گشتی در آینده علوم مکانی و ژئوماتیک
مرور GIM International بر فعالیت های Dorota Grejner-Brzezinska
دکتر Dorota Grejner-Brzezinska رئیس آینده موسسه راهبری (ION) است. او به عنوان رئیس کمیسیون بین المللی همکاری های ژئودزی برای تعیین موقعیت و کاربردهای آن نیز فعالیت می کند. GIM International در ارتباط با نقش ION، پیشرفت ها و روندهای اخیر راه حل های نقشه برداری GNSS و آینده آن، با Grejner-Brzezinska به گفتگو نشست.
موسسه ناوبری (ION) به عنوان یک انجمن جهانی تشکیل شده از افراد علاقه مند به ناوبری زمینی، دریایی، فضایی و هوایی و تعیین موقعیت، خدمت رسانی می کند. این موسسه چگونه رشد کرده است؟
سرمایه موسسه ناوبری در سال ۱۹۴۵ توسط گروهی که از افراد فعال در زمینه ناوبری هوایی که پس زمینه نظامی و غیر نظامی داشتند، تامین شد. بیشتر انرژی این موسسه در سال های اول به ساخت یک سازمان تاثیرگذار که در راستای پیشبرد علم و هنر ناوبری از طریق همگام ساختن دانش و دستاوردهای فعالان، دانشمندان و به وجود آورندگان تجهیزات ناوبری، اختصاص داده شد. در دهه ۱۹۹۰ که ION پشتیبانی همه علاقه مندان سامانه های تعیین موقعیت را بدست آورد، خصوصاً پس از آنکه GPS به قابلیت عملیاتی کامل دست یافت، این سازمان شروع به شکوفا شدن نمود. پیشرفت های فناوری ناوبری نیاز به متخصصین در حوزه ناوبری در بسیاری از کاربردها را از بین برده است، ناوبری همگام با جایگزین شدن انسان و ابزارهای الکترومکانیکی با میکروکامپیوترها، مدارها و سنجنده های یکپارچه، خودکار شده است. امروزه با رشد انواع مختلف فناوری های مرتبط با GNSS، دقت و پوشش عملکردی تمام فازهای ناوبری پیشرفت سریعی داشته است. با نگریستن به روشی که ION به خدمت گرفته است، و در برخی موارد نقشی کلیدی در رهبری آن به عهده داشته است، این تغییرات به عنوان موفقیت های این موسسه محسوب می شوند.
اعضای ION، کارتوگراف ها، ناوبران حرفه ای، فتوگرامتریست ها، ژئودزین ها و نقشه برداران هستند. مزایای اصلی عضویت در این موسسه چیست؟
عضویت در ION یک فرصت ممتاز برای مرتبط باقی ماندن و کسب اطلاع در مورد آنچه که در زمینه تعیین موقعیت، ناوبری و زمان بندی (PNT) رخ می دهد، است. عضویت در سازمان های حرفه ای به عنوان بهترین روش برای پیشرفت شخصی و حرفه ای در نظر گرفته می شود و اعضای ION به ابزارهایی مورد نیاز برای پیشرفت در رشته خود دسترسی خواهند داشت. عضویت مشتمل بر مشترک شدن در فصل نامه NAVIGATION بازبینی شده توسط همکاران و خبرنامه فصلی ION، دسترسی به پایگاه داده ای شامل بیش از ۱۳۰۰۰ مقاله فنی منتشر شده در ژورنال NAVIGATION و صورت جلسات بسیاری از جلسات ION است. به علاوه، اعضا در پرداخت هزینه های ثبت نام جلسات و خرید موارد منتشر شده از تخفیف برخوردار بوده، حق رای و اداره جلسات را داشته، و می توانند در برنامه تقدیر سالیانه نیز شرکت کنند. آنها همچنین می توانند همکار دولتی ما شوند. برنامه همکاری دولتی برای ارائه یک تجربه آموزشی منحصر به فرد به اعضا، ضمن فراهم آوردن تجربه فنی برای بخش های دولتی و خصوصی طراحی شده است و ما امیدواریم که خط مشی عمومی موثری را در ارتباط با مسائلی که حرفه ما و کل جامعه را تحت تاثیر قرار می دهند، ایجاد نماید. امکان دو نوع همکاری وجود دارد: همکاری کنگره ای و همکاری اجرایی. یک همکار کنگره ای به عنوان کارمند بخش اداری در حوزه علوم و فناوری به به عنوان یک عضو از کنگره و یا کمیته همکاری خدمت می کند، در حالیکه یک همکار اجرایی به عنوان یک مشاور علوم و فناوری در یک دپارتمان اجرایی فعالیت خواهد نمود.
این موسسه بخوبی از طریق برنامه تقدیر سالیانه خود، نظیر جوایز Johannes Kepler و Bradford W. Parkinson شناخته شده است. شما از طریق این جوایز به چه چیزی دست خواهید یافت و این جوایز چه مزایایی برای صنعت ناوبری دارند؟
با گرامیداشت افرادی که در حال ایجاد تغییر هستند، جوایز ما به جلب توجهات به زمینه PNT کمک نموده و در مسیر ترویج خلاقیت، کمال، تعهد و پیشرفت، خدمت می کند. این یک نقش فوق العاده برای ION است و افتخارات ما همگی نمایانگر بهترین دستاوردهای فنی و از خود گذشتگی بشردوستانه آنها در حوزه حرفه شان است.
ION حامی جوایز دانشجویی در حوزه ناوبری نیز هست. آیا این دانشجویان پیشرفت به روزی را موجب شده اند؟
حفظ حیات یک سازمان در گرو پرورش، رشد و ایجاد نسل بعدی افراد حرفه ای و رهبران سازمان است. بسیاری از رهبران بخش های مربوط به بازار و انجمن علمی PNT، دانشجویان و نویسنده های برتر پیشین ION بوده اند و برخی از روسای قبلی ION نیز از طریق برنامه دانشجویی به این سازمان معرفی شده بودند.
چشم گیرترین پیشرفت های نسخه ۲۰۱۴ ION GNSS+ در تامپای آمریکا چه چیزهایی بودند؟
یکی از برجسته ترین اتفاقات در ION GNSS+ 2014 یک جلسه عمومی بود که برای اولین بار، امسال چندین “گفتگوی هیجان انگیز” را در برداشت. اینها ارائه هایی مختصر، پر انرژی و تاثیرگذار بودند که بر روی عناصر جدید برنامه فنی تمرکز داشتند – یک جلسه به عنوان بخشی از هر مسیر فنی برگزار می شد. ما گروهی را داشتیم که به امور مربوط به سامانه ها، خط مشی، دیدگاه های فنی، محصولات تجاری و پیشرفت های کاربردی می پرداختند؛ و گروه تعیین موقعیت داخلی دومی که حتی نمایش زنده ای از آخرین فناوری ها را ارائه نمودند. این جلسات گروهی توجه حاضرین را به خود جلب نمود، حضور در آنها پرشور بود و مباحث نشاط آوری را به مطرح کردند. نمایشگاه تجاری نیز جرقه هایی از نوآوری را به همراه داشت. اما اساساً این ظرافت های فنی بازدیدکنندگان بین المللی و علاقه مندی آنها برای به اشتراک گذاردن دانش شان است که این جلسات را منحصر به فرد نموده است.
نقشه برداران در خلال پیشرفت های GNSS در طول سال های آتی، باید منتظر چه فرصت هایی باشند؟
انتظار می رود که در طول چند سال آینده چندین پیکربندی GNSS به عملکردی کامل دست یافته و امکانات جدید و پیشرفته ای را به جامعه نقشه برداری عرضه کنند. ماهواره ها و سیگنال های بیشتر دسترسی بهتر و افزونگی را پدید خواهند آورد، خصوصاً در مناطقی که دید به آسمان محدود است. اگرچه، این همیشه به معنای دست یافتن به دقت بهتر نیست، چرا که هندسه مشاهدات تاثیر قدرتمندی بر سطح دقت نهایی خواهد داشت، حتی اگر ماهواره های اضافی نیز مشاهده شوند. پیکربندی فرکانسی سه گانه، ساخت ترکیبات خطی عاری از یونسفر مرتبه اول و خط سیر عریض اضافی، و همچنین ترکیب خطی عاری از یونسفر مرتبه دومی که تاثیری مثبت روی سرعت و قابلیت اطمینان حل ابهام فاز و دقت مختصات دارد را امکان پذیر خواهد نمود. در دسترس بودن سیگنال های جدید و مدرن شده غیرنظامی دقت خدمات تعیین موقعیتی استاندارد (SPS) را به نحو چشم گیری بهبود خواهند بخشید. دولت آمریکا در صدد بکارگیری سه سیگنال جدید طراحی شده برای کاربردهای غیر نظامی است: L2C، L5 و L1C. انتشار سیگنال غیرنظامی بازمانده L1 C/A ادامه خواهد یافت تا در آینده مجموعه ای از چهار سیگنال غیر نظامی را داشته باشیم. سیگنال های غیر نظامی جدید به تدریج و همزمان با راه اندازی ماهواره های GPS جدید برای جایگزینی ماهواره های قبلی، ارائه خواهند شد. توجه کنید که بیشتر سیگنال های جدید تا زمانی که پیکربندی نو به سطح ۱۸ تا ۲۴ ماهواره دست یابند، کاربردی محدود خواهند داشت. در ۲۸ آوریل ۲۰۱۴، نیروی هوایی آغاز به انتشار پیغام های ناوبری غیر نظامی روی دو سیگنال L2C و L25 نمود. پیکربندی های GNSS کاملاً عملیاتی شده قادر به فراهم آوردن دقت تعیین موقعیتی در حد متر (۱-۱۰ متر) و پوشش و قابلیت دسترسی بهتری نسبت به GPS بطور تنها خواهند بود. دقت دوچندان شده GNSS از طریق تشدید زمینی و فضایی در حد سانتیمتر است (<1 متر) و در ارتباط با روش های چند فرکانسه بر مبنای فاز حامل، مانند RTK و PPP، در حد سانتیمتر (<10 سانتیمتر) است.
به نظر می رسد که روند رو به رشد بکارگیری پهپادها در ژئوماتیک متوقف نشدنی است. صنعت ناوبری چگونه می تواند با این پیشرفت تعیین کننده همراه شود؟
صنعت ناوبری از ابتدای رشد پهپادها در بخش های ژئوماتیکی و مکانی، از طریق توسعه سنجنده های ناوبری قابل اعتماد، ارزان قیمت، و قابل حمل نظیر بردها و GPS MEM IMU، و سامانه های یکپارچه GPS/IMU نقشی تعیین کننده داشته است. هیچ پهپادی نمی تواند بدون ناوبری قابل اطمینان در کاربردهای امنیت ملی، علمی و یا تجاری مورد استفاده قرار گیرد. صنعت ناوبری تلاش های چشم گیری در حوزه تحقیق و توسعه نموده است تا از در دسترس بودن PNT جهانی بطور دقیق و پیوسته برای پشتیبانی از بازار رو به رشد کاربردهای فناوری مکانی، از جمله بازار پهپادها، اطمینان حاصل نماید. تا زمانی که مختصات و بر چسب زمانی به اطلاعات الصاق نشود، حتی بهترین اطلاعات را نمی توان مکانی نامید!
مردم بیشتر زمان خود را درون ساختمان ها سپری می کنند، در حالیکه سیگنال های GNSS درون ساختمان ها بسیار ضعیف هستند. شما روند توسعه سیستم های تعیین موقعیت رایگان GNSS در موقعیت های داخلی را چگونه می بینید؟
در سال های اخیر، فناوری گیرنده های GNSS با حساسیت بالا به بازار وارد شده است. این گیرنده ها قابلیت دریافت امواج در سازه های شیشه ای و یا چوبی را دارند، اگرچه دقت ناوبری در این حالت کمتر از حالتی است که خط دید واضح موجود است. ناوبری شخصی، طراحی شده برای کاربردهای داخلی و عموماً محیط های چالش بر انگیز برای GNSS، در طول بیش از یک دهه اخیر محبوبیت بیشتری در میان جامعه ناوبری یافته است. سنجنده های بسیار کوچک قابل حمل در بازار در دسترس هستند، و به دنبال بهبود قدرت پردازش کامپیوترهای قابل حمل و فناوری بی سیم، الگوریتم های یکپارچه طراحی شده برای ادغام اطلاعات از سنجنده های متعارف و غیر متعارف (سنجنده های پلکانی و تصویرگرهای اکتیو و پسیو) پیشرفت های چشم گیری داشته اند. سامانه های RF مبنا، نظیر باند بسیار وسیع (UWB)، RFID و یا WLAN و یا پیکربندی زمینی ای از فرستنده-گیرنده ها که به عنوان سامانه های ناوبری مستقل عمل می کنند، نظیر Australian Locata، به همراه MEMS IMUها (واحدهای اندازه گیری اینرسی) و سامانه های ناوبری تصویر مبنا، برای ناوبری داخلی مورد استفاده قرار می گیرند. تعدادی از ارائه های تحقیقاتی و همچنین نمونه های تجاری، طراحی و بکار گرفته شده اند. PNT فضایی جهانی در ترکیب با سامانه های ناوبری داخلی، و در کنار ازدیاد فناوری های بی سیم، ابزارهای محاسبه موبایلی و اینترنت همراه، جاذبه جدید و رو به رشدی را در خدمات و سامانه های مکانی ایجاد نموده است. این سریع ترین رشد در بازار تجاری خدمات مکانی است و در حال حاضر بیش از ۴۷% کاربردهای تجاری مکان مبنا را پوشش داده است. یک تلفن هوشمند معمولی که یک تراشه GPS دارد، در کنار نقشه های رقومی و تعدادی سنجنده، می توانند اطلاعات ناوبری نظیر IMUها، Wi-Fi، سنجنده های تقریبی، دوربین ها و غیره را ارائه نمایند. بهره گیری از این سنجنده ها در آینده یک تلفن هوشمند را به یک ابزار ناوبری شخصی تبدیل خواهد نمود.
امروزه، RTK شبکه ای تجاری (NRTK)، یک زیرساخت GNSSای ضروری برای دست یابی به تعیین موقعیت در حد سانتیمتر است. در عین حال، تعیین موقعیت دقیق (PPP) به عنوان یک جایگزین برای NRTK به سرعت در حال توسعه است. پیش بینی شما در ارتباط با تعیین موقعیت دقیق در آینده نزدیک چیست؟
من NRTK را به عنوان قدم متحول کننده بعدی در سرویس GPS تفاضلی (DGPS) که از طریق گسترش ساختار زمینی، در دسترس بودن ساعت ها و مدار IGS بصورت تقریباً آنی، قدرت محاسبات افزایش یافته و ارتباط بی سیم در همه جا، به همراه یک پیکربندی GPS/GNSS قدرتمند که برای سالیان بسیار بیش از ۲۴ ماهواره را در اختیار قرار می داد، در نظر می گیرم. در حالت PPP، کاربر ساعت ها و مدار ماهواره ای دقیق را با داده های GNSS دو فرکانسه جمع آوری شده در موقعیت خود ترکیب کرده و می تواند مختصات را بصورت تقریباً مطلق نسبت به یک ایستگاه مبنا محاسبه کند. داده های دو فرکانسه برای حذف اثر یونسفری از مرتبه اول مورد نیاز هستند. دقت مختصات برای راه حل استاتیک در سطح سانتیمتر است و در کاربردهای کینماتیکی به سطح دسیمتر نزدیکتر است. شبکه های مبنای زمینی متراکم در بسیاری از بخش های جهان، یعنی در اروپا، کانادا، آمریکا، ژاپن، و … در دسترس هستند، و در دسترس بودن تصحیحات خطای دقیق از این شبکه های ردیابی دائمی، بطور تئوری می تواند برای پشتیبانی از کاربران تک فرکانسه در حالت PPP مورد استفاده واقع شود. PPP استاتیک بیشتر به عنوان یک روش معین در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال، Natural Resource Canada یک ابزار برخط پردازش داده های GPS با دقت بالا، بر مبنای PPP را ارائه می دهد. بسیاری مدعی هستند که PPP آینده تعیین موقعیت دقیق است. من معتقدم که نکته کلیدی در دسترس بودن و دقت تصحیحات شبکه ای است که تصحیحات یونوسفری و توپوسفری را با قدرت تفکیک محلی و منطقه ای فراهم می آورند و بطور کلی، می توانند دقت بهتری را نسبت به مدل های جهانی ارائه دهند. در دسترس بودن تصحیحات یونی با دقت بالای خارجی می تواند همگرایی را سریع تر نماید، این یک مشکل اساسی در ارتباط با PPP کینماتیک است. تعیین موقعیت کاربری واقعی می تواند از طریق PPP و یا NRTK به انجام رسد، مزایای PPP در انتشار بسته های کوچکتر داده نسبت به NRTK است.
چالش های اصلی صنعت GNSS در سال های پیش رو چه هستند؟
اولاً، چالش مالی، اینکه دولت قصد دارد به چه میزان برای GNSS هزینه کند و آیا پشتیبانی مالی پیوسته، سازمان یافته و کافی خواهد بود؟ ما بالا و پایین ها، تاخیرات و عدم اطمینان ها را دیده ایم، و به نظر می رسد که با وجود این حقیقت که GNSS بطور مجازی در تمامی جنبه های زندگی ما حضور دارد، این یک چالش پیوسته در جریان است. به عنوان مثال، بخش فضایی باید با سرعت بیشتری نسبت به پروژه های جاری مدرن شده GPS و GLONASS به روز رسانی و تکمیل شود. دوماً، چالش مدیریت و هماهنگی بین المللی GNSS در یک مسیر جامع و شفاف، منصفانه و دور از دسترس، تثبیت همکاری با کمیته بین المللی GNSS یک حرکت فوق العاده در مسیر پاسخ به این مشکلات است. سایر چالش هایی که صنعت GNSS و سایر صنایع با آنها مواجه هستند، شامل: نبود سامانه پشتیبانی، محافظت طیفی، تداخل و انسداد، آسیب پذیری در برابر حملات سایبری و طیفی، و خلوت مکانی هستند. برای پاسخ به این چالش ها، کمیته GNSS باید نقش یک توانمند ساز پیشگام را در نظر بگیرد، چرا که این ابزار جهانی فوق العاده اکنون در دسترس افراد بسیاری است و ممکن است مورد سوء استفاده واقع شود. بنابراین، صنعت GNSS، قانون گذاران و آژانس های تنظیم مقررات باید در پاسخ به این چالش ها خلاقانه عمل کنند. در غیر اینصورت، GNSS و صنایع وابسته ممکن است با بی میلی سرمایه گذاران مواجه شوند، چرا که تنها نقطه قوت این بازار وابستگی آن به خط مشی های دولتی است.
البته، چالش های فنی ای نیز وجود دارند. به عنوان مثال، با در نظر گرفتن اینکه پهپادها در حال تبدیل به پر رونق ترین ابزارهای جمع آوری داده های مکانی هستند، سنجنده های تصویربرداری GNSS و GNSS/IMU باید نه تنها سبک وزن باشند، بلکه هزینه مناسبی نیز داشته باشند و از بسیاری از ابزارهای قابل حملی که در حال حاضر در دسترس هستند، دقیق تر باشند. چالش مرتبط با این فرصت، سرعت نسبتاً کم نوآوری است. این صنعت باید رو به جلو حرکت کرده و این فاصله را به سرعت پر کند. نکته دیگری که ارزش اشاره کردن را دارد توالی ادغام ها و یکی شدن هاست. این ممکن است رقابت را محدود کند، و بازاری را ایجاد نماید که در بین تعداد اندکی از تولیدکنندگان و یا فروشندگان مشترک است، که این می تواند منجر به روند حتی کندتری در نوآوری ها شود.
با در نظر گرفتن توسعه فعال سامانه های GNSS توسط هند، چین و اروپا، امروزه ماهواره های تعیین موقعیت بیشتری نسبت به گذشته در دسترس است. به نظر شما این دسترسی گسترش یافته به چه نحوی ناوبری را منتفع می سازد؟
سریع ترین رشد در بخش خدمات مکانی (LBS) در کاربردهای GNSS اتفاق می افتد. با کنار گذاشتن چالش های مرتبط با LBS، این سرویس فرصت های بسیاری را برای بسیاری از بازارها، خصوصاً در آسیا به همراه آورده است. انتظار می رود که رشد بازار جهانی GNSS در بازه سال های ۲۰۱۲-۲۰۱۶ به رشد تقریبی ۲۱ درصدی دست یابد، و انتظار داریم که بازده GNSS تنها از بخش LBS تا سال ۲۰۲۰ به رقمی بیش از ۸۰ بیلیون یورو برسد. در حال حاضر، ابزارهای GNSS جهانی در حدود ۲ بیلیون واحد هستند و انتظار می رود که تا سال ۲۰۲۲ رشد تقریباً چهار برابری تا ۷ بیلیون را تجربه نمایند. این به معنای تقریباً یک گیرنده GNSS برای هر نفر روی کره زمین است.
ماشین های خودران کاربرد آتی ای است که نه تنها به اطلاعات GNSSای قابل اعتماد نیاز دارد، بلکه باید از اینکه ماشین ها اطراف خود را با استفاده از مجموعه ای از سنجنده های لیدار و رادار می بینند نیز، اطمینان حاصل کند. آزمایشگاه ناوبری رادیویی دانشگاه تگزاس در میان سایر مراکز، نشان داده است که دست یابی به دقت در سطح سانتیمتر با یک آنتن تلفن همراه هوشمند، امکان پذیر است. این یک توانمند ساز با دقت بالا و قیمت پایین است که تاکنون از طریق ابزارهای GNSS به روز نیز به خدمت گرفته شده است. بنابراین، قدم بعدی مورد انتظار یک اپلیکیشن نقشه برداری جهانی با دقت بالا از طریق انبوه سپاری است. D.P. Shepard و T.E. Humphreys ارائه بسیار جالبی از دقت بالای حاصل از موقعیت مبنایی جهانی و ارتفاع بدست آمده از ادغام SLAM بصری، فاز حامل GPS و اندازه گیری های اینرسی در IEEE/ION PLANS در ۲۰۱۴ را عرضه نمودند.
در آغاز GNSS برای اهداف نظامی ایجاد شد، و ناآرامی های اخیر در اکراین، غزه و عراق بر نقش پر اهمیت آن به عنوان یک ابزار نظامی تاکید کردند. آیا انتظار دارید که افزایش تنش در روابط بین المللی بر کاربرد غیر نظامی GNSS تاثیر بگذارد؟
خط مشی PNT فضایی آمریکا در سال ۲۰۰۴ بر گسترش کاربردهای غیرنظامی و تجاری آن تاکید دارد. اگرچه، تعیین موقعیت، ناوبری و اطلاعات زمانی ارائه شده توسط GPS برای امنیت ملی آمریکا حیاتی و مهم باقی خواهد ماند و کاربردهای آن با عملیات های مجازی همه جانبه ارتش آمریکا، ادغام شده است. بر اساس دستورالعمل های PNT فضایی، دولت آمریکا متعهد به ارائه خدمات جهانی GPS غیر نظامی و اطلاعات طراحی سیگنال های غیر نظامی بصورت رایگان است. تنها می توانیم این حدس را بزنیم که دولت آمریکا یا سایر کشورها تصمیم به اعمال محدودیت هایی روی دقت و یا دسترسی بگیرند. با وجود برنامه مدرن سازی GPS با هدف مجزا ساختن سیگنال های نظامی و غیرنظامی، منصفانه است که تصور کنیم که نیازی به اعمال هیچ محدودیتی نخواهد بود. اگرچه، پیشتر نشان داده شده است که دستکاری یک سیگنال غیر نظامی نسبتاً ساده است و به نظر می رسد که احتیاط حکم می کند تا بر حفاظت از کاربردهای آسیب پذیر غیرنظامی که بسیار به GNSS وابسته اند (مانند زمان بندی، بانکداری، عوارض، واکنش های اضطراری، مشاهدات زمینی برای اهداف اقلیمی و آب و هوایی، خطرات طبیعی، تغییرات کاربری زمین، سلامت اکوسیستم، رویدادهای دریایی) در برابر حملات سایبری و انسداد عمدی، تمرکز شود.
ناوبری ماهواره ای غالباً با ناوبری اینرسی همگام است. سازمان شما چگونه به بهبود بکارگیری ناوبری اینرسی برای اعضایش کمک می کند؟
ION به ارائه دامنه کاملی از روش های ناوبری در طول برنامه های متفاوت و بسیار خود، متعهد است. دوره های ناوبری اینرسی در چندین کنفرانس ما برگزار شده و می توان مقالات مرتبط با اینرسی را در نشریه NAVIGATION یافت و ما میزبان دوره های اینرسی/چند سنسوری در تمامی کنفرانس هایمان هستیم.
