تاثیر ارتفاع آنتن گیرنده مولتی فرکانس در اندازه گیری های نقشه برداری

1. مقدمه

تعیین موقعیت هر نقطه، با استفاده از گیرنده های GPS/GNSS مستقیما به فاصله ی مرکز فاز آنتن ماهواره تا مرکز فاز آنتن گیرنده مولتی فرکانس وابسته است. بدین صورت که این فاصله ی مستقیم، با اندازه گیری زمان سیر موج در سرعت موج در خلاء محاسبه می شود. از آنجا که در تعیین موقعیت یک نقطه به کمک گیرنده GPS، نوک ژالون روی مرکز نقطه واقع بر روی سطح زمین قرار میگیرد، در صورت در نظر نگرفتن فاصله عمودی بین مرکز فاز آنتن و نوک ژالون (طول ژالن)، اختلافی به اندازه ارتفاع ژالون نگهدارنده ی گیرنده جی ان اس اس در محاسبه مولفه‌ ارتفاعی نقطه ایجاد خواهد شد.

• فرایند تعیین موقعیت یک نقطه با استفاده از گیرنده های GPS/GNSS

در تعیین موقعیت با استفاده از سامانه جی ان اس اس، موقعیت سه بعدی یک نقطه (طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع) محاسبه می شود. این تعیین موقعیت با استفاده از یک محاسبه ساده با داشتن موقعیت ماهواره های واقع بر مدار (از طریق استفاده از اطلاعات مداری دقیق ارسال شده از سیستم ناوبری جهانی ماهواره ای) و فاصله مستقیم بین گیرنده و ماهواره محاسبه می شود. (به شکل 1 توجه کنید.)

همانطور که در شکل1 مشخص است، مجهول مسئله موقعیت نقطه است که، با استفاده از موقعیت ماهواره (که بطور دقیق معلوم است) و مشاهدات گیرنده جی ان اس اس که شامل شبه فاصله، فاز و غیره است، محاسبه می شود.

نکته حائز اهمیت در تعیین موقعیت به کمک گیرنده مولتی فرکانس، این است که مشاهدات گیرنده GNSS از طریق مرکز فاز آنتن آن دریافت می شود پس در تعیین موقعیت با GNSS در واقع موقعیت مرکز فاز آنتن گیرنده محاسبه می شود.

در اندازه گیری های GPS معمولا تاکید بر آن است که گیرنده کاملا تراز باشد، بنابراین موقعیت مرکز فاز آنتن در صفحه مسطحاتی، دقیقا همان مختصاتی را دارد که نوک ژالون دارد؛ چون در این صورت صفحه افق گذرنده از نقطه‌ی نوک ژالون و صفحه افق گذرنده از مرکز فاز آنتن با هم موازی است، بنابراین این دو نقطه در مولفه های مسطحاتی مختصات دقیقا مثل هم هستند.

اما همانطور که در شکل2 نیز مشخص است، در مولفه ارتفاعی مختصات نقطه، مختصات نقطه روی سطح زمین، با مختصات مرکز فاز آنتن یکسان نیست. پس در تعیین موقعیت سه بعدی هر نقطه، اندازه‌گیری ارتفاع آنتن گیرنده با دقت بالا، بسیار مهم است.

• تاثیر ارتفاع آنتن گیرنده جی پی اس/جی ان اس اس در اندازه گیری های نقشه برداری

در نقشه برداری، اندازه گیری موقعیت یک نقطه به دو صورت کلی دو بعدی و سه بعدی امکان پذیر است.

همانطور که پیش‌تر توضیح داده شد، ارتفاع آنتن گیرنده مستقیما روی اندازه گیری های سه بعدی تاثیر خواهد گذاشت اما علاوه بر تعیین موقعیت های سه بعدی، حتی در تعیین موقعیت مسطحاتی نیز بسته به اینکه گیرنده در حالت تراز قرار داشته یا نداشته باشد، ارتفاع آنتن گیرنده می تواند روی اندازه گیری های گیرنده جی پی اس/ جی ان اس اس تاثیر گذار باشد.

بنابراین برای بررسی اثر ارتفاع آنتن گیرنده GNSS روی اندازه گیری ها، اندازه گیری ها را به سه دسته زیر میتوان طبقه بندی کرد.

• تعیین موقعیت مسطحاتی با استفاده از گیرنده جی ان اس اس کاملا تراز:

در پروژه هایی مثل تهیه نقشه کاداستر، انجام عملیات برونسپاری، پیاده سازی یک قطعه زمین و غیره آنچه از اهمیت بالایی برخوردار است، موقعیت مسطحاتی (دوبعدی) X و Y  هر نقطه است. (چون در این نوع برداشت‌ها، به مختصات مسطحاتی نقاط احتیاج است.) در چنین  شرایطی اگر گیرنده به طور کامل تراز باشد، اندازه گیری ارتفاع آنتن گیرنده که به اندازه گیری های بعد سوم (مولفه Z نقطه) اعمال می شود، ضروری نیست. با توجه به آنچه گفته شد، موقعیت نقطه در تعیین موقعیت مسطحاتی با استفاده از گیرنده‌های نقشه‌برداری در حالت تراز، به اندازه گیری ارتفاع آنتن نیازی ندارد.

• تعیین موقعیت مسطحاتی با استفاده از گیرنده جی ان اس اس در حالت تیلت:

در مواقعی که امکان تعیین موقعیت یک نقطه با گیرنده جی ان اس اس تراز شده وجود ندارد (مثلا گوشه های ساختمان ها، نقاط چالشی و…) و یا برای سرعت بخشیدن به عملیات تعیین موقعیت، می توان از گیرنده های مجهز به تیلت سنسور استفاده نمود.

گیرنده های جی پی اس/جی ان اس اس مجهز به تیلت سنسور، امکان محاسبه زاویه تیلت را فراهم نموده و با استفاده از اعمال اختلاف فاصله ایجاد شده که با استفاده از زاویه تیلت محاسبه می شود به موقعیت محاسبه شده توسط گیرنده، به موقعیت نقطه نوک ژالون میرسند.

در اندازه گیری هایی که امکان تراز کردن گیرنده وجود ندارد، مرکز فاز گیرنده جی پی اس از راستای قرارگیری نوک ژالون فاصله می گیرد و همین فاصله باعث تغییر در موقعیت گزارش شده توسط گیرنده GNSS خواهد شد. بنابراین این فاصله باید جبران شود. (مطابق شکل 3)

با استفاده از روابط مثلثاتی، می توان جدایی مرکز فاز آنتن را از راستای پای ژالون محاسبه نمود. همانطور که در شکل 3 مشخص است، طول خط آبی (جدایی گیرنده جی پی اس تا خط شاقولی) با استفاده از رابطه

a=l sin⁡(α)

محاسبه خواهد شد که در آن l ارتفاع ژالن استفاده شده در تعیین موقعیت می باشد.

بنابراین در اندازه گیری های جی پی اس درحالت غیر تراز، اندازه گیری دقیق ارتفاع ژالن و اعمال آن به مشاهدات (وارد کردن ارتفاع ژالون به نرم افزار کنترلر) برای تعیین موقعیت مسطحاتی نکته‌ای بسیار ضروری است.

• تعیین موقعیت 3بعدی نقاط با استفاده از گیرنده جی ان اس اس:

در اندازه گیری های توپوگرافی، مثلا در پروژه های راه سازی، تشکیل پروفیل های طولی و عرضی، محاسبه حجم عملیات خاکی و… تعیین موقعیت 3بعدی نقاط احتیاج است و اندازه گیری ارتفاع نقطه در آن مهم است.

همانطور که در شکل 2 نمایش داده شد، برای اندازه گیری مولفه ارتفاعی نقاط، اندازه گیری دقیق و اعمال ارتفاع گیرنده به نتایج مشاهدات (وارد کردن ارتفاع ژالون به نرم افزار کنترلر) برای تعیین موقعیت دقیق سه بعدی نقاط پروژه ضروری است.

• نحوه اندازه گیری ارتفاع گیرنده جی پی اس برای اعمال به اندازه گیری های آن

همانطور که پیشتر گفته شد، در تعیین موقعیت با استفاده از گیرنده های GPS/GNSS موقعیت مرکز فاز آنتن محاسبه می شود (نتیجه تعیین موقعیت با جی پی اس) بنابراین برای رسیدن به موقعیت نوک ژالون (نقطه مورد نظر) باید فاصله عمودی نوک ژالون تا مرکز فاز آنتن به دقت اندازه گیری شده و به مشاهدات اعمال شود.

از آنجا که در گیرنده های جی پی اس/جی ان اس اس مقدار آفست مرکز فاز آنتن به دقت اندازه گیری شده و به عنوان یک ثابت برای دستگاه، به همراه گیرنده جی ان اس اس ارائه می شود، می توان ارتفاع موردنظر را از کف گیرنده جی ان اس اس تا پای ژالون (نقطه مورد نظر روی سطح زمین) اندازه گیری نمود.

در این شرایط، با معرفی فاصله اندازه گیری شده (از نوک ژالون تا کف گیرنده) به نرم افزار کنترلر، گیرنده با اطلاع قبلی از مقدار آفست مرکز فاز آنتن بعنوان یک ثابت، این دو مقدار را به اندازه گیری ها اعمال نموده و مقدار دقیق فاصله مرکز فاز آنتن گیرنده تا نوک ژالون را محاسبه میکند.

در نهایت گیرنده جی ان اس اس با داشتن موقعیت دقیق نقطه ی اندازه گیری شده، مختصات های دو بعدی یا سه بعدی نقطه را در سیستم WGS84 ارائه میدهد.

به شکل زیر توجه کنید

چنان که دیدید در اندازه گیری های 3بعدی و یا اندازه گیری های مسطحاتی انجام شده با استفاده از تیلت سنسور، اندازه گیری دقیق ارتفاع گیرنده و اعمال آن به اندازه گیری ها امری بسیار ضروری خواهد بود.

برای مطالعه بیشتر:

1- Position Errors Caused by GPS Height of Instrument Blunders

https://opencommons.uconn.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1003&context=thmeyer_articles

2- SIMPLIFIED DIAGRAMS OF GPS POSITIONING PROCEDURES

https://www.ngs.noaa.gov/AERO/Genspecs_A/Volume%20A_Attachment%2011-19.pdf

3- https://www.e-education.psu.edu/geog862/node/1853

سایر مقالات را می توانید در این قسمت ببینید.

موضوع مقاله: تاثیر ارتفاع آنتن گیرنده مولتی فرکانس در اندازه گیری های نقشه برداری

تهیه و تنظیم: ثمین نصر، کارشناس ارشد ژئودزی

کلید واژه: ارتفاع آنتن گیرنده، ارتفاع GPS، برداشت توپوگرافی، ارتفاع آنتن GPS، ژالن، تاثیر ارتفاع GPS