امروز : چهارشنبه , ۰۹ آذر ۱۴۰۱

دقت GPS را اندازه گیری کنید

هنگامی که GPS از ورودی های که خطا دارند برای حل موقعیت خود استفاده می کند، طبیعی است که اعلام موقعیت شما هم خطا داشته باشد. اگر شما معادلاتی را که GPS برای حل این موقعیت استفاده می کند مطالعه کنید، می توانید اثرات اشتباهات محاسباتی را تجزیه و تحلیل کنید و یک فرمول برای میزان خطاهای موقعیتی به دست آورید.

اندازه گیری دقت GPS

GPSدر تمام شرایط به صورت ۲۴ ساعت در شبانه روز و در تمام دنیا قابل استفاده است، و هیچ گونه بهایی  از شما  بابت خدمات GPS اخذ نمی شود. ماهواره های GPS، هر روز دو بار در یک مدار دقیق دور زمین می گردند و سیگنال های حاوی اطلاعات را به زمین می فرستند. یکی از بزرگترین مزایای رهیابی بوسیله GPS نسبت به روش های دیگر آن است که این سیستم در هر شرایط جوی و بدون توجه به نوع کاربرد گیرنده به خوبی کار می کند. اما مسئله ای که اهمیت دارد این است که ماهواره GPS ای که از آن استفاده می کنید چقدر به شما نزدیک است و شما واقعا آنجایی هستید که GPS می گوید؟

دقت را اندازه گیری کنید

ابتدا باید بدانید که کجا هستید زمانی که شما واقعا بدانید کجایید میتوانید موقعیت یابی GPS را هم بررسی کنید ولی نکته مهم این جاست که اگر شما می دانستید کجا هستید که دیگر به GPS نیازی نبود. پس از کجا باید متوجه خطای موقعیت یابی GPS شد وقتی خودمان هم دقیقا نمیدانیم کجا هستیم؟

برآورد دقت

اگر در جایی ثابت  نشسته باشید و GPS خود را چک کنید و چند روز بعد دوباره همانجا بنشینید و GPS خود را چک کنید با دو موقعیت متفاوت مواجه می شود که یکی از آنها باید درست باشد، اگر به اندازه کافی صبور باشید میتوانید میانگین دو موقعیت را به دست آورید و موقعیت خود را با دقت و صحت بیشتر پیدا کنید.

با همین روش شما میتوانید موقعیت یابی دقیقی داشته باشید و متوجه شوید موقعیت هایی که GPS نشان میدهد چقدر میتواند نسبی باشد، ودفعه بعد که شما از GPS استفاده می کنید، می توانید موقعیت GPS  را به طور یکسان تغییر دهید، بنابراین می توانید از شماره "میانگین انحراف" خود برای تخمین صحت موقعیت GPS جدید خود استفاده کنید. تنها مشکل این است که این اعداد متفاوت هستند، بنابراین این ساده نیست. اما ایده خوبی به حساب می آید.

منابع خطا

چندین منبع خطا در هر موقعیت یابی GPS وجود دارد. برخی از این خطاها به علت علل طبیعی است و برخی از خطاها به منظور معرفی (SA) است. میزان خطا در این دو مورد متفاوت است. یک اصل محاسباتی معروف به نام (زباله در، زباله) GIGO  وجود دارد. اما در اینجا این موقعیت یابی واقعا زباله نیست؛ آنها فقط "کمی" خطا دارند.

هنگامی که GPS از ورودی های که خطا دارند برای حل موقعیت خود استفاده می کند، طبیعی است که اعلام موقعیت شما هم خطا داشته باشد. اگر شما معادلاتی را که GPS برای حل این موقعیت استفاده می کند مطالعه کنید، می توانید اثرات اشتباهات محاسباتی را تجزیه و تحلیل کنید و یک فرمول برای میزان خطاهای موقعیتی به دست آورید.

این فرمول پیش بینی می کند که کدام خطا در موقعیت GPS  اتفاق افتاده و شماره خطا را به کاربر نشان می دهد. این خطا مثل یک اثر بزرگنمایی شده است، چون معمولا خطای نهایی بزرگتر از خطاهای ورودی هستند. اینعامل بزرگنمایی DOP -  Dilution Precision  نام دارد.

 

ریزش دقیق

عامل DOP در یک معادله بسیار ساده به دست می آید:  SD(موقعیت)= DOP*SD (ورودی ها)

این بدان معنی است که انحراف استاندارد موقعیت، به سادگی انحراف معیار ورودی ها است که بار ضریب DOP را افزایش می دهد. البته این فرمول ساده نیست، زیرا برای GPS یک راه حل چند بعدی مورد نیاز است، بنابراین از ریاضیات ماتریسی استفاده می شود. اما با این حال ایده خوبی است.

یک مورد جالب در مورد DOP این است که به چیزی که نتواند آنرا پیش بینی کند بستگی ندارد، و تنها به موقعیت ماهواره های GPS نسبت به موقعیت گیرنده GPS بستگی دارد. موقعیت های ماهواره ای را می توان پیش بینی کرد، بنابراین شما می توانید کیفیت موقعیت GPS خود را قبل از استفاده از سیستم GPS تعیین کنید.

 

هندسه ماهواره ای

 DOP  تنها به موقعیت ماهواره ها بستگی دارد: تعداد ماهواره هایی که گیرنده GPS  می تواند ببیند، یک شکل هندسی را تشکیل می دهند. اما ماهواره ها حرکت می کنند، بنابراین شکل هندسه ها در زمان متفاوت هستند، اما قابل پیش بینی.


VDOP، HDOP  و ...

DOP به اجزاء دیگری تقسیم می شود که اثر آنها در موقعیت یابی سیستم GPS متفاوت است. برای مثال موقعیت افقی معمولا می تواند دقیق تر از موقعیت عمودی اندازه گیری شود. خطاهای ورودی یکسان هستند، اما هندسه ممکن است یک جهت را نسبت به دیگری ترجیح دهد VDOP میزان خطای عمودی و HDOP میزان خطای افقی است. همچنین PDOP برای موقعیت های 3D، TDOP برای زمان و GDOP برای DOP ژئوماتیک وجود دارد .

به عنوان مثال DOP(2) به این معنی است که میزان خطای ورودی هر مقداری که باشد میزان خطای خروجی دو برابر آن خواهد بود.ما می توانیم از مقدار DOP برای تخمین خطای احتمالی موقعیت شما استفاده کنیم.

اگر میزان خطای ورودی را ندانیم، می توانیم از مقدار DOP به عنوان شاخصی برای اندازه گیری موقعیت GPS استفاده کرد.

برخی از راه های بهبود دقت

از DGPS برای کاهش اشتباهات در ورودی استفاده کنید.

DOP را با استفاده از ماهواره های دیگر بهبود دهید.

اندازه گیری های خود را هنگامی که ماهواره ها در سراسر آسمان پخش شده اند محاسبه کنید.

میانگین موقعیت GPS را در طول زمان به دست آورید.

رسیدن به یک استعاره

برای درک اینکه DOP  چگونه محاسبه می شود، نیاز به درک آمار دارید. در واقع DOP نشان دهنده موقعیتهای خوب از ترکیب ماهواره های GPS است.

با DOP بالا، موقعیت دقیق را انتظار نداشته باشید؛ اما هنوز هم می توان خوب باشد.

با DOP کم، احتمالا موقعیت یابی نزدیک است، اما به یاد داشته باشید که این یک برآورد است، نه یک تضمین.

 

سیگنال چیست؟

ماهواره های GPS دو سیگنال رادیویی کم قدرت را به نام L1 و L2 ارسال می کنند. GPS غیر نظامی از فرکانس L1 1575.42 مگاهرتز در گروه UHF استفاده می کند. سیگنالها از طریق خط دیداری حرکت می کنند، به این معنی که آنها از طریق ابرها، شیشه و پلاستیک عبور می کنند اما از طریق اکثر اجسام سخت مانند ساختمان ها و کوه ها عبور نمی کنند.

یک سیگنال GPS حاوی سه بیت اطلاعات مختلف - یک کد مستطیل شکل، داده های کوتاه مدت و داده های آلمانیا است. کد شبه تصادفی به سادگی یک کد که مشخص می کند که ماهواره اطلاعات را انتقال می دهد.هر ماهواره دادههایی را ارسال میکند که اطلاعات مدار را برای آن ماهواره و هر ماهواره دیگر در سیستم نشان میدهد.

اطلاعات هلیکوپیک، که به طور مداوم توسط هر ماهواره ارسال می شود، شامل اطلاعات مهمی در مورد وضعیت ماهواره (سالم یا ناسالم)، تاریخ و زمان فعلی است. این قسمت از سیگنال برای تعیین یک موقعیت ضروری است.

منابع خطاهای سیگنال GPS

فاکتورهایی که می توانند ارسال سیگنال GPS را کاهش داده و در نتیجه بر روی دقت تاثیر می گذارند عبارتند از:

* یونوسفر و تروپوسفر تاخیر - سیگنال ماهواره ای از طریق اتمسفر از بین می رود. سیستم GPS با استفاده از یک مدل داخلی ساخته شده است که مقدار متوسط ​​تاخیر را به صورت جزئی برای این نوع خطا محاسبه می کند.

* سیگنال چندگانه - این اتفاق زمانی رخ می دهد که سیگنال GPS از اشیاء مانند ساختمان های بلند یا سطوح سنگی بزرگ قبل از رسیدن به گیرنده منعکس شود که باعث افزایش زمان سفر سیگنال می شود و 100 البته خطا در تعیین موقعیت.

*خطاهای ساعت گیرنده - ساعت داخلی گیرنده سیگنال دقیق نیست، بنابراین ممکن است اشتباهات زمان بندی بسیار جژئی ایجاد شود.

* اشتباهات مدار- البته به عنوان اشتباه فصلی هم شناخته می شود، این اشتباهات از محل گزارش شده ماهواره ای است.

* تعداد ماهواره ها قابل مشاهده – زمانی که گیرنده GPS ماهواره های بیشتری را ببیند دقت بیشتری خواهد داشت. ساختمان ها، زمین، تداخل الکترونیکی، یا ... می توانند دریافت سیگنال را متوقف کنند و باعث تعیین موقعیت شوند. گیرند های GPS عموما در داخل خانه، زیر آب یا زیر زمین کار نخواهند کرد.

* هندسه ماهواره ای / سایه زنی - به موقعیت نسبی ماهواره ها در زمان معین اشاره می کند. هندسه ایده آل ماهواره ها زمانی به وجود می آید که ماهواره ها در زوایای گسترده نسبت به یکدیگر قرار داشته باشند و هندسه ضعیف زمانی حاصل می شود که ماهواره ها در یک خط یا در یک گروه تنگ قرار گرفته باشند.

* تضعیف عمدی سیگنال ماهواره - دسترسی انتخابی (SA) یک تضعیف عمدی سیگنال است که توسط وزارت دفاع ایالات متحده تحمیل شده است. SA برای جلوگیری از استفاده سیگنال های بسیار دقیق GPS طراحی شده است. در ماه مه 2000 دولت SA را لغو کرد، که به طور قابل توجهی دقت گیرنده های GPS غیر نظامی را بهبود بخشید.