GNSS: सिद्धांत, घटक, आँकड़ा-संग्रह विधियाँ, DGPS व त्रुटियाँ
1. सिद्धांत: उपग्रहों से परासन
प्रत्येक उपग्रह अपनी स्थिति (पंचांग) व समय-अंकित संकेत प्रसारित करता है। अभिग्राही संकेत का यात्रा-काल Δt मापकर छद्म-परास P = cΔt बनाता है। यह “छद्म” इसलिए है कि अभिग्राही की सस्ती घड़ी उपग्रह-समय से δt से विस्थापित होती है: P = ρ + c·δt_r − c·δt_s + I + T + ε, जहाँ ρ वास्तविक ज्यामितीय परास, δt_s उपग्रह-घड़ी त्रुटि, I व T आयनमंडलीय व क्षोभमंडलीय विलंब तथा ε रव व बहुपथ हैं। (x, y, z) व δt_r अज्ञात होने से चार उपग्रह चार समीकरण देते हैं — इसीलिए GNSS स्थिति-निर्धारण घड़ी-अज्ञात सहित त्रिपार्श्विकता है, त्रिभुजन नहीं। अभिग्राही-घड़ी की मात्र 1 µs त्रुटि c × 10⁻⁶ ≈ 300 m परास है।
कोड मापन छद्म-यादृच्छिक कोड का प्रयोग करते हैं: GPS C/A कोड की चिप-दर 1.023 MHz है, चिप लगभग 293 m लंबी, और P कोड 10.23 MHz, लगभग 29.3 m, अतः कोड परासन डेसीमीटर–मीटर तक सही है। वाहक-कला मापन स्वयं वाहक का अनुसरण करते हैं — GPS L1 1575.42 MHz (λ ≈ 19.0 cm), L2 1227.60 MHz (λ ≈ 24.4 cm), L5 1176.45 MHz — और भिन्नात्मक चक्र को मिलीमीटर तक मापते हैं, पर पूर्ण चक्रों की संख्या N (पूर्णांक संदिग्धता) अज्ञात है और उसे हल करना होता है; N बदलने वाला संपर्क-विच्छेद चक्र-स्खलन है।
2. GNSS के घटक व तारामंडल
| खंड | यह क्या है | यह क्या करता है |
|---|---|---|
| अंतरिक्ष | उपग्रह; GPS हेतु छह कक्षीय तलों में नाममात्र 24, लगभग 20 200 km ऊँचाई, 55° नति, आवर्तकाल लगभग 11 घं 58 मि (आधा नाक्षत्र दिवस) | कोड, वाहक व नौवहन संदेश प्रसारित करते हैं; परमाणु घड़ियाँ रखते हैं |
| नियंत्रण | निगरानी केंद्र, एक मुख्य नियंत्रण केंद्र व भू-ऐंटेना | उपग्रहों का अनुसरण, कक्षा व घड़ी-संशोधन की गणना, उन्हें अपलोड करना |
| उपयोगकर्ता | अभिग्राही व ऐंटेना, फ़ोन से भूगणितीय अभिग्राही तक | स्थिति, वेग व समय निकालते हैं |
- वैश्विक प्रणालियाँ: GPS (संयुक्त राज्य), GLONASS (रूस), Galileo (यूरोपीय संघ), BeiDou (चीन)। बहु-तारामंडल अभिग्राही कहीं अधिक उपग्रह देखते हैं, जिससे नगरों व घाटियों में ज्यामिति व उपलब्धता सुधरती है।
- क्षेत्रीय: भारत का NavIC (IRNSS), जिसके उपग्रह भूस्थिर व आनत भू-तुल्यकाली कक्षाओं में भारत व उसके आसपास को आवरित करते हैं; जापान का QZSS।
- उपग्रह-आधारित संवर्धन (SBAS) भूस्थिर उपग्रहों से संशोधन व अखंडता-आँकड़े प्रसारित करता है: GAGAN (भारत), WAAS (संयुक्त राज्य), EGNOS (यूरोप)।
3. आँकड़ा-संग्रह विधियाँ व अवकल GNSS
| विधि | कैसे | प्रतिनिधि परिशुद्धता |
|---|---|---|
| एकल-बिंदु (निरपेक्ष, स्वायत्त) | एक अभिग्राही, कोड छद्म-परास, प्रसारित कक्षाएँ | कुछ मीटर |
| कोड DGPS | संदर्भ केंद्र के संशोधन कोड परासों पर लगाए जाते हैं | उप-मीटर से लगभग एक मीटर |
| स्थैतिक (सापेक्ष, पश्च-संसाधित) | दो या अधिक अभिग्राही लंबे सत्र (एक घंटा या अधिक) तक साथ-साथ वाहक-कला प्रेक्षित करते हैं | मिलीमीटर से एक सेंटीमीटर; नियंत्रण जाल |
| द्रुत स्थैतिक | छोटे सत्र (मिनट), द्वि-आवृत्ति, छोटी आधार-रेखाएँ | लगभग एक सेंटीमीटर |
| गतिक / रुको-चलो | संदिग्धताएँ स्थिर होने के बाद रोवर लॉक बनाए रखते हुए चलता है | सेंटीमीटर |
| RTK (वास्तविक-काल गतिक), CORS से नेटवर्क RTK सहित | आधार रेडियो या इंटरनेट से वाहक-कला संशोधन भेजता है; रोवर वास्तविक-काल में संदिग्धताएँ स्थिर करता है | 1–3 cm, तत्काल; अंकन व स्थलाकृतिक सर्वेक्षण |
| PPP (परिशुद्ध बिंदु स्थिति-निर्धारण) | एक द्वि-आवृत्ति अभिग्राही, किसी सेवा की परिशुद्ध कक्षाओं व घड़ियों सहित | लंबे अभिसरण के बाद सेंटीमीटर |
अवकल GNSS (DGPS) इस तथ्य का लाभ उठाता है कि उपग्रह-घड़ी, कक्षा व वायुमंडलीय त्रुटियाँ दो निकटस्थ अभिग्राहियों पर लगभग समान होती हैं। ज्ञात बिंदु पर एक संदर्भ (आधार) केंद्र निर्देशांकों से प्रत्येक उपग्रह तक वास्तविक परास निकालता है, उसे अपने मापे छद्म-परास से घटाता है, और अंतर को छद्म-परास संशोधन के रूप में प्रसारित करता है; रोवर उसे लगाता है। यदि आधार किसी उपग्रह तक 20 000 012.50 m मापे जिसका परिकलित परास 20 000 000.00 m है, तो संशोधन −12.50 m है। संशोधन दूरी व आयु के साथ असहसंबद्ध होते जाते हैं, अतः आधार-रेखा लंबाई के साथ यथार्थता घटती है; अभिग्राही-रव व बहुपथ स्थानीय हैं और नहीं हटते।
4. प्रेक्षणों में त्रुटियाँ व उनके संशोधन; परिशुद्धता-तनुकरण
| त्रुटि | कारण | संशोधन |
|---|---|---|
| उपग्रह-घड़ी | उपग्रह पर परमाणु घड़ी का विचलन | प्रसारित घड़ी-गुणांक; अंतरन; परिशुद्ध घड़ियाँ |
| कक्षा (पंचांग) | प्रसारित स्थिति वास्तविक से भिन्न | परिशुद्ध पंचांग; छोटी आधार-रेखाओं पर अंतरन |
| आयनमंडलीय विलंब | मुक्त इलेक्ट्रॉन; विक्षेपी, विलंब ∝ TEC/f²; दिन में व सौर अधिकतम पर सर्वाधिक | द्वि-आवृत्ति आयनमंडल-मुक्त संयोजन इसे (प्रथम कोटि तक) हटाता है; एकल-आवृत्ति उपयोगकर्ताओं हेतु प्रसारित मॉडल |
| क्षोभमंडलीय विलंब | उदासीन वायुमंडल, शुष्क व आर्द्र भाग; अविक्षेपी | मॉडल व प्रतिचित्रण फलन; आर्द्र भाग आँका जाता है; दो आवृत्तियों से नहीं हटता |
| बहुपथ | भवनों, जल, वाहनों से परावर्तित संकेत | स्थल-चयन, चोक-रिंग या भू-तल ऐंटेना, उन्नतांश-मुखौटा; अंतरन से नहीं हटता |
| अभिग्राही-रव, ऐंटेना कला-केंद्र विस्थापन, चक्र-स्खलन | अभिग्राही व ऐंटेना | बेहतर उपकरण, ऐंटेना अंशांकन, स्खलन-संसूचन |
चूँकि आयनमंडलीय विलंब ∝ 1/f², L2 पर विलंब L1 वाले का (f₁/f₂)² = (1575.42/1227.60)² = 1.647 गुना है; L1 पर 5.00 m विलंब L2 पर 8.23 m है। आयनमंडल-मुक्त संयोजन P_IF = (f₁²P₁ − f₂²P₂)/(f₁² − f₂²) उसे निरस्त करता है। (सेलेक्टिव अवेलेबिलिटी, नागरिक GPS यथार्थता का जानबूझकर अवनयन, मई 2000 में बंद की गई।)
परिशुद्धता-तनुकरण (DOP) परास-त्रुटि को स्थिति-त्रुटि में बदलता है: σ_स्थिति ≈ DOP × σ_UERE (उपयोगकर्ता तुल्य परास त्रुटि)। आकाश में दूर-दूर फैले उपग्रह कम DOP देते हैं; एक साथ गुच्छित उपग्रह उच्च DOP। GDOP (ज्यामिति, चारों अज्ञात), PDOP (3D स्थिति), HDOP (क्षैतिज), VDOP (ऊर्ध्वाधर) व TDOP (समय); PDOP² = HDOP² + VDOP²। VDOP सामान्यतः HDOP से बड़ा होता है क्योंकि सभी उपग्रह क्षितिज के ऊपर हैं। PDOP = 2.5 व UERE = 4 m पर 3D स्थिति-त्रुटि लगभग 10 m है।
मुख्य बिंदु
- छद्म-परास = cΔt; चार अज्ञातों (x, y, z, अभिग्राही-घड़ी) हेतु चार उपग्रह; 1 µs घड़ी-त्रुटि ≈ 300 m।
- अंतरिक्ष, नियंत्रण व उपयोगकर्ता खंड; GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou; क्षेत्रीय NavIC; संवर्धन GAGAN, WAAS, EGNOS।
- कोड परासन मीटर देता है; पूर्णांक संदिग्धता स्थिर होने पर वाहक-कला मिलीमीटर देती है; स्थैतिक, RTK व PPP वाहक-विधियाँ हैं।
- DGPS आधार व रोवर में उभयनिष्ठ त्रुटियाँ निरस्त करता है; बहुपथ व अभिग्राही-रव बचे रहते हैं।
- आयनमंडलीय विलंब ∝ 1/f² है और दो आवृत्तियों से हटता है; क्षोभमंडलीय नहीं; स्थिति-त्रुटि ≈ DOP × UERE।
अभ्यास प्रश्न (14)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
त्रि-विमीय स्थिति-निर्धारण हेतु GNSS अभिग्राही को न्यूनतम कितने उपग्रह चाहिए
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उत्तर: A — 4
अज्ञात x, y, z व अभिग्राही-घड़ी विस्थापन हैं, अतः चार छद्म-परास चाहिए। तीन केवल पूर्ण अभिग्राही-घड़ी होने पर पर्याप्त होते, जो सस्ते अभिग्राहियों में नहीं होती।एक GNSS संकेत को अभिग्राही तक पहुँचने में 0.07 s लगते हैं। c = 299 792 458 m/s लेकर संगत परास, किलोमीटर में (निकटतम किलोमीटर तक), ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 20985
परास = cΔt = 299 792 458 × 0.07 = 20,985,472 m ≈ 20,985 km, जो शिरोबिंदु से हटकर दिखते लगभग 20 200 km ऊँचाई वाले GPS उपग्रह से संगत है।एक अभिग्राही-घड़ी 1 माइक्रोसेकंड की त्रुटि में है। c = 3 × 10⁸ m/s लेकर छद्म-परास में परिणामी त्रुटि, मीटर में, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 300
परास-त्रुटि = c·δt = 3 × 10⁸ × 1 × 10⁻⁶ = 300 m। इसीलिए घड़ी-विस्थापन की उपेक्षा नहीं की जा सकती और उसे चौथे अज्ञात के रूप में हल किया जाता है।c = 299 792 458 m/s लेकर GPS L1 वाहक (1575.42 MHz) की तरंगदैर्ध्य, सेंटीमीटर में (एक दशमलव तक), ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 19
λ = c/f = 299 792 458/1 575 420 000 = 0.19029 m = 19.0 cm। 1227.60 MHz वाले L2 वाहक की λ = 24.4 cm है; वाहक-कला परिशुद्धता इन तरंगदैर्ध्यों का छोटा अंश है।वाहक-कला GNSS स्थिति-निर्धारण में, अनुसरण के आरंभ पर उपग्रह व अभिग्राही के बीच तरंगदैर्ध्यों की अज्ञात पूर्ण संख्या कहलाती है
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उत्तर: A — पूर्णांक संदिग्धता
अभिग्राही केवल भिन्नात्मक कला मापता है और उसके बाद चक्र गिनता है; आरंभिक पूर्णांक N वह संदिग्धता है जिसे सेंटीमीटर परिणामों हेतु हल करना होता है। चक्र-स्खलन लॉक टूटने पर उस पूर्णांक में अचानक परिवर्तन है।GNSS का कौन-सा खंड उपग्रह-कक्षाएँ व घड़ी-संशोधन निकालकर उन्हें उपग्रहों पर अपलोड करता है?
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उत्तर: A — नियंत्रण खंड
निगरानी केंद्र उपग्रहों का अनुसरण करते हैं और मुख्य नियंत्रण केंद्र उनके पंचांग व घड़ी-संशोधन निकालता है, जिन्हें भू-ऐंटेना अपलोड करते हैं। अंतरिक्ष खंड केवल उन्हें प्रसारित करता है, और उपयोगकर्ता खंड उन्हें प्राप्त करता है।ज्ञात बिंदु पर एक संदर्भ केंद्र किसी उपग्रह तक 20 000 012.50 m छद्म-परास मापता है, जिसका ज्ञात निर्देशांकों से परिकलित परास 20 000 000.00 m है। वह जो छद्म-परास संशोधन प्रसारित करता है वह है
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उत्तर: A — −12.50 m
संशोधन = परिकलित परास − मापा गया छद्म-परास = 20 000 000.00 − 20 000 012.50 = −12.50 m। रोवर इसे उसी उपग्रह के अपने छद्म-परास में जोड़ता है, जिससे दोनों में उभयनिष्ठ त्रुटि हटती है। धनात्मक चिह्न त्रुटि को उलटे दुगुना कर देता।एक सर्वेक्षक को भवन के कोने लगभग 2 cm तक अंकित करने हैं और क्षेत्र में ही तुरंत परिणाम देखना है। सबसे उपयुक्त GNSS विधि है
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उत्तर: A — RTK
वास्तविक-काल गतिक आधार या नेटवर्क के वाहक-कला संशोधनों से चलते-चलते संदिग्धताएँ स्थिर करता है और तुरंत सेंटीमीटर स्थितियाँ देता है, जो अंकन हेतु आवश्यक है। कोड विधियाँ डेसीमीटर से मीटर देती हैं; स्थैतिक परिशुद्ध है पर केवल पश्च-संसाधन के बाद।GPS L1 संकेत (1575.42 MHz) पर प्रथम-कोटि आयनमंडलीय विलंब 5.00 m है। L2 (1227.60 MHz) पर विलंब, मीटर में (दो दशमलव तक), ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 8.23
विलंब ∝ 1/f², अतः I₂ = I₁(f₁/f₂)² = 5.00 × (1575.42/1227.60)² = 5.00 × 1.2833² = 5.00 × 1.6469 = 8.23 m। सीधा आवृत्ति-अनुपात लेने पर 6.42 m आता है। निम्न आवृत्ति सदा अधिक विलंबित होती है।एक अभिग्राही PDOP = 2.5 बताता है, और उपयोगकर्ता तुल्य परास त्रुटि 4 m है। अपेक्षित त्रि-विमीय स्थिति-त्रुटि, मीटर में, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 10
σ_स्थिति ≈ PDOP × σ_UERE = 2.5 × 4 = 10 m। DOP शुद्ध ज्यामितीय गुणक है: उपग्रह गुच्छित हों तो वही परास-त्रुटियाँ बदतर स्थिति देती हैं।एक GNSS स्थिति हेतु HDOP = 1.2 व VDOP = 1.6 है। PDOP ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 2
PDOP² = HDOP² + VDOP² = 1.44 + 2.56 = 4.00, अतः PDOP = 2.0। सीधे जोड़ना (2.8) गलत है क्योंकि क्षैतिज व ऊर्ध्वाधर घटक लांबिक हैं।कुछ किलोमीटर दूर आधार व रोवर के बीच प्रेक्षणों के अंतरन से निम्न में से कौन-सी त्रुटियाँ अधिकांशतः हटती हैं?
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उत्तर: A — उपग्रह-घड़ी त्रुटि; B — कक्षा (पंचांग) त्रुटि; C — आयनमंडलीय विलंब
उपग्रह-घड़ी त्रुटि दोनों अभिग्राहियों पर समान है, छोटी आधार-रेखा पर कक्षा-त्रुटि लगभग समान, और संकेत लगभग उसी आयनमंडल से गुज़रते हैं, अतः तीनों अधिकांशतः निरस्त होती हैं। बहुपथ एक ऐंटेना के आसपास की परावर्ती सतहों पर निर्भर है और निरस्त नहीं होता।GNSS त्रुटि-स्रोतों के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — आयनमंडल विक्षेपी है, अतः उसका विलंब L1 व L2 में भिन्न है; B — क्षोभमंडल अविक्षेपी है, अतः द्वि-आवृत्ति संयोजन उसका विलंब नहीं हटा सकता; C — आकाश में दूर-दूर फैले उपग्रह एक साथ गुच्छित उपग्रहों से कम DOP देते हैं
आयनमंडलीय विलंब 1/f² के अनुसार बदलता है, जिसका आयनमंडल-मुक्त संयोजन लाभ उठाता है; क्षोभमंडलीय विलंब दोनों आवृत्तियों पर समान है और उसे मॉडल करना पड़ता है; और विस्तृत ज्यामिति का अर्थ सुप्रतिबंधित समीकरण व कम DOP है। VDOP सामान्यतः HDOP से बड़ा होता है, क्योंकि सभी दृश्य उपग्रह अभिग्राही के ऊपर हैं और कोई नीचे नहीं।निम्न में से कौन-से सही सुमेलित हैं?
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उत्तर: A — GAGAN — भारत पर एक उपग्रह-आधारित संवर्धन प्रणाली; B — NavIC — भारत की क्षेत्रीय नौवहन उपग्रह प्रणाली; C — Galileo — यूरोपीय संघ की वैश्विक नौवहन उपग्रह प्रणाली
GAGAN भारत का SBAS है, जो संशोधन व अखंडता-सूचना प्रसारित करता है; NavIC (IRNSS) भारत की क्षेत्रीय प्रणाली है; Galileo यूरोपीय संघ की। GLONASS रूस की है; चीन की वैश्विक प्रणाली BeiDou है।