Fa:Accuracy of GPS data

روش مناسبی برای مشارکت در پروژهٔ OpenStreetMap بارگذاری ردهای GNSS (GPS،‏ Galileo،‏ GLONASS،‏ BeiDou/COMPASS و...) است. این رد را به‌وسیلهٔ گیرندهٔ ماهواره‌ای یا دستگاه موبایل خود ضبط می‌کنید. یک رد عبارت است از سابقهٔ مکان شما در هر ثانیه یا در هر متر (tracelog یا ردنگاره یا مسیر ردیابی‌شده). ردنگاره‌ها را می‌توانیم به‌صورت خطوط یا نقاطی در پس‌زمینهٔ ویرایشگر نقشه نمایش دهیم. این خطوط یا نقاط به عنوان راهنما برای افزودن عوارض نقشه (مانند جاده‌ها یا پیاده‌روها) به کار می‌روند؛ مشابه رسم نقشه از روی تصاویر ماهواره‌ای. این روش مخصوصاً زمانی که به تصاویر ماهواره‌ای روزآمد دسترسی نداریم برای رسم نقشه بسیار سودمند است.

	ضبط		تبدیل		ویرایش		بارگذاری		درستی		بررسی دستگاه‌ها(en)

صحت دادهٔ GNSS به عوامل زیادی بستگی دارد. برای مثال، کیفیت گیرندهٔ GNSS، محل قرارگیری ماهوارهٔ GNSS زمانی که ضبط انجام شده است، خصوصیات محیطی اطراف (ساختمان‌ها، پوشش درختی، دره‌ها و غیره) و حتی شرایط آب‌وهوایی در این موضوع دخیل هستند. این صفحه به معرفی مفاهیم اولیه چگونگی عملکرد GNSS و توصیف برخی عوامل اصلی مرتبط با درستی آن می‌پردازد.

GNSS چگونه کار می‌کند

در گذشته دو اصطلاح GNSS (سرنام Global Navigation Satellite System به معنی سامانهٔ ماهواره‌ای ناوبری جهانی) و اصطلاح GPS (سرنام Global Positioning System به معنی سامانهٔ موقعیت‌یاب جهانی) هنگام بحث بر سر «صحت GPS» قابل‌استفاده به‌جای هم بودند. سامانهٔ جی‌پی‌اس آمریکا اولین سامانهٔ GNSSای بود که در اختیار مصرف‌کنندگان قرار داشت. در سال‌های اخیر، چندین سامانهٔ ‌GNSS دیگر در سراسر جهان به‌وجود آمده است (GLONASS،‏ QZSS،‏ Beidou،‏ Galileo و...) و همچنین دستگاه‌های زیادی می‌توانند با استفادهٔ همزمان از چندین سامانهٔ GNSS، پوشش و صحت را بهبود بدهند. بنابراین، درست‌تر آن است که در بحث‌های روز دربارهٔ صحت این دستگاه‌ها، از صحت GNSS به‌طور کلی صحبت کنیم.

GPS

سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) یک سامانهٔ ناوبری ماهواره‌ای است که موقعیتتان را در هرکجا رو یا در نزدیکی سطح کرهٔ زمین باشید نشان می‌دهد. این سیستم از چندین ماهواره در مدار زمین تشکیل شده است. هر ماهواره مرتباً پیام‌هایی ارسال می‌کند که حاوی زمان ارسال پیام و موقعیت ماهواره است. دستگاه گیرندهٔ GPS روی زمین، این پیام‌ها را دریافت و زمان دریافت پیام (بر اساس ساعت داخلی خودش) را با زمان ارسال پیام مقایسه می‌کند و متوجه می‌شود که از هر ماهواره چقدر فاصله دارد.

دستگاه GPS برای محاسبهٔ موقعیت بایستی پیام‌ها (سیگنال‌ها) را از حداقل چهار ماهواره دریافت کند. به ذیل دقت کنید:

گیرندهٔ GPS سیگنال‌ها را از چند ماهواره دریافت می‌کند. در اینجا آنها را ماهوارهٔ «سبز»، «قرمز» و «صورتی» می‌نامیم. با دریافت هر سیگنال، دستگاه فاصله‌اش را از هر ماهواره محاسبه می‌کند. زمانی که دستگاه GPS سیگنال را فقط از ماهوارهٔ سبز دریافت کند، متوجه می‌شود که موقعیتش روی کره‌ای از مکان‌ها قرار دارد که فاصله‌شان به‌اندازهٔ فاصله‌ٔ دستگاه تا ماهوارهٔ سبز است (نقطه‌ای روی سطح کرهٔ سبز مکان دستگاه است و ماهواره در مرکز کرهٔ سبز قرار دارد). حالا فرض کنید که دستگاه GPS سیگنال‌هایی از ماهواره‌های سبز و قرمز با هم دریافت کند. همانند قبل دوباره موقعیتش را از هر دو ماهواره می‌گیرد. از آنجا که دو سیگنال دریافت کرده، می‌توانیم موقعیت آن را به نقاطی که این دو کره با هم تلاقی دارند محدود کنیم. این به آن معنی است که موقعیت بایستی جایی روی دایرهٔ آبی رنگ در تصویر باشد.

با پیوستن سومین ماهواره می‌توانیم موقعیت را دقیق‌تر و محدود به دو نقطه کنیم (نقطه‌های زرد رنگ). فقط یکی از این‌ها روی سطح کرهٔ زمین است و بنابراین نقطهٔ دیگر را کنار می‌گذاریم. با تنها سه ماهواره توانستیم با سه‌پهلوبندی یا trilateration (مشابه سه‌زاویه‌بندی یا triangulation) موقعیت‌مان را پیدا کنیم. در عمل ماهوارهٔ چهارمی نیز برای بهبود صحت (مخصوصاً صحت ارتفاع) لازم است تا خطاهای اندازه‌گیری زمان دقیق دریافت سیگنال را کاهش دهد.

برای اطلاعات بیشتر این ویدیو یا پویانمایی را ببینید.

عوامل دخیل در صحت

حالا که اساس کار GNSS را آموختید، در این بخش موارد اصلی که بر روی صحت fixهای GNSS تأثیر می‌گذارند را شرح می‌دهیم. این موارد شامل:

• خود (کیفیت) دستگاه گیرنده GPS؛
• موقعیت ماهواره‌ها در زمان ضبط مسیر؛
• خصوصیات محیط پیرامون

است.

گیرندهٔ GNSS

دستگاه‌های GNSS زیادی هست که می‌توانید با استفاده از آن‌ها رد مسیرتان را ضبط کنید. شامل ثبّات‌های اختصاصی GPS، گوشی‌های هوشمند دارای GNSS داخلی (در بسیاری از گوشی‌ها GPS نام دارد) و هر چیزی که در این بین قرار می‌گیرد. همانطور که انتظار دارید، کیفیت گیرندهٔ GNSS می‌تواند تأثیر بسزایی در صحت ردنگارهٔ شما داشته باشد. موارد ذیل اهمیت ویژه‌ای دارند.

1. سامانه‌هایی که دستگاه پشتیبانی می‌کند بسیاری از دستگاه‌های امروزی قابلیت دریافت همزمان از چند سامانهٔ GNSS دارند. GPS اولین سامانهٔ در دسترس بود، اما امروز سامانه‌های فراوانی در دسترس هستند. شامل GPS،‏ QZSS،‏ Beidou،‏ Galileo و... . دستگاه هرچه توانایی دریافت از سامانه‌های بیشتری داشته باشد، انعطاف‌پذیری بیشتری برای ضبط موقعیت‌ها و ردها خواهد داشت.
2. باندهای فرکانس GNSS که دستگاه دریافت می‌کند به لحاظ تاریخی، دستگاه‌های مصرف‌کنندهٔ GNSS تنها می‌توانستند امواج ارسالی در بازهٔ 1500 MHz که با نام Upper-L Band شناخته می‌شوند را دریافت کنند[1][2]. در Upper-L Band برای جی‌پی‌اس سیگنال L1، برای گالیلئو سیگنال E1 و برای گلوناس سیگنال G1 را داریم. بیشتر گیرنده‌های GNSS که فقط می‌توانند Upper-L Band را دریافت کنند نهایتاً به صحتی در حد ۳ متر می‌رسند. البته، برخی از دستگاه‌های GNSS جدید در بازار قدرت کار با سیگنال‌های GNSS جدید Lower-L Band را دارند که در جی‌پی‌اس با L5، در گلوناس با G3 و در گالیلئو با E5a و E5b مشخص می‌شود. این سیگنال‌های جدیدتر در بازهٔ 1100-1200 MHz انتشار می‌یابند و آسان‌تر در سازه‌ها نفوذ می‌کنند و کمتر در معرض بازتاب‌ها قرار دارند. بعلاوه، یک باند اضافه به اصلاح تأثیرات جوی کمک می‌کند. دستگاه GNSSای که توانایی دریافت هر دو باند را داشته باشد، مزیت فوق‌العاده‌ای دارد، و صحت این‌چنین دستگاه‌هایی در حد ۳۰ سانتی‌متر تبلیغ می‌شود (به‌جای ۳ متر قدیم). دستگاه‌های GNSS که این قابلیت را دارند معمولاً با نام Dual band GPS یا Dual band GNSS شناخته می‌شوند. اگر قصد دارید ردهای GNSS/GPS را با دستگاه ضبط کنید، خرید دستگاه دوبانده فرصت قابل‌ملاحظه‌ای برای تجربهٔ صحت بیشتر خواهد بود.
3. آنتن
   بیشترین تأثیر را دارد. برای تشخیص سیگنال پیامی که از ماهواره GPS می‌آید یک آنتن (هوایی هم گفته می‌شود) خوب نیاز است. قدرت سیگنال GPS عموماً به صورت دسی‌بل در میلی‌وات (dBm) نشان داده می‌شود. در حال حاضر سیگنالها ۲۲۲۰۰ کیل.متر از ماهواره تا سطح زمین را \وشش می‌دهند عموماْ سیگنالها نوعاْ حتی در هوای صاف و بدون ابر قدرتی به ضعیفی -۱۲۵dBm تا -۱۳۰dBm دارند. در محیط شهری که ساختمانها قد علم کرده‌اند و در زیر درختها سیگنال به حد -۱۵۰dBm هم کاهش می‌یابند. (هرچه مقدار منفی بیشتر باشد، سیگنال ضعیف‌تر است). در این حد برخی دستگاههای GPS برای دریافت سیگنال تلاش فراوانی می‌کنند (اما اگر سیگنال اولیه در هوای آزاد گرفته شده شاید هنوز قادر باشند تا ادامه مسیر را ضبط کنند). یک گیرنده GPS خوب با حساسیت بالا می‌تواند سیگنالهای به ضعیفی -۱۵۵ dBm را نیز دریافت کرده و تا حد -۱۶۵ dBm هم به کار خود ادامه دهند.
4. تعداد کانال‌های دریافت همزمان
   همان‌طور که در بخش GPS در بالا توضیح داده شد، از لحاظ تئوری، یک سیستم ۳ ماهواره‌ای دادهٔ لازم برای محاسبهٔ نسبتاً درست موقعیت را فراهم می‌کند. گرچه عدم دقت ساعت بدین معنی ست که این تئوری فقط بر روی کاغذ کار می‌کند. در عمل بایستی سیگنال از حداقل چهار ماهواره دریافت شود تا خطاها تصحیح شوند. هرچه ماهواره بیشتر باشد بهتر است. گیرنده‌های GNSS جدید دارای «کانالهای ردیابی» کافی برای تعقیب همزمان تعداد زیادی ماهواره‌ها هستند. کانال‌های همزمانِ بیشتر برای بهبود کلی صحت، برای کاهش زمان فیکس اولیه (شروع سرد) و کاهش مصرف انرژی مفید است. برای مطالعهٔ بیشتر اینجا را بخوانید.
5. الگوریتم‌های مکانی
   برای محاسبهٔ فاصله گیرنده از هر ماهواره، گیرنده ابتدا مدت‌زمانی که طول کشیده تا سیگنال به خودش برسد را محاسبه می‌کند. دستگاه این کار را با محاسبهٔ اختلاف زمان ارسال سیگنال (این زمان در پیام سیگنال وجود دارد) و زمان دریافت سیگنال (با استفاده از ساعت داخلی) انجام می‌دهد. از آنجا که سیگنال با سرعت نور حرکت می‌کند، حتی ۰/۰۰۱ ثانیه خطا معادل ۳۰۰ کیلومتر نادرستی در مسافت محاسبه‌شده خواهد بود! برای کاهش این خطا در حد متر به ساعت اتمی نیاز است. اگرچه، نه تنها این برای دستگاه‌های GNSS مصرف‌کننده عملی نیست، بلکه ساعت خود ماهواره‌های GPS هم در حدود ۱۰ نانوثانیه صحت دارند (که سیگنال در این مدت ۳ متر حرکت می‌کند). دقیقاً به همین علت است که حداقل چهار ماهواره لازم است. ماهواره‌های بیشتر به رفع این خطا کمک می‌کنند. گرچه به ندرت در سطح مصرف‌کننده مطرح می‌شود، اما به همین علت مهم است که گیرندهٔ GNSS شما الگوریتم‌های تصحیح خطای خوبی داشته باشد.

موقعیت ماهواره‌ها

سیگنال‌های تعداد متغیری ماهوارهٔ «در دیدرس» برای تشخیص موقعیت شما روی زمین

همانطور که در بالا ذکر شد، بطور کلی هرچه تعداد ماهواره بیشتری در محاسبه موقعیت شما بکار برود میزان صحت بیشتر خواهد بود. با چرخش ماهواره‌های GNSS در مدار زمین، تعداد ماهواره در دید (در بهترین شرایط) به طور طبیعی نوسان می‌کند. این حالت را در انیمیشن سمت چپ می‌بینید. پر واضح است که موقعیت ماهواره‌ها کاملاً خارج از کنترل ماست، با وجود این، خوب است این موضوع را یکی از عوامل اثرگذار در صحت بدانیم. برای مثال، این یکی از دلایل این موضوع است که چرا ردهای GNSS ضبط‌شده در روزهای مختلف با هم فرق دارند. اگر فرصت داشتید، ارزشش را دارد که یک مسیر را دوبار (یا بیشتر) ضبط کنید و میانگین آنها را بگیرید.

بعضی گیرنده‌های GNSS می‌توانند تعداد ماهواره‌های دیدرس جاری، سامانهٔ GNSSای که یک ماهواره جزئی از آن است و موقعیت ماهواره‌ها را روی نموداری شبیه رادار نشان دهند. در برخی از گیرنده‌ها این حالت در منوی استاندارد آنها قابل‌دسترسی است، اما در برخی دیگر دستگاه‌ها ممکن است در یک منوی «دیباگ» یا «مخفی» قرار داشته باشد. از آنجایی که صدها گیرندهٔ GNSS وجود دارد، ارائهٔ مستندات برای همهٔ دستگاه‌ها شدنی نیست. لطفاً به کتابچهٔ راهنمای همراه دستگاه خود مراجعه کنید یا در اینترنت بگردید.

نرم‌افزارهای گوشی هوشمند که این حالت نمای ماهواره را دارند در جدول قابلیت‌های مونیتورینگ هم برای سیستم‌عامل iOS و نیز آندرویید آمده است.

همچنین بخش فضاهای بسته در زیر را ببینید.

مکان شما

بازتاب‌های ضعیف‌کننده سیگنال

خطای بوجود آمده در اثر بازتاب‌ها و سایه‌های زیر پوشش درختان.

GPS به یک خط مستقیم دید بین گیرنده و ماهواره نیاز دارد. زمانی که چیزی در این مسیر مستقیم قرار می‌گیرد، به‌خاطر بازتاب‌ها و ضعیف‌شدن سیگنال، صحت تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد. این مسئله بخصوص در محیط‌های شهری، درون دره‌ها و دامنه کوه‌ها مسئله‌ساز است. در هر سه این موقعیت‌ها، اشیاء (ساختمان‌ها و خود زمین) برای قطع کامل سیگنال GPS کفایت می‌کنند. سیگنال‌های ضعیفی که دریافت می‌شوند نیز ممکن است از ساختمان‌ها و چشم‌انداز اطراف بازتاب یافته باشند. بازتاب‌ها سیگنال‌های چندمسیرهای را تولید می‌کنند که با تأخیر زمانی اندکی به دستگاه گیرنده می‌رسند و این منجر به محاسبهٔ نادرست موقعیت می‌شود.

حتی در صورتی که آن شی خیلی قابل‌توجه هم نباشد (پوشش درختان، سقف خودرو، بدن شما) باز هم امکان بازتاب و تضعیف سیگنال وجود دارد. زمانی که رد GPS خود را روی تصاویر ماهواره‌ای قرار دهید، می‌توانید این مسئله را مشاهده کنید. در تصویر سمت چپ، موقعیت صحیح مسیر پیاده منطبق بر ناحیه سایه‌دار در جنگل است. اما وقتی که گیرندهٔ GPS وارد جنگل می‌شود (پیاده‌روی از شرق به غرب)، مشاهده می‌شود که بازتاب‌ها موجب شده تا رد ضبط‌شده به‌طور نادرست به‌سمت جنوب جابه‌جا شود.

وقتی که دستگاه GPSی را حمل می‌کنید، هرچقدر که آنتن بالاتر فیکس شود، گیرندگی بهتر است. از جملهٔ محل‌های مناسب آن، بند شانه لباس، بالای کوله پشتی، نصب روی کلاه دوچرخه‌سواری یا آنتن سقفی خودروست.

فضاهای بسته

• 

  مجموعهٔ پراکنده‌ای از ماهواره‌ها، صحت را بهبود می‌بخشد.

• 

  مجموعه‌ای متراکم از ماهواره‌ها می‌تواند منشأ خطاهای بزرگ باشد.

زمانی که در فضای بسته‌ای مثل دره‌ای با شیب دو طرفه یا محیط شهری با ساختمان‌های بلند قرار بگیرید آسمان قابل‌دید برای گیرندهٔ GPS کاسته می‌شود. این مسئله باعث ۲ مشکل می‌شود. اولاً، تعداد ماهواره‌های در دید مستقیم گیرنده کاهش می‌یابد؛ بنابراین قانون هرچه بیشتر، بهتر که در بالا گفته شد نقض می‌شود. ثانیاً، دستگاه GPS نمی‌تواند از مجموعه‌ای پراکنده از ماهواره‌ها سیگنال بگیرد؛ یعنی ماهواره‌هایی که برای محاسبهٔ موقعیت شما به کار می‌روند در محدودهٔ کوچکی از آسمان جمع شده‌اند.

این تجمع متراکم ماهواره‌ها، می‌تواند منجر به خطاهای مکانی بزرگی تا حد چندصد متر گردد. اگرچه کار زیادی برای بهبود این حالت در فضاهای بسته نمی‌توان کرد، اما ارزشش را دارد که چشمتان به دستگاه GPS باشد تا بفهمید کی کیفیت سیگنال کاهش می‌یابد. به نمودار نمای ماهواره روی دستگاه خود توجه کنید (همانطور که در عکس‌های سمت چپ می‌بینید).

برای اطلاعات بیشتر، یا اگر دستگاهتان «مقدار DOP» را نشان می‌دهد شاید بخواهید wikipedia:PDOP را بخوانید.

عیب‌یابی گیرندگی GPS

درون خودرو

اگر می‌خواهید درون وسیله نقلیه مسیری را ضبط کنید، قبل از اینکه وارد خودرو شوید اجازه دهید GPS با صحت خیلی خوبی ثابت شود. این حالت برای قطارهای جدیدتر که شاید هیچگاه نتوانید در حال حرکت فیکس بگیرید بسیار صادق است.

از کجا بفهمید که گیرندگی خوب است؟

فیکس ۳بعدی معیار کافی برای کیفیت خوب نیست. PDOP شاخص دقت اندازه‌گیری GPS است (Position Dilution of Precision یا ترقیق دقت مکان). اگر از ۶ بالاتر باشد به این معنی است که فیکس خیلی خوبی نداشته‌اید. مفدار کمتر از ۴ برای ضبط مسیر برای OSM کافی است. کمتر از ۲ به معنی فیکس خیلی خوب است. کیفیت DOP بستگی به ظرفیت GPS برای تصحیح سیگنال ماهواره دارد، که معمولاً به پراکنده‌بودن ماهواره‌ها وابسته است. با فیکس ۲بعدی هم می‌توانید DOP خوبی داشته باشید.

همچنین ببینید

• قابلیت اطمینان مختصات‌های اوپن‌استریت‌مپ (en)
• آزمایش صحت دستگاه‌های جی‌پی‌اس (en)
• دقت مختصات‌ها (en)
• منطقهٔ مردهٔ GPS (en) – گزارشی از مشکلات یک منطقهٔ مشخص.

پیونده ای بیرونی

• آنالیز خطای سیستم موقعیت یاب جهانی در ویکیپدیا