نقشه برداری با GPS مولتی فرکانسه

در این مطلب میخواهم مفاهیم تعیین موقعیت با گیرنده های مولتی فرکانس یا همان GPS را به شما عرض کنم و روشهای تعیین موقعیت مانند استاتیک PPK RTK و ... را توضیح دهم. در انتها هم گیرنده های مولتی فرکانس را بررسی خواهیم کرد.تعیین موقعیت با سامانه های ماهواره ایگیرنده های مولتی فرکانس GPS برای تعیین موقعیت دیتا خود را از ماهواره ها می گیرند.ماهواره هایی که با هدف تعیین موقعیت برروی زمین به فضا ارسال شده اند و در ادامه آنها را معرفی خواهیم کرد.شمایل دریافت اطلاعات از ماهواره ها توسط گیرندهزمانی که مدار ماهواره ها طراحی می شود و ماهواره پرتاب می شود دقیقا روی مدار خودش قرار می گیرد و در هر لحظه مکان هر ماهواره برروی مدارش مشخص است.ماهواره ها مختصاتشان را برای کاربر زمینی ارسال می کنند. قدم بعدی اندازه گیری فاصله بین ماهواره ها و گیرنده زمینی است.ماهواره ها مختصاتش را به صورت کد ارسال می کند که در آن اطلاعات زمان هم وجود دارد. گیرنده هم وقتیکه کد را دریافت می کند زمان را ثبت می کند و اختلاف این دو زمان ضرب در سرعت نور میشود فاصله بین ماهواره ها و گیرنده.d=(T-t)Cکه دراینجا :d=فاصله بین ماهوراه و گیرندهT=زمان ارسال کد از ماهواره به سمت گیرندهt=زمان دریافت کد توسط گیرندهC=سرعت نوربه این ترتیب فاصله را بدست آوردیم و مختصات ماهواره (X Y Z) هم مشخص است و فقط مختصات (X Y Z) نقطه زمینی مجهول است، که با نوشتن رابطه طول (d1=(X-x)۲+(Y-y)۲+(Z-z)۲ ) آن را بدست می آوریم.که در این رابطه:d1=فاصلهX=گیرندهx=ماهوارهY=گیرندهy=ماهوارهZ=گیرندهz=ماهوارهبه این طریق می توانیم سه طول d1 d2 d3 را بخوانیم، و سه معادله بسازیم با سه مجهول که مختصات زمینی ما حل شود؛ و با حل این سه معادله میتوان مختصات زمینی را راحت بدست آورد.این روش کاملا مبتنی بر اندازه گیری زمان است و از طرفی ساعتی که روی ماهواره هاست از نوع ساعت اتمی است ولی ساعت گیرنده از نوع کوارتس است که دقت ساعت اتمی را ندارد.با توجه به اینکه از طریق سرعت نور فاصله را بدست می آوریم، یک ثانیه خطا باعث ایجاد ۳۰۰ هزار متر خطا در یک طول می شود، به همین خاطر است که یک ماهواره چهارم هم در نظر میگیریم که دقت کار ما را بالا ببرد؛با خواندن طول d4 خطای ساعت گیرنده را نیز به عنوان مجهول وارد معادله می کنیم، که در نتیجه می شود چهار معادله با چهار مجهول و از این طریق مختصات گیرنده زمینی را با دقت خوب بدست می آوریم.ولی این روش که بر مبنای کد و زمان است در بهترین حالت ۳ متر دقت دارد.در نتیجه برای حل کردن این مشکل از خواندن موج حامل استفاده می کنیم، همان موجی که کد و زمان را با خودش از ماواره به گیرنده زمینی آورد.با اندازه گیری تعداد موج کامل و موج های نصفه که نوسان را کامل نکرده این طول را بدست می آوریم. این همان کاری است که گیرنده های نقشه برداری انجام می دهند و ما را به دقت چند میلی متر می رسانند.بپس از طریق اندازه گیری زمان به دقت سه متر می رسیم، همان کاری که گوشی های موبالمان انجام می دهد، و از طریق اندازه گیری موج حامل به دقت های چند میلی می رسیم که در کارهای نقشه برداری استفاده می شود.سامانه های ماهواره ای تعیین موقعیت GNSSسامانه های تعیین موقعیت GNSSما به صورت عادت از سامانه تعیین موقعیت تحت عنوان GPS یاد می کنیم ولی در واقع GPS تنها سامانه تعیین موقعیت نیست.حالا چندین سامانه برای تعیین موقعیت وجود دارد و بهتر است که دیگر سامانه ها را بشناسیم و با آنها آشنا شویم؛در مجموع به سامانه هایی که تعیین موقعیت را انجام می دهند Global Navigation Satellite System (GNSS) گفته می شود.۱.سامانه GPSجی پی اس اولین سامانه تعیین موقعیت است که در سال ۱۹۸۶ اندازی شده و شروع به کار کرد. این سامانه متعلق به کشور امریکا است.سامانه GPS به تعداد ۳۲ ماهواره فعال و یک ماهواره ذخیره به روی مدار زمین دارد. در صورتی که برای هر کدام از ماهواره ها اتفاقی پیش بیاید این ماهواره ذخیره به صورت اتومات جایگزین میشود.۲-سامانه GLONASSاین سامانه چند سال بعد از GPS توسط شوروی سابق در رقابت با امریکا راه اندازی شد و بعد از مدتی از کار افتاد، ولی دوباره کشور روسیه بروز رسانیش کرد و حالا به خوبی کار میکند. این سامانه به تعداد ۲۴ عدد ماهواره فعال در مدار زمین دارد.۳.سامانه GALIEOسامانه GALIEO متعلق به اتحادیه اروپاست. هدف اولیه ایجاد این سامانه برای هوا شناسی بود اما الان می توانیم برای تعیین موقعیت از آن استفاده کنیم و دقت خوبی دارد. این سامانه به تعداد ۲۷ ماهواره فعال در مدار زمین دارد.۴-سامانه COMPASSسامانه COMPASS یا BeiDou بیدو متعلق به کشور چین است که تعداد ماهواره های این سیستم بشتر از تعداد ماهواره سامانه GPS است و به خوبی دارد کار می کند . این سامانه به تعداد ۳۵ ماهواره فعال در مدار زمین دارد.۵-سامانه QZSSسامانه QZSS متعلق به کشور ژاپن است و یک سامانه محلی است یعنی فقط در کشور ژاپن موقعیت را تعیین می کند. این سامانه ۴ ماهواره فعال در مدار زمین دارد.۶-سامانه IRNSSسامانه IRNSS هم محلی متعلق به کشور هند است.پس چهار سامانه تعیین موقعیت جهانی داریم که گیرنده های چند فرکانسه ما از این چهار سامانه اطلاعات را دریافت می کنند.زمان احداث و تعداد سامانه های ماهواره ای GNSSدرمجموعه نزدیک به ۱۰۰ ماهواره در اطراف زمین داریم که بطور بیست چهار ساعت کار میکند.با روشن کردن گیرنده ها مشاهده می کنید که ۴۰ تا ۵۰ عدد ماهواره را پیدا می کنند و این به خاطر زیاد تر شدن تعداد ماهواره هاست.با زیادتر شدن ماهواره ها ساختار گیرنده ها هم تغییر کرده است. تعداد کانال گیرنده ها بیشتر شده و قدرت ردیابی بیشتری پیدا کردند.فرکانس سامانه های ماهواره ایهر سامانه در چند فرکانس مشخص اطلاعات را به سمت گیرنده های زمینی ارسال می کند.مثلا ماهواره GPS فرکانس های L1، L2، L5 را به سمت زمین ارسال می کند.ابتدا GPS تنها یک فرکانس L1 را ارسال می کرد که دستگاه های آن وقت را تک فرکانسه می گفتیم. بعدا فرکانس L2 به GPS اضافه شد که همزمان با آن گیرنده های دو فرکانسه شاخته شد. مدتی بعد هم فرکانس L5 به GPS اضافه شد که همزمان با آن سامانه گلوناس هم شروع به کار کرد و به همین ترتیب به مرور زمان هر سامانه چند فرکانس را ارسال می کند.حالا همانطور که در تصویر بالا می بینید، گیرنده های ما فرکانس های L ,E ,G ,B را از سامانه های مختلف دریافت می کنند و بخاطر همین این گیرنده ها را چند فرکانسه می گویند.روش های تعیین موقعیت با سامانه های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSSبطور کلی چهار روش اصلی تعیین موقعییت ماهواره ای داریم:روش استاتیکروش RTKروش PPKروش O-RTK یا آنلاین RTK که شامل سامانه های شمیم هدا و سامانه های مشابه است.در ادامه هر روش را بررسی میکنیم و کاربردهای آنرا خواهیم دید.تعیین موقعیت استاتیکاگر بخواهیم روش استاتیک را به شکل ساده بیان نماییم؛ در حقیقت همان پیمایش بستن سنتی است که برای مختصات کردن بتن های بنچمارک ها از آن استفاده میشود.دقت روش استاتیک بسیار عالی است و تنها روشی است که امکان سرشکن کردن مشاهداتمان را می دهد.روش کار تعیین موقعیت استاتیکروش کار تعیین موقعیت استاتیک به این شکل است که باید روی ایستگاه ها به صورت همزمان سوار باشیم و به طور همزمان مشاهده انجام بدهیم و طول مدت زمان مشاهدات باید طبق استاندارد باشد.در ایران استاندارد سازمان نقشه برداری، ۱۰ دقیقه برای گیرنده های دو فرکانسه است. ۱۰ دقیقه به عنوان پایه به اضافه یک دقیقه برای هر کیلومتر.مثلا اگر بین دو بنچمارک شما ۷ کلومتر فاصله باشد باید حداقل ۱۷ دقیقه بین این دو بتن بنچمارک مشاهده مشترک داشته باشیم.با این مشاهده مشترک که BASE LINE بیس لاین ها تشکیل می شود و با تشکیل BASE LINE ها باید مثلث ها را تشکیل بدهیم و با این اساس که هر نقطه ما باید حداقل در یک مثلث شرکت داشته باشه. زمانیکه یک نقطه در یک مثلث شرکت داشته باشد، میتوانیم آنرا سرشکنی بکنیم،می توانیم با نرم افزار مختلف این کار را انجام بدهیم.نحوه مثلث بندی در روش استاتیکتعیین موقعیت RTKدر این روش حداقل به دو گیرنده نیازمند هستیم که یک گیرنده BASE است و روی ایستگاه معلوم یا رفرنس ما قرار میگیرد و مختصات تصحیح شده را به گیرنده ROVER که گیرنده متحرک است ارسال می کند.شمایل خواندن مختصات به روش RTKروش کار تعیین موقعیت RTKنحو کار تعیین موقعیت RTK به این شکل است که ما یک گیرنده را می بریم روی ایستگاه رفرنس که مختصات این ایستگاه از قبل معلوم است(یا از ایستگاه های کارفرما است یا خودمان به روش استاتیک مختصات دارش کردیم یا از ایستگاه های سازمان نقشه برداری است) مستقر می شویم.بعد از مستقر شدن دستگاه خود را میزاریم و افزونه رادیویی گیرنده را فعال می کنیم. بعد به نرم افزار گیرنده مختصات دقیق همان نقطه را می دهیم.این گیرنده از طریق مقایسه دو تا مختصات، یکی از مختصات همان مختصاتی که ما به نرم افزار دادیم و مختصات دوم مختصاتی است که خود گیرنده از طریق مشاهدات رادیویی به دست آورده، اختلافشان را محاسبه می کند. این اختلاف می شود همان شیفت. این شیفت را همراه با تصحیحات از طریق ارتباط رادیویی ارسال میکند به گیرنده ROVER. روی ROVER نیز یک گیرنده رادیویی قرار دارد که تصحیحات ایستگاه BASE را دریافت میکند و روی مختصاتی که خودش از ماهواره ها بدست آورده اعمال می کند و مختصات دقیق آن نقطه را بدست می آورد.در این روش ارتباط بین BASE و ROVER از طریق رادیو وصل میشود و نباید فاصله بین BASE و ROVER بشتر از ۵ کیلومتر باشد. اگر این فاصله از این بیشتر شود ، ROVER نمیتواند تصحیحات را دریافت کرده و مختصات دقیق را به ما اعلام کند.روش تعیین موقعیت PPKروش PPK تقریبا مشابه روش RTK است، که یک دستگاه روی BASE قرار میگیرد و یک یا چند دستگاه به عنوان ROVER کار میکند.فرق این روش با RTK در این است که بین BASE و ROVER در محل کار ارتباط رادیویی برقرار نمیشه و در نرم افزار بین دیتاهای BASE و ROVER ایجاد می شود و تصحیحات را خود ما در نرم افزار روی این دیتاها وارد می کنیم.شمایل برداشت مختصات به روش PPKروش کار PPK به این شکل است که باز یک گیرنده را بر روی ایستگاه معلوم قرار می دهیم و اینبار برداشت را ذخیره می کنیم و مثل حالت RTK به دشتگاه ROVER ارسال نکند. با دستگاه ROVER هم مثل RTK برداشت را انجام می دهیم.پس از اتمام کار تمام مختصات ها را وارد نرم افزار می کنیم. بعد به نرم افزار مختصات دقیق نقطه BASE که گیرنده ما برداشت کرده را می دهیم و نرم افزار خودش شیفت را حساب کرده و بر روی داده هایی که از گیرنده های ROVER بدست آمده اعمال می کند.اصلی ترین مزیت روش PPK این است نیازی به ارتباط رادیویی بین BASE و ROVER نیست پس محدویت فاصله شان ۵ کیلومتر نیست و می تواند تا حدود ۲۵ الی ۳۰ کیلومتر کارایی داشته باشد.بزرگترین نقص PPK این است که برخلاف روش RTK مختصات دقیق برداشتی را در لحظه اندازه گیری نمیتوانیم بیبینم. فقط مختصات دقیق را میتوانیم در دفتر کار مشاهده کنیم.روش O-RTKاین روش مشابه دو روش قبلی است با این تفاوت که در این روش، BASE از طرف ما تعیین نمی شود بلکه از طرف سازمانی دولتی یا خصوصی تعیین میشود و ما فقط ازش استفاده می کنیم.شمایل برداشت مختصات به روش O-RTKمثل سامانه شمیم که اکثرا با آن آشنا هستند که برای سازمان ثبت است. سازمان ثبت در حیات یا پشت بام ادارات خودش یک گیرنده قرار داده و اون بتنی که گیرنده بر رویش است را از قبل مختصات دار کرده و اون گیرنده تصحیحات را دریافت و محاسبه می کند و بجای اینکه با ارتباط رادیویی به دستگاه ROVER ارسال کند در یک سرور آپلود می کند.گیرنده ما هم به اینترنت متصل می شود و با زدن نام کاربری و پسوورد در کنترلر گیرنده، به سرور سازمان ثبت متصل میشه و تصحیحات رو دانلود می کنه و اعمالش میکنه بر روی نتایجی که با مشاهدات ماهوراه ای بدست آورده.باید به این نکته اشاره کنیم که ارتفاعی که از شمیم بدست می آید اصلا قابل استناد نیست و خطای ارتفاعی آن زیاد است.مزیت روش O-RTK این است که دقت آن مثل RTK است و نیاز نیست که خودمان یک BASE بزنیم.و عیب آن این است به اینترنت نیاز دارد.البته اگر اینترنت هم نباشد می تونیم از روش PPK برداشت بکنیم و دیتامونو به سایت سامانه شمیم بدیم و مختصات دقیق رو از اونها بگیریم که این روش هم مشکلات خاص خودش رو داره. مثلا باید فاصلمون رو از ایستگاه بیس سازمان بدونیم و این فاصله نباید بیش از اندازه باشه و ….معرفی نرم افزار پردازش دیتای GNSSنرم افزارهای پردازش دیتای GNSS را می توانیم به دو بخش تقسیم بندی کنیم:۱-نرم افزار های علمی: مانند GAMIT،BERNES، GIPSY OASIS که نرم افزار های OpenSource هستند و اکثرا روی سیستم عامل لینوکس نصب می شوند بیشتر برای کارهای علمی، چاپ مقاله و کارهای تحقیقاتی از آن ها استفاده می شود.۲-نرم افزار تجاری : LGO و TBC که برای پروژه های نقشه برداری از این نرم افزارها استفاده می کنیم.نرم افزار LGO مخفف Leica Geo Office نرم افزاری از شرکت لایکا است، این نرم افزار ساده و کم حجم است اما برای کار با شبکه های بزرگ مخصوصا شبکه هایی که خودتان آنها را برداشت نکرده اید و صرفا پردازش آنها را انجام می دهید کمی چالش دارد.نرم افزار TBC هم که مخفف Trimble Business Center است، نرم افزار جامعی از شرکت Trimble است که تمام نرم افزار های این شرکت در آن قرار گرفته.با این نرم افزار علاوه بر پردازش دیتا GNSS میتوانیم پردازش دیتای پهپاد انجام دهیم، کارهای Surface بکشیم و کار های اتوکد را انجام بدهیم.در ایران نرم افزار LGO که همراه دستگاه های لایکا وارد کشور شده، بیشتر استفاده شده و نرم افزار TBC کمتر استفاده شده. شاید به این دلیل که فایل نصبی پرحجم تری دارد.تصویری از نرم افزار Leica Geo Officeتصویری از نرم افزار TBCمقایسه دو نرم افزار LGO و TBCاینجا به چند تفاوت این دو نرم افزار اشاره می کنیم:در نرم افزار LGO با وارد کردن دیتا باید تنظیماتی روی آن انجام بدید و پنجره به پنجره زمانبندی کرده تا بیس لاینهاتون تشکیل بشه اما در TBC به محض اینکه مجموعه فایل راینکس رو درگ می کنید و داخل نرم افزار می برید خودش پنجره های زمانی رو تشخیص میده و همه بیس لاینهارو تشکیل میدهنرم افزار TBC گزارش گیری فوق العاده ای داره و هر اطلاعاتی که بخواهید میتونید ازش خروجی بگیریددر LGO ورژن ۸.۴ که سامانه های BeiDou و GALIEO اضافه شده توانایی پردازش همزمان هر چهار منظومه را ندراد اما TBC همه را به راحتی پردازش می کند.پس نتیجه می گیریم که TBC نرم افزار قدرتمندتری در پردازش داده های GNSS است.معرفی گیرنده های GNSSگیرنده های GNSS را از نظر سطح قیمت می توانیم به ۳ دسته زیر تقسیم کنیم:۱.گیرنده های امریکایی-اروپایی: مانند LEICA، TRIMBLE، HEMISPHERE: گیرنده های امریکای که قبلا به ایران وارد می شد، خیلی از ارگان های دولتی هنوز هم از این نوع گیرنده ها دارند، و در حال استفاده از این نوع گیرنده ها هستن. ولی کم کم این ارگان ها استفاده از این نوع گیرنده ها را محدود کرده و با گیرنده های ایرانی جاگزین کردند.برند لایکا LEICA ساخت کشور سویس است و گیرنده های HEMISPHERE و TRIMBLE امریکایی است.تریمبل TRIMBLE، شرکت قدیمی تر است که دوربین های این شرکت در ایران آمده بود، ولی HEMISPHERE شرکت جدید است که در حال حاضر اکثر سهام آن را یک شرکت چینی خریده است.۲.گیرنده های چینی: مانند STONEX، HI-TARGET، SOUTH: گیرنده های چینی مانندی STONEX، HI-TARGET، SOUTH احتمالا بدانید که گیرنده STONEX ایتالیایی است اما حالا این گیرنده ها در کشور چین تولید می شود.۳.گیرنده های ایرانی: مانند RAYMAND، HIRO، ARE-TECHاین گیرنده ها از نظر قیمت تفاوت فاحش باهم دارند، مثلا گیرنده TRIMBLE-AR-10 نزدیک ۳۰۰ میلیون تومان است که با این مبلغ می شود ۶ گیرنده چینی یا ایرانی تهیه کنیم. از طرفی علی رقم کیفیت بالای گیرنده های آمریکایی به دلیل تحریم ها خدمات پس از فروشی برای آنها وجود ندارد.فاکتورهایی که هنگام خرید یک گیرنده مولتی فرکانس باید در نظر بگیرید:۱. بورد اصلیدر حال حاضر ۱۳ شرکت بورد اصلی گیرنده را تولید می کنند. دقت کنید که بورد اصلی گیرنده ای که تهیه می کنید تولید یکی از این ۱۳ شرکت باشد.لیست ۱۳ شرکت سازنده بورد اصلی:AGJUNCTIONBDSTAR(UNICORE)EOSHEXAGON AB (LEICA,NOVATEL)HI-TARGETHUACE(CHCNAV)NAVCOM(CHCNAV)KONGSBERGRAVEN INDUSTRIESSEOTENTRIOTOPCONTRIMBLEUNISTRONG (HEMISPHERE,STONEX)۲. سامانه های دریافتیگیرنده مولتی فرکانس انتخابی شما حتما باید ۴ سامانه اصلی GPS ، GLONASS، Galileo و BeiDou و حتی بیشتر را دریافت کند. به عبارت دیگر چند سامانه ای باشد تا دقت بهتری داشته باشد.۳. تعداد کانال دریافتیحداقل بین ۳۰۰ تا ۶۰۰ کانال را دریافت کند. بیشتر از این تعداد در حال حاضر کاربرد ندارد.۴. تعداد فرکانس های دریافتیتعداد فرکانس هایی که از هرکدام از سامانه GNSS دریافت می کند. بهتر است گیرنده فرکانس هایی نظیر L1 ، L2 و یا L5 دریافت کند.۵. اینترنت و دیتای موبایلوضعیت اتصال گیرنده به اینترنت از طریق سیم کارت یا wifi.مثلا برای برداشت با سامانه شمیم دستگاهی که سیمکارت خور باشد، مناسب تر است.۶. رادیوبا توجه به کاربردی که از دستگاه داریم اهمیت رادیو مشخص می شود. مثلا اگر بخواهیم جزئیات بیشتری را برداشت کنیم رادیو مورد نیاز است.۷. تیلت سنسوردر مناطق شهری پرچالش وجود تیلت سنسور کاربرد بیشتری دارد. به کمک تیلت سنسور مختصات نقاطی که به آنها دسترسی نداریم را میتوانیم بدست آوریم.۸. باتریباتری ها دو نوع جدا شونده و سرخود هستند و دستگاهی بهتر است که مدت زمان شارژ شدن باتری آن کم و میزان بازدهی اش زیاد باشد.۹. اندازه و وزندستگاه هرچقدر سبک تر باشد حمل و نقل آن راحت تر انجام می گیرد.همانطور که متوجه شدید برخی از این فاکتورها برای تمام گیرنده های مولتی فرکانس اهمیت دارد و بعضی بستگی به نوع کاربری شما دارد.به طور مثال برای مناطق برون شهری با ابعاد متوسط، گیرنده هایی که رادیو دارند مورد استفاده قرار می گیرند چون می خواهیم از روش برداشت RTK استفاده کنیم و یا برای مناطق درون شهری گیرنده ی ما باید دسترسی به اینترنت داشته باشد چون روش برداشت ما ORTK خواهد بود.امیدوارم این مطالب به دانش شما اضافه کرده باشد. اگر می خواهید به طور جدی نحوه تعیین موقعیت با گیرنده های مولتی را یاد بگیرید پیشنهاد می کنم سر فصل های دوره آموزش نقشه برداری با جی پی اس را مشاهده کنید.این مطلب قسمتی از مقاله تعیین موقعیت با گیرنده های مولتی فرکانس از وبسایت آکادمی مان است. برای دریافت آموزش های بیشتر در زمینه نقشه برداری به وبسایت آکادمی مان سر بزنید.