بخشی از مقاله
مبدل GPS دستی به ایستگاهی
چکیده
سیستم موقعیت یابیGPS برای اهداف زیادی در نقشه برداری و ژئودزی به کار می رود که در بیشترموارد از GPS های ژئودتیک دوفرکانسه استفاده می شود.باتوجه به اینکه اختلاف هزینه جهت تهیه ابزارهای دقیق ژئومتری نسبت به درآمد حاصل از پروژه های نقشه برداری در کشورهای درحال توسعه مانند ایران بسیار زیاد می باشد،دراین پژوهش مابه بررسی نحوه ی استفاده از تکنولوژی های ارزان قیمت مانند استفاده از GPSهای دستی در مکان یابی های دقیق پرداخته ایم.که با کمک این مقاله وروشی که در آن مطرح می گردد می توان از GPS دستی در کلیه کاربی هایی که قبلاً از GPS های ژئودتیک استفاده می شده است، استفاده نمود.
واژههای کلیدی: - POST PROCESSING - RINEX-GPS ژئودزی - نقشه برداری
-1 مقدمه
با انجام این پژوهش مابه بررسی علل و استفاده از تکنولوژی های ارزان قیمت مانند استفاده از GPSهای دستی در مکان یابی های دقیق پرداخته ایم،که شامل دقت سنجش این روش ونکات اجرایی آن می باشد.
در این پژوهش به دلیل نبود حافظه ی کافی در گیرنده های دستی ،جهت ضبط وذخیره ی داده های GPS،داده های حاصل از آن را به یک لپ تاپ مناسب انتقال داده و با کمک نرم افزار PMY-pro فرمت باینری مخصوص شرکت های سازنده ی گیرنده ی دستی را به فرمت استاندارد RINEX تبدیل می نماییم .سپس فایل حاصله را با کمک نرم افزار های تجاری Post Processing ، داده ها را بر اساس base line های مختلف مورد پردازش قرار دادیم بدین نتیجه رسیدیم که دقت سه بعدی که در طی یک دوره ی سی دقیقه ای مشاهداتتقریباً یک تا پنج سانتی متر خواهد بود .البته این میزان دقت را با برطرف ساختن خطای ناشی از Multipath وسانتراژ آنتن واستفاده از نرم افزار های مناسب بدست آوردیم. دراین پژوهش ازگیرنده هایی استفاده کردیم که برای موقعیت یابی از کُدهایPوC/Aوفازحامل L1 استفاده می کنند وبه جهت رسیدن به دقت مطلوب باید از روش DGPSاستفاده نماییم.
-2 استفاده از تکنولوژی های ارزان قیمت جهت کمک به توسعه ی کشور
با توجه به گران بودن نیروی انسانی در کشورهای توسعه یافته و گران بودن تجهیزات نقشه برداری وعمرانی درکشورهای درحال توسعه همیشه سعی براین است که با تولید و پیشرفت تکنولوژی های ارزان قیمت هزینه های پروژه های عمرانی راکاهش دهیم.با نظربدین موضوع بود که تصمیم به پژوهش درمورد استفاده از GPS های دستی ارزان قیمت در کاربرد های ژئودتیک گرفتیم.که با یک حساب مختصر ومقایسه ی قیمت GPS های ژئودتیک ودستی وهزینه های کاربری های دقیق آنها ،می توان به صرفه جویی که می توان با این عمل انجام داد ،پی بُرد.
-3 تعیین موقعیت با GPS
در حالت کلی جهت موقعیت یابی دستگاه گیرنده ی GPSباید اطلاعات مورد نیاز را از چهار ماهواره دریافت کند .درحالت معمولی با استفاده از یک دستگاه گیرنده دربهترین شرایط به دقت اسمی ±3 متر خواهیم رسید.وجود این اختلال به عواملی مختلفی بستگی دارد که جهت کاهش و یا حتی از بین بردن آنها راهکار های زیادی وجود دارد.که یکی از راهکار های افزایش دقت گیرنده GPS یا تقلیل خطا های موجود در موقعیت یابی به کار بردن چند دستگاه گیرنده درشبکه ی روش DGPS می باشد.که باید عملیات دریافت داده ها را در یک دوره ی مشاهده ای سی دقیقه ای انجام دهیم تا داده های حاصل با یک همپوشانی زمانی با یکدیگر باشند.
زمانیکه GPS ها با هم در یک زمان کار می کنند داده های دریافت شده ازکلیه ی GPSهابه کمک یک دستگاه گیرنده-فرستنده ی )RFرادیو فرکانسی)به صورت Real Time به ایستگاه مرجع انتقال داده می شوند. حال گیرنده ی مرجع ازاین اطلاعات برای تخمین موقعیت نسبی یاری می جوید. در این حالت از سرویس DGPS اطلاعات اصلاحی سیگنالها( /WAAS EGNOS )به ایستگاه مرجع یا رفرنس انتقال پیدا می کند.
به طور کلی هرچه از سیگنالهیا فاز اصلاحی بیشتری استفاده نمائیم کیفیت سیگنالهای کُد بیشتر خواهدشد.با این عمل دقت موقعیت یابی تا حد زیادی افزایش پیدا خواهد کرد.جهت موقعیت یابی های ژئودتیک از سیگنالهای حامل به طور مستقیم استفاده می کنیم ولی از آنجا که طول موج ،موجهای حامل حدود بیست سانتی متراست حتی موقعیت یابی دقیق مکان های معلوم نیز برای ما غیر ممکن و با ابهام می باشد.))SEEBER
در موقعیت یابی به روش یاد شده(به صورت Real Time واستاتیک وباعمل تصحیح داده ها) اگر حتی عمل موقیت یابی چندین ساعت به طول انجامد کار ما با خطایی چندسانتی متری همراه خواهد بود.امّا با این وجود همین موقعیت یابی دقتی بین 1تا 5 سانتی متر خواهد داشت.
-4 تجهیزات سخت افزاری لازم جهت انجام پروژه
دودستگاه GPS دستی و ارزان قیمت باکی مارک تجاری که بتوانند داده های فاز وکُد را همزمان دریافت نمایند . ودارای پورت RS232(COM) یا 9)پین) باشد که بتوان با آن تبادل اطلاعات داشت.با توجه بدین که این GPS ها برای کاربرد های ژئودتیک طراحی نشده اند ،حافظه ای که بتواند داده ها را در خود ذخیره کند برای آنها در نظر گرفته نشده است. بدین منظور وجهت پردازش داده های دریافتی و کنترل صحت کارکرد تمام گیرنده ها لپ تاپی مناسب را منظور می کنیم که بتواند مدت زمانی که ما به دریافت داده از GPS ها می پردازیم را بدون احتیاج به منبع انرژی مستقیم به کار خود ادامه دهد. دراین پژوهش ما ازدونوع GPS دستی ساخته شده توسط شرکت GARMIN با نام های GPS15Hو GPS12HCX استفاده نمودیم. جهت استقرار دقیق وسانتراژ آنتن GPS ها روی نقطه ی مورد نظر صفحه ای آلومینیومی طراحی نمودیم تا بتوان به کمک آن ارسالی از ماهواره ها را تا حد زیادی ویا حتی به طور کامل حذف نمود.
جهت تراز نمودن صفحه ی آلومینیومی(شکل(1روی نقطه ی مورد نظر یک ترابراک با عدسی سانتراژ و یک سه پایه نیز منظور می نماییم (شکل.(2
شکل – 1 صفحه ی آلومینیومی طراحی شده جهت استقرار آنتن GPS روی نقطه
شکل – 2 شمای کلی از سیستم مستقر روی یک نقطه
-5 بخش نرم افزاری
در ابتدا این مسئله مطرح می گردد که استفاده از GPS های دستی و ارزان قیمت برای موقعیت یابی های ژئودتیک میسر نخواهد شد مگر آنکه بتوانند اطلاعات فاز را به طور کامل دریافت نمایند.
در این پژوهش ما از GPS های دستی ای استفاده نمودیم که توانایی دریافت فازهای حامل L1را جهت بالا بردن کیفیت مشاهدات کُدرا دارند.در واقع اینگونه GPS های ارزان قیمت به جهت موقعیت یابی به کمک Post Processing توسعه نیافته اند چون در نرم افزار های Post Processing امکان ذخیره ی داده های خام حاصل از این نوع GPS ها وجود ندارد.
جهت دریافت داده های خام GPS ها ، نرم افزاری به نام PMY-pro طراحی نمودیم که می تواند همزمان داده ها را از چند گیرنده دریافت نماید و همزمان فایل RINEX آنها را ذخیره سازد.حال نظر بدین که فایل های RINEX موقعیت یابی ما موجود است باید جهت پردازش آنها از نرم افزاری مناسب که بتواند کاستی های موجود در این فایل های RINEX ناشی از
GARMIN adapter
فقدان سیگنال هایL2 و اختلالات ایجاد شده ناشی از لغزش های Half Cycleرا تشخیص و مرتفع سازد،استفاده نماییم.بدین منظور با بررسی های متعدد متوجه شدیم که از بین نرم افزار های تجاری Post Processing موجود تنها نرم افزار (LGO) Leica Geo Office قادر به کشف و حل این اختلالات خواهد بود و نتایج مطلوب تری به ما خواهد داد.
-6 نحوه ی اجرا
ابتدا هرکدام از GPS ها را با تمام متعلقاتشان روی نقاطی مناسب سانتراژ می کنیم ،یکی از نکاتی که باید در این قسمت به دقت انجام شود اندازه گیری دقیق ارتفاع مرکز فاز آنتن تا روی سطح ترابراک واندازه ی گیری دقیق فاصله ی نقطه ی مطلوبی که قرار است مکان یابی گردد تا روی سطح ترابراک می باشد. سپس همزمان همه ی GPSها را روشن و به مدت سی دقیقه به دریافت و ضبط داده ها می پردازیم.آنگاه داده های خام ضبط شده آماده جهت پردازش می باشند.که در این قسمت مراحل گام به گام انجام Post Processing به کمک نرم افزار LGO را شرح می دهیم:
بعد از تعریف دو فایل با فرمت RINEX برای نرم افزار باید نرم افزار را برای مدارهای چرخش ماهواره ها توجیه نمودبدین دلیل که نرم افزار PMY-pro قادر نیست اطلاعات پراکندگی ماهواره ها را ذخیره کند ما باید از یک فایل خارجی که شامل اطلاعات مداری است استفاده نماییم .در این پژوهش ما اطلاعات لازم را از مؤسسه ی IGS دریافت و استفاده نمودیم.
در گام دوم پس از آنکه GPS ها را در دو سر base line متصل و سانتراژ نمودیم ،باید نوع آنتن را در نرم افزارLGO مشخص نماییم که در این پژوهش نوع آنتن می باشد.سپس باید ارتفاع مرکز فاز آنتن را از نقطه ی مذکورمحاسبه و در نرم افزار وارد نماییم.
با شروع پردازش و محاسبه base line تمام ماهواره ها ابتدا به ساکن فعال ستنده واطلاعات را ارسال می نمایند.امّا در آنالیز این اطلاعات به دو اختلال درکیفیت اطلاعات فاز وکُد پی خواهیم بُرد ،که یکی ناشی ازاثرات Multipath و دیگری ناشی از آشفتگی هایی است که دراطلاعات ارسالی از ماهواره ها ایجاد می شود.در مرحله ی بعدی محاسبات اطلاعات ارسالی ازماهواره های که در مدارهایی با شعاع بزرگتر هستند (ماهواره های دورتر) حذف می نماییم تا آنجا که به میزان انحراف استاندارد از base line برسیم.درنتیجه خواهیم دید که با حذف ماهواره های اضافی با توجه به کیفیت داده هایشان ومقایسه ی تغییرمسیر استاندارد از مؤلفه های base line نتایج مطلوبی حاصل خواهد گردید.
-7 آزمایش دقت سیستم
در این قسمت یک GPS ، Leica AT502 و دو گیرنده ی دستی GARMIN را برای استقرار با دقت یک میلی متر روی نقاط دو سر یک base line در نظر می گیریم.در ابتداGARMIN1 را روی نقطه ی 2 قرار داده ونقطه ی 1 رابا گیرنده Leica AT502 به عنوان ایستگاه مرجع درنظر می گیریم(شکل(4 و با قرار دادن آنها به سمت شمال جغرافیایی،اجازه می دهیم تا هردو به مدت نیم ساعت به ثبت اطلاعات بپردازند .سپس با چرخاندن آنها به سمتی دیگر نیم ساعت دیگر اجازه می دهیم تا اطلاعات ارسالی از ماهواره ها را دریافت نمایند.
در قسمت بعدی همین عمل را با دو GPS GARMINدر دو نقطه ی 1و3 تکرار می نماییم.
اگرچه تعیین انحرافات شعاعی توسط آنتن ها مبادله می گردد امّا تغییر مسیر، با استفاده از مختصات دقیق نقاط مشخص می گردد و نتیجه ی موقعیت یابی با میانگین گیری از دو موقعیت یابی های اندازه گیری شده تعیین می گردد. نتایج تعیین پارامتر های مطلوب در شکل 3 مشخص شده است.
به وضوح دیده می شود که جابجایی شعاعی در دو آنتن GARMIN نزدیک به دو سانتی متر می باشد.
در اینجا ممکن است این میزان انحراف رضایت بخش به نظر نیاید اما با مطالعه ی قسمت های بعد خواهیم دید که جابجایی شعاعی با اندازه ی base line متناسب است ،و با کاهش طول base line می توانیم آن را تا حد مطلوبی کاهش دهیم.
