در شرایط ایده‌آل، موقعیت‌هایی که با استفاده از سیگنال‌های ارسال‌شده توسط ماهواره‌های GNSS محاسبه می‌شوند، همیشه دقتی در حد چند سانتی‌متر دارند. اما متأسفانه، علاوه بر کیفیت ذاتی گیرنده‌ها، عوامل بسیار دیگری روی اندازه‌گیری‌های انجام‌شده با گیرنده GNSS اثر گذاشته و دقت داده‌های نهایی تعیین موقعیت را کاهش می‌دهند.
در وهله نخست، سیستم GNSS خود دارای چندین نقیصه از جمله خطاهای به اصطلاح «جهانی» است. به همین دلیل، سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی با پیام‌های کمکی منتشر‌شده از طریق سامانه‌های تقویت ماهواره‌ای SBAS مانند سامانه اروپائی EGNOS بهبود و ارتقاء می‌یابند.
علاوه بر این، در کاربردهای زمینی، سیگنال‌های ماهواره‌ای تحت تأثیر پدیده‌های متعدد ناشی از محیط مجاور آنتن گیرنده قرار می‌گیرند. این عوامل اثرگذار، مانند توپوگرافی زمین، پل‌ها، زیرساخت‌ها، پوشش گیاهی و انواعی دیگر از تداخلات، اصطلاحاً خطاهای «محلی» نامیده می‌شوند (نگاره 1). به طور معمول و بسته به وضعیت مناطق تحت پوشش، مسیرهای تعیین‌شده به کمک گیرنده‌های تعیین موقعیت ماهواره‌ای جهانی کم و بیش با «خط سیرهای مرجع» یا همان مسیرهای واقعی پیموده‌شده توسط وسیلة نقلیه (یا آنتن)، اختلاف دارند.
نگاره 1) منابع خطا در موقعیت‌یابی شهری (تصویر: GNSS-GUIDE)
منابع خطا در ناوبری و تعیین موقعیت شهری عبارتند از:
الف) خطاهای جهانی
- مدارها و ساعت‌ها
هندسه‌های ماهواره‌ای
یونوسفر، تروپوسفر
ب) خطاهای محلی
- انسداد، تضعیف
چند مسیری و انکسار
تداخل، پارازیت، جعل
ج) خطاهای مسیریابی ماهواره‌ای
- زنجیرۀ دریافت
الگوریتم‌ها و سرویس‌ها
حس‌گرهای ناوبری
طبقه‌بندی خطاهای ناوبری و موقعیت‌یابی ماهواره‌ای
برای مطالعه پدیده‌هایی که بیشترین تأثیر و احتمالاً بیشترین فراوانی را دارند، انواع مختلف خطاها به صورت ماتریس ریسک نمایش داده می‌شوند (نگاره 2). از آنجایی که خطاهای جهانی توسط سامانه‌های تقویت ماهواره‌ای منطقه‌ای قابل مدیریت هستند، به همین دلیل در این متن بیشتر روی بررسی خطاهای محلی تمرکز می‌گردد.
نگاره 2) ماتریس ریسک GNSS (تصویر: مؤلفان)
تشریح منابع اصلی خطاهای محلی
برای مشاهده أثرات پدیده‌های محلی بر انتشار سیگنال‌ها، چندین گیرنده یکسان (با پیکربندی و آنتن یکسان) روی یک خودرو نصب شده و در مناطق شهری و حومه شهری به حرکت درآمدند و برای تجسم‌سازی مسیرهای محاسبه‌شده توسط گیرنده‌ها، چهار پدیدۀ تأثیرگذار مورد طرح و بررسی قرار گرفتند.
خطاهای موقعیت‌یابی ناشی از پل‌ها
در تصویر زیر (نگاره 3)، یک خودروی آزمایشی در دو جهت از زیر یک پل عبور می‌کند. در هر دو وضعیت، مسیرها در زیر پل واگرا شده و از هم فاصله می‌گیرند و پس از خروج از پل دوباره همگرا می‌شوند. در اینجا به راحتی می‌توان نقاط ضعف نتایج حاصله بر مبنای یک عبور واحد، به عبارت دیگر بر اساس یک اندازه‌گیری واحد، را درک کرد.
نگاره 3) أثر تغییرات سیگنال GNSS بر گیرنده‌های در حال عبور از زیر پل (تصویر: مؤلفان) خطاهای موقعیت‌یابی ناشی از پوشش گیاهی
در تصویر زیر (نگاره 4)، خودروی آزمایشی در خیابانی قرار دارد که در آن شاخ و برگ ردیفی از درختان جاده را پوشانده است. شاخ و برگ موجب تضعیف سیگنال می‌شود و مهم‌تر از آن، امواج رادیویی وارد‌شده از سوی ماهواره‌ها را منحرف می‌کند که این مسئله مسیرهای جدا از هم و پراکنده‌ای را ایجاد می‌نماید. در واقع هر گیرنده موقعیت‌های اندازهگیریشدۀ متفاوتی را ارائه می‌دهد. این در حالی است که در حالت مجاورت و نزدیکی به ساختمان‌ها و وجود خطای چند مسیری، محور مسیر ناوبری ماهواره‌ای کمی از مسیر حقیقی (یا مرجع) منحرف می‌شود.
نگاره 4) أثر تفرق (پراش) سیگنال‌های GNSS بر گیرنده‌های در حال عبور از زیر شاخ و برگ درختان (تصویر: مؤلفان) خطاهای موقعیت‌یابی ناشی از ساختمان‌ها
در تصویر ترکیبی زیر (نگارۀ 5، که به منظور نمایش ساختمان اصلی تهیه شده است)، تمام مسیرهای گیرنده به سمت ساختمانِ کنار خیابان منحرف شده‌اند. این رخداد، اثرات و پیامدهای پدیدۀ «چند مسیری» را بارزتر می‌سازد. هنگامی که یک گیرنده امواج منعکس‌شده را می‌گیرد، زمان انتشار سیگنال (که برای محاسبه شبه فاصله‌ها استفاده می‌شود) افزایش می‌یابد و از دقت موقعیت نهائی کاسته می‌شود. در حال حاضر، اثر پدیدة چند مسیری به خوبی شناخته شده و به راحتی در حین اندازه‌گیری‌های ایستا قابل مشاهده است.
نگاره 5) أثر انتشار سیگنال‌های GNSS بر گیرنده‌های نزدیک ساختمان (تصویر: مؤلفان)
خطاهای موقعیت‌یابی ناشی از تداخل امواج
در تصویر زیر (نگاره 6)، گیرنده‌های نصب‌شده روی خودرو به دلیل تداخل «گذرا» دچار اختلال شده‌اند. در سفر رفت، بیست دقیقه اول، هیچ مشکلی برای مسیر سمت دیگر بزرگراه قابل تشخیص نبوده است. در سفر برگشت، این تداخل ناشناخته، دقت گیرنده‌ها را کاهش داده به طوری که این مسیر دچار پراکندگی شده است. در برخی مواقع، تداخل عمدی یا غیرعمدی ممکن است به طور کامل باند GNSS را مسدود کند و مانع اندازه‌گیری موقعیت گردد.
در این مورد خاص به نظر می‌رسد که دو ساختمان موازی واقع در سمت راستِ پائین بزرگراه، منشاء پدیدۀ تداخل باشد.
نگاره 6) أثر تداخل موقت ناشناخته روی سیگنال‌های گیرنده GNSS (تصویر: مؤلفان)
صحت و دقت اندازه‌گیری‌های موقعیت
گیرنده‌هائی که از یک نوع هستند، بسته به محیط رفتارهای متفاوتی دارند. در محیطی که عمدتاً شرایط چند مسیری حاکم است، همه مسیرها به یک موقعیت اشتباه همگرا می‌شوند. از سوی دیگر، هنگامی که پدیدۀ انتشار با وقوع پراش‌های متعدد پیچیدگی بیشتری پیدا می‌کند (مانند دریافت سیگنال زیر شاخ و برگ درختان)، هر گیرنده یک موقعیت با یک خطای متفاوت به دست می‌دهد. البته در محیط‌های پیچیده، به طور معمول ترکیبی از این دو رفتار دیده می‌شود. رفتار اول قطعی است و برای بیان آن در دانش اندازه‌شناسی یا مترولوژی از اصطلاح «صحت» استفاده می‌شود. صحت به نزدیکی و میزان توافق میانگین تعدادی از مقادیر اندازهگیریشدۀ تکراری با مقدار واقعی (یا مرجع) اتلاق می‌شود. اما رفتار دوم غیر قطعی است و در اندازه‌شناسی از اصطلاح «دقت» برای آن استفاده می‌گردد. دقت به نزدیکی و میزان توافق بین داده‌ها یا مقادیر حاصل از اندازه‌گیری‌های مکرر یک شیء اشاره دارد، خواه این مقادیر واقعیت را نشان بدهد یا خیر.
گفتنی است در بررسی صحت داده‌های ناوبری ماهواره‌ای، خطاهای سیستماتیکی مانند چند مسیری و یونوسفری مطالعه می‌شوند و در بررسی دقت این داده‌ها، خطاهای اتفاقی (تصادفی) مانند تداخل و تفرق تحلیل می‌گردند.
در همین رابطه و برای بررسی توزیع آماری خطاهای مختلف ناوبری با GNSS، آزمونی با همکاری محققان آژانس فضائی فرانسه، آزمایشگاه GUIDE-GNSS تولوز و دانشگاه گوستاو ایفل شهر نانت انجام شد.
در این آزمایش، چند گیرندۀ GNSS یکسان روی خودروئی نصب شدند و با حرکت خودرو در محیط‌های مختلف، پروفیل‌های خطای موقعیت (خط سیرهای اندازه‌گیری‌شده) به دست آمدند (نگاره 7). در این آزمون، تأثیر پدیده‌هائی مانند آسمان باز در نواحی مسطح روستائی، چند مسیری و تفرق در مناطق متراکم شهری، فقط چند مسیری در نزدیکی ساختمان، فقط تفرق در مناطق پوشیده از درختان انبوه، نبود سیگنال در زیر پل‌ها و وجود پارازیت در مجاورت رله‌های مخابراتی مطالعه و بررسی شدند.
نگاره 7) پروفیل‌های خطای موقعیت در محیط‌های مختلف (تصویر: مؤلفان)
استفاده از چند گیرنده در آزمون مذکور به این علت بود که با یک گیرندۀ منفرد نصب‌شده روی وسیله نقلیه، تفکیک خطاهای سیستماتیک و تصادفی امکان‌پذیر نبوده و برای انجام تحلیل‌های مترولوژی GNSS، به ویژه برای درک تأثیر پدیده‌های انتشار روی خطاهای موقعیت‌یابی، نصب چند گیرنده روی خودرو ضروری است. از سوی دیگر، از نظر عملی، و برای به دست آوردن اندازه‌گیری‌های مناسب و قابل اعتماد، آزمون‌ها باید مناطق تحت پوشش را نمایندگی کرده و تکرارپذیر باشند. بدیهی است که در صورت رعایت این الزامات، بررسی نتایج و انجام مقایسه‌های معتبر امکان‌پذیر خواهد شد. از این‌‌رو برای تحقق شرط تکرارپذیری در این آزمون، از تکنیک‌های بازپخش، که اغلب از آن به عنوان «ضبط و پخش مجدد» یاد می‌شود، استفاده گردید و به کمک این تکنیکِ اندازه‌شناسی، سیگنال‌های GNSS و مقادیر اندازهگیریشدۀ حس‌گرها که قبلاً از طریق کار میدانی ثبت شده بودند، در محیط آزمایشگاهی بازتولید و بازپخش شدند.
منابع :
* https://www.ncc.gov.ir/fa/news...
- https://www.gpsworld.com/european-geolocation-standard-to-certify-mobility-solutions
https://guide-gnss.com/gnss-record-replay-tests