قبلاً گفتیم که وقتی ماهواره ها نسبت به زمین ثابت نیستند ، یک سرعت نسبی نسبت به زمین
 با سرعت سفینه فضایی آلبرت قابل مقایسه نیست GPS خواهند داشت . با اینکه سرعت ماهواره های
 ولی با اینحال مقدار کمی خطا ایجاد می کند که این خطا باید توسط عملکرد سیستم و دستگاه گیرنده
 تصحیح شود . ساعتهای روی ماهواره در حال حرکت کمی آهسته تر از ساعتهای روی زمین ک ار می
 کنند . ( به دلیل سرعت نسبی ماهواره نسبت به زمین ) این اثرات ممکن است قابل مشاهده نباشند چون
 بسیار کوچک هستند . ولی باید توجه داشته باشید که این سیستم با ساعت اتمی کار می کند برای
 اینکه کوچکترین زمانها هم برای تعیین فاصله بسیار مهم می باشند ( زمانها در حدود نانوثانیه می باشند
 ابتدا سرعت نسبی بین GPS . ) این خطاهای کوچک باید توسط دستگاه گیرنده اصلاح شوند
 خود و ماهواره موردنظر را با توجه به نرم افزار تقویم نجومی خود محاسبه می کند و بعد از این
 اطلاعات جهت تصحیح خطای موجود استفاده می نماید
 یک خطایی ایجاد GPS این اختلاف زمان در نظر گرفته نشود ، این GPS اگر در طراحی سیستم
 یا در اختصار Selective Availibility می کند که قابلیت برداشتن یا اصلاح نکردن این خطا
 گفته می شود . حال باید بدانیم که چرا سازندگان تا مدتها این خطا را اصلاح نک ردند ؟ !این SA
 
 از تروریست ها و دولت های مهاجم به خاطر استفاده از دقت U.S مساله به دلیل نگرانی دولت
 باعث می شود که در یک ناحیه محدود موقعیت شما با S.A دستگاه در جهت های منفی است . اثر
 کمی خطا مشخص شود
 در 2 می 2000 ، ایالات متحده این خطا را برای افزایش دقت دستگاه گیرنده کاربران حذف نمود
 Differential های تفاضلی GPS
 های استاندارد توانستند به یک GPS ، در می سال 2000 میلادی S.A بعد از غیر فعال کردن حالت
 ها در 95 درصد اوقات GPS غیر فعال شود S.A دقت عرضی 30 متری برسند . ولی قبل از اینکه
 های تشخیص GPS دقت عرضی 100 متری و دقت طولی 156 متری داشتند .همچنین دقت بالاتر با
 های تشخیص دهنده استفاده از یک گیرنده مرجع که در یک مکان GPS دهنده بدست آمد . فن
 موقعیت ، GPS مشخص و از پیش تعیین شده قرار دارد . گیرنده مرجع مانند بقیه گیرنده های
 ماهواره ها را نسبت به زمین می داند و همچنین موقعیت دقیق خود را روی زمین می داند و این ایستگاه
 می تواند فاصله دقیق خود را تا ماهواره ها تشخیص دهد و با بدست آوردن این فاصله بر سرعت نور
 برای بدست آوردن زمان استفاده نماید . این زمان ، زمانی است که طول می کشد تا سیگنال از ماهواره
 به پایگاه گیرنده برسد . گیرنده این زمان محاسبه شده را با زمان واقعی برای رسیدن سیگنال مقایسه می
 GPS کند و اختلاف بین این زمانها ، زمان خطا می باشد . این پایگاه ، خطا را در فضا منتشر می کند و
 هایی که در برد این انتشار قرار داشته باشند می توانند از این تصحیحات جهت محاسبه موقعیت دقیق
 استفاده نمایند
 بیشتر خطاهایی که ما قبلاً آنها را برشمردیم که بر روی دستگاههای کیرنده تاثیر گذار بودند عبارت
 بیشتر خطاها می توانند به روش . S.A بودند از تاخیر اتمسفریک ، خطای ساعت ماهواره و فعال بودن
 
 های نقشه برداری این GPS بالا کم شوند . درنتیجه دقتی با خطای 1 متر بدست می آید که برای
 خطا در حد سانمتیمتر می رسد
 WAAS
 باید دقت و هوشیاری GPS برای بسیاری از کاربردهای عمومی ، مثلاً برای یک عملیات نجات
 Wide Area Augmentation بالایی از نظر نرم افزاری داشته باشد . سیستم افزایش محدوده
 و GPS توسط دولت فدرال امریکا مورد بررسی قرار گرفت . در این سیستم ، درستی System
 در مراحل اولیه فقط WAAS تصحیحات خطا توسط پایگاههای زمینی محاسبه می شوند . سیستم
 می باشد DGPS در واقع چیزی شبیه به همان سیستم WAAS . در امریکا مورد استفاده قرار گرفت
 با این تفاوت که به جای ایستگاههای زمینی ، از تعدادی ماهواره جدید استفاده می نماید . ماهواره
 می باشند و نسبت به زمین موقعیت ثابتی دارند . این GEOStationary از نوع WAAS های
 را از ایستگاههای زمینی گرفته و کدهای درست و اصلاح شده را GPS ماهواره ها اطلاعات خطای
 برای گیرنده شما می فرستند . با انجام این کار ، دقت شما به مثبت منفی 2 متر و عرضی 3 متر افزایش
 در دسترس US این گزینه فقط در ، WAAS می یابد . با توجه به ثابت بودن موقعیت ماهواره های
 بوده و در صورتی که شما در کشور دیگری از آن استفاده کنید برای شما قابلیتی نخواهد داشت . در
 حال حاضر ، برخی کشورها در حال توسعه سیستمهای تصحیح خطا و ماهواره های مربوط به کشور
 در کشورشان می WAAS برای توسعه سیستم US خود می باشند . برخی هم در حال اخذ قرارداد با
 باشند

نظرات بسته شده است، اما بازتاب و پینگ باز است.