GPS Nedir? GPS alıcısı size yeryüzünde nerede oldugunuzu söyleyebilir

Şartlar ne olursa olsun, bir GPS alıcısı size yeryüzünde nerede oldugunuzu söyleyebilir. Neredeyse her yerde 365 gün 24 saat çalışabilirler. Tipide, yogun siste, hatta okyanusun ortasında  referans noktanız olmadığı zaman bile çalışırlar.

Sadece, uydu sinyallerini engelleyebilecek nesnelerin, yogun agaçlarin gökyüzünü kapladigi ya da binalarin sik oldugu yerlerde performansi düsebilir. GPS alicilari bir sonraki duraginizin neresi olacagini, oraya ne kadar uzakta oldugunuzu ve hangi yönden oraya ulasabileceginizi bulmaniza yardimci olurlar. Hatta nasil gidilecegini unuttugunuz gizli balik yatagina veya geçen kis rastladiginiz kaplicaya yönlendirebilecek bilgileri kendiniz için kaydedebilirsiniz ve bunlari istediginiz zaman yeniden bulabilirsiniz.

GPS ler bu özelliklerinden dolayi dagcilik,yamaç parasütü, trekking gibi doga sporlari tutkunlari arasinda populeritesini arttirmistir ve genis bir kullanici kitlesine ulasmistir.

GPS, Global Positioning System. (Global Yer Belirleme Sistemi) Düzenli olarak kodlanmis bilgi yollayan bir uydu agidir ve uydularla aramizdaki mesafeyi ölçerek dünya üzerindeki kesin yerimizi tespit etmeyi
mümkün kilar. Bu sistem, ABD savunma bölümüne ait, yörüngede sürekli olarak dönen 24 uydudan olusur. Bu uydular çok düsük güçlü radyo sinyalleri yayarlar.

Yeryüzündeki GPS alicisi, bu sinyalleri alir. Böylece konum belirlenmesi mümkün olur. Bu olaganüstü sistemi kurmak Amerika’ya ucuza mal olmamistir. Sistemin kurulum degeri yaklasik olarak 12 milyar ABD Dolaridir. Devam eden bakim masraflari sistemin degerini arttirmaktadir.

Bu sistemin ilk kurulus hedefi tamamen askeri amaçlar içindi. GPS alicilari yön bulmakta, askeri çikartmalarda ve roket atislarinda kullanilmak üzere tasarlanmistir. Ancak, 1980’lerde GPS sistemi sivil kullanima da açilmistir.

Kullanim Alanlari GPS’ in karada, havada ve denizde bir çok kullanim alani vardir. Basit bir anlatimla, GPS size bulundugunuz yerleri isaretleme ve belirlediginiz noktaya geri dönme imkani saglar. GPS, kapali alanlar ve su alti gibi sinyallerin alinmasinin güçlestigi yerler disinda dünya üzerinde her yerde çalisir.

GPS Sistemi

NAVSTAR sistemi, uzay bölümü (uydular), kontrol bölümü (yer istasyonlari) ve kullanici bölümünden (GPS alicisi) olusur.

Uzay Bölümü

Uzay bölümü, en az 24 uydudan (21 aktif uydu ve 3 yedek) olusur ve sistemin merkezidir. Uydular, "Yüksek Yörünge" adi verilen ve dünya yüzeyinin 20.000 km üzerindeki yörüngede bulunurlar. Bu kadar fazla yükseklikte bulunan uydular oldukça genis bir görüs alanina sahiptirler ve dünya üzerindeki bir GPS alicisinin her zaman
en az 4 adet uyduyu görebilecegi sekilde yerlestirilmislerdir.

Uydular saatte 7.000 mil hizla hareket ederler ve 12 saatte, dünya çevresinde bir tur atarlar. Günes enerjisi ile çalisirlar ve en az 10 yil kullanilmak üzere tasarlanmislardir. Ayrica günes enerjisi kesintilerine karsi (günes tutulmasi vs.) yedek bataryalari ve yörünge düzeltmeleri için de küçük atesleyici roketleri vardir.
GPS projesi ilk uydunun 1978’de ateslenmesiyle baslamistir. 24 uyduluk ag 1994’de tamamlanmistir. Projenin devamliligi ve gelistirilmesi ile ilgili bütçe ABD Savunma Bölümüne aittir.

Uydularin her biri, iki degisik frekansta ve düsük güçlü radyo sinyalleri yayinlamaktadir. (L1, L2) Sivil GPS alicilari  frekansini (UHF bandinda 1575,42 Mhz), ABD Savunma bölümü alicilari L2 (1227,60  Mhz) frekansini dinlemektedirler. Bu sinyal "Görüs Hattinda-Line of Sight" ilerler. Yani bulutlardan, camdan ve plastikten
geçebilir ancak duvar ve dag gibi kati cisimlerden geçemez.Daha rahat anlasilmasi için, bildigimiz radyo istasyonu sinyalleri ile L1 frekansini kiyaslamak istersek; FM radyo istasyonlari 88 ile 108 Mhz arasinda yayin yaparlar, L1 ise 1575,42 Mhz’ i kullanir. Ayrica GPS’ in uydu sinyalleri çok düsük güçtedirler. FM radyo sinyalleri 100.000 watt gücünde iken L1 sinyali 20-50 watt arasindadir. Iste bu yüzden GPS uydularindan temiz sinyal alabilmek
için açik bir görüs alani gereklidir.

Her uydu yerdeki alicinin sinyalleri tanimlamasini saglayan iki adet  özel "pseudo-random" (sifrelenmis kod) kodu yayinlar. Bunlar Korumali (Protected – P code) kod ve Coarse/Acquisition (C/A code) kodudur. P kodu ayristirilarak sivil izinsiz kullanimi engellenir, bu olaya "Anti-Spoofing" adi verilir. P koduna verilen baska bir  isimde "P (Y)" yada sadece "Y" kodudur.


Bu sinyallerin ana amaci yerdeki alicinin, sinyalin gelis süresini  ölçerek, uyduya olan mesafesini hesaplamayi mümkün kilmasidir. Uyduya olan mesafe, sinyalin gelis süresi ile hizinin çarpimina esittir. Sinyallerin kabul edilen hizi isik hizidir. Gelen bu sinyal,uydunun yörünge bilgileri ve saat bilgisi, genel sistem durum bilgisi
ve ionosferik gecikme bilgisini içerir. Uydu sinyalleri çok güvenilir atom saatleri kullanilarak zamanlanir.

Kontrol Bölümü

Adindan anlasilacagi gibi, Kontrol Bölümü, GPS uydularini sürekli izleyerek, dogru yörünge ve zaman bilgilerini saglar. Dünya üzerinde 5 adet kontrol istasyonu bulunmaktadir. Bunlardan dördü insansiz, biri insanli ana kontrol merkezidir. Insansiz kontrol merkezleri, topladiklari bilgileri ana merkeze yollarlar. Ana merkezde
bu bilgiler degerlendirilerek gerekli düzeltmeler uydulara bildirilir.

Kullanici Bölümü

Kullanici bölümü yerdeki alicilardir. Daha önce bahsedildigi gibi çesitli amaçlarla GPS kullanarak yerini belirlemek isteyen herhangi bir kisi, sistemin kullanici bölümüne dahil olur.

GPS’ in Çalisma Prensibi

Uydularin Konumunun Önemi GPS alicisi yerini belirlemek için, öncelikle uydularin kesin yerini
bilmelidir ve onlara ne kadar uzaklikta oldugunu bulmalidir. Simdi GPS’ in uydularin yerini nasil ögrendigini inceleyecek olursak;

Alici uydudan iki çesit bilgi alir. Bunlardan birisi, uydularin konumlarini bildiren "almanac data – almanak bilgisi " dir.Almanak bilgisi sürekli olarak yollanir ve GPS’ in hafizasinda saklanir. Bu sayede GPS her uydunun yörüngesini bilir ve olmasi gereken konumu hesaplar. Uydular konum degistirdikçe almanak bilgisi
yenilenir.
Uydu yörüngelerinde ufak sapmalar meydana gelebilir. Bu sapmalarin hesaplanmasi için kontrol bölümü uydularin yörünge bilgilerini sürekli olarak izler. Elde edilen bu hata verileri Ana kontrol
merkezine ulastirilir ve düzeltilerek buradan uydulara geri gönderilir. Bu düzeltilmis kesin konum bilgilerine Ephemeris Data-Geçici Bilgi adi verilir. Bu bilgiler güncelligini 4 ila 6 saat  arasinda korur. Ephemeris bilgisi daha sonra kodlanarak GPS alicisina gönderilir. Almanak ve Ephemeris bilgilerini alan GPS alicisi, uydularin kesin
konumlarini sürekli olarak belirler.

Zamanlamanin Önemi

GPS alicisinin uydularin kesin konumlarini bilmesinin yani sira uydulara olan uzakligini da bilmesi gerekir. Bu sayede, dünya üzerindeki yerini hesaplayabilir. Bunun için basit bir formül kullanilir.
Uyduya olana uzaklik; gönderilen sinyalin gelis süresiyle, hizinin çarpimina esittir.

(Gelis Süresi x Hiz = Mesafe)

Uzakligi belirlemek için kullanilan bu formülde, hizi zaten bilmekteyiz. Radyo dalgasinin hizi, atmosferdeki ufak etkiler sayilmazsa, Isik Hizina esittir.

 (c = 300.000 km/sn)


Bundan sonra, formülün zaman kisminin hesaplanmasi gerekir. Çözüm
uydulardan gelen kodlanmis sinyallerin içinde saklidir. Gönderilen  koda "Pseudo-Random Kod" adi verilir. Böyle adlandirilmasinin sebebi, çok düzensiz bir sinyal olmasidir. GPS alicisi da ayni kodu
üreterek, uydudan gelen kodla eslestirmeye çalisir. Bu iki kodu karsilastirarak aradaki gecikmeyi tespit eder, bu gecikme miktari ile isik hizinin çarpimi mesafeyi verir. Yaklasik olarak bir uydudan sinyalin dünyaya ulasma süresi 0,06 saniyedir. Saniyenin binde birinde olusacak bir hata, mesafe ölçümünde 300 km’ lik bir kaymaya sebep olacaktir. GPS alicisininsaati, uydudaki saatler kadar hassas degildir. Aliciya bir Atom Saati
koymak ise çok pahali ve çok hantal olurdu. Bu yüzden, uyduya olan mesafe ölçümü, "Pseudo Range" olarak adlandirilir.

 Bu bilgiyi kullanarak pozisyon belirlemek için, 4 uydu kullanilarak saat hatasini
minimuma indirinceye kadar ölçüm yapilir.

Geometrik Hesap

Simdi uydularin yerlerini ve uydulara olan uzaklilari biliyoruz.Diyelim ki, birinci uyduya olan uzaklik 20.000 km; bizim yerimiz, merkezi uydu olan ve 20.000 km çapindaki kürenin yüzeyi üzerindeki
her hangi bir nokta olabilir. Ikinci bir uyduya da 21000 km uzaklikta olalim. Bu durumda, ikinci küre birinci küre ile kesiserek ara kesitte bir çember olusturur. Eger buna 22.000 km uzaklikta üçüncü
bir uydu eklersek, üç kürenin ortak kesim noktasi olan 2 nokta elde ederiz.

Iki olasi pozisyon belirlenmesine ragmen bu iki nokta arasinda büyük koordinat farklari mevcuttur. Bu iki noktadan hangisinin gerçek pozisyon oldugunu bulmak için, GPS alicisina yaklasik yükseklik verisinin girilmesi gerekir. Bu sekilde GPS geriye kalan iki-boyut içinde kesin pozisyonu belirleyebilir. Fakat üç-boyutta yer belirlenmesi için GPS dördüncü bir uydu daha kullanir. Diyelim ki dördüncü uyduda bizden 19.000 km uzaklikta olsun, bu dördüncü
küreyi, önceki kürelerle kesistirirsek, elimizde sadece bir ortak kesim noktasi kalir. Bu da üç-boyutta kesin konumu belirtir.

Almanak Bilgisi

GPS sürekli olarak, uydularin konumlari ile ilgili bilgileri depolar.Depolanan bu bilgiye Almanak Bilgisi denir. GPS uzun süre çalistirilmazsa, daha önce toplanmis olan Almanak bilgisi güncelligini yitirir. Buna GPS’ in "sogumasi" (cold) adi verilir. GPS "soguk" iken çalistirilirsa uydudan bilgi toplamasi uzun sürebilir. Uydulardan alinan bilgiler dört ile alti saat güncelligini korur, bu süre içinde GPS tekrar açilir ise bu durumda GPS "sicak" (warm) olarak nitelendirilir ve çalismaya baslamasi çok daha kisa süre alir. GPS’ lerin özellikleri arasinda
"Sicak" ve "Soguk" baslatma süreleri yer alir.

GPS Alici Teknolojisi

Çogu modern GPS alicilari paralel, çok kanalli çalisma sistemine sahiptir. Daha önceleri yaygin olan tek kanalli GPS alici modelleri çesitli ortamlarda sürekli olarak uydu takip edemiyorlardi. Paralel alicilar ise her biri bir uyduyu izlemek üzere, 5 ile 12 alici devresine sahiptirler. Bunlarin içinden en kuvvetli dört sinyal takip edilir. Paralel alicilar uydulara hizla kilitlenebildikleri gibi, yüksek binalar, sik ormanlar gibi zor ortamlarda da efektif bir
sekilde çalisirlar.

GPS Ile Pozisyon Ölçümünde Hata Kaynaklari Sivil GPS alicilari asagidaki çesitli nedenlerden dolayi pozisyon
hatalari yapmaya meyillidirler.

Uydu Hatalari

Zamanlama GPS için kritik bir faktör oldugu için GPS uydulari atom saatleri ile donatilmislardir. Ancak atom saatleri de mükemmel degildir. Zamanlamada olusan çok ufak hatalar, mesafe ölçümünde
küçümsenmeyecek yanilgilara yol açar. Uydularin uzaydaki pozisyonlari ise hesaplamanin baslangiç noktasidir.
GPS uydulari yüksek yörüngelere yerlestirilmislerdir ve dünyanin üst atmosferinin bozucu etkilerinden etkilenmezler. Buna karsin tahmin edilen yörüngelerinde ufak kaymalar yapabilirler. Bu da pozisyon
hatalarina yok açar.

Atmosfer
GPS uydulari zamanlama bilgilerini radyo sinyalleri olarak gönderirler ve bu da ayri bir hata kaynagidir. Çünkü dünya atmosferinde, radyo sinyalleri her zaman tahmin edildigi gibi hareket etmezler.
Radyo sinyallerinin atmosfer içinde isik hizinda hareket ettigi ve bu hizin sabit oldugu kabul edilse de, isik hizi sadece vakum ortaminda sabittir. Radyo sinyalleri, içinde bulunduklari ortama göre yavaslama
gösterirler.
GPS sinyalleri Iyonosfer’de yüklü parçaciklar ve Trotosferde su buhari tarafindan geciktirilir. Tüm hesaplamalarda isik hizi sabit kabul edildiginden bu gecikmeler uydunun uzakligini ölçmede hatalara
yol açar. Iyi alicilar atmosfer içindeki bu tipik yolculukta dogacak hatalari
düzeltmek için bir düzeltme faktörü kullanirlar. Ancak atmosfer farkli yerlerde ve zamanlarda degisiklik gösterecegi için teorik bir hata modeli olusturulamaz.

-Degisken Rota Hatasi Sonunda dünya yüzeyine ulasan GPS sinyalleri GPS alicisina ulasmadan
önce kati cisimler tarafindan yansitilir veya engellenir. Bu hata formuna "Degisken Rota" (Multipath) hatasi denir. lk olarak antene gelen sinyal direkt gelirse daha hizli ulasir, sonradan yansiyarak gelen sinyal digerinden daha geç ulasir ve bu sinyaller birbirleriyle karisarak gürültülü sonuç yaratirlar.

Alici Hatasi

Yerdeki alicilar da mükemmel degildir. Kendi saatlerinde olusan kaymalarin yani sira iç gürültülerden dolayi da hata yaparlar. -Seçici Kullanilabilirlik (Selective Availability) Yukarida anlatilan dogal hatalardan daha kötüsü, ABD savunma Bölümü tarafindan yapilan "Kasti Hatalardir". Bu "Seçici Kullanilabilirlik" politikasinin altinda yatan amaç ise, karsi güçlerin GPS sisteminin ABD ve yandaslarina karsi kötü niyetli
kullanimini önlemektir.

ABD Savunma Bölümü tarafindan GPS uydu saatlerinde ve uydularin yörüngelerinde bazi küçük sapmalar yaratilir. Bu etkiler, sistemin sivil kullanimdaki hassasiyetini önemli ölçüde azaltir. Eger sabit bir GPS alicisini hareketinin konum grafigini, Seçici Kullanilabilirlik devrede iken çizmek istersek, pozisyonumuzun 100 m
çapindaki bir daire içinde dolastigini görürüz. Askeri alicilarda bulunan kod çözücü anahtarlar, hangi hatalarin
devrede oldugunu ve ne kadar oldugunu söyler; böylece hatalar giderilebilir. Bu yüzden askeri GPS alicilari, çok daha hassas ölçüm kabiliyetine sahiptir.

 Kaynak: ffault

Bu yazı Uncategorised kategorisine gönderilmiş. Kalıcı bağlantıyı yer imlerinize ekleyin.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir