تحديد المواقع الثابتة بواسطة نظام تحديد المواقع العالمي

نظام تحديد المواقع:

على الرغم من استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لقياس الظواهر الجيوفيزيائية مثل حركة الصفائح التكتونية لأكثر من عقد من الزمان فإن تحديد المواقع الثابتة على مستوى المليمتر يعد إنجازًا حديثًا، لقد جعل هذا المستوى من الدقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مفيدًا لتطبيقات تحديد المواقع الثابتة مثل دراسة التشوهات القشرية المتعلقة بالزلزال والعمليات البركانية.

ومع ذلك بالنسبة لهذا التطبيق وغيره في علوم الأرض تظل مصادر خطأ تحديد المواقع قائمة، حيث تتضمن مصادر الخطأ هذه حركات غير مرغوب فيها لآثار (GPS) تأخيرات إشارة التروبوسفير غير المشكّلة التفاعلات بين هوائيات (GPS) والبيئة المحيطة والاختلافات في أنماط طور هوائي GPS وتأثيرات الرادوم الهوائي.

ناقش روجر بلهام استقرار المعالم الجيوديسية ونقاط التحكم المستخدمة بالتزامن مع وضع هوائيات (GPS)، وأشار إلى أنه على الرغم من أن التشوهات التكتونية مدفوعة بضغوط عميقة داخل الأرض، إلا أنها تقاس بواسطة شبكات (GPS) على سطح الأرض، لذلك يمكن أن تؤثر الضوضاء السطحية الناتجة عن التغيرات في هيدرولوجيا المياه الجوفية والضغط الجوي ودرجة الحرارة والإشعاع الشمسي على القياس الدقيق للظواهر التكتونية.

الأخطاء والتغيرات التي تنتج في أثناء تحديد المواقع:

يمكن أن يؤدي عدم الاستقرار السطحي والتغيرات الدورية في الطبقات العليا من التربة والصخر الناجم عن الضغوط الحرارية وتأثيرات الشقوق وهطول الأمطار (تمدد التربة والضغط المحتمل على الصخر القريب) إلى تقليل القياس الدقيق للإشارات التكتونية العميقة.

تظهر هذه الأخطاء على أنها عمليات إزاحة أفقية ورأسية لآثار (GPS)، يمكن التقليل من عدم استقرار النصب التذكاري وأخطاء تحديد المواقع الناتجة من خلال التصميم المناسب والتركيب العميق (30 مترًا) في المواد مثل حجر الأساس واستخدام مقاييس الميل ومقاييس التمدد الرأسية لقياس عدم الاستقرار وتحديد كميته، حتى الهوائيات التي يجب تركيبها على الأبراج والمباني يمكن أن توفر دقة تحديد المواقع على مستوى المليمتر إذا تمت مراقبة إزاحتها بالنسبة إلى نقطة تحكم مثبتة بشكل صحيح بدقة.

يمكن أن تتأثر عمليات رصد (GPS) عالية الدقة بالاختلافات في أنواع الهوائيات وحواملها، ولكن من حيث المبدأ يجب أن تكون هذه التأثيرات قابلة للقياس في الغرف عديمة الصدى وفي الميدان، تمت مناقشة قياسات الاختبار في ورقة أعدها عدد من المؤلفين المشاركين وقدمها تشاك ميرتنز، أظهرت النتائج أن الأخطاء الناتجة عن بعض مجموعات الهوائيات من مختلف الصانعين يمكن قياسها وحلها بدقة تزيد عن 12 مم في المستوى الرأسي.

 نتج عن التركيبات الأخرى أخطاء تصل إلى 5 سنتيمترات، يمكن تقليل هذه الاختلافات وفقًا للمؤلفين، فإذا تحرك المصنعون نحو الهوائيات القياسية للتطبيقات عالية الدقة، وأظهرت الاختبارات أيضًا أن رادومات الهوائيات يمكن أن تُحدث أخطاء كبيرة تصل إلى 10 ملليمترات في المستوي العمودي.

حتى لو أمكن قياس جميع الأخطاء المعروفة التي تُعزى إلى خصائص هوائيات النظام العالمي لتحديد المواقع ونمذجتها خارج حل الموقع، فإن الأخطاء التي تسببها التفاعلات بين الهوائيات والبيئة ستظل قائمة، يمكن تقسيم هذه الفئة من الأخطاء إلى تأثيرات المجال القريب (في نطاق أمتار قليلة من الهوائي) وتأثيرات المجال البعيد أو تعدد المسيرات (أكثر من بضعة أمتار من الهوائي).

على عكس تعدد المسارات لا يمكن تقليل تأثيرات المجال القريب، كما أشار آرثر نيل في عرضه عن طريق حساب متوسط ​​البيانات المرصودة بمرور الوقت، تكون تأثيرات المجال القريب الناتجة عن تشتت الإشارة من المعالم الأثرية أو الثلوج أكثر انتشارًا عند إجراء عمليات رصد (GPS) عند زوايا ارتفاع منخفضة جدًا، يمكن أن تكون الأخطاء الناتجة كبيرة مثل عدة سنتيمترات، بناءً على الاختبارات الموصوفة في الورقة.

مثل تأثيرات تشتت المجال القريب يمكن أن تكون تأثيرات المسيرات المتعددة مصدرًا مهمًا للخطأ، خاصةً عند إجراء عمليات رصد (GPS) منخفضة الارتفاع، تعتبر ملاحظات الارتفاعات المنخفضة مهمة لتقدير تأخيرات إشارة الغلاف الجوي، وهو مصدر آخر للخطأ في تطبيقات تحديد المواقع الثابتة، ولكن كما أشار تشاك ميرتنز في عرضه غالبًا ما يتم تحديد أخطاء تعدد المسارات عن طريق الخطأ على أنها تأخيرات في الغلاف الجوي عند زوايا ارتفاع منخفضة.

يمكن تقليل أخطاء تعدد المسيرات باستخدام هوائيات مزودة بحلقات خنق، وهي تمويجات متحدة المركز تقلل من حساسية الهوائي لتأثيرات تعدد المسارات المنعكسة على الأرض، كما تمت مناقشة تحسينات التصميم الحديثة لحلقات الاختناق التي حسنت دقة تحديد المواقع (GPS).

تمت مناقشة متطلبات البيانات ودقة تحديد المواقع لدراسة العمليات الزلزالية والبركانية في ورقتين قدمهما مايك واتكينز ومارك موراي على التوالي، بعد مناقشة أنشطة مراقبة محددة في شمال كاليفورنيا ماونت سانت هيلينز، أوريغون وبركان كيلويا في هاواي أفاد كلا المتحدثين بالحاجة إلى دقة أفقية من 1 إلى 3 ملم ودقة رأسية من 5 إلى 10 ملم.

مراقبة الزلازل والعمليات البركانية في قياسات طور (GPS):

وأشاروا أيضًا إلى أن القياسات الأكثر دقة ستسمح بدراسة عمليات جيوفيزيائية إضافية مثل الحركات غير الدنيوية، لا يمكن تحقيق هذا المستوى من الدقة إلا من خلال تقليل مصادر الخطأ التي تمت مناقشتها أعلاه.

تتطلب مراقبة الزلازل والعمليات البركانية معدل أخذ عينات زمني مدته 30 ثانية من أجل تنظيف موثوق ومستقل للبيانات (أي اكتشاف وإزالة زلات الدورة والبيانات السيئة)، يمكن استخدام معدل أخذ العينات الهالك لتحديد الموقع بسبب الارتباطات الزمنية في قياسات طور (GPS).

تقوم مراكز التحليل الخاصة بمعظم شبكات (GPS) بتدمير البيانات لمدة تتراوح من 2 إلى 10 دقائق. يعتبر زمن انتقال البيانات من يوم إلى 3 أيام مناسبًا، ولكن هناك أوقات يكون فيها النشر في الوقت الفعلي تقريبًا مفيدًا (فور حدوث زلزال كبير على سبيل المثال) لدراسة تشوهات ما بعد الزلزال سيكون من المرغوب فيه الحصول على معدلات أخذ العينات في حدود ثانية واحدة حتى لو كانت دقة تحديد الموقع الناتجة أقل دقة.

على الرغم من أن المجموعة وافقت على أن معدل أخذ عينات جهاز الاستقبال لمدة 30 ثانية يجب أن يكون الإعداد الافتراضي القياسي لجميع شبكات (GPS) والمحطات المرجعية، فقد تتطلب بعض التطبيقات توفير معدلات أعلى لأخذ العينات عند الطلب، وأشار الفريق إلى أن الحاجة إلى معدلات أعلى لأخذ العينات قد تتزايد مع زيادة تأثيرات الغلاف الجوي المتأين مع اقتراب الحد الأقصى للشمس.

واتفقت المجموعة أيضًا على أن البيانات في الوقت الفعلي ليست مطلوبة لمعظم تطبيقات تحديد المواقع الثابتة، ومع ذلك يمكن أن تستفيد الدراسات ما بعد الزلزالية المتعلقة بالزلازل والانفجارات البركانية من بيانات الوقت الفعلي تقريبًا، البيانات المستمدة من شبكات مثل خفر السواحل الأمريكية معبأة بالفعل في ملفات كل ساعة متوفرة بعد بضع دقائق من الساعة، ومع ذلك قد تكون عمليات النقل السريع للبيانات بفترة انتقال ساعة واحدة مكلفة للغاية بالنسبة لبعض المواقع.