حساب وتقليل الأخطاء المنهجية في النظام العالمي لتحديد المواقع

لقد أحدثت الشبكة ثورة في طريقة قياس العلماء والمستقصين لشكل الأرض، ورصد التحركات القشرية، وإنشاء شبكات تحديد المواقع بدقة، وهذه التكنولوجيا الساتلية توفر موقعا ثلاثيا وسرعة ومعلومات زمنية ذات دقة ملحوظة، غير أن دقة قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع تتوقف بشدة على الفهم والتخفيف من الأخطاء المنهجية التي يمكن أن تضر بنوعية البيانات وموثوقيتها.

وتمثل الأخطاء المنهجية أحد أهم التحديات في الجيوديسيا العالمية، وخلافا للأخطاء العشوائية التي تختلف بشكل غير متوقع، تُدعى الأخطاء المنهجية إلى ذلك لأنها تحدث وفقا لبعض النظم المحددة التي يمكن أن تعبر عنها بعض العلاقات الوظيفية، ويمكن أن تُدخل هذه الأخطاء تحيزاً متسقاً في القياسات، ونتائج يمكن أن تُخيّل، وتؤدي إلى تفسيرات غير صحيحة للبيانات الجيوديسية.

طبيعة الأخطاء المنهجية في النظام العالمي لتحديد المواقع

وتختلف الأخطاء المنهجية اختلافاً جوهرياً عن الأخطاء العشوائية في سلوكها وأثرها على القياسات، وينجم الخطأ المنتظم عن عدم الدقة التي تميل إلى الاتساق في الحجم والتوجيه، مما يجعلها قابلة للتنبؤ، ويمكن تصحيحها في كثير من الحالات عن طريق أساليب النموذج والمعايرة المناسبة، وعلى العكس من ذلك، تتباين الأخطاء العشوائية في الحجم والتوجه ويصعب تصحيحها.

إن الطابع الذي يمكن التنبؤ به للأخطاء المنهجية يتيح تحديات وفرصاً لأخصائيي الجيوديسيا في النظام العالمي لتحديد المواقع، وفي حين أن هذه الأخطاء يمكن أن تتدهور بدرجة كبيرة في تحديد مواقعها إذا تركت دون معالجة، فإن اتساقها يعني أنه يمكن في كثير من الأحيان أن تكون نموذجية وقياسية وأن تُحذف من الملاحظات، وهذا السمة يميز الأخطاء المنهجية عن الضجيج العشوائي ويجعلها محور التركيز الرئيسي لاستراتيجيات التخفيف من الأخطاء في التطبيقات الجيوديسية الدقيقة.

ويمكن عموما تصنيف الأخطاء المتبقية إلى أخطاء عشوائية ومنهجية، وفهم هذا التمييز أمر حاسم لوضع استراتيجيات فعالة لتجهيز البيانات، وقد ساعد تحليل سلسلة المواقف الزمنية على تحديد الأخطاء المنهجية التي يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على دقة عمليات التشريد الأرضية التي تستخدمها النظم العالمية لسواتل الملاحة، ولا سيما الإشارات الموسمية أو تقديرات سرعة التشريد الأرضية، ولذلك فإن تحديد هذه الأخطاء وفهمها يشكلان خطوات أساسية لتصحيحها.

تصنيف الأخطاء النظامية للنظام العالمي لتحديد المواقع

ويمكن تصنيف هذه الأخطاء على أنها تلك التي تنشأ في السواتل وتلك التي تنشأ في جهاز الاستقبال، وتلك التي تعزى إلى نشر الإشارة (إعادة الغلاف الجوي)، ويوفر هذا النظام التصنيفي المؤلف من ثلاث فئات إطارا مفيدا لفهم مختلف مصادر الأخطاء المنهجية ووضع استراتيجيات محددة الهدف للتخفيف من حدة الآثار.

أجهزة منظومة ساتلية ذات مدار

وتنشأ الأخطاء ذات الصلة بالسواتل إما مباشرة من الساتل أو تُعتبر جزءا من الإشارات المرسلة بواسطة السواتل وتشمل هذه الأخطاء عدة عناصر متميزة تؤثر على دقة القياس.

وتشمل الأخطاء التي تنشأ في السواتل الغلاف الجوي أو المداري، والأخطاء، وأخطاء ساعات السواتل، وأثر التوافر الانتقائي، وتنشأ الأخطاء في الغلاف الجوي من عدم الدقة في المعلومات المتعلقة بالمدار الساتلي الاذاعي، بل إن الأخطاء الصغيرة في الموقع الساتلي المتوقع يمكن أن تترجم إلى أخطاء كبيرة في تحديد المواقع على الأرض، ولا سيما فيما يتعلق بالتطبيقات التي تتطلب دقة على مستوى المقاس.

ساعات القمر الصناعي تصيبها أخطاء ضوضاء و ساعات العمل المتحركة ورسالة الملاحة تتضمن تصويبات لهذه الأخطاء و تقديرات دقة الساعة الذرية

وتمثل أخطاء ساعات السواتل مصدرا بالغ الأهمية للخطأ المنهجي لأن تحديد المواقع على الشبكة العالمية لتحديد المواقع يعتمد أساسا على قياسات الوقت المحددة، أما الساعات الذرية على متن السواتل GPS فهي دقيقة بشكل غير عادي، ولكنها لا تزال تعاني من الانجراف والضوضاء التي يجب أن تُحسب في التطبيقات الجيوديسية الدقيقة.

أجهزة الاستلام ذات الصلة

وتشمل الأخطاء التي تنشأ في جهاز الاستقبال أخطاء ساعات الاستلام، والخطأ المتعدد التعاطف، والضوضاء على الاستلام، والتغيرات في مركز التسخين، وكل مصدر من مصادر الأخطاء هذه يسهم في الميزانية المنهجية العامة للخطأ بطرق مختلفة.

وعادة ما تكون أخطاء ساعات الاستلام أكبر بكثير من أخطاء ساعات السواتل لأن أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع تستخدم أجهزة مفترقة أقل تكلفة من الساعات الذرية، وعلى النقيض من ذلك، تستخدم أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع ساعات البلورة غير مكلفة، وهي أقل دقة بكثير من ساعات السواتل، ومن ثم فإن خط مقياس ساعة الاستلام أكبر بكثير من خط ساعة الساتل GPS.

إن الخطأ المتعدد المعاني هو أحد مصادر الخطأ الرئيسية في جميع تطبيقات النظام العالمي لتحديد المواقع، وتسببت الأخطاء المتعددة في انعكاس الإشارات التي تحملها الأجسام القريبة من الأرض ونشرها وتشتيت إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع، وهذه الظاهرة تحدث عندما تصل إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع إلى هوائي جهاز الاستقبال عبر مسارات متعددة - الإشارة المباشرة من الساتل، وعكست إشارات قفزت من السطح القريب مثل المباني، أو الأجسام المائية، أو الأرض.

كما أن الخطأ المتعدد المعاني، الذي يسببه الانعكاسات في الإشارات عن السطح القريب من جهاز الاستقبال، مشكلة مشتركة أيضا، وهي منتشرة بصفة خاصة في البيئات الحضرية وتحت أشجار سميكة، وبما أن الإشارة التي تعكس سطحا يمكن أن تزيد المسافة من الساتل إلى جهاز الاستقبال، فإن الأخطاء المتعددة المتعاطفات يمكن أن تؤثر على دقة المواقف بزيادة الاصطناعية لبيئة الموز.

وتمثل تغيرات مركز الأنتينا مرحلة أخرى من مصادر الخطأ المنهجي غير المهمة، وهي مصدر غير مسمى، حيث إن مركز المرحلة الكهربائية من الهوائيات التي يبدو أن الإشارات منشؤها لا تتطابق بالضرورة مع المركز المادي للهائي ويمكن أن تتباين مع اتجاه الإشارات الواردة، ويجب أن يتم تحديد هذه التباينات وتصحيحها من أجل العمل الجيوديسي العالي الدقة.

الاشارات

وتشمل أخطاء نشر الإشارة التأخيرات في الإشارة إلى النظام العالمي لتحديد المواقع عندما يمر عبر الطبقات الجوية (لا سيما الغلاف الجوي الأيون والغلاف التروبوسفيري) وتمثل هذه الآثار في الغلاف الجوي بعض أكبر مصادر الخطأ المنهجي في الجيوديسيا العالمية وأكثرها اختلافا.

المصدر الرئيسي لنظم الغلاف الجوي

الغلاف الأيوني، طبقة الغلاف الجوي للأرض تمتد من 50 إلى 1000 كيلومتر تقريباً، يحتوي على الإلكترونيات والمصابيح التي خلقها الإشعاع الشمسي، يشير التأخير في الغلاف الأيوني إلى التأخير الزمني الذي تعانيه الإشارات الساتلية أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي للأرض، طبقة الغلاف الجوي الملئ بالجسيمات المحملة، وهذا التأخير يمثل أحد أهم مصادر الأخطاء المنهجية في قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع.

الآليات المادية للتأخر في الغلاف الأيوني

إن الغلاف الأيوني متفاوت، مما يعني أن التأخير الواضح في الوقت الذي يسهم به الغلاف الأيوني يتوقف على تواتر الإشارة، وهذا السلوك الذي يعتمد على الترددات أمر حاسم لفهم المشكلة وحلها على السواء، ويؤثر التأخير في الغلاف الأيوني على قياسات الشفرة ومراحل الناقل بشكل مختلف، حيث تتسبب الممتلكات المتفرقة في الرموز، والصيغ على موجة الناقل، التي تتأثر بشكل مختلف عن الموجة نفسها.

وكثيرا ما يوصف هذا الكثافة بأنها المحتوى الإلكتروني الكلي أو التلقيم الرئوي، وهو تدبير من قياس عدد الإلكترونيات الحرة في عمود من الغلاف الأيوني مع مساحة شاملة لعدة قطاعات تبلغ 1 مترا مربعا: 1016 وحدة من وحدات التعليم التنفيذي الانتقالي، وكلما زادت كثافة الإلكترونية، كلما زاد تأخير الإشارة، ولكن التأخير لا يكون ثابتا بأي حال.

التغيرات المؤقتة والمكانية

ويظهر التأخير في الغلاف الجوي تغيرات زمنية ومكانية معقدة تجعل من الصعب أن تكون نموذجية بدقة، ويتغير التأخير في الغلاف الأيوني ببطء خلال دورة يومية، ويقل عادة ما بين منتصف الليل والصباح المبكر، ويدور معظمها حول الظهيرة المحلية أو بعد ذلك بقليل، وخلال ساعات النهار في خطوط العرض، قد ينمو التأخير في الغلاف الأيوني بمعدل يزيد بمقدار خمسة أضعاف عن المعدل في الليل، ولكن معدل النمو في النصف.

كما أنها أكبر بأربع مرات تقريبا في تشرين الثاني/نوفمبر عندما تقترب الأرض من عظمتها، أقرب نهج للشمس، منها في تموز/يوليه بالقرب من عظم الأرض، وأبعد نقطة لها عن الشمس، وهذه التباينات الموسمية تعكس التغيرات في كثافة الإشعاع الشمسي وأثرها على مستويات الاستيعاب في الغلاف الجوي العلوي.

الخطأ الذي أدخله الغلاف الأيوني قد يكون صغيراً جداً لكن قد يكون كبيراً عندما يكون القمر الصناعي بالقرب من الأفق المراقب

Magnitude of Ionospheric Effects

إن شدة تأثير الغلاف الأيوني على إشارة جهاز تحديد المواقع تعتمد على الوقت الذي تمضيه الإشارة عبره إشارة من قمر صناعي قرب الأفق المراقب

ويمكن أن يؤدي التأخير في الغلاف الأيوني إلى حدوث أخطاء تتراوح بين بضعة أمتار وعشرات من المترات، حسب الظروف، حيث تتجه إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع إلى الأرض من الفضاء، وتعود طبقات الغلاف الجوي وتؤخر قليلا الإشارات، ولا سيما في الغلاف الأيوني، ويتداخل هذا التأخير مع حلول النطاق من جهاز استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع على الأرض إلى الساتل، مما يؤدي إلى أخطاء في مواقع عدة مترات.

التسمية المدارية: المصدر غير الضار

وفي حين أن الغلاف الأيوني يؤثر على إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع بطريقة تعتمد على الترددات، فإن التروبوسفير - أدنى طبقة من الغلاف الجوي للأرض - يؤدي إلى تأخيرات تؤثر على جميع ترددات النظام العالمي لتحديد المواقع على قدم المساواة، ويبدو أن أثر التروبوسفير على إشارات النظم العالمية لسواتل الملاحة هو تأخير إضافي في قياس الإشارة التي تنتقل من الساتل إلى جهاز استقبال، وهذا التأخير يتوقف على درجة الحرارة والضغط والرطوبة وكذلك على جهاز الإرسال.

خصائص التأخير في الغلاف الجوي

الغلاف الجوى جزء من طبقة محايدة كهربائياً من الغلاف الجوي للأرض، وهذا لا يُؤون، كما أن التروبوسفير غير متفرق للترددات تحت 30 جيهرتز أو نحو ذلك، لذا، فإن L1 و L2 و L5 يعاد توزيعها بنفس القدر، وهذا الطابع غير المثير للخلاف يعني أن التقنيات ذات التردد المزدوج المستخدمة للقضاء على التأخير في الغلاف الأيوني لا يمكن تطبيقها على التأخير في الغلاف الجوي.

غير أنه، كما هو الحال في الغلاف الجوي الأيونوي، تؤثر الكثافة على شدة تأخير الإشارة إلى النظام العالمي لتحديد المواقع أثناء سفره عبر الغلاف الجوي، وعلى سبيل المثال، عندما يكون الساتل قريبا من الأفق، يُحدَّد إلى أقصى حد ممكن تأخير الإشارة التي يسببها الغلاف الجوي، ويقلل إلى أدنى حد التأخير في الغلاف الجوي للإشارة من ساتل في zenith، الذي يتجاوز مباشرة جهاز الاستقبال.

عناصر التأخير في الغلاف الجوي

ويمكن تقسيم الانتكاس إلى غازات هيدرولوجية، أي الغازات الجافة (لا سيما ن2 و2)، والبطاطا المبتلة، أي بخار الماء، المكونات، ولكل من هذه المكونات آثار مختلفة على إشارات النظم العالمية لسواتل الملاحة.

التأخير في عنصر الهيدروستات: هو سببه الغازات الجافة الموجودة في الغلاف الجوي (18 في المائة من النيوتن 2، 21 في المائة من اليورانيوم، 0.9 في المائة من الار)، ويتباين أثره بدرجة الحرارة المحلية والضغط الجوي بشكل يمكن التنبؤ به إلى جانب أن تغيره يقل عن 1 في المائة خلال ساعات قليلة، والخطأ الذي يسببه هذا العنصر هو حوالي 2.3 متر في اتجاه الكسب و 10 أمتار بالنسبة للارتفاعات الأدنى.

التأخير في العنصر الرطب: هو سببه بخار المياه والماء المكسور في شكل غيوم، وهو يتوقف، منذ ذلك الحين، على الظروف الجوية، والتأخر الزائد في هذه الحالة، وهو عدد قليل من عشرات سنتيمترات فقط، ولكن هذا العنصر يختلف بسرعة عن العنصر الهيدروكي، وبطريقة عشوائية جدا، حيث يصعب وضع النماذج.

أما العنصر الجاف، وإن كان أكبر حجما، فهو أكثر قابلية للتنبؤ به وأسهل من حيث النموذج لأنه يربط بشكل جيد بالضغط الجوي السطحي، وإن كان أصغر حجما، فإنه يشكل تحديات أكبر بالنسبة للنمذجة الدقيقة نظرا إلى التوزيع المتغير جدا لبخار المياه في الغلاف الجوي.

Calculating Systematic Errors in GPS Geodesy

ويتطلب الحساب الدقيق للأخطاء المنهجية تقنيات قياسية ونموذجية متطورة، وتشمل هذه العملية مقارنة ملاحظات النظام العالمي لتحديد المواقع بالقيم المرجعية المعروفة، وتطبيق نماذج مادية لمصادر الأخطاء، وتحليل المخلفات لتحديد أوجه التحيز المتبقية.

حساب الرعب المرجعي

ومن بين النهج الأساسي لحساب الأخطاء المنهجية مقارنة قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع مع النقاط المرجعية المعروفة أو القيم المحددة بصورة مستقلة، وقد ينطوي ذلك بالنسبة لأخطاء المدار الساتلي على مقارنة بيانات الغلاف الجوي المبثوث بمدارات دقيقة بعد انتهاء العمليات، وبالنسبة للتأخيرات في الغلاف الجوي، يمكن أن تأتي القيم المرجعية من نماذج الغلاف الجوي، أو قياسات مستقلة، أو ملاحظات ذات تواتر مزدوج.

ويمكن إزالة هذه الآثار من خلال نظام تحديد المواقع المتفاوت: الاستخدام المتزامن لمستقبلين أو أكثر في عدة نقاط مسحية، وهذا النهج المتباين يسمح للعديد من الأخطاء المنهجية بإلغاء أو تخفيضها بدرجة كبيرة من خلال عملية مختلفة.

حساب الطوابع الجوية

ويتطلب حساب التأخير في الغلاف الأيوني معرفة المحتوى الإلكتروني الإجمالي على طول مسار الإشارة، وبما أن الغلاف الأيوني هو وسيلة تفرق، فإن إعادة إرسال إشارات النظم العالمية لسواتل الملاحة تتوقف على تردداتها (كما هو معكوس)، وهذا الاعتماد على الترددات الإشارةية يتيح لنا إزالة أثره إلى أكثر من 99.9 في المائة باستخدام مقياسين للترددات.

وبالنسبة للمتلقين الذين يتكررون أحاديا، يجب تطبيق نماذج الغلاف الأيوني، ويمكن أن يؤدي نموذج كلوبخار، الذي يبث في رسالة الملاحة التي تحمل الشبكة العالمية لتحديد المواقع، إلى إزالة ما يقرب من 50 إلى 60 في المائة من التأخير في الغلاف الأيوني في ظل ظروف نموذجية، ويمكن أن تحقق نماذج أكثر تطورا تستخدم خرائط الغلاف الأيوني على الصعيد العالمي أداء أفضل.

وعادة ما ينطوي حساب التأخير في الغلاف الجوي على فصل المكونات الهيدروستاتية والمبللة، ويمكن أن يُصاغ الغلاف الجوي الجاف على شكل ضغط سطحي ودرجات حرارة باستخدام قوانين الغازات المثالية، ويقتضي العنصر الرطب إما قياسات الأرصاد الجوية أو تقدير كمسع غير معروف في حل الوضع.

التحليل الرجعي

وبعد تطبيق نماذج التصحيح، يساعد التحليل المتبقي على تحديد الأخطاء المنهجية المتبقية، ويشمل ذلك دراسة الاختلافات بين القيم الملاحظـة والقيم النموذجية لكشف الأنماط التي تدل على وجود تحيّزات غير مصحوبة، ويمكن لتحليل سلسلة زمنية لتقديرات المواقف أن يكشف عن آثار منهجية مثل التباينات الموسمية، والأنماط المتعددة المتعاطفين، أو أوجه القصور في النماذج.

غير أنه مع استخدام خوارزميات تجهيز البيانات هذه، لا يمكن القضاء تماما على الأخطاء المنهجية في قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع، أو حصرها بصورة مرضية، وهذا الواقع يتطلب التحسين المستمر لنماذج الأخطاء واستراتيجيات المعالجة.

التقنيات المتقدمة للتقليل من الأخطاء المنهجية

ويتطلب التقليل إلى أدنى حد من الأخطاء المنهجية في الجيوديسيا العالمية اتباع نهج متعدد الجوانب يجمع بين اختيار المعدات، واستراتيجيات المراقبة، والأغلافير المتطورة لتجهيز البيانات.

تواتر استخدام التقنيات المتعددة الترددات

ويمثل استخدام أجهزة استقبال مزدوجة التردد أو متعددة الترددات أحد أكثر التقنيات قوة لتخفيف التأخير في الغلاف الأيوني، وثمة نتيجة أخرى لتشتت الغلاف الجوي الأيوني تتمثل في أن ارتفاع الموجة الناقلة إلى درجة أعلى يقل عن الموجة المنخفضة التردد، مما يعني أن الميزات من الترددات العالية من الترددات من طراز L1، 1575.42 ميغاهيرتز لا تتأثر بقدر ما هي عليه من المادة الثانية من المادة 1227 إلى 60 ميغاهيرتز.

وبتشكيل مجموعة من الملاحظات على ترددات أو أكثر من الغلاف الجوي الأيونسي، يمكن القضاء عمليا على التأخير في الغلاف الأيوني في أول درجة، وهذه التقنية ممارسة معيارية في التطبيقات الجيوديسية العالية الدقة ويمكن أن تزيل أكثر من 99.9 في المائة من التأثير في الغلاف الأيوني.

النظام العالمي لتحديد المواقع والشبكة

ويسمى هذا النظام النظام العالمي لتحديد المواقع (DGPS) كما يصحح النظام العالمي لتحديد المواقع لعدة مصادر هامة أخرى لأخطاء النظام العالمي لتحديد المواقع، ولا سيما التأخير في الغلاف الأيوني، بحيث يستمر استخدامه على نطاق واسع، ويعمل النهج التفاضلي بإنشاء محطة مرجعية أو أكثر في مواقع معروفة تحديداً، وتقيس هذه المحطات الأخطاء التي تصيب النظام العالمي لتحديد المواقع في الوقت الحقيقي وتحيل التصويبات إلى المستخدمين المجاورين.

ويتأثر نشر إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع تأثرا كبيرا بالسفر عبر الغلاف الجوي، وهذه الأخطاء هي أحد العوامل الرئيسية التي تنطوي على خطأ في النظام العالمي لتحديد المواقع، والتي تصلح نظم التعزيز في المنطقة الواسعة وغيرها من نظم التعزيز الساتلية، وتصحح النظام العالمي لرصد المحيطات في هذا المجال بتحديد كيفية تداخل الغلاف الجوي مع الإشارة في منطقة ما، ثم توفير بيانات تصحيحية في الوقت الحقيقي للمتلقين الساتليين التابعين للمنظمة العالمية لسواتل الملاحة عن طريق الساتل.

وتوسّع الحلول القائمة على الشبكات هذا المفهوم باستخدام محطات مرجعية متعددة توزع على منطقة ما، ويمكن لهذه الشبكات أن تُظهر تفاوتات مكانية في حالات التأخير في الغلاف الجوي وغيرها من الأخطاء المنهجية، مما يتيح تحسين التصويبات في جميع أنحاء منطقة التغطية.

نقطة تحديد الموقع

ويمثل تحديد نقطة تحديد الموقع نهجا بديلا يحقق الدقة العالية باستخدام جهاز استقبال واحد عن طريق تطبيق مدار ساتلي محدد ومنتجات للساعة إلى جانب نماذج أخطاء متطورة، ويلغي تعادل القوة الشرائية الحاجة إلى محطات مرجعية قريبة، ولكنه يتطلب وضع نماذج دقيقة لجميع مصادر الأخطاء المنهجية.

وسيتيح هذا النظام للباحثين في الشراكات بين القطاعين العام والخاص أن يفهموا حجم وأنواع الأخطاء المتبقية التي يمكن تحملها في مرحلة النقل وقياسات البرتقالية، مع مواصلة تسوية أوجه الغموض في تعادلات القوة الشرائية حلا صحيحا، ويتوقف نجاح تعادل القوة الشرائية اعتمادا حاسما على النماذج والتصويب المنهجيين الدقيقين للأخطاء.

استراتيجية المراقبة

ويمكن أن يقلل التخطيط الدقيق لدورات رصد النظام العالمي لتحديد المواقع من بعض الأخطاء المنهجية، غير أنه من المستصوب الحد من ملاحظات النظام العالمي لتحديد المواقع على تلك الإشارات التي تتجاوز 15 درجة أو نحو ذلك لتحسين آثار التأخير في الغلاف الجوي، ويؤدي تحديد زوايا الارتفاع المناسبة إلى الحد من أثر التأخيرات في الغلاف الجوي والاضطرابات المتعددة في الوقت الذي يحافظ فيه على قياسات جيولوجية ساتلية كافية.

كما أن مدة المراقبة تؤثر على التخفيف من الأخطاء المنهجية، إذ تتيح جلسات المراقبة الطويلة استخدام الأخطاء التي تحدث في المتوسط عن الزمن، وتحسين القدرة على حل أوجه الغموض في قياسات مرحلة النقل، وبالنسبة للتطبيقات الجيوديسية الثابتة، فإن جلسات المراقبة التي تستغرق عدة ساعات شائعة.

استراتيجيات التخفيف المتعددة التعاطف

ويتطلب الحد من الأخطاء المتعددة المعابر الاهتمام باختيار المواقع وتصميم الهوائي على السواء، ويمكن أن يساعد اختيار مواقع المراقبة بعيدا عن الأسطح المصورة، باستخدام الطائرات الأرضية أو الهوائيات الخندقية، وتطبيق تقنيات معالجة الإشارات، في التقليل إلى أدنى حد من الآثار المتعددة التعاطف.

ويستخدم المتلقين المتقدمون خوارزميات تجهيز الإشارات المتطورة للكشف عن الملاحظات المتعددة الأطراف الملوَّثة ورفضها، وتستخدم بعض النظم مترابطات متعددة أو حلقات تعقُّب متخصصة مصممة للتمييز بين الإشارات المباشرة والإشارات المبيَّنة.

المعايرة وصيانة المعدات

ويعد إجراء معايرة منتظمة لمعدات النظام العالمي لتحديد المواقع أمرا أساسيا لتقليل الأخطاء المنهجية المتصلة بالاستلام إلى أدنى حد، وينبغي تطبيق معايرة مركز أنتينا للمرحلة على حساب التباينات في مركز المرحلة الكهربائية مع توجيه الإشارات، وينبغي رصد استقرار ساعات الاستلام، وينبغي الحفاظ على المعدات وفقا لمواصفات الصانعين.

وبالنسبة للشبكات الجيوديسية، فإن الاحتفاظ بمعدات متسقة ونسخ من البرمجيات الثابتة عبر المحطات يمكن أن يقلل من الاختلافات المنهجية بين المواقع، وعندما تكون التغييرات في المعدات ضرورية، فإن من المهم توثيق وتحليل التسلسلات المحتملة في سلسلة أوقات العمل.

نُهج نموذجية لإصلاح الرعب المنهجي

وتتمثل أخطاء النظام العالمي لتحديد المواقع في عملية تقدير وتصحيح آثار الأخطاء على البيانات الجيوديسية، وهناك نهجان رئيسيان لنموذج الأخطاء في النظام العالمي لتحديد المواقع: أخطاء تجريبية ومذهلة، وتستخدم النماذج التجريبية صيغا أو جداول رياضية لوصف السلوك المتوقع للأخطاء القائمة على المبادئ أو الملاحظات المادية.

النماذج التجريبية

والنماذج العملية مفيدة في الحد من الأخطاء المنهجية التي لها نمط معروف أو يمكن التنبؤ به، وتستند هذه النماذج إلى الفهم المادي لمصادر الأخطاء واستخدام العلاقات الرياضية للتنبؤ بأخطاء في ظروف مختلفة.

فعلى سبيل المثال، يمكن تخفيض الأخطاء الساتلية باستخدام التصويبات التي يقدمها مقدمو خدمات النظام العالمي لتحديد المواقع أو الوكالات الأخرى في مجال الغلاف الجوي أو في دقتها، ويمكن تخفيض الأخطاء في التبريد باستخدام نماذج الغلاف الجوي العادية أو المعدلة التي تمثل الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة والظروف التي تسود في الغلاف الأيوني على طول مسار الإشارة.

وتشمل النماذج التجريبية المشتركة نماذج ساستاموينن أو هوبفيلد للتأخير في الغلاف الجوي، ونموذج كلوبشار للتأخير في الغلاف الأيوني، ومختلف مهام رسم الخرائط التي تتصل بتأخيرات المواطنين في فترات التأخير في مختلف الزوايا.

النماذج المسروقة

والنماذج المطاطية مفيدة في الحد من الأخطاء العشوائية التي لها نمط غير معروف أو غير متوقع، فعلى سبيل المثال، يمكن الحد من الأخطاء المتعددة المعابر باستخدام تقنيات الترجيح أو التصفير التي تعتمد على الارتفاع والتي تُسند الأوزان المنخفضة أو الفروق المرتفعة إلى الإشارات ذات الزوايا المنخفضة أو طول الطرق.

وتنطوي النماذج المخزنة على تحديد الأوزان المناسبة للملاحظات استنادا إلى دقة متوقعة، وقد تكون الملاحظات التي تُجرى من السواتل المنخفضة الارتفاع أقل وزناً بسبب زيادة الآثار الجوية والتعددية، وتحظى عمليات المراقبة في مرحلة الناقل عادة بأثقال أعلى من الملاحظات الرمزية بسبب ختانها الأعلى.

النماذج شبه المعيارية والتطبيقية

وقد اقتُرح مؤخراً عدة نُهج للتخفيف من أثر الأخطاء المنهجية على نتائج تحديد المواقع في النظام العالمي لتحديد المواقع: النموذج شبه الشمولي، واستخدام الملوّثات ومنهجيات النمذجة الجديدة، وهي نهج متطورة تحاول استخلاص أنماط من الأخطاء المنهجية غير الممثلة تمثيلاً جيداً بالنماذج التقليدية.

ويجمع النماذج شبه المتوازية بين البارامترات المحددة والمهام المرنة التي يمكن أن تتكيف مع أنماط الخطأ الملاحظ، وهذا النهج مفيد بصفة خاصة في وضع نماذج للآثار الخاصة بمواقع محددة مثل التعددية التي تُكرر مع قياسات الهندسة الساتلية.

الاعتبارات الخاصة للجيوديسيا العليا

ويجب أن تتناول التطبيقات التي تتطلب دقة على مستوى المليمتر حتى مصادر الخطأ المنهجية التي قد تكون غير معقولة بالنسبة للتطبيقات الأقل طلبا.

ارتفاع مستوى التأثيرات في الغلاف الجوي

وباستخدام مقياسين مختلفين للمرحلة أو الرموز، يمكن إزالة الجزء الأكبر من الخطأ في الغلاف الأيوني، الذي يسمى الترتيب الأول، من المعادلة، غير أن الأوامر الثانية والثالثة للخطأ في الغلاف الأيوني، أهملت عموما في الدراسات، مع تعزيز التكنولوجيا وضرورة تطبيقات النظم العالمية لسواتل الملاحة الدقيقة مثل تقدير الوضع أو البارامترات الجوية، فإن الآثار الأيونية العالية الإشعاع على الغلاف الجوي.

وتبين النتائج أن آثار مبادرة الصحة للبلدان الأمريكية تصل إلى 6 مم على التأخير في تروبوسفيري من فصيلة دنيا، و 4 مم على مستوى الشمال والجنوب، و 12 مم على مستوى شرق غرب المنطقة، ويمكن أن تصل إلى أكثر من 30 ملم في حالات التأخير في الغلاف الجوي العلوي، أما بالنسبة للطلبات التي تتطلب دقة من مستوى المليمتر، فلا بد من تصحيح هذه الآثار ذات المستويات الأعلى.

الآثار النسبية

وتتسبب الآثار النسبية العامة والخاصة في وجود اختلافات منهجية بين ساعات السواتل والساعات الأرضية، وفي حالة النظام العالمي لتحديد المواقع، تكون أجهزة الاستقبال أقرب إلى مركز الأرض من السواتل، مما يجعل الساعات على ارتفاع الساتل أسرع بمعامل 5 x10-10 أو حوالي +45.8 ميكروغرام/يوم، وهذا التحول في الترددي القابل للطي يمكن قياسه.

وهذه المصادر مجتمعة، تسبب تناقص الوقت في كسب الساعات على السواتل لتصل إلى 38.6 ثانية دقيقة يوميا مقارنة بالساعة على الأرض، وفي حين أن أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع تُحسب تلقائيا لهذه الآثار من خلال تصحيحات الساعة، فإن فهم الآثار النسبية أمر هام لتطوير وتثبيت مقاييس تحديد المواقع بدقة.

مركز الأنتينا للمراحل

أما المركز التدريجي لنقطة انبعاث لتحديد المواقع، وهي نقطة فعالة يتم استلام الإشارات منها، فتتراوح بين توجيه الإشارات الواردة وتواتر الإشارة، وبالنسبة للتطبيقات الجيوديسية، فإن معايرة الهوائيات الفردية كثيرا ما تُجرى لتمييز هذه التباينات بدقة، ويمكن لتطبيق هذه المعايرة أن يحسن دقة تحديد المواقع بعدة مليمترات.

تيار الأرض الصلبة وضغوط المحيطات

وبالنسبة لأعلى تطبيقات الدقة، حتى التشوهات التي تشوه قشرة الأرض بسبب قوى المد والجزر يجب أن تؤخذ في الاعتبار، ويمكن أن تتسبب المدات الأرضية الصلبة في تشريد رأسي يصل إلى 30 سنتيمتراً وتشريد أفقي لعدد من سنتيمترات، ويمكن أن تضيف آثار تحميل المحيطات، الناجمة عن وزن كتل المياه المدوية، عدة سنتيمترات إضافية من التشرد في المناطق الساحلية.

مراقبة الجودة والتحقق منها

ويتطلب التخفيف الفعال من الأخطاء المنهجية إجراءات قوية لمراقبة الجودة للتحقق من أن التصويبات تعمل على النحو المقصود، وكشف أي تحيّزات متبقية.

مؤشرات جودة البيانات

وتوفر أجهزة الاستقبال والبرمجيات الحديثة للنظم العالمية لتحديد المواقع مؤشرات نوعية مختلفة تساعد على تقييم جودة البيانات وتحديد الأخطاء المنهجية المحتملة، وتشمل هذه التدابير قياسات الهندسة الساتلية (تفكيك الدقة)، وقوام الإشارة، وكشف التسلل إلى الدورات، وحجم الكميات المتبقية.

ويساعد رصد هذه المؤشرات في جميع مراحل جمع البيانات وتجهيزها على تحديد المشاكل في وقت مبكر، ويكفل فعالية الاستراتيجيات المنهجية لتخفيف الأخطاء.

التقييم المستقل

ويوفّر مقارنة نتائج النظام العالمي لتحديد المواقع مع القياسات المستقلة التحقق القيم من التصويبات المنهجية للخطأ، وقد يشمل ذلك مقارنة قياسات المسح الأرضي، والتداخل الطويل جداً بين سطح الأرض، والليزر الساتلي (SLR)، أو التقنيات الجيوديسية الأخرى.

وبالنسبة لرصد التشوهات القشرية، يمكن أن يساعد مقارنة السرعة التي استُحدثت بواسطة النظام العالمي لتحديد المواقع مع التوقعات الجيولوجية أو غير ذلك من البيانات الجيوفيزيائية على التحقق من أن الأخطاء المنهجية قد عولجت على نحو كاف.

تحليل سلسلة الزمن

ويساعد تحليل سلسلة الزمن في تحديد المواقع على مدى فترات مطولة على تحديد الأخطاء المنهجية التي قد لا تظهر في دورات المراقبة الفردية، ويمكن أن تشير الاختلافات الموسمية، والانجرافات الطويلة الأجل، أو الارتباطات بارامترات بيئية، إلى التحيزات المنتظمة المتبقية.

ويمكن أن تكشف تقنيات التحليلات الإلكترونية عن إشارات دورية قد تنتج عن آثار متعددة التعاطف أو الغلاف الجوي أو مصادر أخرى للخطأ المنهجي، ويمكِّن فهم هذه الأنماط من وضع استراتيجيات تصحيحية محسنة.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وتطرح أخطاء النظام العالمي لتحديد المواقع في الدراسات الاستقصائية الجيوديسية عدة تحديات وتتطلب حلولا مختلفة، وتتمثل بعض التحديات فيما يلي: اختيار النماذج والأساليب المناسبة لمختلف أنواع الأخطاء والتطبيقات؛ والتحقق من النماذج والأساليب القائمة على البيانات والمعلومات الجديدة واستكمالها؛ وتحديد كمية البيانات والنماذج الجيوديسية والإبلاغ عنها؛ وإدماج ومواءمة البيانات والنماذج الجيوديسية من مصادر ومعايير مختلفة.

اعتبارات النظم العالمية لسواتل الملاحة المتعددة

وقد أتاح التوافر الحالي للعديد من مجموعات السواتل، وهي نظام GPS، وGLONASS، و BeiDou، التحقيق في الأخطاء المنهجية التي تُرتكب في كل مجموعة من الوحدات والآليات التي تنطوي على وضع النظم العالمية لسواتل الملاحة، ووصفها، ولكل مجموعة خصائص فريدة تؤثر على السلوك المنهجي للخطأ.

ويمكن أن تؤدي الملاحظات المجمعة من مجموعات متعددة من النظم العالمية لسواتل الملاحة إلى تحسين دقة الموقع وموثوقيته، ولكنها تستحدث أيضاً تحديات جديدة، ويجب أن تكون جميع أشكال التحيز فيما بين النظم، وهياكل الإشارات المختلفة، والأخطاء المنهجية المحددة لمجموعات محددة نموذجاً وقائمة على النحو المناسب.

النهج التعليمية الآلاتية

وتتيح تقنيات التعلم الآلي الناشئة إمكانيات جديدة لنموذج الأخطاء المنهجية والتخفيف من حدتها، ويمكن للشبكات العصبية وغيرها من الخوارزميات أن تتعلم أنماطاً معقدة من مجموعات البيانات الكبيرة، ويمكن أن تحدد الآثار المنهجية التي يصعب طباعتها بالنهج التقليدية.

وتظهر هذه التقنيات وعدا خاصا بنموذج الآثار المحددة للمواقع، مثل التعددية، وتحسين التنبؤات المتعلقة بالتأخير في الغلاف الجوي عن طريق إدراج مصادر متنوعة للبيانات البيئية.

تطبيقات الوقت الحقيقي

ومع تزايد الطلب على المواقع العالية الدقة في الوقت الحقيقي، يصبح تطوير الخوارزميات الفعالة من أجل تصحيح الأخطاء المنهجية في الوقت الحقيقي أمرا متزايد الأهمية، وهذا يتطلب توازنا بين الكفاءة الحسابية والدقة ووضع أساليب قوية تعمل بشكل موثوق في ظل ظروف مختلفة.

فالنهج المتبعة في الفضاء الحكومي وتقنيات التصفية في كالمان تتيح تقديراً فورياً لبارامترات الأخطاء المنهجية، ولكن يلزم توخي الحذر لتحقيق الأداء الأمثل.

توصيات عملية بشأن الجيوديسيا الجغرافية للنظام العالمي لتحديد المواقع

واستنادا إلى فهم الأخطاء المنهجية والتخفيف من حدتها، يمكن أن تساعد عدة توصيات عملية على ضمان قياسات جيوديسية عالية الجودة.

اختيار المعدات

وينبغي استخدام الهوائيات ذات الدرجات العالية الدقة بالنسبة للعمل الجيوديسي العالي الدقة، والمستقبلات ذات التردد المزدوج أو المتعددة الترددات، كما ينبغي استخدام الهوائيات ذات الدرجات الجيوديسية ذات المعايرة المركزية المعروفة، وقد تكون الهوائيات الخندقية مفيدة في البيئات المتعددة الاختلاط.

اختيار الموقع وتصميمه

مواقع مراقبة مختارة ذات رؤية واضحة للسماء وقليل من السطحات المظهرية القريبة للحد من التعددية، وتفادي المواقع القريبة من المباني الكبيرة، أو من أجساد المياه، أو من مصادر أخرى محتملة للتأمل في الإشارات، وضمان استقرار المعالم وتوثيقها جيداً من أجل إتاحة الرصد على المدى الطويل.

التخطيط للمراقبة

دورات رصد الخطة لضمان التغطية الكافية بالسواتل والمسح الجيولوجي - استخدام زوايا التخفيض الملائمة (من 10 إلى 15 درجة) للموازنة بين تخفيف الأخطاء في الغلاف الجوي مع توافر السواتل، وبالنسبة للتطبيقات الثابتة، يلاحظ لمدة كافية تسمح بمتوسط الأخطاء التي تحدث في الوقت.

تجهيز البيانات

تطبيق نماذج تصحيحية مناسبة لجميع مصادر الأخطاء المنهجية الهامة - استخدام مدار ساتلي محدد ومنتجات ساعات تطبيقا للتطبيقات اللاحقة للعمليات - تنفيذ تصويبات في الغلاف المتكرر المزدوج ونماذج تروبوسفيرية متطورة - تطبيق معايير مركز هوائيات وغير ذلك من التصويبات الخاصة بالمعدات.

الوثائق والبيانات الوصفية

الاحتفاظ بسجلات تفصيلية للمعدات، وظروف المراقبة، وإجراءات التجهيز - توثيق أي تغييرات في المعدات أو تعديلات في الموقع أو شروط غير عادية قد تؤثر على القياسات - هذه البيانات الوصفية أساسية لتفسير النتائج وتحديد الأخطاء المنهجية المحتملة.

التكامل مع التقنيات الجيوديسية الأخرى

(ج) إن الجيوديسيا العالمية هي الأقوى عندما تدمج بالتقنيات الجيوديسية التكميلية، وتوفر القياسات المستقلة لتوجه الأرض، ويمكنها التحقق من تحقيق الإطار المرجعي الذي يستمده النظام العالمي لتحديد المواقع، وتتيح فرز أجهزة لاسترال الساتل التحقق من المدار الساتلي المستقل ويمكن أن تساعد على تحديد الأخطاء المنهجية المحددة للنظام العالمي لتحديد المواقع.

وتوفر تقنيات المسح الأرضي، بما في ذلك قياسات مستوى الأرض ومجموع المحطات، التحقق المحلي القيم من نتائج النظام العالمي لتحديد المواقع، ويمكن أن يكمل نظام تحديد المواقع لقياس التشوهات السطحية على المناطق الكبيرة.

ومن خلال الجمع بين تقنيات متعددة، يمكن للجيوديسيا أن يتبادلوا النتائج، وأن يحددوا الأخطاء المنهجية المحددة للتقنيات الفردية، وأن يضعوا حلولا أكثر قوة ودقة.

تطبيقات تتطلب رقابة منتظمة على الأخطاء

وتتطلب عدة تطبيقات جيوديسية مراقبة شديدة للخطأ على نحو منهجي نظرا لأهميتها العلمية أو العملية.

رصد التشهير الصدري

ويتطلب رصد حركة التكتونية، والتشوه البركاني، والحركات القشرية المتصلة بالزلازل دقة على مستوى المليمتر على مدى فترات زمنية طويلة، ويمكن للأخطاء المنهجية التي قد تكون مقبولة للملاحة أن تحجب تماما الإشارات الجيوفيزيائية التي تحظى بالاهتمام، ومن الضروري إيلاء اهتمام دقيق لاستقرار المعدات وتصميم النصب، والتجهيز المستمر.

الدراسات على مستوى سطح البحر

وتساعد قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع في محطات قياس المد والجزر على فصل حركة الأرض العمودية عن التغير الحقيقي في مستوى سطح البحر، وبما أن معدلات ارتفاع مستوى سطح البحر لا تتجاوز بضعة مليمترات في السنة، فإن الأخطاء المنهجية الصغيرة في تحديد المواقع الرأسية يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على النتائج، فالاستقرار الطويل الأجل والتخفيف من الأخطاء المنهجية المتأنية أمران بالغا الأهمية.

الإطار المرجعي

ويتطلب إنشاء وصيانة الأطر المرجعية الجيوديسية أعلى مستوى من الدقة والاستقرار في الأجل الطويل، ويجب تجهيز الشبكات العالمية لمحطات النظام العالمي لتحديد المواقع على نحو متسق مع وضع نماذج دقيقة للأخطاء المنهجية لتحقيق الدقة في المعايير الفرعية اللازمة لتعريف الإطار المرجعي.

الدراسات الجوية

ويمكن استخدام النظام العالمي لتحديد المواقع لتقدير محتوى بخار المياه في الغلاف الجوي والهيكل الأيونسيسفيري لدراسة هذه التطبيقات، مما يتطلب فصلا دقيقا للآثار الجوية عن الأخطاء المنهجية الأخرى، كما أن بارامترات الغلاف الجوي أصبحت هي نفسها الناتج المنشود وليس مصادر الخطأ التي يتعين إزالتها.

الموارد والتعلم الإضافي

وبالنسبة لمن يسعون إلى تعميق فهمهم للأخطاء المنهجية للنظام العالمي لتحديد المواقع والجيوديسيا، هناك موارد عديدة متاحة، وتوفر الدائرة الدولية لنظم المعلومات الجغرافية المدارية ومنتجات الساعات، والنماذج الجوية، والوثائق الواسعة النطاق، وتقوم منظمات مهنية مثل الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي والرابطة الدولية للجيوديسيا بنشر بحوث عن نماذج الأخطاء في النظام العالمي لتحديد المواقع والتخفيف من آثارها.

وتتيح الدورات الدراسية الجامعية في مجال الجيوديسيا والوضع الساتلي فرصاً للتعلم المنظم، وتوفر الموارد على الإنترنت من منظمات مثل وزارة الجغرافيا الحكومية في بن (FLT:0) ) مدخلات ميسرة لمفاهيم النظام العالمي لتحديد المواقع والنظم العالمية لسواتل الملاحة.

وتسمح مجموعات برامجيات مثل برنامج " غاميت "/GLOBK، وبرمجيات برنيس لنظم المعلومات العالمية لسواتل الملاحة، و " جي بي سي " - أواسيس " بتجهيز بيانات متطورة عن النظام العالمي لتحديد المواقع مع وضع نماذج متطورة للأخطاء المنهجية.

خاتمة

وتمثل الأخطاء المنهجية أحد التحديات الأساسية في الجيوديسيا العالمية، ولكنها أيضا من بين أكثر الأخطاء جسامة، وعلى عكس الأخطاء العشوائية، تتبع الأخطاء المنهجية أنماطا يمكن التنبؤ بها يمكن أن تُصاغ وتقاس وتصحح من خلال التقنيات المناسبة، ويتوقف النجاح في الجيوديسيا العالية الدقة في النظام العالمي لتحديد المواقع على فهم المصادر المادية للأخطاء المنهجية، وتطبيق نماذج تصحيح مناسبة، وتنفيذ إجراءات قوية لمراقبة الجودة.

ويستمر تطور الميدان مع توافر مجموعات جديدة من النظم العالمية لسواتل الملاحة، وتحسين الخوارزميات المعالجة، والتطبيقات تتطلب قدرا أكبر من الدقة، ويمكن التقليل من بعض الأخطاء باعتماد تقنيات المراقبة المناسبة بينما يمكن القضاء على بعضها باستخدام النماذج المناسبة، ومن المهم، من أجل اعتماد نظام مناسب، فهم مصادر الأخطاء في النظام وأثرها فهما سليما، مع مراعاة طبيعة وخصائص النماذج المرغوبة،

ومن خلال الجمع بين التخطيط الدقيق للمراقبة، واختيار المعدات المناسبة، وتجهيز البيانات المتطورة، ومراقبة الجودة الصارمة، يمكن للجيوديسيا تحقيق دقة كبيرة في تحديد المواقع، والنهج المنهجي لتحديد الأخطاء المنهجية وحسابها وتقليلها، يحول النظام العالمي لتحديد المواقع من أداة الملاحة إلى أداة علمية دقيقة قادرة على قياس التحركات القشرية على مستوى المليمتر، ورصد تغير مستوى سطح البحر، والإسهام في فهمنا لديناميات نظام الأرض.

ومع تطوّر التكنولوجيا وتعميق فهمنا، ستستمر القدرة على التحكم في الأخطاء المنهجية في التحسن، مما يمكّن من تطبيقات جديدة واكتشافات علمية، وتوفر المبادئ والتقنيات التي تناقش في هذه المادة أساسا لأي شخص يعمل مع الجيوديسيا العالمية لتحديد المواقع لتحقيق نتائج موثوقة ودقيقة.