وبلاگ
ماهواره های GNSS | نقش GPS، گلوناس و گالیله در نقشهبرداری
ماهواره های GNSS شالوده و زیربنای اصلی تکنولوژیهای مدرن تعیین موقعیت و نقشهبرداری دقیق زمینی را تشکیل میدهند. امروزه مهندسان نقشهبردار با اتکا به شبکهای از ماهوارههای فعال در مدار زمین، قادرند مختصات سهبعدی نقاط را با دقتهای میلیمتری و سانتیمتری استخراج نمایند. در گذشته تنها اتکا به یک منظومه ماهوارهای محدودیتهای فراوانی را در مناطق شهری، کوهستانی و زیر پوشش گیاهی ایجاد میکرد، اما امروزه ترکیب منظومههای مطرح شامل جیپیاس (GPS)، گلوناس (GLONASS) و گالیله (Galileo) تحولی عظیم در سرعت و دقت تعیین موقعیت ایجاد کرده است. اگر به دنبال درک عمیقتر برداشتهای زمینی هستید، مطالعة گیرنده GNSS | راهنمای کامل برداشت نقاط در نقشه برداری ۱۴۰۵ دید جامعی درباره تجهیزات مرتبط به شما خواهد داد.
تاریخچه و نحوه عملکرد ماهواره های GNSS در تعیین موقعیت
عبارت GNSS مخفف Global Navigation Satellite System یا سامانه ماهوارهای ناوبری جهانی است. این عبارت یک چتر کلامی کلی برای تمام منظومههای ماهوارهای فعال در مدار زمین به شمار میرود. ساختار عملکردی ماهواره های GNSS بر پایه اصل سهبعدیسازی یا Trilateration استوار است. در این فرآیند، گیرنده زمینی سیگنالهای رادیویی حاوی اطلاعات زمان ارسال و پارامترهای مداری (Ephemeris) را از ماهوارهها دریافت کرده و با محاسبه فاصله زمانی طی شده توسط سیگنال، فاصله خود تا هر ماهواره را مشخص میسازد.
برای تعیین موقعیت دقیق سه بعدی شامل طول، عرض و ارتفاع، دریافت حداقل سیگنال از چهار ماهواره ضروری است. ماهواره چهارم جهت رفع خطای ساعت گیرنده کاربرد دارد. هرچه تعداد ماهوارههای در دسترس گیرنده بیشتر باشد، هندسه ماهوارهها (DOP) بهبود یافته و خطای تعیین موقعیت بهشدت کاهش مییابد. امروزه استفاده از تکنیکهای پیشرفته تعیین موقعیت آنی (RTK) و تعیین موقعیت پسپردازش (PPK) باعث شده تا بهرهگیری از توان کامل تمام منظومهها به یک الزام در پروژههای عمرانی تبدیل شود.
معرفی منظومه GPS؛ نخستین گام در تعیین موقعیت ماهوارهای
منظومه GPS (Global Positioning System) توسط وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا راهاندازی شد و اولین منظومه عملیاتی جهان بود. این سامانه از حداقل ۲۴ ماهواره فعال در ۶ صفحه مداری با زاویه میل ۵۵ درجه نسبت به استوا تشکیل شده است. ارتفاع مداری این ماهوارهها حدود ۲۰,۲۰۰ کیلومتر از سطح زمین است که موجب میشود هر ماهواره ظرف ۱۲ ساعت یک بار زمین را دور بزند.
سیگنالهای GPS روی فرکانسهای مختلفی از جمله L1، L2 و L5 ارسال میشوند. فرکانس L1 حامل کدهای عام C/A است، در حالی که فرکانسهای L2 و L5 سیگنالهای پیشرفتهتر و ساختاریافتهتری برای کاربردهای دقیق نظامی و غیرنظامی فراهم میکنند. برای بررسی نقش تجهیزات چندفرکانسه در محیطهای مختلف شهری، مقاله جی پی اس مولتی فرکانس و کاربرد آن در شهرسازی ۱۴۰۵ اطلاعات ارزشمندی در اختیار شما میگذارد.
بررسی سیستم GLONASS؛ رقیب قدرتمند روسی
سامانه گلوناس (GLONASS) پاسخ اتحاد جماهیر شوروی و سپس فدراسیون روسیه به سامانه GPS بود. این منظومه از ۲۴ ماهواره فعال تشکیل شده که در ۳ صفحه مداری با زاویه میل ۶۴.۸ درجه قرار گرفتهاند. زاویه میل بالاتر ماهوارههای گلوناس باعث شده تا پوشش این سیستم در عرضهای جغرافیایی شمالی و قطبی بهمراتب بهتر از سیستم GPS باشد.
یکی از ویژگیهای منحصربهفرد اولیه گلوناس استفاده از تکنیک دسترسی چندگانه با تقسیم فرکانس (FDMA) بود؛ بدین معنا که هر ماهواره در فرکانس متفاوتی سیگنال ارسال میکرد. با این حال، در نسلهای جدید ماهوارههای گلوناس (GLONASS-K)، این سیستم به سمت تکنیک CDMA (مشابه GPS و Galileo) حرکت کرده است تا هماهنگی و تلفیق سیگنالها در گیرندههای نقشه برداری تسهیل شود. حضور ماهواره های GNSS متعلق به گلوناس، مکمل فوقالعادهای برای GPS در معابر تنگ و معابر شهری با ساختمانهای بلند است.
منظومه گالیله (Galileo)؛ اوج دقت و غیرنظامی بودن
پروژه گالیله توسط اتحادیه اروپا و آژانس فضایی اروپا (ESA) طراحی و پیادهسازی شد. برخلاف GPS و GLONASS که زیر نظر نهادهای نظامی مدیریت میشوند، گالیله یک سیستم کاملاً غیرنظامی و تجاری است. این منظومه شامل ۳۰ ماهواره (۲۴ ماهواره فعال و ۶ ماهواره پشتیبان) در ارتفاع ۲۳,۲۲۲ کیلومتری است.
ماهوارههای گالیله به ساعتهای اتمی هیدروژنی فوقالعاده دقیقی مجهز هستند که میزان خطای زمانی آنها بسیار ناچیز است. این امر باعث شده تا سیگنالهای فرکانسی E1، E5a، E5b و E6 سامانه گالیله بالاترین میزان دقت و مقاومت در برابر پدیده چندمسیری (Multipath) را داشته باشند. تلفیق سیگنالهای Galileo با سایر منظومهها، پایداری تثبیت فاز موج حامل (Fix Solution) را در گیرندههای نقشهبرداری بهشدت افزایش داده است.
جدول مقایسه منظومههای اصلی ماهواره های GNSS
برای درک بهتر تفاوتها و مشخصات فنی اصلیترین سامانههای تعیین موقعیت جهانی، جدول زیر مقایسهای جامع میان این منظومهها ارائه میدهد:
| نام منظومه | کشور / نهاد سازنده | تعداد ماهوارههای فعال | ارتفاع مداری (کیلومتر) | فرکانسهای اصلی | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|---|---|
| GPS | ایالات متحده آمریکا | ۳۱ | ۲۰,۲۰۰ | L1, L2, L5 | نظامی و عمومی |
| GLONASS | روسیه | ۲۴ | ۱۹,۱۰۰ | L1, L2, L3 | نظامی و عمومی |
| Galileo | اتحادیه اروپا | ۲۸ | ۲۳,۲۲۲ | E1, E5a, E5b, E6 | غیرنظامی و تخصصی |
| BeiDou | چین | ۳۵ | ۲۱,۱۵۰ تا ۳۵,۷۸۶ | B1, B2, B3 | تجاری و نظامی |
تأثیر ترکیب منظومهها بر دقت نقشهبرداری زمینی
در پروژههای عملیاتی نقشهبرداری، استفاده همزمان از تمام ماهواره های GNSS مزایای شگرفی ایجاد میکند. زمانی که گیرنده زمینی شما از چند منظومه بهصورت همزمان پشتیبانی کند، تعداد ماهوارههای در دسترس در هر لحظه از حدود ۷ تا ۹ ماهواره (در حالت فقط GPS) به بیش از ۳۰ تا ۴۰ ماهواره فعال افزایش مییابد. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره تاثیر عوامل محیطی بر دریافت سیگنال، پیشنهاد میکنیم مقاله دقت جی پی اس و تاثیر شرایط جوی بر آن را مطالعه کنید.
۱. کاهش شاخص DOP و بهبود هندسه آرایش ماهوارهها
شاخص Dilution of Precision یا DOP بیانگر میزان ضریب کاهش دقت بر اثر توزیع هندسی ماهوارهها در آسمان است. هرچه ماهوارهها بهصورت یکنواختتر در زوایای مختلف آسمان پخش شده باشند، عدد DOP پایینتر و دقت تعیین موقعیت بالاتر خواهد بود. حضور همزمان ماهواره های GNSS از شبکههای مختلف باعث میشود در مناطق با افق دید محدود (مانند درهها یا خیابانهای عریض با برجهای بلند)، عدد GDOP و PDOP همواره در محدوده ایدهآل (زیر ۲) باقی بماند.
۲. افزایش سرعت تثبیت ابهام فاز (Fix Time)
در برداشتهای RTK، هدف اصلی تعیین دقیق ابهام فاز موج حامل (Ambiguity Resolution) برای دستیابی به دقت سانتیمتری است. با افزایش تعداد سیگنالهای دریافتی از ماهواره های GNSS، الگوریتمهای گیرنده میتوانند در زمان بسیار کوتاهتری (چند ثانیه) به حالت Fix دست یابند. این موضوع در پروژههای خطی نظیر راهسازی و خطوط انتقال نیرو سرعت عمل برداشت را چندین برابر میکند.
۳. غلبه بر پدیده چندمسیری (Multipath) و انسداد سیگنال
در محیطهای پرتراکم شهری، سیگنالها ممکن است پس از برخورد با نماهای شیشهای یا فلزی به آنتن گیرنده برسند که موجب خطای چندمسیری میشود. ترکیب سیگنالهای فرکانس جدید از ماهوارههای گالیله و جیپیاس به همراه الگوریتمهای پردازشی پیشرفته در تجهیزاتی مانند گیرندههای کامناو، تاثیر خطای چندمسیری را به حداقل ممکن میرساند. مطالعه بررسی تخصصی در مقاله گیرنده GNSS کامناو | معرفی جامع، بررسی مشخصات و راهنمای انتخاب ۱۴۰۵ راهنمای بسیار مناسبی برای انتخاب گیرنده قدرتمند با پشتیبانی کامل از تمام منظومهها است.
نقش فرکانسهای جدید ماهوارهای در ارتقای دقت
ماهوارههای جدید که در سالهای اخیر به مدار زمین پرتاب شدهاند، علاوه بر فرکانسهای سنتی، سیگنالهای ساختاریافته بهینهای را ارسال میکنند. برای نمونه، فرکانس L5 در GPS و فرکانسهای خانواده E5 در گالیله با توان ارسال بالاتر و پهنای باند عریضتر طراحی شدهاند. این سیگنالها در برابر نویزهای محیطی و تداخلات الکترومغناطیسی پایداری بسیار بیشتری نشان میدهند.
مهندسان نقشهبردار با بهرهگیری از تجهیزات مدرن چندفرکانسه میتوانند از این سیگنالها برای محاسبات ترکیبهای بدون یونوسفر (Ionosphere-Free Combination) استفاده کرده و اثر خطای اتمسفر را تا ۹۹ درصد در برداشتهای بلندمدت حذف نمایند. برای مطالعه مفاهیم مرتبط با ماهوارههای ناوبری میتوانید به دانشنامه Wikipedia درباره Satellite Navigation نیز مراجعه فرمایید.
سوالات متداول (FAQ)
۱. آیا گیرندههای تکفرکانسه قدیمی میتوانند سیگنال تمام ماهواره های GNSS را دریافت کنند؟
خیر، گیرندههای تکفرکانسه قدیمی عموماً تنها قادر به دریافت فرکانس L1 از منظومه GPS و بعضاً GLONASS هستند. برای بهرهمندی از سیگنالهای تمام منظومهها مانند Galileo و BeiDou به گیرندههای مولتی فرکانس و مدرن GNSS نیاز است.
۲. کدام منظومه ماهوارهای بیشترین دقت را در نقشهبرداری ارائه میدهد؟
سیستم گالیله (Galileo) به دلیل بهرهمندی از ساعتهای اتمی پیشرفتهتر و ساختار سیگنال مدرنتر، بالاتری دقت ذاتی را دارد؛ اما در عمل ترکیبی از تمام ماهواره های GNSS بالاترین دقت و پایداری را در برداشتهای زمینی ایجاد میکند.
۳. حداقل تعداد ماهواره های GNSS برای برداشت RTK چند عدد است؟
از نظر تئوریک ۴ ماهواره کافی است، اما برای دستیابی به موقعیت تثبیتشده (Fix) با دقت سانتیمتری در روش RTK، معمولاً به حداقل ۱۰ تا ۱۲ ماهواره با توزیع هندسی مناسب نیاز خواهد بود.
نتیجهگیری
تحول فناوری در صنعت تعیین موقعیت فضایی باعث شده تا امروزه ماهواره های GNSS به ابزاری جدانشدنی از پروژههای نقشهبرداری، کاداستر، راهسازی و ساختوساز تبدیل شوند. ترکیب توانمندی منظومههای GPS آمریکا، GLONASS روسیه، Galileo اروپا و BeiDou چین، محدودیتهای گذشته ناشی از کور بودن افق دید یا خطاهای اتمسفری را برطرف ساخته است. سرمایهگذاری بر روی تجهیزات گیرنده زمینی چندفرکانسه که توانایی ردیابی همزمان تمام این سامانهها را دارند، تضمینکننده دقت، سرعت و کیفیت خروجی پروژههای مهندسی شما خواهد بود. برای مطالعه سایر تحلیلهای تخصصی صنعت ژئوماتیک میتوانید گزارشهای وبسایت تحلیلی Geospatial World را نیز بررسی نمایید.
