با اتصال عمیق یک (UKF) این پژوهش به تخمین مدار یک ماهواره نوعی با استفاده از فیلتر کالمن خنثی در حلقه آن می پردازد. در این راستا، ابتدا مدار ماهواره با لحاظ کردن اثرات ناهمگونی GNSS مشاهده گر با UKF زمین شبیه سازی شده و اثرات تغییرات زمانی مدار نیز در حلقه تخمین اعمال گردید. سپس الگوریتم استفاده از مدل غیرخطی دینامیک مداری، پیش بینی اولیه را انجام می دهد. در ادامه با استفاده از یک و سیستم فضایی مورد مطالعه به عنوان پارامتر GPS که در آن مسافت بین ماهواره GPS مشاهده گر فرض می شود (اتصال عمیق)، تصحیحات موقعیت ماهواره در فضا به همراه پیش بینی خطاهای انجام می گردد. نتایج حاصل از این تحقیق، حاکی از تخمین مدار ماهواره با خطای قابل قبول GPS مشاهدات در کاربردهای فضایی است.

پیشینه و اهداف: تکنیک­های سنجش (sounding) رادیویی و توموگرافی، برای مطالعه ساختار و دینامیک یون­سپهر به کار می روند. توموگرافی یکی از روش های پیشرفته برای مطالعه و مدل سازی سه بعدی چگالی الکترونی در لایه یون­سپهر است. این روش از داده های مشاهداتی مانند GNNS برای تولید نقشه های دقیق از توزیع الکترون ها در این لایه استفاده می کند. توموگرافی یون­سپهر به ما امکان تشخیص تغییرات زمانی و مکانی چگالی الکترونی را با دقت بالا می­دهد. که این امر برای برنامه های کاربردی مانند ناوبری ماهواره ای، ارتباطات رادیویی و پیش بینی های متئورولوژیکی حیاتی است. توسعه اندازه گیری و توموگرافی یون­سپهر، که به مطالعه و تحلیل لایه های بالایی جو زمین می پردازد، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این فرآیند، که از اوایل قرن بیستم آغاز شده، شامل تکنیک های مختلفی برای بررسی توزیع الکترون ها در یون­سپهر است. اندازه گیری یون­سپهر، که با استفاده از رادارهای مخصوصی به نام ایونوسوندها انجام می شود، به دانشمندان این امکان را می دهد تا اطلاعات دقیقی در مورد تراکم الکترونی و ساختار لایه های یونیزه شده به دست آورند. توموگرافی یک روش تصویربرداری است، که از انتشار امواج رادیویی در یون­سپهر برای تولید تصاویر دو یا سه بعدی از توزیع الکترون ها در این لایه استفاده می کند. این تکنیک ، که به طور گسترده ای در پیش بینی شرایط جوی، مخابرات رادیویی و مطالعات فضایی به کار می روند، نقش مهمی در پیشرفت علم جوسپهری داشته اند. با پیشرفت تکنولوژی، ابزارهای اندازه گیری پیشرفته تر و دقیق تر شده اند، که این امر به درک بهتری از پدیده های مختلف یون­سپهر منجر شده است. امروزه، با استفاده از ماهواره ها و سایر فناوری های پیشرفته، دانشمندان قادر به انجام اندازه گیری های دقیق تر و تحلیل های عمیق تری از این لایه  هستند، که این امر در نهایت به بهبود ارتباطات جهانی و افزایش ایمنی پروازهای هوایی کمک می کند. در این مقاله، روش موجود برای چگونگی بدست آوردن تغییر چگالی الکترونی لایه یونسفر مبتنی بر پارامتر محتوای کلی الکترون (TEC) با استفاده از تحلیل تفاضل فازی ایجاد شده در سیگنال مخابراتی سامانه ماهواره­ای راهبری جهانی GNSS در هنگام عبور از لایه های مختلف یونسفر مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. به این منظور سیگنال ها مخابراتی از ماهواره های مدار پایین و مدارهای بالا مطالعه شده اند و روش بدست آوردن TEC از تفاضل فازی برا هریک توضیح داده شد. سپس به مطالعه روش ها و الگوریتم های موجود برای تبدیل اطلاعات TEC به تصاویر توموگرافیک پرداختیم. در انتهای این مقاله به عنوان یک مثال روش توموگرافی رادیویی را برای مصورسازی حباب های پلاسمایی در منطقه استوایی پیاده سازی کرده و نتایج آن را با تصاویر گرفته شده از ادوات اپتیکی مقایسه کردیم. نشان داده شد که توموگرافی رادیویی می تواند به عنوان روشی دقیق برای مصورسازی ساختار حباب های پلاسما به کارگرفته شود. در انتهای این مقاله به مقایسه روش مطالعه شده در اینجا با روش هایی نظیر تصویربرداری تمام آسمان، رادارهای پراکندگی غیر همدوس و غیره، پرداخته شد و مزایا و معایب این روش ها نسبت به یکدیگر بیان شد.روش ­ها: در تحقیقات کنونی در زمینه صدازدایی و توموگرافی یون­سپهر با استفاده از GNSS، پیشرفت های قابل توجهی صورت گرفته است. مطالعات اخیر نشان می دهند که با استفاده از GNSS، می توان ساختار یون­سپهر را به صورت سه بعدی و با دقت بالا مدل سازی کرد. توزیع الکترونی یون­سپهر با استفاده از داده های رادیویی که از ماهواره های در ارتفاع کم (LO) و ارتفاع  بالا (HO) به دست می آیند، تجزیه و تحلیل می­شود. جمع آوری اطلاعات یونسپهر با استفاده از GNSS یک فرآیند پیچیده و دقیق است که از تکنولوژی پیشرفته برای اندازه گیری و تحلیل پارامترهای مختلف یون­سپهری بهره می برد. این سیستم ها، که شامل ماهواره هایی در مدار زمین هستند، سیگنال هایی را به ایستگاه های گیرنده روی زمین مخابره می کنند. این سیگنال ها حاوی اطلاعات زمانی و مکانی دقیق ماهواره ها هستند که با استفاده از آن ها می توان موقعیت دقیق گیرنده ها را روی زمین تعیین کرد. نحوه توزیع چگالی الکترونی در لایه یون­سپهر برروی نحوه انتشار امواج رادیویی GNSS و تغییر مسیر، شکل و فاز این امواج به طور مستقیم تأثیرگذار است. هرگونه اختلال در لایه یون­سپهر، تأثیر جدی در ارتباطات ماهواره ای، ارتباطات دقیق ناوبری و ارتباطات دوربرد می گذارد. در حقیقت، GNSS از این قابلیت برای اندازه گیری محتوای کلی الکترون (TEC) یون­سپهر استفاده می کند، که یک شاخص کلیدی برای درک وضعیت یونسپهر است. این فرآیند با استفاده از سیگنال هایی که از ماهواره ها به ایستگاه های زمینی فرستاده می شوند، صورت می گیرد. این سیگنال ها هنگام عبور از یون سپهر تحت تأثیر تغییرات الکترونی قرار می گیرند و این تغییرات می توانند با دقت بالایی اندازه گیری شوند.یافته ­ها: در این پژوهش مطالعه جامعی بر روی تحقیقات کنونی در زمینه توموگرافی رادیویی یون­سپهر با استفاده از اندازه­گیری TEC یون­سپهر توسط GNSS انجام شده است. مفهوم TEC و نحوه تأثیر آن بر روی فاز و شکل سیگنال­های دریافت شده از ماهواره­های مدار پایین و مدار بالا مورد بررسی قرار گرفته است. کاربرد و روش استفاده از داده­های ماهواره­های LO و HO برای بدست آوردنTEC  به تفصیل توضیح داده شده­اند. به اعتبار­سنجی و صحت سنجی داده­های ماهواره­ای در توموگرافی رادیویی یون­سپهر که ضامن درستی عملکرد محصول نهایی و فرآیند تولید آن است، پرداخته شده است. در انتها مروری بر یک تکنیک برای بازسازی تصاویر توموگرافی حباب های پلاسمایی با اندازه­گیری TEC از طریق سیگنال­های GNSS انجام شد. نشان داده شد که این تکنیک بازسازی توموگرافی روی تصویربرداری از حباب­های پلاسمایی به خوبی عمل ­می­کند. توزیع های افقی گرفته شده از کاهش پلاسمای VTEC با تصاویر گرفته شده از ادوات اپتیکی مقایسه گردید و نشان داده شد که نتایج مشابهی حاصل می شود. همچنین نتایج بیان می کنند که در صورت بزرگ بودن ساختار حباب حتی در نواحی که سیگنال GNSS در آن­های ضعیف است، می­توان نتیجه درستی از این روش بدست آورد.نتیجه ­گیری: در مجموع، توموگرافی GNSS یک حوزه پویا و در حال توسعه است که پتانسیل زیادی برای بهبود دقت و کارایی در پیش بینی های جوی دارد. با تحقیق و توسعه بیشتر، می توان انتظار داشت که روش ها و فناوری های جدیدی در این زمینه معرفی شوند که می توانند به حل چالش های موجود و بهبود کیفیت و دقت مدل های توموگرافی کمک کنند. این پیشرفت ها می توانند تأثیر قابل توجهی بر کاربردهای متنوع توموگرافی GNSS، از جمله در زمینه های هواشناسی، تغییرات اقلیمی و مدیریت بلایا داشته باشند.

با توجه به اینکه بخار ­آب نقش کلیدی در تغییرات آب­و­هوایی ایفا می­کند، مدل­سازی این کمیت با بالاترین دقت و کمترین هزینه همیشه مورد توجه محققین بوده است. تکنیک توموگرافی از طریق آنالیز اثر لایه تروپوسفر بر روی سیگنال­های ماهواره­های GNSS به مدل­سازی چهار بعدی بخار ­آب می­پردازد. مجهول مسئله درتوموگرافی بخار­ آب مبتنی بر المان­های حجمی، میزان این کمیت در هر المان می­باشد. یکی از مشکلات اساسی در توموگرافی تروپوسفر، عدم وجود و یا وجود تعداد ناکافی سیگنال در برخی از المان­های حجمی است. برای بررسی و ارزیابی کارایی مدل­های توموگرافی نیاز است که قبل از اجرای آن اعتبار مدل مورد بررسی قرار گیرد. در تحقیق پیشرو، میزان اثرگذاری دو پارامتر در بهبود بازسازی توموگرافیک انکسارپذیری­تر تروپوسفر از طریق آنالیز آماری ماتریس طراحی مدل مورد بررسی قرار گرفته است. اولین مورد بررسی تاثیر افزایش مشاهدات در مسئله توموگرافی با بکارگیری ترکیب­های متفاوتی از سیگنال­های ماهواره­های GNSS و مورد دوم بررسی تأثیر اندازه المان­های حجمی مدل در کیفیت مدل­سازی توموگرافیک انکسارپذیری­تر است. در این مطالعه از ماتریس رزولوشن و تابع گسترش آن برای ارزیابی اعتبار مدل­های پیشنهادی، در مرحله پیش آنالیز بهره­گرفته شده است. نتایج نشان می­دهد که استفاده از مشاهدات تمامی ماهواره­ها باعث افزایش کیفت مدل­ها می­شود ولی این میزان چندان قابل توجه نمی­باشد. به عنوان مثال در مدل توموگرافی با رزولوشن افقی 40 کیلومتر با افزایش 65 درصدی میزان مشاهدات با بکارگیری تمام ماهواره­های فعال، تنها 7 درصد کمبود مرتبه ماتریس طراحی در روز مورد مطالعه بهبود پیدا کرده است و مقادیر تابع گسترش تقریباً در تمامی مدل­ها با یکدیگر برابری می­کنند. در مقابل بزرگ کردن ابعاد افقی شبکه می­تواند تاثیر بهتری در کیفیت مدل­ها داشته باشد؛ به گونه­ای که مقادیر تابع توسعه هنگامی که تنها از مشاهدات GPS استفاده شده از مقدار 2/0 در مدل با ابعاد افقی 30 کیلومتر به 04/0 در مدل با ابعاد افقی 50 کیلومتر کاهش پیدا کرده است. در واقع افزایش مشاهدات در کنار روش­های دیگر مانند معرفی ابعاد بهینه المان­های حجمی می­تواند در افزایش کیفیت مدل­های توموگرافیک انکسارپذیری­تر موثر باشد.

در علوم نقشه برداری از سامانه ی ناوبری ماهواره ای جهانی (GNSS) برای اهداف ژئودتیک و ژئودینامیک استفاده شده است ولی در سال های اخیر از این سامانه برای اندازه گیری پارامترهای جو کره ی زمین نیز استفاده شده است. یکی از این پارامترها، بخار آب تعلیق پذیر (PWV) اتمسفر می باشد. امکان اندازه گیری PWV توسط گیرنده های GNSS، به واسطه ی تاخیر اتمسفری ایجاد شده در سیگنال ارسال شده از طرف ماهواره فراهم می شود و مقدار PWV از تاخیر کلی در راستای زنیت (ZTD) استخراج می شود. سامانه ناوبری ماهواره ای جهانی ویژگی های منحصر به فردی دارد که از آن جمله می توان به پیوستگی زمانی مشاهدات آن اشاره نمود که منجر به برآورد PWV با تفکیک زمانی بالا می شود. پیوستگی زمانی امکان پایش بخار آب موجود در اتمسفر را برای مقیاس های کوچک زمانی فراهم می کند. PWV نشان دهنده ی بخار آب موجود در اتمسفر است و در صورت برآورد سریع آن، می توان احتمال بارندگی را مورد بررسی قرار داد. در این مقاله دقت PWV حاصل از مشاهدات لحظه ای GNSS جهت استفاده در مدل های عددی پیش بینی آب و هوا مورد بررسی قرار می گیرد. به همین منظور مشاهدات GNSS برای ایستگاه های شبکه ی IGN واقع در کشور فرانسه با روش تعیین موقعیت مطلق دقیق (PPP) پردازش شد. پردازش ها یک بار با تولیدات مدار و ساعت بسیار سریع و یک بار با تولیدات مدار و ساعت نهایی انجام گرفت و بین ZTDهای حاصل از آن ها، مقایسه صورت گرفت. این مقایسه ها به وسیله ی خطای ریشه ی میانگین مربعی، انحراف معیار و بایاس میانگین با مبنا قرار دادن مقادیر حاصل از مدار و ساعت نهایی به عنوان مقادیر صحیح انجام شد و نتایج نشان دهنده ی دقت کافی PWV حاصل از ZTD هایی بود که با مدار و ساعت بسیار سریع برآورد شده بودند.

نویز سری های زمانی موقعیت GNSS عمدتاً ترکیبی از نویز سفید و نویز قانون توان است. برای تعیین دامنه این نویزها از روش های برآورد مؤلفه واریانس استفاده می شود. روش های برآورد مؤلفه های واریانس ذاتاً روش های تکراری هستند که در هر تکرار معکوس ماتریس (کو)واریانس محاسبه شده و به همین دلیل افزایش طول سری های زمانی باعث افزایش بار محاسباتی می شود. در این تحقیق الگوریتمی برای برآورد سریع دامنه نویز سفید بر اساس واریانس موجک تبدیل موجک گسسته با بیشترین همپوشانی ارائه می شود. در استفاده از تبدیل موجک گسسته با بیشترین همپوشانی قابلیت تجزیه وتحلیل آماری ما کاهش نمی یابد چون این تبدیل برای هر سری زمانی با طول دلخواه قابل استفاده بوده و تعداد ضرایب موجک و مقیاس به ازای افزایش هر مرحله نصف نمی شود. برای ارزیابی عملکرد الگوریتم پیشنهادی، از 180 سری زمانی شبیه سازی شده با طول های مختلف (2000، 4000 و 8000) استفاده شده است. این سری های زمانی شامل حرکت خطی، مؤلفه های پریودیک، آفست، اثر زلزله و گپ (تا 10٪) می باشند که ترکیبی از نویز سفید، فلیکر و گام تصادفی به آن ها اضافه شده است. روش پیشنهادی بر روی این داده های شبیه سازی شده اعمال گردیده و نتایج آن با نتایج روش بیشترین درست نمایی محدود مقایسه شده است. مقایسه بایاس دامنه های نویز سفید برآورده شده از روش پیشنهادی و روش بیشترین درست نمایی محدود نشان داد که نتایج ارائه شده توسط دو روش نزدیک به هم هستند. علاوه بر این، پیچیدگی محاسباتی الگوریتم پیشنهادی از مرتبه O(N) است که N طول سری زمانی می باشد. همچنین نتایج زمان محاسبات نشان داد که الگوریتم پیشنهادی بسته به طول سری های زمانی می تواند حدود 450 تا 10000 برابر سریع تر از روش بیشترین درست نمایی محد ود باشد. در ادامه به منظور ارزیابی بیشتر، از داده های 19 ایستگاه واقعی استفاده شد که نتایج حاکی از کارایی روش پیشنهادی دارد. پیچیدگی محاسباتی کم و سرعت بالای الگوریتم پیشنهادی می تواند سرعت پردازش سری های زمانی GNSS را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

وجود مدلی مناسب به منظور مدل سازی خطای وردسپهری از آن جهت که در افزایش دقت تعیین موقعیت های آنی با استفاده از GPS، همچنین سرعت همگرایی و در نهایت رسیدن به موقعیت تاثیر دارد، حایز اهمیت است. مدل های برآورد خطای وردسپهری از جمله مدل سستامینن وابسته به پارامترهای محلی است در این مقاله با استفاده از تاخیر کلی به دست آمده از ایستگاه دایمی سازمان نقشه برداری برای سال 2005 که درحکم یکی از ایستگاه های شبکه بین المللی IGS به ثبت رسیده است و مشاهدات فشار، دما و رطوبت سازمان هواشناسی کشور به ارزیابی مدل سستامینن که مدلی جهانی در برآورد خطای وردسپهری است پرداخته شده است. این مدل در بسیاری از نرم افزارهای تجاری و علمی مورد استفاده است. خطای میانگین مربعی 21 میلی متر بین تاخیر کلی حاصل از مدل سستامینن و تاخیر کلی حاصل از مدل سازی در معادلات مشاهدات GPS به دست آمده است که در مقایسه با دقت های به دست آمده در مناطق گوناگون، دقت مطلوبی است.

لطفا برای مشاهده متن کامل این مقاله اینجا را کلیک کنید.