فراخوان نرم افزار ارسال تصحیحات موقعیت‌یابی دقیق ماهواره‌ای شبکه‌ای

به گزارش روابط‌عمومی بنیاد ملی علم ایران (INSF)، براساس برنامه‌ریزی‌های صورت گرفته، بنیاد ملی علم ایران در راستای مأموریت‌گرا‌شدن پژوهش‌ها و حمایت از طرح‌های پژوهشی که به فناوری روز دنیا می‌پردازد و می‌تواند باری از دوش صنعتگران کشور بردارد، فراخوان‌هایی را با عنوان برنامه حمایت از پژوهش عمیق شرکت‌های دانش‌بنیان منتشر می‌کند. در این برنامه، نیاز‌های پژوهشی پرریسک شرکت‌های دانش‌بنیان، از طریق سامانه کایپر بنیاد ملی علم ایران به این نهاد اعلام می‌شود و پس از بررسی و داوری‌های لازم، فراخوان پژوهش‌های عمیق و پرریسک شرکت‌های دانش‌بنیان به پژوهشگران و محققان اعلام می‌شود.

فراخوان نرم افزار ارسال تصحیحات موقعیت‌یابی دقیق ماهواره‌ای شبکه‌ای به عنوان یکی دیگر از فراخوان‌های این برنامه، منتشر می‌شود.

توضیحات فراخوان

مقدمه:

دست‌یابی با دقت سانتیمتری با گیرنده‌های GPS/GNSS مستلزم استفاده از یک نرم افزار ارسال تصحیحات موقعیت یابی است که در هر لحظه و با فرمت استاندارد، از طریق شبکه های مخابراتی، داده مورد نیاز را به منظور افزایش دقت در اختیار کاربران قرار دهد. برای این منظور، شبکه ای از گیرنده های مرجع در منطقه قرار می گیرد و قرار است یک نرم افزار بومی شبکه ای به‌دست آید که با مدل سازی شبکه ای، وابستگی کاربر به فاصله از ایستگاه مرجع را به حداقل رسانده و در لحظه، کاربر به دقت سانتی‌متری دست یابد.

پیشینه مسئله تحقیقاتی:

به منظور موقعیت یابی ماهواره ای (استفاده از سامانه های GPS/GNSS )، نیاز به دریافت سیگنال از حداقل ۴ ماهواره وجود دارد تا موقعیت به صورت مختصات بر مبنای طول، عرض و ارتفاع جغرافیایی تعیین شود. در حالت استاندارد، دقت به دست آمده بین ۵ تا ۲۵ متر صحت دارد. وجود خطاهای اتمسفری (یونسفر و تروپسفر)، خطاهای مداری (موقعیت و ساعت ماهواره)، خطای گیرندگی (ساعت گیرنده و نویز) و خطای محیطی (چندمسیری) باعث خطای مذکور در تعیین موقعیت می شود. حذف یا کاهش خطاهای موقعیت یابی با استفاده از یک گیرنده مرجع ( CORS ) که دارای مختصات دقیق است، امکان پذیر می شود. گیرنده مرجع داده های هر نوبت ( Epoch ) مشاهداتی را به همراه موقعیت دقیق به صورت آنلاین یا آفلاین منتشر می کند تا در کم‌تر از ۵۰ کیلومتر، هر گیرنده بتواند با استفاده از این داده ها خطاهای موجود را کاهش دهد. در شعاعی که گیرنده داده های مشاهداتی را منتشر می کند هر چه فاصله بیشتر باشد، اعتبار این داده ها کم‌تر و اثربخشی کم‌تری در کاهش خطاهای موجود دارند. استاندارد در این خصوص 1cm+1PPM است. 1PPM در اینجا یعنی یک میلی متر خطا به ازای هر کیلومتر فاصله از گیرنده مرجع. مثلاً در ۵۰ کیلومتری، خطای حداقلی ۶ سانتی متر متصور هستیم که این خطا، آستانه از دست رفتن حل ابهام فاز برای رسیدن به دقت سانتیمتری در گیرنده های نقشه برداری ماهواره ای است. این نوع ارسالِ کمیت های مشاهداتی (تصحیحات) به گیرنده با یک گیرنده مرجع را، ارسال تصحیحات نقطه ای می نامند. اگر بخواهیم دقت بهتر از ۵ سانتی متر را تضمین کنیم باید ایستگاه هایی فشرده‌تر با فواصل کم‌تر در نظر بگیریم تا بتوانیم به دقت با واحد سانتی متر برسیم و این امر مستلزم هزینه بالا برای تأمین، نصب و نگه داری از ایستگاه های مذکور است.

روش دوم، استفاده از نرم افزار تولید و ارسال تصحیحات شبکه ای است که داده گیرنده های مرجع را دریافت می کند و با تکنیک درون یابی و مدل سازی، اثر فاصله از گیرنده مرجع را تا حدودی از بین می برد و موجب می شود علاوه بر اینکه تراکم ایستگاه های مرجع کاهش یابد، دقت به دست آمده مستقل از فاصله گیرنده مرجع باشد. در حال حاضر این فناوری در اختیار سه شرکت Trimble ، Leica و Geo++ است و به شرکت های متقاضی، خدمات عرضه می کنند. برخی سازمان ها در ایران نیز از این شرکت ها خدمات می گیرند که از لحاظ اقتصادی، پشتیبانی و امنیتی دلایل موجهی برای داشتن یک نرم افزار بومی تخصصی است.

شکل ۱: تراکم ایستگاه های مرجع دریافت کننده موقعیت کاربران در سراسر کشور

در طی ۱۵ سال گذشته، چندین مدل تولید تصحیحات شبکه ای توسط شرکت های مذکور طراحی و توسعه یافته اند و سازمان جهانی موقعیت یابی، برخی از این مدل ها را به صورت استاندارد پذیرفته و پروتکلی جهانی برای آنها طراحی کرده است که VRS ، iMax ، FKP از جمله این مدل ها می باشند.

مشروح مسئله تحقیقاتی:

شرکت متقاضی نرم افزار ارسال تصحیحات شبکه ای ماهواره ای، به عنوان یک شرکت دانش بنیان تولیدی نوع ۲ و فعال در زمینه سیستم های موقعیت یابی دقیق ماهواره ای، محصولاتی مانند گیرنده های مرجع موقعیت یابی ماهواره ای ( CORS GNSS )، گیرنده های نقشه‌برداری ماهواره ای، تجهیزات سخت‌افزاری و نرم افزاری ردیابی و نرم افزار نقطه ای ارسال تصحیحات ماهواره ای طراحی و تولید نموده است.

همان گونه که در شکل زیر نمایان است، یک سامانه موقعیت یابی دقیق از سه بخش اصلی تشکل شده است:

1. بخش گیرنده مرجع،؛
2. نرم افزار ارسال تصحیحات؛
3. بخش کاربران گیرنده های موقعیت یابی دقیق.

بخش اول و سوم توسط شرکت طراحی و تولید شده و به منظور تکمیل زنجیره ارزش حوزه موقعیت یابی دقیق، شرکت نیازمند یک نرم افزار ارسال تصحیحات شبکه ای است.

شکل ۲. فرآیند پردازش و تصحیح

دو نوع نرم افزار ارسال تصحیحات وجود دارد: نقطه ای و شبکه ای.

نرم افزار نقطه ای برای اتصال مستقیم به یک ایستگاه مرجع مورد استفاده قرار می گیرد. هر چه از ایستگاه، فاصله بیشتری گرفته شود خطای موقعیت یابی افزایش می یابد. برای مناطق بزرگ و پوشش های منطقه ای، این نرم افزار کارایی لازم را ندارد. در حال حاضر، متقاضی این نرم افزار را تولید کرده است. نوع دوم، نرم افزار ارسال تصحیحات شبکه ای است. این نرم افزار با مدل سازی از داده های چند ایستگاه مرجع، تصحیحاتی را به وجود می آورد که کم‌ترین وابستگی را به فاصله کاربر از ایستگاه مرجع دارد.

ایستگاه های مرجع GNSS داده هایی را به‌صورت لحظه ای دریافت و آن را در هر لحظه به‌صورت برخط به سرور ارسال می کنند. پکت داده ارسالی RTCM بوده که از پروتکل NTRIP برای ارسال تحت شبکه اینترنت یا اینترانت استفاده می شود.

شمای کلی مدل سازی شبکه تصحیحات موقعیت یابی ماهواره ای در زیر آمده است. بخش های قرمز رنگ موضوع بخش مربوط به مدل سازی است.

شکل ۳. مدل سازی شبکه تصحیحات موقعیت یابی ماهواره ای

این نرم افزار بایستی بتواند داده‌های همزمان، لحظه ای و حجیم را مدیریت کند، داده های لحظه ای مربوط به مشاهدات K ماهواره های GNSS توسط N گیرنده مرجع اخذ شود. نتایج مدل می بایستی به صورت پیوسته هر ثانیه به خروجی جهت ارائه به کاربر آماده گردد. M کاربر به‌صورت ناپیوسته یا پیوسته از سرور/ نرم افزار درخواست داده می کنند. طراحی نرم افزار برای مدیریت این حجم داده برای رسیدن به دقت های بالا، نیازمند تعامل سیستمی بالا در برنامه‌نویسی است تا بتوان با توجه به فضای اجرای برنامه و این حجم داده، عملیات های مربوطه شامل توسعه، دیباگ، تست و ویرایش را انجام دهد.

در مسئله مدل سازی نرم افزاری، با استفاده از تکنیک تعیین موقعیت تفاضلی آنی انحرافات رایج بین دو گیرنده GNSS را حذف کرده و با یک ابهام فاز ثابت به دقت در حد سانتی متر می رسد. تصحیح مورد نظر از یک ایستگاه مبنا محاسبه می شود اما از نظر دقت به دلیل عدم همبستگی مکانی با فاصله گیرنده متحرک، اعتبار تصحیح کاهش می یابد و منجر به تغییرات در انحراف مکانی همبسته (اساساً تأخیرات یونوسفری و تروپوسفر) می شود. حتی، هنگامی که فواصل به حدود ۲۰-۳۰ کیلومتر با تغییر انحراف از مرتبه بزرگی نصف طول موج می رسند، رسیدن به عدد ثابت ابهام فاز می تواند مشکل باشد.

عملکرد نرم افزار مربوطه بایستی به گونه ای باش د که در یک طراحی درست شبکه و فواصل داخلی CORS ها (ایستگاه های مرجع دائم) و توزیع هندسی مناسب بتوان به دقت ۳ سانتی متر در هر نقطه از شبکه دست پیدا کرد. همچنین با در نظر گرفتن کیفیت محصولات گیرنده های مرجع مورد استفاده و گیرنده نقشه‌برداری کاربران، بتوان تا فاصله ۷۰ کیلومتری از ایستگاه مرجع به حل ابهام فاز طی چند ثانیه رسید.

به منظور استفاده از تمامی قابلیت های گیرنده های مرجع و گیرنده های نقشه‌برداری کاربران، سیگنال تمامی منظومه های موقعیت یابی می بایستی دریافت شده و در مدل سازی و تولید تصحیحات مورد استفاده قرار گیرد. در اینجا منظور از منظومه ها، GPS ، Glonass ، Beiduo و Galileo می باشد. استفاده از تمامی منظومه های GNSS به منظور حل سریع تر ابهام فاز و استفاده بهینه آرایش هندسی ماهواره ها و استفاده از این فناوری در مناطق با دید محدود مانند معادن، شهرهای با تراکم فشرده ساختمانی و محیط جنگلی است.

خروجی نرم افزار بایستی منطبق بر فرمت پذیرش داده توسط گیرنده های جدید نقشه‌برداری باشد. در حال حاضر فرمت رایج ارسال تصحیحات GNSS قابل استفاده برای کاربران، RTCM3.1 است. این الزام قابل جابه‌جایی به نسخه های پایین تر یا تغییر فرمت نمی باشد.

در نهایت با استفاده از این روش می توان شبکه های منطقه ای را تأسیس و با سرعتی بالا در رفع ابهام فاز و انجام هزینه کم تر، فارغ از افزایش خطاهای وابسته به طول مسیر، به صورت لحظه ای خطاها را درون یابی نمود و به ایستگاه های مورد نظر انتقال داد و کار تعیین موقعیت را به پایان رساند.

چالش‌های نیاز فناورانه:

مهم ترین چالش این طرح، رسیدن به یک نرم افزار جامع با امکان تولید و ارسال تصحیحات به‌صورت لحظه ای با خروجی استاندارد است. مدیریت حجم بالای داده آنلاین، محاسبه مدل تصحیحات در هر ثانیه، و ارسال بی‌وقفه داده تولید شده به کاربران بایستی توسط تیم اجرایی پیاده‌سازی شود. ازآنجایی‌که در حال حاضر نرم افزار مشابه خارجی وجود دارد، نرم افزار مذکور بایستی دقت ۳ سانتی‌متری درون شبکه در طراحی شبکه استاندارد را تأمین نماید. همچنین در صورت نیاز بتوان فواصل بلند ۷۰ کیلومتری درون شبکه را حل ابهام فاز نمود تا متقاضیان شبکه های بزرگ منطقه ای و کشوری بتوانند از این نرم افزار استفاده کنند.

یکی از موضوعات مهم در این طرح، مدیریت ایستگاه های مرجع به منظور تولید تصحیحات است، به این منظور که بایستی دسته بندی (کلاسترینگ) ایستگاه ها بر اساس فاصله برای ایجاد مدل به درستی لحاظ گردد تا در مدیریت حجیم داده نرم افزار دچار مشکل نشوند.

موضوع مهم دیگر که در مقدمه نیز ذکر شده استفاده از داده های همزمان تمامی منظومه های موقعیت یابی است. بدین صورت که نرم افزار بتواند سیگنال منظومه های GPS ، Glonass ، Beiduo و Galileo را از گیرنده های مرجع دریافت و در محاسبات مورد استفاده قرار دهد. از آنجایی که هر منظومه مشخصات فنی خاص خود را دارد تیم اجرایی می بایستی مسائل مربوط به تلفیق منظومه ها (مثلاً از منظر همزمان‌سازی) را در نظر بگیرد.

در نهایت اجرای بهینه نرم افزار ( Performance ) که مرتبط است با طراحی مناسب معماری نرم افزار، چالشی مهم در اجرای طرح است.

گام‌های تحقیقاتی و الزامات طرح:

1. بررسی تمامی اجزا و الزامات نرم افزار ارسال تصحیحات شبکه ای؛
2. زیرساخت دریافت و مدیریت تمام داده های منظومه های در دید برای هر لحظه؛
3. حل ابهام فاز ایستگاه های مرجع برای هر ثانیه در شبکه؛
4. مدل سازی خطاها و پارامترهای تصحیحات برای تمامی منظومه های GNSS در دید در هر ثانیه؛
5. پیاده‌سازی نرم افزاری محاسبات و مدل سازی؛
6. ایجاد یک پنل برای مشاهده نتایج حاصل از حل ابهام فاز شبکه؛
7. بررسی و اخذ تأیید فنی کارفرما با اجرای یک شبکه واقعی؛
8. تولید تصحیحات؛
9. دریافت داده NMEA از چندین کاربر همزمان؛
10. ارائه تصحیحات مربوطه به کاربران با فرمت استاندارد RTCM ؛
11. اخذ تأییدیه از کارفرما با تست آزمایشگاهی نرم افزار؛
12. اخذ تأییدیه از کارفرما با تست میدانی نرم افزار و مقایسه با نمونه خارجی از نظر سرعت، دقت و عملکرد.

بخشی از شمای کلی فرآیند مدل سازی در زیر آمده است.

شکل ۴. فرآیند مدل‌سازی

خروجی نهایی تحقیق:

یک نرم افزار ارسال تصحیحات شبکه ای GNSS که با مدل سازی تمامی منظومه های موقعیت یابی، رسیدن به دقت سانتیمتری را برای کاربران محقق خواهد ساخت.

راهکارهای غیرجذاب

• عدم تأمین دقت مناسب؛
• عدم به‌کارگیری تمامی منظومه ها؛
• تأخیر در ارسال تصحیحات نسبت به مشابه خارجی با نرخ ۲۰ درصد؛ ^
• عدم حل ابهام فاز در فواصل بیش از ۵۰ کیلومتر.

تسهیم مالکیت فکری:

• مالکیت معنوی: مجری در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و متقاضی در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود.
• مالکیت منافع مادی: مالکیت فکری ناشی از دستاوردهای طرح، تابع ضوابط عمومی حاکم بر آثار فکری است جز در مواردی که با توافق صندوق، مجری و متقاضی، موافقتنامه‌های جداگانه‌ای منعقد شود.

نحوه پذیرش:

رقابتی است و از بین پروپوزال‌های دریافتی، موردی که شرایط زیر را داشته باشد، در اولویت خواهد بود.

1. ترکیب متخصصین تیم پیشنهادی مرتبط باشد.
2. افراد پیشنهاد شده، دارای سابقه پژوهشی و فنی در آن موضوع باشند.
3. زمان‌بندی، هزینه و شرح خدمات، متناسب و مرتبط با پژوهش مورد تقاضا باشد. (در این بخش، مجری می‌تواند برآورد اولیه خود را اعلام کند اما بدیهی است جزئیات اجرایی در ابتدای امر مشخص نیست و مجری و کارفرما با علم به این موضوع وارد این توافق خواهند شد.)
4. تیم پیشنهاددهنده، زیرساخت انجام پژوهش اعم از آزمایشگاه و کارگاه را داشته باشند.
5. پروپوزال طبق فرمت پیشنهادی بنیاد، تهیه و ارسال شده باشد.

هزینه‌های قابل قبول:

1. حق‌التحقیق نیروی انسانی
2. تست ها و آنالیزها
3. خدمات

حوزه های اولویت دار

مهندسی / عمران / نقشه‌برداری

واجدین شرایط

• پژوهشگر اصلی تیم لازم است عضو هیئت‌علمی یکی از دانشگاه‌ها و موسسات آموزش عالی کشور باشد.
• از پروپوزال‌هایی که در قالب رساله دکتری و طرح پسا دکتری تعریف شوند، حمایت می‌شود.
• پس از دریافت پروپوزال از طریق سامانه، ارزیابی انجام گرفته و در صورت کسب امتیاز بالا، تیم برگزیده جهت مذاکره با بنیاد و شرکت متقاضی دعوت خواهد شد.

فایل پیوست

فرم خام پروپوزال

تاریخ فراخوان

کلیه افراد واجد شرایط به مدت یک ماه از تاریخ انتشار فراخوان یعنی تا ۲۵ بهمن فرصت دارند که پروپوزال خود را از طریق سامانه کایپر برای بنیاد ملی علم ایران ارسال نمایند.

مبلغ حمایت

پژوهش پیشنهاد شده تا سقف ۸۰ درصد، حداکثر ۲ میلیارد تومان، توسط بنیاد ملی علم ایران حمایت خواهد شد. بدیهی است که مابقی هزینه‌ها باید توسط شرکت متقاضی پژوهش تامین شود.

کارگروه مسئول

در صورت هرگونه سوال می‌توانید با کارگروه دانش‌بنیان با ایمیل: amini.m@insf.org و شماره تلفن ۰۲۱۸۲۱۶۱۱۲۱ تماس بگیرید.

جهت بارگذاری پروپوزال کلیک کنید.

علاقمندان می‌توانند اخبار و رویدادهای بنیاد ملی علم ایران را در شبکه‌های اجتماعی زیر دنبال کنند:

کانال بنیاد ملی علم ایران در بله: https://ble.ir/insf_pr
کانال بنیاد ملی علم ایران در تلگرام: https://t.me/insf_pr
صفحه بنیاد ملی علم ایران در اینستاگرام

‌