GPS İncelemesi Özellikleri Kullanım Alanları Detaylar

Global Positioning System. (Global Yer Belirleme Sistemi) Düzenli olarak kodlanmış bilgi yollayan bir uydu ağıdır ve uydularla aramızdaki mesafeyi ölçerek dünya üzerindeki kesin yerimizi tespit etmeyi mümkün kılar.

Bu sistem, ABD savunma bölümüne ait, yörüngede sürekli olarak dönen 24 uydudan oluşur. Bu uydular çok düşük güçlü radyo sinyalleri yayarlar. Yeryüzündeki GPS alıcısı, bu sinyalleri alır. Böylece konum belirlenmesi mümkün olur.

Bu olağanüstü sistemi kurmak Amerika’ya ucuza mal olmamıştır. Sistemin kurulum değeri yaklaşık olarak 12 milyar ABD Dolarıdır. Devam eden bakım masrafları sistemin değerini arttırmaktadır.

Bu sistemin ilk kuruluş hedefi tamamen askeri amaçlar içindi. GPS alıcıları yön bulmakta, askeri çıkartmalarda ve roket atışlarında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, 1980’lerde GPS sistemi sivil kullanıma da açılmıştır. Artık birçok alanda hayati önem taşıyan bir araç olarak kullanıma girmiştir. GPS’ in karada, havada ve denizde birçok kullanım alanı vardır. Basit bir anlatımla, GPS size bulunduğunuz yerleri işaretleme ve belirlediğiniz noktaya geri dönme imkanı sağlar. GPS, kapalı alanlar ve su altı gibi sinyallerin alınmasının güçleştiği yerler dışında dünya üzerinde her yerde çalışır.

Bu araştırmanın içeriğinde GPS sisteminin kaç bölümden oluştuğu, görevlerinin neler olduğu, GPS sinyallerinin özelliklerini, GPS uydu yörüngeleri, GPS’ e etki eden hata kaynakları, konum bulma yöntemleri ve elde edilen verilerin değerlendirilmesinin yanında Diferansiyel GPS (DGPS) konuları ayrıntılı olarak değerlendirilmiştir.

Tarihçe : Ölçmenin tarihi insanlık tarihi kadar eskidir. İlk zamanlardan bu yana insanoğlu “neredeyim?” ve “nereye gidiyorum?” sorularına yanıt bulmaya çalışmış ve bu sorulara doğru yanıt verebilmek için birçok sistem geliştirmiştir. Ancak, bugüne kadar bulunan sistemlerin hemen tamamında birçok sorunla karşılaşılmıştır. Örneğin, ilk insanlar yaşadıkları yerlerden uzağa giderken geri dönebilmek amacıyla, yürüdükleri yolları taşlar koyarak işaretlemişler ve bu taşları izleyerek tekrar köylerine dönebilmişlerdir. Ancak bu sistemde köyün fazla uzağına gidilememiştir. Ayrıca, kar ve yağmur yağdığında bu taşlar kaybolmuş ve geri dönüş yolunda sorunlar yaşanmıştır. Zaman içerisinde, insanoğlu denizleri keşfetmiş, böylece sorunları daha da büyümüştür.

Çünkü denize taş koyarak işaretleme olanaksızdı. Bu nedenle, taşlar yerine yıldızlardan yararlanma yoluna gidilmiştir. Oysa bu sisteminde bazı sakıncaları ortaya çıkmıştır. Örneğin, yıldızlar sadece geceleri görülebilmekte ve bunlar çıplak gözle ayırt edilememekteydiler.

Dolayısıyla, yıldızlara özel aletler kullanılarak açısal gözlemler yapılmaya başlanmış fakat zaman içersinde bu gözlemlerde elde edilen doğruluklar gereksinimleri karşılayamaz olmuştur. Zamanla teknolojik gelişmelere pararel olarak konum belirleme ve navigasyon sistemlerinde de önemli gelişmeler olmuştur (VOR LORAN OMEGA vb.)

İlk yapay uydu olan SPUTNIK-1’in 04 EKİM 1957 tarihinde uzaya fırlatılmasıyla uzay jeodezisi jeodezi bilimi içersinde önemli bir yer edinmiştir. Başka bir deyişle, SPUTNIK-1 ile uzay jeodezisinin fiili gelişimi başlamıştır. Diğer taraftan, günümüzün modern konum belirleme teknolojisi 1960’lı yıllara dayanmakta olup TRANSIT (DOPPLER veya Navy Navigational Satellite System; NNSS) olarak bilinmektedir.

Bu sistem yeryüzünden yaklaşık 1100 km uzaklıkta olan6 uydudan oluşmaktaydı. TRANSIT sistemi A.B.D. Silahlı Kuvvetleri tarafından geliştirilmiş olup ana amaç uçak ya da diğer askeri araçların koordinatlarının belirlenmesiydi. Daha sonraları sistem sivil sektörün kullanımına açılmış ve jeodezik konum belirleme amacıyla 1967 yılından bu yana yaygın olarak kullanılmıştır.

Hesaplama tekniği ve uzay çalışmalarındaki hızlı gelişmeler 1980’li yılların en önemli ürünlerinden biri olan Global Konum Belirleme Sistemi (GPS)’ nin günlük yaşama girmesine sebep olmuştur. GPS, TRANSIT sistemin bazı zayıf yanlarını ortadan kaldırmak için geliştirilmiştir. Örneğin, TRANSIT sisteminde bir uydunun aynı enlemden iki geçişi arasında yaklaşık 90 dakikalık zaman farkı vardı. Dolayısıyla, ölçücü uydunun iki geçişi arasındaki zamanlar için enterpole yapmak zorundaydı. Diğer sorun ise, TRANSIT sistemden elde edilen doğruluklar oldukça düşüktü.

Bilindiği gibi, navigasyonda ana amaç anlık (real-time) konum ve hız belirlemek olmasına karşın TRANSIT bunu karşılayamamakta, birkaç günlük doppler ölçüsü yapılarak ancak desimetre mertebesinde doğruluk elde edilebilmekteydi. Transit’ten elde edilen deneyimler sonucu, hava şartlarından etkilenmeden sürekli gözlem yapabilen ve yeryüzünde tek anlamlı, süratli ve doğru konum belirlemeye olanak veren bir sistem gereksinimi ortaya çıkmıştır.

GPS’ in Tanımı ve Kullanım Alanları

Transit sisteminin gelişmiş bir biçimi olan “NAVSTAR/GPS” (Navgation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System) ABD Savunma Dairesi (Deparment of Defence) tarafından geliştirilen, elinde GPS alıcısı olan herhangi bir kullanıcının, uydu sinyalleri yardımıyla:

• Herhangi bir yer ve zamanda
• Her türlü hava koşulunda
• Global bir koordinat sisteminde
• Yüksek duyarlılıkta
• Ekonomik olarak
• Anında ve sürekli konum, hız ve zaman belirlenmesinde olanak veren bir radyo navigasyon sistemidir.

Sistemle ilgili çalışmalar 1073 yılında ABD Deniz Kuvvetleri “TIMATION” programı ile Hava Kuvvetlerinin “621B” projesini birleştirilmesiyle başlamış ve Los Angeles Hava Üssünde kurulmuş olan Ortak Program Bölümünün (JPO, Joint Program Office) sorumluluğuna verilmiştir.

GPS kullanım alanları çok genel olarak iki ana başlıkta toplanabilir:

a. Askeri kullanım alanları;

• Kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu
• Arama-Kurtarma
• Hedef bulma
• Füze güdümü
• INS sistemlerinin desteği
• Uçakların, görüşün sınırlı ya da hiç olmadığı hava koşullarında iniş ve kalkışı

b. Sivil Kullanım Alanları;

• Kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu
• Jeodezik ve jeodinamik amaçlı ölçümler
• Kadastral ölçümler
• Kinematik GPS destekli fotogrametrik çalışmalar
• Yerel ve global deformasyon ölçmeleri
• Araç takip sistemi
• Uçakların, görüşün sınırlı ya da hiç olmadığı hava koşullarında iniş ve kalkışı
• Aktif kontrol ağları
• CBS veri tabanlarının geliştirlmesi
• Turizm, tarım, ormancılık, spor
• Asayiş
• Hidrografik ölçmeler

Klasik jeodezik ölçme teknikleri ile karşılaştırıldığında GPS’ in üstün ve zayıf tarafları aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

● Noktalar arası görüş zorunluluğu ortadan kalkmıştır. GPS in alıcı anteninin uydu sinyalini izleyebilmesi için gökyüzünü görmesi yeterlidir.

● Nokta yeri seçiminde nokta yerinin en yüksek yerde olması gibi zorunluluklar ortadan kalmıştır. Greksinim duyulan ve GPS ölçüsünün yapılmasına olanak veren her yerde nokta tesisi yapılabilmektedir.

● GPS ölçülerinin yapılması büyük ölçüde hava şartlarından bağımsızdır

● Gece Gündüz (24 saat) sürekli ölçüm yapılabilmektedir

● GPS ölçümlerindeki hız ve aletlerin kullanım kolaylığı, ölçücü hatalarının olmaması(anten yüksekliği ölçümü hariç) nedeniyle ekonomik bir sistemdir.

● Üç boyutlu nokta koordinatları elde edilebilmektedir.

● Elde edilen jeodezik doğruluklar en duyarlı jeodezik yöntemlerle elde edilenlerle eşit yada daha iyidir.

GPS’ in zayıf tarafı ise, Alıcı anteni mutlaka açık gökyüzünü görmelidir. Başka bir deyişle, GPS sinyalleri radyo sinyalleri gibi kuvvetli olmadığında kapalı yerlerde, çok sık ağaçlıklı bölgelerde ve madenlerde kullanılamamaktadır

GPS’ in Bölümleri

JPO sorumluluğunda geliştirilen GPS sistemi üç ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar uydulardan oluşan Uzay Bölümü, tüm sistemi yöneten Kontrol Bölümü ile alıcıların bulunduğu Kullanıcı Bölümüdür (Şekil 2. 1).

Şekil 2. 1: GPS’ in Bölümleri

(Global Konum Belirleme Sistemi Teori-Uygulama, Nobel Yayınları)

Uzay Bölümü : Uzay bölümü ekvatorla 55 derecelik eğim yapan 6 yörünge düzlemi üzerinde 21 esas ve 3 yedek olmak üzere toplam 24 uydudan oluşmaktadır (Şekil 2. 2). Fakat son olarak Ekim 2000 tarihi itibariyle bu sayı 28’e ulaşmıştır. Yedek uyduların amacı esas uydulardan birinde sorun olması halinde devreye giren uydulardır. Fakat yinede yedek uydularda aktif olarak çalışmakta, ölçümler yapmaktadır.

Her GPS uydusu;

● Senkronize zaman sinyallerini( uyduların birbirleriyle ve yerle hassas atomik saatlerle uyumudur.)
● Tüm diğer uydulara ait konum bilgilerini
● Yörünge Parametrelerine ilişkin iki taşıyıcı frekanstan(LI,L2) yayınlar.
● Kontrol Bölümü tarafından yayınlanan bilgileri alır.

Şekil 2. 2: GPS Uzay Bölümü

Uzay bölümünün genel özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir;

● Uydular yeryüzünden yaklaşık 20 200 km (yer merkezinden 26 500 km) uzaklıkta olup 11 saat 58 dakikada bir tam devir yaparlar.

● Yeryüzünde her hangi bir yer ve zamanda gözlenebilecek en az uydu sayısı 4 tür ve her bir uydu 5 saat ufuk hattı üzerinde kalır. Türkiye bölgesinde enleme göre değişmekle birlikte gözlenebilen çok uydu sayısı 10’dur.

● Uydu yörünge zamanı (ortalama yıldız zamanı) ile yer dönmesi ( ortalama güneş zamanı) arasındaki yaklaşık 4 dakika/gün fark nedeniyle, yörüngedeki bir gözlemci aynı uyduyu her gün 4 dakika erken gözlemlemektedir.

Uydulara ilişkin genel özellikler ise aşağıdaki şekilde sıralanabilir;

● Altı farklı tip GPS uydusu mevcut olup bunlar; Block I, Block II, Block IIA, Block IIR, Block IIF ve Block III uydularıdır.

● Block I uyduları 1978 – 1985 yılları arasında yörüngeye oturtulmuş olup ağırlıkları 845 kg ve kullanım ömürleri 7,5 yıldır. Block I uydularının ekvator düzlemiyle yaptıkları açı 63 derecedir. Şu anda Block I uydularının hiçbiri yörüngede değildir.

● Block II uyduları; bLock I uydularından farklı özelliklere sahip olup ekvatorla 55 derecelik açı yapmaktadır. Yaklaşık 1500 kg ağırlığında olup ortalama ömürleri 7 yıldır. İlk Block II uydusu 1989 yılında yörüngeye oturtulmuştur. Block I uydu sinyalleri sivil kullanıma tamamen açıkken, BlockII uyduları askeri güvenlik gerekçesiyle Seçimli Doğruluk Erişimi (SA; Selective Availability) ve Aldatmaya Karşı Koyma (A-S; Anti Spoofing) özellikleri ile donatılmış ve böylece siil kullanıcılara kısıtlamalar getirilmiştir.

● Block IIA (A; Advanced) uyduları, uydular arası haberleşebilme olanaklarına sahip olup, bazıları da laser ölçümlerine olanak veren reflektörler bulunaktadır. İlk Block IIAuydusu 1990 yılında yörüngeye oturtulmuştur.

● Block IIR/Block IIR-M (R:Replenishment / Replacement, M:Modified) uyduları BlockII uydularının yerini almak üzere üretilmiş olup ortalama ömürleri yaklaşık 10 yıldır. Bu uyduların en önemli özelliği, saatlerinin atomik( hydrogen masers) olmasıdır. Ağırlıkları yaklaşık 2000 kg olmasına karşılık maliyetleri Block II uydularının yarsı kadardır. İlk Block IIR uydusu 1997 yılında yörüngeye oturtulmuştur. Block IIR uyduları Kontrol Bölümünün desteği olmaksızın kullanıcılara 180 günlük navigasyon olanağı sağlama özelliğine sahiptir. Ayrıca, C/A kodun L2 frekansı üzerinden de yayınlanması uygulamasına 2003 yılından itibaren Block IIR-M uydularından başlanılacaktır.

● Block IIF (F:Follow On) uydularının 2005-2010 yılları arasında yörüngeye yerleştirilmesi planlanmıştır. A.B.D. Uluslar arası Radyonavigasyon Hizmetleri Telekominikasyon Birliği Tarafından sivil amaçlı yeni bir sinyal olarak 1176,45 MHz frekansındaki L5 sinyalinin bu uydularda kullanılmasına karar verilmiştir.

● Block III uyduları henüz tasarım aşamasında olup, bunların 2010 yılından itibaren yörüngeye yerleştirlmesi planlanmıştır. Bu uyduların en önemli özelliği askeri amaçlı kullanımlarla ilgilidir. Örneğin, elektronik karıştırmaya ve aldatmaya karşı koyma (AS, Anti Spoofing) özelliklerinin güçlendirilmesi amacıyla bu uydulardan M kodu sinyalinin yayınlanması düşünülmektedir.

GPS uydularını tanımlamada değişik yöntemler mevcut olu, bunlar yörüngeye yerleştirilme sıra numarasın, uydu PRN (Pseudo Random Noise) kod numarasına, yörünge konumundaki numarasına, NASA katalog numarasına vb. şekilde sıralanabilir. Olası karışıklıklara meydan vermemek amacıyla uygulamada en fazla PRN kod numaraları kullanılmaktadır. Uydularla ilgili özet bilgiler Tablo 2. 1’ de verilmektedir.

PRN kod, alıcının uyduları izlerken onları birbirinden ayırt etmesine yarar. PRN sayıları haftalık (GPS Haftası) rakamlar olup, örneğin PRN 13 (ya da SV13)’ün anlamı “13 numaralı uydu PRN kodunun 13’üncü haftasına ait bilgileri yayınlamaktadır” demektir. Çok kullanılan diğer bir yöntem ise her bir uyduya yörüngeye oturtulduğu sırayı gösteren bir rakam verilmiştir. Örneğin, NAVSTAR 1 yörüngeye ilk oturtulan uydu, NAVSTAR 8 ise yörüngeye 8‘inci oturtulan uydudur.

Uyduların yörünge konumları harflerle, yörünge düzlemi içindeki konumları rakamla ifade edilmektedir, (örn. E4,C1,C3 gibi). Dolayısıyla Şekil 2. 2’ de görülen uydu yörüngeleri düzlem üzerinde gösterilirse Ekvator ve uydu yörüngeleri düz çizgi halinde olacaktır. Bunun üzerindeki uydu konumları örnek olarak Şekil 2. 3’ deki gibi görünecektir.

Şekil 2. 3: GPS Uydu Yörüngeleri ve Konumlan

Kontrol Bölümü; Ana kontrol istasyonu, yer antenleri ve izleme istasyonlarını içeren İşletim Kontrol Sistemi ( OCS: Operational Control System) ‘den meydana gelmektedir. Tüm GPS uyduları dünya üzerinde uygun dağılmış, çok hassas saatlerle donatılmış, konumu iyi bilinen 6 sabit izleme istasyonundan ( Hawai, Colarado Springs, Cape Canavaral, Ascesion, Diego Garcia, Kwajalein)izlenmektedir. Bu istasyonlrdan Colarado Springs Ana Kontrol İstasyonu; Hawai, Colarado Springs, Ascension, Diego Garcia, Cape Canavaral ve Kwajalein ise izleme istasyonlarını oluşturmaktadır. Bu istasyonların amacı, günlük olarak uyduların sağlık bir şekilde çalışmasını sağlamak, toplanan verilerin irdelenmesi ile uydu yörüngelerinin belirlenmesi, uydu Saatlerinin Düzeltmelerin hesaplanması yeni hesaplanan yörünge saat düzeltmesi, SA etkileri gibi bilgilerin uydulara yüklenmesidir. (şekil 2. 4)

Ana kontrol istasyonu, tüm sistemin kontrolünden, her bir uydu için uydu efemeris bilgilerinin ve saat düzeltmelerinin hesabından sorumludur. Diğer 4 istasyon ise izleme istasyonu olarak görev yapmakta ve uydu efemerislerinin belirlenebilmesi için gerekli verileri toplamaktadır. Ayrıca ascencion, Diego, Garcia, Cape canavaral ve Kwajalin istasyonlarında efemeris bilgilerini ve saat düzeltmelerini uydulara yüklemek amacıyla yer antenleri de bulunmaktadır. Uydulara bilgi yükleme işlemleri günde bir ya da iki defa yapılmaktadır (şekil 2. 5) Efemeris parametrelerinin GPS uydu yörüngelerine olan uyuşumu 4-6 saat kadar geçerli olup, bu süreden sonra bozulma zamanla orantılı olarak artmaktadır.

Uydulara yüklenen Navigasyon Mesajı bilgileri uydu (Block) modeline bağlı olarak en az 14 günlük, en fazla 210 günlük bir süreyi kapsamaktadır. Almanak verileri ise efemeris parametrelerinin bir kısmından oluşmaktadır. Ve 15 efemeris bilgisinin yalnızca 7 tanesini kapsamaktadır. Almanak verileri tüm uyduların yaklaşık konumlarını hesaplamada kullanılmaktadır.

Tüm bu faaliyetleri dışında Kontrol Bölümü, uydularda meydana gelen sorunları çözmekte, SA ve AS özelliklerini kontrol altında tutmaktadır.

Şekil 2. 4: GPS Kontrol Bölümü

Kullanıcı Bölümü : GPS çok farklı amaçlar için kullanılabilen bir sistem olup, elinde GSP alıcısı bulunan herkes bir kullanıcıdır. GPS’ in kullanım alanlarına bakıldığında Kullanıcı Bölümü için askeri ve sivil kullanıcılar olmak üzere 2 ayrı sınıflandırma yapılabilir. Dolayısıyla, daha sonraki konularda değinileceği gibi, GPS alıcıları da askeri ve sivil amaçlı alıcılar diye sınıflandırılabilmektedir.

Şekil 2. 5: GPS Kontrol-Uzay-Kullanıcı Bölümleri ilişkisi

GPS Sinyali Özellikleri

Temel Tanımlar : Uydulardan yararlanılarak yapılan GPS ölçmelerinde, elektromanyetik dalgalar kullanılarak uydulardan kullanıcılara veri akışı sağlanmaktadır. Her GPS uydusu konum belirleme amaçlı olarak 2 temel frekansa sahip olup bunlar L1 (link1) ve L2 (link2)’ dir. L1 ve L2 frekansları 10.23 MHz olan temel frekansın 154 ve 120 tam katları alınarak elde edilmiş olup, L1 frekansı 1575,42 MHz ve L2 frekansı 1227,60 MHz ‘dir.

GPS sisteminin tasarımı aşamasında birçok taşıyıcı frekans incelenmiştir. Karşılaştırmalar özellikle L-Bant (1-2GHz), UHF (400MHz) ve c-Bant (4-6GHz) arasında yapılmıştır. Sonuçta, gerek frekans tahsisindeki kolaylıklar, gerekse iyonosferik etkilerinin diğer bantlara göre çok daha küçük olması nedeniyle L-bant kullanımı tercih edilmiştir. Bunarlın dışında Kontrol Bölümü ile uydular arasındaki veri akışı S-bant (1783,74 ve 2227,5 MHz) üzerinden yapılmaktadır.

GPS sisteminde çift frekans olmasının amaçları;

-L1 frekansının herhangi bir nedenle kesilmesi ya da elektronik karıştırmaya maruz kalması durumunda L2 frekansının yedek frekans (backup) görevi görmesi

-Çift frekans özelliğinden yararlanarak iyonosferik düzeltme olanağı sağlaması olarak sıralanabilir.

P-kodun askeri kullanıcılara açık olması nedeniyle sivil kullanıcıların tek frekans ( L1-C/A kod) kullanılabilmeleri ve bu durumda iyonosferik düzeltme olanağı sağlayan çift Frekans özelliğinden yararlanamamaları bir çok tartışmalara neden olmuştur. Bu konuda yapılan yoğun çalışmalar sonucunda sivil kullanıcılarında çift frekans üstünlüklerinden yararlanabilmeleri amacıyla 2003 yılından itibaren Block IIR-M uydularında L2 frekansı üzerinden C/A kod yayınlanması söz konusudur. Ayrıca, 3. ve yeni bir sivil frekans tahsisi söz konusudur.

Bu yeni frekans 2005 yılından itibaren fırlatılması planlanan Block IIF uyduları üzerinden yayınlanacak olup buna L5 adı verilmiştir. L5 sinyalinin frekansı 1176,45 MHz olacaktır. Bu sinyalin 2012 yılına kadar 18 uyduda da olması planlanmıştır. L5 sinyalinin asıl olarak hava araçlarının güvenli navigasyonu (safety-oflife) amacıyla kullanılması planlanmakla birlikte büyük bir olasılıkla tüm kullanıcılara açık olacaktır. Bu konudaki çalışmalar halen devam etmektedir.

L1 Ve L2 taşıyıcı frekansları, uydu saat düzeltmeleri, yörünge parametreleri gibi bilgilerin yeryüzündeki alıcıya (receiver) ulaştırılabilmesi amacıyla kodlarla ve Navigasyon Mesajı verileriyle modüle edilmiştir. Bu modülasyon işleminde her bir uyduya tek anlamda PRN (Pseudo Random Noise) kod numarası verilmiştir. Tüm uydular aynı taşıyıcı frekansta veri yayını yapmasına karşn, uydu sinyalleri PRN kod modülasyonu tekniği nedeniyle birbiriyle karışmamaktadır. Her uydunun PRN kodu diğerlerinden bağımsız (korelasyonsuz) ve tek anlamlı olduğundan uydu sinyalleri birbirinden CDMA ( Code Division Multiple Access) tekniği ile ayırt edilebilmektedir.

L1 taşıyıcı fekansı üzerinde iki PRN kodu ve Navigasyon Mesajı verileri modüle edilmiştir. Bu PRN kodları C/A ( Coarse/ Acquisition, Clear/Access) kod ve P (Precise/ Protected Code) kod olarak isimlendirilmektedir. L2 taşıyıcı frekansı ise yalnızca tek bir PRN kodu (P-Kod) ve navigasyon Mesajı verileri ile modüle edilmiştir, (Şekil 3. 1).’den de görülebileceği gibi L1 taşıyıcı frekansı üzerinde C/A kod, P-kod ve navigasyon mesaj bilgileri, L2 taşıyıcı üzerinde ise P-kod ve navigasyon mesajı bilgileri bulunmaktadır. Başka bir deyişle sivil kullanıcılara açık olan C/A kod yalnızca L1 üzerinde mevcuttur. Ancak, daha önce belirtildiği gibi C/A kod bilgisinin 2003 yılından itibaren Block IIR-M uyduları vasıtasıyla L2 üzerinde yayınlanmasına karar verilmiştir.

Şekil 3. 1: GPS Uydu Sinyali

C/A ve P kod durumları +1 ve -1 ‘li ifadelerin karşılığı olan 0 ve 1’li (binary) değerlerle gösterilmektedir. Bu her bir = ya da 1’e 1chip” adı verilmektedir. Bunlar hiçbir şekilde veri taşımadığı için”bit” yerine “chip” adı kullanılmıştır. Normal durumdaki taşıyıcı 0 olup bunun 180 derece kaydırılması ile 1 elde edilmektedir. Başka bir deyişle, kod durumunda her değişiklik oluşunda taşıyıcı dalgada 180 derece kayıklık oluşturularak ikili faz modülasyonu (biphase modulation) gerçekleştirilmektedir.

GPS uydu sinyali bileşenleri ve bunların frekans değerleri Tablo 3. 1’de verilmiştir.

Şekil 3. 2: Taşıyıcı Dalganın “Biphase” Mod

Tablo 3. 1: GPS uydu sinyali bileşenleri

Alıcı içersindeki taşıyıcı dalga izleme lupunu kontrol eden osilatör, alıcı tarafından kaydedilen(gözlenen) sinyalde frekans değişikliği tespit eder. Gözlenen bu frekans uydu ve gözlemcinin birbirine göre hareketi neden olduğu doppler etkisi nedeniyle nominal L1 Ve L2 frekanslarından farklı olacaktır. Başka bir deyişle, sinyal yayınlayan kaynak (uydular) ile gözlemcinin (alıcı) birbirine göre hareketli olması durumunda alıcı tarafından kaydedilen doppler etkisi nedeniyle kaymış olacaktır.

Bu duruma göre uydudan yayınlanan sinyal fs ise alıcıda kaydedilen sinyal fR ise bunlar birbirinden Δf kadar farklı olacaktır. Δf, uydunun alıcıya göre olan hareketinin radyal doğrultudaki hızına bağlı olup bu durum

İle ifade edilir.

Gözlemcinin zeniti doğrultusunda bulunan bir uydu gözlemciye en yakın konumda (20183 km) olup, bu doğrultuda radyal hız sıfır olacağından doppler etkisi de (3. 1) eşitliğinden dolayı sıfır olacaktır. Diğer taraftan ufuk düzleminden geçen bir uydu maksimum radyal hıza ve uydu-alıcı uzaklığına (25738 km) sahip olacağından arada yaklaşık 5600,9 km (ya da 18,7 milisaniye) bir uzaklık farkı olacaktır. L1 ve L2 frekanslarının sırasıyla 1227,6 Mhz ve 1575,42 Mhz ‘de yayınlandığı dikkate alınırsa, ufuk düzleminden geçen bir uydunun radyal hızı 0,9 km/sn kabul edilirse L1 frekansındaki kayma miktarı ise 4,7×10³ Mhz olarak hesaplanır. Bu değerler ise 1 ms ‘de sırasıyla 3,7 ve 4,7 dalga boyu büyüklüğünde faz değişikliği anlamına gelir.

C/A Kod Özellikleri : Daha önce de belirtildiği gibi C/A kod Ll taşıyıcısı üzerine modüle edilmiştir. Bu kod 1 MHz lik PRN kod olup, her 1023 bMik kod sonunda (milisaniyede bir) tekrar etmektedir. C/A kod periyodunun çok kısa seçilmesinin amacı GPS alıcılarının uydulara en kısa sürede kilitlenmesini sağlamaktır. Her bir uydu için farklı bir C/A kod PRN tahsis edilmiş olup bu kodlar “Gold Codes” adı verilen kodlar arasından seçilmiştir. C/A kod tüm kullanıcılara açıktır ve özellikle sivil standart konum belirleme hizmeti (SPS: Standart Positioning Service) için temel oluşturmaktadır.

Ayrıca P-kodlu GPS alıcılarının daha uzun süreli olan P koduna kilitlenmesi için geçen süreyi azaltmakta da kullanılmaktadır.

Yukarıda sözü edilen PRN kodlar bilgi taşımadığı için bunlara “chip” adı da verilmektedir. Dolayısıyla, C/A kod uzunluğu “1023 chip” olarak ifade edilirse, bu her milisaniyede bir tekrar etmektedir. Böylece iki “chip” arasındaki zaman farkı yaklaşık 1 mikrosaniye (1 mikrosaniye = 106 saniye) olup bu da yaklaşık 300 metrelik bir “chip” uzunluğuna karşılık gelmektedir. Günümüz sinyal işleme teknikleri ile sinyal çözünürlükleri gözlenen sinyalin dalga boyunun %1’i kadardır. P kod ve C/A kod için dalga boyu ile “chip” uzunlukları aynı anlamda olup, C/A kod’un dalga boyu(chip uzunluğu) 300 metre, çözünürlüğü 3 metredir, (Şekil 3. 3).

Şekil 3. 3: C/A Kod Dalgaboyu (Chip uzunluğu) ve Çözünürlüğü

P-Kod Özellikleri : P-Kod, Ll ve L2 taşıyıcıların her ikisinde de modüle edilmiş olup yaklaşık 266,4 günlük kod uzunluğundadır. Kod uzunluğunun tamamı birer haftalık toplam 37 haftaya bölünmüştür. Her bir uyduya bu 37 haftalık Kod’un l’er haftalık bölümleri tahsis edilmiş olup bu da o uydunun PRN numarasını ifade etmektedir. Böylece 37 ayrı PRN P-kodu tahsis edilmiş olmaktadır. Kodlar her GPS haftası başında (Cumartesi gece yarısı) tekrar etmektedir. Eğer P-kod her hafta sıfırlanıp yeniden yayınlanmasaydı, toplam yayınlanma süresi yaklaşık 37 hafta sürecekti.

Oysa 37 haftalık periyod birer haftalık bölümlere ayrılarak her bölüm bir GPS uydusuna ve yeryüzü yayın istasyonlarına (Pseudolites) tahsis edilmiştir. Böylece uydulara ait hiçbir bölüm (PRN kodu) diğeriyle karışmamakta ya da çakışmamaktadır. P kod “chip” uzunluğu 30 metre olup, çözünürlüğü 30 cm ’dir. (Şekil 3. 4).

Şekil 3. 4: P kod “chip” uzunluğu ve çözünürlüğü

P-kod gibi uzun periyotlu kodların yeryüzündeki alıcılar tarafından hiçbir destek olmaksızın doğrudan alınması çok zordur. Bu nedenle, P-kodun doğrudan alınması ‘sırasında arada geçen zamanı azaltmak için Z-sayacı (Z-count) tanımlanmıştır. Z-sayacı ilk GPS haftası başlangıcından (5 Ocak 1980 gece yarısından) itibaren ölçü anına kadar kaç tane 1,5 saniyelik epok geçtiğinin hesaplanmasında kullanılmaktadır. Dolayısıyla, Z-sayacı 1024 haftada bir sırlanmaktadır. Daha sonra anlatılacak olan Navigasyon Mesajının her bir alt bölümü 6 saniye (4×1.5 sn) sürmektedir. Ayrıca, GPS alıcısının P-koduna kilitlenebilmesi için Navigasyon Mesajının her bir 6 saniyelik alt bölümünde HOW (Hand-Over-Word) kelimesi vardır.

HOW kelimesi her alt bölümün ikinci kelimesi olup, bir sonraki bölümün yayınlanma zamanına ilişkin zaman belirteci (time tag) ile bir sonraki alt bölümün oluşturulmasında P-kodun hangi bölümünün kullanıldığı ile ilgili bilgi vermektedir. Dolayısıyla, HOW kelimesi 4 ile çarpıldığında bir sonraki alt bölümün başlangıcındaki Z-sayacı değerini vermektedir. Böylece, GPS alıcısı önce C/A koda kilitlenip zaman bilgisini alır buradan HOW kelimelerini ve alt bölüm epoklarını belirler ve buradan bir sonraki alt bölüm epokuna ait P-Kod’a kilitlenir. Diğer taraftan, C/A kod yardımı olmaksızın doğrudan P-Kod’a ulaşabilmek için diğer bir seçenek GPS alıcı konumunun ve GPS zaman bilgisinin çok duyarlı olarak bilinmesi ve bunun alıcıya girilmesidir.

P-Kodu’nu elektronik karıştırmaya (jamming) ve aldatmaya (spoofing) karşı korumak için, bu kod A-S (Anti Spoofing) özelliği kullanılarak kriptolanmıştır. Kripto kodu W-Kod (Bknz. Tablo 3. 1) olarak bilinmekte olup, kriptolanmış P-Kodu’na Y-Kod adı verilmiştir. Dolayısıyla, Y-Kod kullanımı yalnızca yetkili (askeri ve sivil güvenlik) kullanıcılara açık hale gelmiştir. Y-Kod’dan P-Kod’a geçiş için GPS alıcılarında özel donanım (AOC: Auxiliary Output Chip, SM: Security Modüle) ve yazılıma gereksinim vardır. C/A-kod için A-S özelliği uygulanmamaktadır.

GPS Navigasyon Mesajı

Daha önce de belirtildiği gibi Navigasyon Mesajı 50 bit/sn.lik veri hızında P-Kod ve C/A-Kod üzerine bindirilmiştir. Mesajın tamamı 1500 bit uzunluğundadır ve her biri 300 bitlik 5 alt bölümden oluşmaktadır. Bir alt bölüm toplam 6 saniyede yayınlanmakta ve her biri 30 bit’lik 10 kelime içermektedir. Her bir alt bölüm TLM(Telemetry) kelimesi ile başlamaktadır. TLM kelimesi Kontrol Bölümü için gerekli bilgileri kapsamakta olup standart GPS alıcıları tarafından kullanılmamaktadır. Her bir alt bölümün ikinci kelimesi ise HOW (Hand-Over-Word) kelimesidir.

HOW kelimesi daha önce de açıklandığı gibi 4 rakamı ile çarpıldığında bir sonraki alt bölümün başlangıcına ait haftanın zamanını (TOW: Time Of Week) vermektedir. TOW sayacı ölçü anındaki GPS haftasının başlangıcından itibaren geçen 1,5 saniyelik zaman aralıklarının toplamını vermektedir. Bölüm (3. 3)’de anlatıldığı gibi Z-sayacı sıfırına GPS haftası başlangıcından (5 Ocak 1980 gece yarısı) itibaren ölçü anına kadar geçen 1,5 saniyelik toplam epok sayısıdır. Z sayacı toplam 29 bit olup bunun 19 bit’i TOW sayacını, geriye kalan 10 bit’i ise ilk GPS haftasından bugüne kaç hafta geçtiğini ifade etmektedir. Navigasyon Mesajının 5 alt bölümünde bulunan bilgiler Tablo 3. 2 ‘de verilmiştir.

Tablo 3. 2: Navigasyon Mesajı Alt Bölüm içerikleri

Navigasyon Mesajının tamamı toplam 25 sayfadan oluşmaktadır ve bunun yayınlanması toplam 12,5 dakikalık süre getirmektedir. Navigasyon Mesajının genel yapısı Şekil 3. 5’de görülmektedir. Navigasyon Mesajı tüm uydular tarafından yayınlanmaktadır.

Şekil 3. 5: Navigasyon Mesajı Yapısı

Almanak Bilgisi

Almanak verileri efemeris ve saat parametrelerinin belirli bir kısmını kapsamaktadır. Amacı, GPS alıcısının ölçüye başlamak için ilk açılması anında süratli bir şekilde uydulara kilitlenebilmesi için gerekli olan, doğruluğu oldukça düşük uydu koordinatlarını sağlamaktır. Ayrıca ölçü planlamalarında uydu görünürlük grafiklerinin çizilmesinde de kullanılmaktadır. Almanak verileri her uydu tarafından yayınlanmakta ve içerisinde tüm uydulara ait yaklaşık konum bilgileri bulunmaktadır. Almanak verileri Navigasyon Mesajının bir bölümü olarak yayınlanmakta olup içeriği Tablo 3. 3′ de verilmiştir.

Tablo 3. 3’de verilen Almanak parametrelerinin tamamı, Navigasyon Mesajının iki ve üç no.lu alt bölümlerinde yayınlanan bilgilerin yalnızca bir kısmı olup doğruluğu çok düşüktür. Almanak verileri de Kontrol Bölümü tarafından en az 6 günde bir güncelleştirilmekle birlikte (eğer uydularda bir değişme ya da bozulma olmazsa) uzun bir süre için geçerli olmaktadır. Mevcut GPS uyduları için bu süre 180 gündür.

Tablo 3. 3: Almanak Verileri

GPS Alıcı ve Anten Sistemleri

Genel Tanımlar : GPS ölçülerinde kullanılan en önemli donanım alıcı (receiver) ve anten sistemidir. Kullanıcının sahip olduğu alıcı-anten sistemi özellikleri ve kapasiteleri ölçü planlamasından, ölçülerin arazi sonrası değerlendirme işlemlerine kadar tüm aşamaları doğrudan etkilemektedir.

GPS alıcısı temel işlev olarak uydu sinyalini kaydeder, kaydedilen sinyali işleme tabi tutar (signal processing), anlık (real-time) uygulamalar için koordinat dönüşümleri yapar, gerektiğinde navigasyon için gerekli bilgileri hesaplar. Örnek bir jeodezik amaçlı GPS alıcısı Şekil 4. 1′ de görülmektedir.

Şekil 4. 1: Jeodezik amaçlı GPS alıcısı

GPS alıcı anteninin temel görevi uydulardan yayınlanan sinyalleri, çevresindeki objelerden yansıyan sinyalleri (multipath) ayıklayarak almaktır. Bazı özel tasarımlı antenler bu özelliklere ilave olarak uydulardan gelen sinyallere diğer kaynaklardan karışan (interface signals) sinyalleri de ayıklama özelliğine sahiptir. Alıcı antenleri esas olarak uydulardan yayınlanan elektromanyetik

Dalgalar içerisindeki enerjiyi alıcı içerisindeki elektronik devrelerde işlenebilecek elektrik akınına dönüştürmektedir. Başka bir ifadeyle, GPS alıcısı anteni uydulardan yayınlanan elektromanyetik dalgaları belirler ve bu dalgalar içerisindeki enerjiyi elektrik akımına dönüştürür, güçlendirir (amplify) ve alıcı elektrik devrelerine gönderir.

Antenlerin şekli ve boyutu çok önemli olup, bu özellikler kısmen de olsa istenmeyen zayıf sinyallerin alıcıya ulaştırılmasında rol oynarlar. Günümüzde kullanım amacına uygun olarak antenler alıcı ile aynı donanım içerisinde bütünleşik (built-in) veya ayrık yapıdadırlar. Ayrık yapıdaki antenler alıcılara bir kablo vasıtasıyla bağlanmaktadır. Kablo uzunlukları 2-60 m arasında değişmekle birlikte veri kaybının önlenmesi amacıyla olabildiğince kısa anten kabloları tercih edilmelidir. Jeodezik amaçlı antenler genellikle Ll ve L2 sinyallerinin her ikisini de alacak şekilde tasarlanmışlardır. Bu tip antenler sinyal yansıma etkisinden ‘ground plane’ veya iç içe halkalardan oluşan ‘choke ring’ eklemeleri ile korunmaktadır.

Kullanım amacına uygun olarak antenler yalnızca Ll frekansında (tek frekanslı) veya L1,L2 frekanslarının her ikisinde de (çift frekanslı) çalışabilir. Diğer taraftan GPS uydu ‘sinyalleri RHCP (Right Hand Circularly Polarized) özellikli olduğundan GPS alıcı antenleri de RHCP özellikli olmalıdır. Bununla birlikte sinyal yansıma etkilerini en aza indirmeyi amaçlayan LHCP (Left Hand Circularly Polarized) özellikli antenler de üretilmektedir.

Farklı yapılarda anten tipleri mevcut olup bunlardan en çok kullanılan “microstrip” “dipole” ve “helix” modelleridir. Microstrip anteni günümüzde en çok tercih edilen anten modelidir. Bunlar tek ve çift frekanslarda ölçü yapabilmekte, dayanıklı ve basit yapıdadır. Dipole antenler tek frekanslı konfigürasyona sahip anten modelidir. Helix anten tipi microstrip antenler gibi Ll ve L2 frekanslarının her ikisinde de sinyal toplayabilmesine karşılık yüksek profilli bir görünüme sahiptir, (Şekil 4. 2).

GPS antenlerinin verimli çalışmasını etkileyen birçok faktör olup bunlar; ısı ve nem etkisi, tuzlu ortamlar, titreşim ve mekanik şok şeklinde sıralanabilir.

Şekil 4. 2: GPS Anten Modelleri

GPS ‘in Çalışma Prensibi

GPS’ in çalışma prensibi oldukça basittir. Bunu anlatırken, genellikle, benzetmek amacı ile bir detektif hikayesi anlatılır. Olay Londra’da geçmektedir. Zengin bir ailenin kızı fidye için kaçırılır. Kızın gözleri bağlanır ve kaçıranlar tarafından saklayacakları binaya götürülür. Kaçırılan kız binaya girdikten sonra çıktığı katları sayar. Ayrıca, eski bina olduğunu basamakların gıcırdamasından anlar. 10. katta bir odaya götürülür. Canı sıkılmasın diye de yanına bir radyo konur. Londra’da, ünlü Big Ben saat kulesi, her saat başı o anki saate göre çan çalmaktadır. Her vuruş arası 4 saniyedir. Ayrıca, saat 12 vuruşları da radyodan verilir ki uzak olanlar da çan seslerini duysunlar.

Radyodan da çan seslerini duymaya başladığında kaçırılan kız saatin kaç olduğunu bilmek için vuruşları saymaya başlar. Ancak, vuruş sayısını 13 olarak sayar. Bunun olması mümkün değildir. Yani, Big Ben şimdiye değin hiç hata yapmamıştır. Bu sırada fidyeciler, kızın ailesine gönderilmek üzere ses kaydı için kızın yanına gelirler. Kıza, söylemesi gerekenleri söylerler. Kız, fidyecilerin istediklerini ve eski 10 katli bir binada 13 Big Ben vuruşu duyduğunu söyler. Rakamın uğursuz olabileceğini, onun için de hemen fidyecilerin isteklerinin yerine getirilmesini söyler. Bu bilgi üzerine, ünlü bir İngiliz dedektif, binayı ve kızı bulur, kurtarır.

Hemen akla gelen soru, kimdir bu dedektif ? Gerçekten bu bina nasıl bulunmuştur? Teknik olarak açıklaması: Big Ben’in vuruşlarının ses olarak kıza gelmesi ile radyodan gelmesi arasında ki zaman farkı tam bir vuruş aralığı kadar olmalı ki son vurusun gelmesi ile 13. vuruş gibi yorumlansın. Bu da, Big Ben’den 4 saniyelik sesin alacağı yol mesafesinde, 10 katli eski bir bina demektir. Bu da, 320 m/sn x 4 sn. = 1280 m demektir.

Aslında, bu mantığı çoğaltmak mümkün, 24 tane vuruş gibi. Veya iki tane Big Ben olsaydı ne olurdu? En güzeli ise üç tane olduğu durumdur. Zira bu, GPS’ in çalışma mantığını en basit şekilde açıklar.

3 Big Ben olsaydı durumu da şu şekilde açıklanabilir: İki boyutlu konu üç boyutlu gerçek ortamda düşünülürse, üç uydudan gelen bilgiler sonucunda, iki noktadan birisi aranılan nokta olmalıdır. Uydudan olan uzaklıklar da, radyo dalgasının hızı ile geçen sürenin çarpılmasından elde edilecektir. Ancak, radyo dalgalarının sürati göz önüne alındığında, bu sürenin 0.06 saniye civarında olduğu anlaşılacaktır. Bu nedenle de, geçen sürenin çok hassas olarak elde edilmesi gerekmektedir. Yine Big Ben hikayesinden benzetimle, çan, ayni anda hem uyduda ve hem de bulunulan noktada çalınabilse, sesler arasındaki fark, geçen zamanı hesaplamakta kullanılabilecektir.

GPS ölçü aleti tarafından ayni zamanda kodun yayınlandığı kabul edilirse, GPS ölçü aleti, bu karmaşık kodun kayan kısmından, gecikmeden, geçen süreyi bulabilmektedir. Her uydunun kodu farklı olduğu için bir karışma söz konusu değildir. Ayrıca, karışık kod yeterince detaylı olduğundan, başkasıyla karışması söz konusu olmamaktadır. Bu arada, gelen sinyalin zayıflığı da bir problem oluşturmamakta ve böylelikle, uydudan gelen sinyaller için çanak anten gerekmemektedir. Bir başka nedeni de iletilecek çok da bilgi olmamasıdır.

Zamanlamanın çok iyi olması, ölçümlere hassasiyet getirecektir. Binde bir saniyelik hata 300km demektir. Bu nedenle, uydularda atomik saat bulunmaktadır. Fakat benzer yaklaşım GPS ölçü aletleri için söz konusu değildir, olamaz da. Zira bu durumda maliyetler son derece yüksek olurdu. Biraz matematik ve geometri bilgisi ile zamandaki hata oranı azaltılabilmektedir. Yine iki boyutlu düşünülürse, ilk iki uydudan alınan bilgiler ışığında, bulunulması gereken nokta sayısı iki olabilir. Ancak, üçüncü uydudan alınacak bilgi ile bu nokta sayısı bire inmek durumdadır.

Bu durumda, GPS ölçü aleti, kendi saatini biraz ileri ve geri alarak tek noktada kesişecek şekilde olana kadar bu işleme devam eder ve uydu saatleri ile senkronizasyona girer. Böylelikle, GPS ölçü aletleri, aslında birer atomik saat hassasiyetinde zaman göstermektedirler. GPS ölçü aleti kapatılsa bile pil ile saati çalışmaya devam eder.

Bu senkronizasyon işlemini, GPS ölçü aleti açıldığı zaman ve pil ile ilişkisi kesilmek durumunda kaldığında tekrarlar. Sağlıklı ölçüm için gereken hassas zaman bilgisi, uyduda atomik saat tarafından sağlanmaktadır. GPS ölçü aleti ise üç ölçü ile zaman hassasiyetini elde edebilmekte ve hatta yapacağı fazladan ölçüler (4. uydu ve fazlası) ile de kontrol sağlayabilmektedir.

Uyduların Konumunun Önemi şöyledir:

GPS alıcısı yerini belirlemek için, öncelikle uyduların kesin yerini bilmelidir ve onlara ne kadar uzaklıkta olduğunu bulmalıdır.

Şimdi GPS’ in uyduların yerini nasıl öğrendiğini inceleyecek olursak; Alıcı uydudan iki çeşit bilgi alır. Bunlardan birisi, uyduların konumlarını bildiren “almanac data “ almanak bilgisidir. Almanak bilgisi sürekli olarak yollanır ve GPS’ in hafızasında saklanır. Bu sayede GPS her uydunun yörüngesini bilir ve olması gereken konumu hesaplar. Uydular konum değiştirdikçe almanak bilgisi yenilenir.

Uydu yörüngelerinde ufak sapmalar meydana gelebilir. Bu sapmaların hesaplanması için kontrol bölümü uyduların yörünge bilgilerini sürekli olarak izler. Elde edilen bu hata verileri Ana kontrol merkezine ulaştırılır ve düzeltilerek buradan uydulara geri gönderilir. Bu düzeltilmiş kesin konum bilgilerine Ephemeris Data Geçici Bilgi adı verilir. Bu bilgiler güncelliğini 4 ila 6 saat arasında korur. Ephemeris bilgisi daha sonra kodlanarak GPS alıcısına gönderilir. Almanak ve Ephemeris bilgilerini alan GPS alıcısı, uyduların kesin konumlarını sürekli olarak belirler.

Şekil 4. 3: Konum Bulunuşu(1)

Zamanlamanın Önemi şöyledir: GPS alıcısının uyduların kesin konumlarını bilmesinin yanı sıra uydulara olan uzaklığını da bilmesi gerekir. Bu sayede, dünya üzerindeki yerini hesaplayabilir. Bunun için basit bir formül kullanılır.

Uyduya olan uzaklık; gönderilen sinyalin geliş süresiyle, hızının çarpımına eşittir.

(Geliş Süresi x Hız = Mesafe)

Uzaklığı belirlemek için kullanılan bu formülde, hızı zaten bilmekteyiz. Radyo dalgasının hızı, atmosferdeki ufak etkiler sayılmazsa, Işık Hızına eşittir. (c = 300.000 km/sn)

Bundan sonra, formülün zaman kısmının hesaplanması gerekir. Çözüm uydulardan gelen kodlanmış sinyallerin içinde saklıdır. Gönderilen koda “Pseudo-Random Kod” adı verilir. Böyle adlandırılmasının sebebi, çok düzensiz bir sinyal olmasıdır. GPS alıcısı da aynı kodu üreterek, uydudan gelen kodla eşleştirmeye çalışır. Bu iki kodu karşılaştırarak aradaki gecikmeyi tespit eder, bu gecikme miktarı ile ışık hızının çarpımı mesafeyi verir.

Yaklaşık olarak bir uydudan sinyalin dünyaya ulaşma süresi 0,06 saniyedir. Saniyenin binde birinde oluşacak bir hata, mesafe ölçümünde 300 km’ lik bir kaymaya sebep olacaktır. GPS alıcısının saati, uydudaki saatler kadar hassas değildir. Alıcıya bir Atom Saati koymak ise çok pahalı ve çok hantal olurdu. Bu yüzden, uyduya olan mesafe ölçümü, “Pseudo Range” olarak adlandırılır. Bu bilgiyi kullanarak pozisyon belirlemek için, 4 uydu kullanılarak saat hatasını minimuma indirinceye kadar ölçüm yapılır.

Geometrik Hesabıda şöyle yapılır: Şimdi uyduların yerlerini ve uydulara olan uzaklıları biliyoruz. Diyelim ki, birinci uyduya olan uzaklık 20.000 km; bizim yerimiz, merkezi uydu olan ve 20.000 km çapındaki kürenin yüzeyi üzerindeki her hangi bir nokta olabilir. İkinci bir uyduya da 21000 km uzaklıkta olalım. Bu durumda, ikinci küre birinci küre ile kesişerek ara kesitte bir çember oluşturur. Eğer buna 22.000 km uzaklıkta üçüncü bir uydu eklersek, üç kürenin ortak kesim noktası olan 2 nokta elde ederiz. İki olası pozisyon belirlenmesine rağmen bu iki nokta arasında büyük koordinat farkları mevcuttur.

Bu iki noktadan hangisinin gerçek pozisyon olduğunu bulmak için, GPS alıcısına yaklaşık yükseklik verisinin girilmesi gerekir. Bu şekilde GPS geriye kalan iki-boyut içinde kesin pozisyonu belirleyebilir. Fakat üç-boyutta yer belirlenmesi için GPS dördüncü bir uydu daha kullanır. Diyelim ki dördüncü uyduda bizden 19.000 km uzaklıkta olsun, bu dördüncü küreyi, önceki kürelerle kesiştirirsek, elimizde sadece bir ortak kesim noktası kalır. Bu da üç-boyutta kesin konumu belirtir.

Şekil 4. 4: Konum Blunuşu (2)

GPS Alıcı Teknolojisi ; Çoğu modern GPS alıcıları paralel, çok kanallı çalışma sistemine sahiptir. Daha önceleri yaygın olan tek kanallı GPS alıcı modelleri çeşitli ortamlarda sürekli olarak uydu takip edemiyorlardı. Paralel alıcılar ise her biri bir uyduyu izlemek üzere, 5 ile 12 alıcı devresine sahiptirler. Bunların içinden en kuvvetli dört sinyal takip edilir. Paralel alıcılar uydulara hızla kilitlenebildikleri gibi, yüksek binalar, sık ormanlar gibi zor ortamlarda da efektif bir şekilde çalışırlar.

GPS Alıcı Tipleri

Günümüzde GPS alıcılarını farklı şekillerde sınıflandırmak (kanal sayısına göre, kullanım amacına göre, izlenen uydu sinyaline göre vb.) olanaklıdır. İzlenen uydu sinyaline bağlı olarak iki temel alıcı tipi vardır. Bunlar; P(Y) ve C/A kodların her ikisini de izleme yeteneğine sahip olan alıcılar ve yalnızca C/A kod izleme yeteneğine sahip olan alıcılardır.
Bu temel sınıflamadan yararlanarak alıcıları aşağıdaki şekilde sınıflandırmak olanaklıdır:

1. Gözlenen ve kaydedilen veri tipine göre;

• – C/A kod kaydeden alıcılar,
• – C/A kod + Ll fazı kaydeden alıcılar,
• – C/A kod + L1,L2 fazlarını kaydeden alıcılar,
• – C/A kod + P kod/Y kod+Ll,L2 fazlarını kaydeden alıcılar.

2. Alıcı kanallarının teknik özelliklerine göre;

• – Çok kanallı (multi channel) alıcılar
• – Sıralı izlemeli (sequential) alıcılar.
• – Hızlı sıralı izlemeli (Multiplex) alıcılar.

3. Kullanım amacına göre;

• – Askeri amaçlı,
• – Sivil amaçlı,
• – Navigasyon amaçlı,
• – Zaman transferi amaçlı,
• – Jeodezik amaçlı.

Yukarıda veri toplama özelliğine göre sınıflandırılan alıcılar hakkında çok genel olarak aşağıdaki bilgiler verilebilir:

a. C/A kod ölçen alıcılarla yalnızca Ll pseudorange ölçüsü yapılır. Bu tip alıcılar genellikle batarya ya da pil ile çalışan portatif el alıcılarıdır. Bunlar en az 1, en çok 6 kanallı olabilmekte ve ekranda anlık olarak 3-boyutlu konum (enlem, boylam, yükseklik veya sağa, yukarı, yükseklik) gösterebilmektedirler. Özellikle hareketli uygulamalarda en az 4 kanallı alıcı tercih edilmelidir. Bu tip alıcılar daha çok hobi amaçlı (dağcılar, yat gezileri vb.) ve özellikle CBS (Coğrafi Bilgi Sistemi) tabanlı GPS/CBS uygulamalarında (araç takip, güvenlik vb.) kullanılmaktadır.

b. C/A kodlu taşıyıcı dalga fazı ölçen alıcılar, yalnızca Ll frekansında kod ve faz ölçüleri (tek frekanslı alıcılar) ya da Ll frekansında kod ve faz ölçüleri ile L2 frekansında yalnızca faz ölçüleri yaparlar. Bunlar 4 kanaldan başlayıp 12 kanala kadar olabilmektedir. Bu alıcılarla, jeodezik amaçlı her türlü ölçü (statik, hızlı statik, kinematik vb.) yapılabilmektedir.

c. P kod Alıcıları: P kod kullanırlar ve böylece Ll ve L2 frekanslarının her ikisinde de çalışmaktadırlar. Taşıyıcı dalgalardaki P kod verileri bunların alıcı içerisinde üretilen benzeri ile karşılaştırılarak elde edilmektedir. Bu şekilde uydudan alınan sinyal ile bunun alıcıda üretilen benzerinin karşılaştırılması için çapraz korelasyon (cross correlation) yapılmaktadır. Uydu sinyalindeki kod bileşenleri ayıklanana kadar faz ölçüsü yapmak olanaklı değildir. Bu alıcıların en önemli üstünlüğü uzun bazların (>100 km) cm mertebesinde doğruluklarla belirlenebilmesidir.

Ancak AS (Anti-Spoofing) özelliğinin uygulanmaya başlanmasıyla P kod kriptolanmış ve böylece Y kod kullanılmaya başlanmıştır. Bununla birlikte P kod alıcıları ile kodsuz veya yarı kodsuz yöntemler kullanılarak faz ölçüleri ve Y kod bilgisine gereksinim olmadan L2 frekansındaki uydu-alıcı mesafeleri (pseudorange) belirlenebilmektedir. P kodlu alıcılarla L2 frekansında veri toplamak için günümüzde kullanılan yöntemler; sinyalin karesini alma (squaring) tekniği, çapraz korelasyon (cross-correlation), kare alma tekniği kullanılarak kod korelasyon ve Z-İzleme (Z-tracking) tekniği olarak sayılabilir.

d.Y kod alıcıları, AS etkisi altındaki P kod’a doğrudan ulaşım olanağı sağlamaktadır. Böylece, Ll ve L2 frekanslarındaki kod ve faz ölçüleri yapılabilmektedir (P kod korelasyon tekniği). Ancak, Y kodlu alıcılar askeri amaçlı alıcılar olup bu alıcıların her bir kanalına AOC (Auxiliary Output Chip) modülü takılı olmalı ve bu tip alıcıların SM (Security Modüle) modülünün olması gerekmektedir.

Bu modüller ile Y kod çözülerek P kod elde edilebilmekte ve SA (Selective Availability) etkisi ile uydu koordinatlarına uygulanan kasıtlı bozulmalar da giderilebilmektedir. Y kod alıcıları için gerekli olan AOC ve SM modüllerini ABD tarafından yetki verilen kullanıcılar (ABD Silahlı Kuvvetleri, Kanada ve Avustralya Silahlı Kuvvetleri, NATO üyesi ülkeler ve güvenlik amaçlı özel kullanıcılar) alabilmektedirler.

GPS Uydu Yörüngeleri

Uyduların yörüngesel hareketi yer gravite alanının çekim etkisi ve uydular üzerinde etkili olan diğer birçok kuvvetin (ayın ve güneşin çekim etkisi vb.) bir sonucudur. Uydu hareket denklemleri zamana bağlı olarak sayısal integrasyon ile çözülen diferansiyel denklemlerdir. İntegrasyon belirli bir epoktaki uydu hızı ve konumunu içeren başlangıç durumları ile başlatılmaktadır.

Bu konuya uydu yörüngeleri teorisi kısaca açıklanmakta ve uydu efemerislerinin hesabının anlaşılabilmesi için GPS yörünge bilgilerinin hesabına ilişkin bilgiler verilmektedir.

Kepler Yörünge Elemanları

Johannes Kepler’in 1609 yılında yayımlanan “Astronomia Nova” isimli temel eserinde gezegen hareketlerine ilişkin iki kanun yer almıştır. Üçüncü kanun ise “Harmonices Mundi Libri V” isimli eserinde 1619 yılında yayımlanmıştır. Söz konusu bu üç kanun günümüzde “Kepler Yasaları” olarak bilinmektedir. Kepler Yasaları aşağıdaki gibi özetlenebilir.

a. Gezegenler, güneş etrafındaki dolanım/arında bir elips çizerler (yörünge elipsi). Güneş yörünge elipsinin odak noktalarından birindedir.

b. Güneşle gezegenlerin ağırlık merkezini birleştiren doğru (yarıçap vektörü) eşit zamanlarda eşit alanlar süpürür.

c. “P”, bir gezegenin tam dolanım süresi (periyot), “a” yörünge elipsinin büyük yarı çapı olmak üzere, iki gezegen için aşağıdaki eşitlik geçerlidir.

Kepler yasaları büyük oranda yer etrafında hareket eden uydular için de geçerlidir. Dolayısıyla, yukarıdaki ifadelerde Güneş yerine “Yer”, gezegen yerine “uydu” kullanılabilir. Böylece, yapay uydular için Kepler yörünge elemanları Tablo 5. 1′ de verilmiş, anlık (gerçek) gök koordinat sistemine göre uydu yörünge düzlemindeki Kepler elemanları ise Şekil 5. 1′ de gösterilmiştir.

Tablo 5. 1: Kepler Yörünge Elemanları

Uydu Yörünge Hareketi (Hareket Denklemleri)

Sir Isaac Newton (1643-1727) “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” adlı eserini 1687’de yayımlamıştır. Newton’un ünlü yerçekimi kanunu ve hareket kanunları bu eseri içerisinde anlatılmıştır. Bu eserde Kepler kanunlarının, Newton genel hareket kanunlarının ve yerçekimi kanununun bir sonucu olduğu görülmektedir. Newton kanunları çok genel olarak aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

a. Cisme mevcut durumunu değiştirecek dış bir kuvvet etki etmediği zaman cisim ya hareketsizdir ya da düzgün doğrusal hareketine devam eder (eylemsizlik özelliği).
b. Bir cismin ivmesi cisme uygulanan kuvvetle doğru orantılıdır ve uygulanan kuvvet ivme ile aynı yöndedir.

c. İki cismin karşılıklı olarak birbirlerine etki ettirdikleri kuvvetler daima eşit fakat zıt yönlüdür.

DGPS Veri Aktarımı

Veri aktarım. DGPS’ in en önemli bileşenlerinden birisidir. Kullanılacak olan veri aktarımı yöntemi sabit alıcı ile gezen alıcı/alıcılar arasındaki uzaklığa ya da bölgenin büyüklüğüne bağlıdır. Bu yöntemler, sabit ve gezen alıcıların yanında olan basit özel amaçlı radyo modemler (telsizler) olabildiği gibi, cep telefonları, FM radyo frekansları ya da ülke boyutundaki global uygulamalarda haberleşme uyduları da veri aktarımı amacıyla kullanılmaktadır.

DGPS Uygulama Kategorileri

Birçok DGPS tekniği olmakla birlikte bunlar çok genel olarak Küçük Alan DGPS (LADGPS, Local Area DGPS) ve Büyük Alan DGPS (WADGPS, Wide Area DGPS) tekniği olarak iki ana sınıfta toplanabilir.

LADGPS tekniğinde tek bir referans istasyon mevcut olup gezen alıcı arasındaki uzaklık veri aktarımını etkileyen önemli bir kısıtlamadır. Buradaki temel prensip, bazı pseudorange hata kaynaklarının küçük alan içindeki tüm alıcılar için yaklaşık aynı olduğu varsayımına dayanmaktadır. Gezen alıcı referans alıcıya ne kadar yakınsa bu ortak hatalar o kadar büyük oranda giderilmiş olmaktadır,

GPS ile Konum Belirlemede Kullanıcı Seviyeleri

GPS ile konum belirleme ve navigasyon hizmetleri iki farklı kullanıcı seviyesinde sunulmaktadır. Bunlar Standart Konum Belirleme Hizmeti (SPS, Standard Positioning Service) ve Duyarlı Konum Belirleme Hizmeti (PPS, Precise Positioning Service) dir.
PPS, yüksek doğruluklu konum, hız ve zaman belirleme hizmeti olup yalnızca yetkili ( askeri ve güvenlik amaçlı ) kullanıcılara açıktır. PPS ile sağlanan konum doğruluğu 16 metreden daha iyi, UTC zaman transferi doğruluğu 100 nanosaniye ve hız doğruluğu 0,1 metre/ saniye dir.

Daha önce de ifade edildiği gibi PPS kullanıcıları genellikle askeri kullanıcılar olup, yetkili kullanıcı olma izni A.B.D. DoD ( Savunma Dairesi ) tarafından verilmektedir. Genel olarak yetkili kullanıcı sınıfına, A.B.D. Silahlı Kuvvetleri, NATO Askeri Kuvvetleri, Avustralya Silahlı Kuvvetleri gibi kurumlar girmektedir. PPS ‘e erişim AS (Anti Spoofing) kripto özelliği ile kontrol edilmektedir. AS özelliği raslantısal olarak, daha önceden ikaz edilmeden olası elektronik aldatmayı (PPS sinyalinin düşman tarafından taklit edilmesini) engellemek amacıyla uygulanmaktadır. AS ile kriptolanmış P koduna Y kod adı verilmektedir.

Kod Pseudorange Gözlemi ve Uydu-Alıcı Uzaklığının Hesabı
Faz Gözlemi ve Uydu-Alıcı Uzaklığının Hesabı
Temel GPS Gözlemlerine Dayalı Olarak Türetilen Fark Gözlemleri
Tekli Farklar, İkili Farklar, Üçlü Farklar
GPS’ de Kullanılan Veri Formatları (RINEX)

Uydu Efemeris Hataları
Uydu Saati Esasları
İyonosfer Etkisi
Troposfer Etkisi
Sinyal Yansıma (Multipath) Etkisi
Alıcı Anteni Faz Merkezi Hatası
Seçimli Doğruluk Erişimi
Taşıyıcı Dalga Faz Belirsizliği

GPS İle Konum Belirlemede Temel Düşünce
GPS İle Konum Belirlemede Kullanıcı Seviyeleri
Mutlak Konum Belirleme
Göreli Konum Belirleme
Statik Ölçü Yöntemi
Hızlı Statik Ölçü Yöntemi
Tekrarlı Ölçü Yöntemi
Dur-Git Ölçü Yöntemi
Kinematik Ölçü Yönetmi

Arazi Öncesi Planlama
GPS Gözlemlerinin Gerçekleştirilmesi
GPS Ölçülerinin Değerlendirilmesi
GPS Ölçülerinin Değerlendirilmesinde Kullanılan Yazılımlar

DGPS Düzeltmelerinin Hesaplanma Yöntemleri
DGPS Matematik Modeli
DGPS Veri Aktarımı
DGPS Uygulama Kategorileri

KAYNAKLAR

Kahveci, M. Yıldız, F. : Global Konum Belirleme Sistemi Teori-Uygulama, Nobel Yayınları, İstanbul.

Beygo, I. karşılayan, M.: GPS’ in kısa mesafelerde hassasiyeti, hassasiyeti arttırma yöntemleri

GPS Hakkında detaylı Türkçe bilgiler. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler.

Yukarıda özetler verilmiştir;

Daha detaylı bilgi içinMuzaffer Kahveci ve Ferruh Yıldız’ın yayımlamış olduğu GPS/GNSS kitabını satın alabilirsiniz

GPS/GNSS Uydularla Konum Belirleme Sistemleri – Teori ve Uygulama