بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله از یک شبکه عصبی مصنوعی بازگشتی 2 لایه با 25 نورون در لایه مخفی جهت مدلسازی مقدار محتوای الکترونی لایه یونوسفر - TEC - استفاده شده است. به طور کلی برای مدلسازی 1 TEC به شبکه عصبی پیشرفته ای نیاز داریم زیرا مقدار TEC تابعی از طول ژئودتیک، عرض ژئودتیک و زمان می باشد. در این جا منظور از زمان ساعت خاصی از روز است هرچند که این پارامتر می تواند به یک روز خاص از ایام سال هم اطلاق شود.
علاوه بر این به دلیل تغییرات مقدار TEC نسبت به طول و عرض ژئودتیک بررسی این مسئله در حالت جهانی بسیار پیچیده است از این رو محدوده تغییرات طول و عرض به صورت محلی در نقاط شبکه اطراف ایران در نظر گرفته شده است. داده مورد استفاده مدل تک لایه TEC است که در تاریخ 8 آوریل 2014 توسط سرویس بین المللی IGS منتشر شده است. تعداد نورون های لایه مخفی به صورت تجربی و به روش سعی و خطا و با در نظر گرفتن مینیمم خطای نسبی برای نتایج به دست آمده است که جدول آن را در بخش معرفی شبکه عصبی ملاحظه می کنید.
-1 مقدمه
به طور کلی تمامی اندازه گیری های میدانی با خطا همراه هستند. این خطاها به دلایل مختلف و از منابع خطای مختلف ناشی می شوند. در یک تقسیم بندی کلی خطاها را به سه دسته خطاهای1 فاحش، خطاهای سیستماتیک2 و خطاهای تصادفی3 طبقه بندی می کنند. خطاهای فاحش یا اشتباهات باید قبل از انجام هر گونه عملیات محاسباتی از مجموعه مشاهدات حذف شوند. خطاهای سیستماتیک هم به دلیل رفتار منظم آن ها قابل مدلسازی هستند.
بنابراین تنها خطاهایی که بر روی مشاهدات باقی می مانند، خطاهای تصادفی هستند که رفتار آن ها را نمی توان مدل کرد. مقدار این خطاها با روش های آماری مانند روش کمترین مربعات تعدیل می شوند. از آن جایی که مشاهدات GPS در یک محیط فیزیکی به انجام می رسند بنابراین اندازه گیری های انجام شده در این سیستم نیز عاری از این گونه خطاها نیستند.[9] خطای تروپوسفری، شکست امواج در لایه یونوسفر، خطاهای ساعت ماهواره و گیرنده و خطای چند مسیری شدن از جمله منابع خطای مهم در این سیستم به شمار می آیند. در این مقاله به بررسی ویژگی های لایه یونوسفر و تاثیرات آن بر سیگنال های GPS می پردازیم.
بعد از حذف اثر 4 SA در حال حاضر خطای یونوسفری بزرگ ترین منبع خطا در تعیین موقعیت و ناوبری با GPS به شمار می آید. لایه یونوسفر از دو جهت بر سیگنال های GPS تاثیر می گذارد. اول این که به دلیل وجود الکترون های آزاد در این لایه میدان های الکتریکی و مغناطیسی سیگنال های GPS تحت تاثیر قرار گرفته و مسیر آن ها منحرف می شود. ثانیا به دلیل داشتن یک محیط مادی سرعت انتشار امواج در این لایه کاهش می یابد که به آن تاخیر یونوسفری می گویند.
مقدار خطای یونوسفری به شدت متغییر است و به فاکتورهای مختلفی مانند زمان روز، عرض ژئودتیک، فعالیت های خورشیدی و تغییرات فصلی بستگی دارد1]،2،.[3 مقدار این خطا با مقدار محتویات الکترونی - TEC - لایه یونوسفر متناسب است. TEC به صورت تعداد الکترون های آزاد در ستونی با سطح مقطع یک متر مربع در مسیر حرکت سیگنال در لایه یونوسفر تعریف می شود.
این پارامتر، عددی است که به مسیر مایل سیگنال در راستای زنیت محلی مرتبط است و تابعی از زاویه ارتفاعی ماهواره می باشد. در ژئودزی ماهواره ای از گیرنده های مختلفی برای دریافت امواج GPS استفاده می شود. این گیرنده ها به سه دسته گیرنده های تک فرکانسه، دو فرکانسه و چند فرکانسه تقسیم می شوند. در گیرنده های تک فرکانسه به دلیل این که از یک نوع فرکانس استفاده می شود، منابع خطای مختلف به ویژه خطای یونوسفری به شدت در تعیین موقعیت با این گیرنده ها تاثیر گذارند.
از این رو برای رسیدن به دقت های تعیین موقعیت مناسب با این گیرنده ها باید تاثیر هر کدام از این منابع را به کمک روش های ریاضی و تجربی مدل کرده و تاثیر آن ها را از روی اندازه گیری ها حذف و یا کاهش دهیم. اما در گیرنده های دو یا چند فرکانسه به دلیل استفاده از فرکانس های مختلف تاثیر هر یک از این منابع خطا با ترکیب مختلف مشاهدات مدلسازی می شوند
بنابراین برای حذف و یا کاهش منابع خطای سیستماتیک بر روی مشاهدات یک گیرنده تک فرکانسه نیاز به مدل های ریاضی داریم. در این مدل ها مقدار خطا به صورت تابعی از پارامترهای فیزیکی لایه مورد نظر محاسبه می شود. برای مثال برای محاسبه اثر یونوسفری در یک ایستگاه لازم است که رفتار TEC را در آن ایستگاه بدانیم5]،4،.[3 در این مقاله هدف اصلی برآورد مقدار TEC با استفاده از یک شبکه عصبی مصنوعی است.
شبکه عصبی که در این جا استفاده شده است یک شبکه عصبی جریان مستقیم است که به صورت پس انتشار وزن ها و بایاس های خود را به هنگام سازی می کند. در بخش 2 توضیح مختصری درباره محاسبه TEC از مشاهدات گیرنده های دو فرکانسه ارائه می شود، بخش 3 به معرفی شبکه های عصبی مصنوعی و کاربردهای آن ها اختصاص داده شده است و در نهایت در بخش 4 هم به آنالیز و تحلیل نتایج حاصل از شبکه عصبی و دقت آن می پردازیم.
-2 محاسبه TEC از مشاهدات گیرنده های دو فرکانسه
گیرنده های دو فرکانسه GPS مشاهدات کد و فاز موج حامل - - را در باند L و با فرکانس های و دریافت می کنند. مدل ریاضی این مشاهدات که ویژگی های هندسی و فیزیکی فضای اندازه گیری را در بردارند عبارتست از:
فرکانس :L1 و فرکانس :L2
که در آن فاصله هندسی میان گیرنده و ماهواره، c سرعت نور در خلاء بر حسب ⁄ ، dt خطای ساعت ماهواره نسبت به زمان GPS، dT خطای ساعت گیرنده نسبت به زمان GPS، خطای مدار ماهواره بر حسب متر، طول موج سیگنال بر حسب متر، ابهام فاز، تاخیر تروپوسفری به متر، I پارامتر تاخیر یونوسفری، اثر خطای چند مسیری به متر و تاخیر ابزاری ماهواره روی فرکانس های L1 و L2 و تاخیر ابزاری گیرنده روی فرکانس های L1 و L2 به متر، و بالاخره نویز اندازه گیری ها بر حسب متر می باشد.
