Anasayfa>>Makale>>GPS Nedir ?

Global Konumlama Sistemi (GPS) nedir?

GENEL TANIM :Yerküre ve atmosferi için geliştirilmiş konum belirleme yöntemidir.

ÖZEL TANIM :GPS uydularından yayınlanan belirli frekansları (L Bandında L1, L2, ve L5) alabilecek GPS alıcısına sahip herhangi bir kullanıcının uydu sinyallerinden yararlanarak; her hangi bir yerde ve anda, her türlü hava koşulunda, ortak bir koordinat sisteminde, konum (enlem,boylam,yükseklik), hız ve zaman bilgilerinin elde edilmesine olanak veren uzay teknolojisine dayalı bir radyo seyrüsefer sistemidir.

ABD, 1960'lı yıllarda uydu bazlı navigasyon uygulamalarını (Örn. TRANSIT-DOPPLER sistemi vb) geliştirmiş olmakla birlikte, bunlardan sadece belirli zamanlarda yararlanma, iki boyutlu konum(enlem-boylam) ve düşük dinamik (hız) platformlarda (örn gemiler vb) kullanım olanağı gibi kısıtlamaları ortadan kaldıracak yeni bir konumlama sistemine gereksinim duyması üzerine Global Konumlama Sistemi (GPS)'ni geliştirilmiştir.

 

ABD Savunma Bakanlığı, tüm hava koşullarında ve gece-gündüz zaman bilgisi elde etme ve Navigasyon (seyrüsefer) (TIMe navigATION-TIMATION) olanağı sunan uydu bazlı sistem konseptini gerçekleştirmek üzere 1 Temmuz 1973 tarihinde ABD Hava Kuvvetleri Komutanlığına NAVSTAR-GPS (NAVigation System with Time And Ranging) programının başlatılması görevini vermiştir.
ABD Hava-uzay sanayi kuruluşları (Boeing, Lockheed Martin vb) tarafından, ortalama ömürleri 7.5-10 yıl olmak üzere üretilen; 11 adet BLOK-I uydusu 1978-1985 döneminde, 28 adet BLOK-II uydusu 1989-1995 döneminde, 20 adet BLOK-IIR (Yenileme) ve IIR-M uydusu 1996-2005 döneminde ve ortalama 10 adet BLOK-IIF (Follow- on) uydusu 2006 ve sonrasında, insanlı (uzay mekikleri) veya insansız (delta roketleri) uzay araçları ile yörüngeye konulmuştur. GPS uydularının yeni serisinin (BLOK-III) 2011/2012 yıllarında yörüngeye konması planlanmıştır. Bu özet bilgi dokümanının hazırlandığı Aralık 2005 tarihi itibariyle yörüngede 29 faal GPS uydusu bulunmaktadır (Şekil 1).

Sekil 1. Yer küre çevresi yörünge hareketi yapan GPS uydu ağı (28 Aralık 2005 itibariyle 29 adet GPS uydusu konumlama hizmeti yapmaktadır)

GPS faaliyeti, halen mühendislik uygulamalarından (uzay araştırmaları, jeodezi, jeodinamik, fizik, inşaat, bilişim, ziraat vb.) askeri, ticari-eğlence uygulamaları (istihbarat, silah-mühimmat yönlendirme, iletişim hizmetleri, araç-personel takibi, arama-kurtarma, coğrafi bilgi sistemleri, yatçılık, dağcılık, tracking vb.) içeren konum belirleme sektöründe yaklaşık 2.5 - 3 milyar ABD $ değerinde bir piyasaya hitap etmektedir. GPS ile aynı sektörde, 1980'li yıllarda faaliyete giren ancak, bakım, işletme ve idame finansmanı zorlukları ile beklenen yeri alamamış olan Rus Federasyonu (Öncesi Sovyetler Birliği) tarafından geliştirilen GLONASS (GLobal Orbiting NAvigation Satellite System) Konumlama Sistemi, halen ( 27 Aralık 2005 itibariyle) 17 tane uydusu ve alt yapısını Fransa ve/veya Hindistan ile modernize etmek ve geliştirmek faaliyetini yürütmektedir. Bunların dışında, 28 Aralık 2005 tarihinde ilk test uydusunu (GIOVE-A) yörüngeye koyan, Avrupa Uzay Ajansı, Avrupa Birliği ve Avrupa endüstri platformu tarafından geliştirilen GALILEO Konumlama Sistemi'nin 2008'li yıllarda tam olarak faaliyete geçmesi beklenmektedir. Her üç sistem, özellikle cep telefonları (GSM şebekeleri üzerinden) ile pratik uygulama olanağı bulan iletişim teknolojileri ile sektörel ortaklık yaparak oldukça büyük bir ekonomik rekabet içersinde olacağı beklenmektedir. Bu rekabetin ilk belirtileri olarak, ABD'nin 2002'li yıllarda başlattığı ve halen sürdürdüğü GPS modernizasyon çalışmaları kapsamında (BLOK IIR-M ve II F uydularında geçeli olacak), üçüncü yeni bir frekansı (L5) devreye sokması, L2 frekansında C/A kodunu koyması ve M adlı yeni bir askeri kodu mevcut L1 ve L2 sinyal yapısına eklemesi örnek olarak verilebilir.

GPS Nasıl Çalışır?

GPS temel olarak üç ana bölüme ayrılan bir yapıya sahiptir. Bunlar;
• Uzay Bölümü : 20200 km yükseklikte, yer etrafında bir dönüşünü yaklaşık 12 saatte tamamlayacak şekilde yörünge hareketi yapan uyduları kapsar.
• Kontrol Bölümü : Uzay Bölümündeki uyduların kontrol ve yönetimini sağlamak üzere, ekvator bölgesinde dünyaya uygun olarak konuşlandırılmış bir adet ana-master, beş adet izleme ve üç adet veri yükleme (aynı zamanda izleme noktalarındadır) istasyonlarından oluşur.
• Kullanıcı bölümü : Söz konusu uydulardan sürekli olarak yayımlanan sinyali algılayabilecek alıcılara sahip olan tüm kullanıcıları kapsar.
Sistemin basit çalışma prensibi aşağıda ifade edilen üç aşamada açıklanabilir;
1'nci Aşama: Uydular, Newton ve Kepler yasalarına uygun olarak, kontrol bölümünden kendilerine yüklenen konum ve hız bilgileriyle yörünge hareketini gerçekleştirirken, L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz: yeni frekans olup 2005 yılında test yayını yapmakta; 2010'lu yıllarda tüm uydularda olacaktır) taşıyıcı frekansları üzerinden yere,
• Kod Bilgileri (C/A: sivil-kaba kod; P: Askeri-hassas Kod)
• Faz Bilgileri (taşıyıcı frekansın kendisi)
• Navigasyon Mesaj Bilgilerini ( Uydu konum, uydu saat, iyonosfer hata terimi vb. bilgiler)
sürekli olarak gönderirler.



2'nci Aşama: Bu frekansların aynılarını ve üzerinde yüklü kodların kopyalarını üretme yeteneğine sahip bir (GPS) alcısının anteni, uydudan gelen sinyali algılar.


3'üncü Aşama: Alıcının içindeki saat ile uydu saat bilgilerini senkronize ederek sırasıyla kod ve faz bilgilerini karşılaştırır ve uydu-alıcı mesafesini (range) hesaplar.


UYDU-ALICI MESAFESİ UA : ÖLÇÜLEN
SİNYAL-IŞIK HIZI C : 299 792 458 m/sn
DT : Kodların Karşılaştırması

Ancak uydu saatleri ile alıcı saatleri arasındaki duyarlık (kalite) farkları nedeniyle tam olarak senkronize olamayan saatlere yönelik bir “zaman hatası” terimi ( c x ót ) yukarıdaki UA eşitliğine (UA= C x DT) eklenerek uydu-alıcı arasında “pseudo-range” olarak adlandırılan hata içerikli mesafe elde edilir. Sonuç olarak belirlenen mesafe,

R= UA + c . ót (1) olur.

Benzer karşılaştırma uydu sinyallerini oluşturan taşıyıcı dalganın “faz”ı ile de yapılır. Faz bilgileri uydulardan ilk algılanma süreçlerinde “belirsizliği” taşıyor olmaları nedeniyle çok duyarlı konumlama çözünürlüğü (2 mm. daha küçük) sağlıyor olmakla birlikte, ilk konumlama için geçen süre, sinyale sürekli bağlantılı kalma ve belirsizlik bilinmeyeninin çözümü gibi nedenlerden dolayı gözlem sonrası hesaplama (post-process) işlemlerini uygulayan bilimsel çalışmalarda daha çok kullanılır.
Ancak anlık konumlama gereksinimi olan kullanıcılar, yukarıda ifade edilen kod bilgileriyle elde edilen konumlama prensibine dayalı alıcıları kullanılırlar.

 

GPS ile koordinat belirleme nasıl gerçekleşir?

Kullanıcının elindeki GPS alıcısı anteninin yeryüzünde bulunduğu yerin 3 Boyutlu koordinatlarının { (X,Y,Z) veya (Enlem ( ), Boylam( ), Elipsoid Yüksekliği(h)) veya Askeri Grid Referans Sisteminde (Sağa – Yukarı değerler) } ve yukarıda ifade edilen zaman hatası (ót)'nin belirlenebilmesi için eş zamanlı olarak en az 4 uydudan sinyal alınması gerekmektedir (Şekil 2).

Şekil 2 . NOKTA KONUMU ( X,Y,Z ) ve ZAMAN T BİLİNMEYENİ



Dört uyduya olan mesafe (pseudo-range), yukarıdaki (1) eşitliğinden faydalanarak 4 adet olarak oluşturulur.



Burada Uydu-Alıcı mesafeleri açık olarak, uydu ile alıcı anteni arası mesafe eşitliklerinden yararlanarak,
-Dört ayrı uydunun dik koordinatlarından ,
-Alıcı anteninin dik koordinatlarının (X, Y, Z) çıkarılması ile elde edilir. Bunlar, eşitlikler halinde gösterilecek olursa aşağıdaki ifadeler elde edilir.



UA eşitliklerinde bulunan uyduların dik koordinatları , uydu sinyali ile gönderilen “uydu almanak” verilerinden elde edilmekte olup, alıcı tarafından sinyalin çözülümü ile bilinir durumdadır. Eşitliklerde, hesaplanmak üzere bilinmeyen büyüklükler, sadece alıcı anteninin 3 Boyutlu koordinatları (X Y Z) ve zaman bilinmeyenleri 'dir. Ölçülen dört ayrı ile söz konusu dört bilinmeyen için dört eşitlik, alıcıda yapılan hesap ile (kalman filtreleri veya en küçük kareler yöntemi) çözülerek aranan alıcı anteni koordinatları (X, Y, Z) bulunur. Elde edilen alıcı koordinatları, yer merkezine göre tanımlı WGS84 Referans Sistemindedir (Şekil 3).

Şekil 3. Bilinen, ölçülen ve bilmeyen konumlarının yerin merkezine göre tanımı.

 

GPS Teknolojisi ile alınan koordinatlar ne kadar doğrudur?

GPS ile ölçülen koordinatların doğruluğu aşağıdaki faktörlere bağlıdır;

• Kullanılan alıcı ve gözlem tipleri.
• Konumlama yöntemi.
• Alıcı uygulama şekli ve gözlem süreçleri.

Bunların açıklamaları ve somut doğruluk verileri aşağıdaki gibidir.

a. Kullanılan alıcı tipleri ve gözlem nitelikleri: Halen (GPS modernizasyon sinyalleri öncesi) çift frekans ( L1 ve L2 ) ve tek frekans (L1) alcıları olmak üzere genel olarak iki tip (yaygın yöntem olarak kod korelasyonu yapan) alıcı bulunmaktadır. Her iki tip alıcı tipinde söz konusu taşıyıcı dalgalar üzerinde bulunan GPS gözlemleri ve bunların duyarlıkları aşağıdaki tabloda verilmektedir.

Gözlem Tipi Duyarlığı
C/A Kodu 10-300 cm
P Kodu 10-30 cm
Taşıyıcı Dalga Fazı 0.5- 5 mm



b. Konumlama Yöntemleri: Genelde üç yöntem bulunur.

(1) Tek Nokta Konumlaması
(2) Göreli (Bağıl) Konumlama
(3) Diferansiyel GPS (DGPS) Yöntemi

(1) Tek Nokta Konumlaması: Bu yöntemde tek alıcı kullanılır. Kullanıcı, kullandığı GPS alıcısının anteninin bulunduğu yerin, 3 Boyutlu konumunu (Enlem-Boylam-Yükseklik) belirlemek istediğinde, en az dört uyduya eş zamanlı olarak gözlem yapmak suretiyle nokta koordinatlarını belirlediği yöntemdir. Askeri ve sivil uygulamalarda (yüksek doğruluk gerektiren bilimsel çalışmalar hariç) en yaygın kullanım şeklidir. Genellikle anlık olarak (yani uydu gözleminin yapıldığı gerçek zamanda) alcının konumlama yapması ile uygulanan yöntemdir. Uydu alıcı mesafeleri ve bilinen uydu koordinatları ile uzayda geriden kestirme temeline dayanan konumlama prensibidir (Şekil 2 ve 4). Yöntem dâhilinde Kod (C/A ve P ) verileri kullanılır. Bu nedenle iki seviyede uygulama çeşidi vardır. Bunlar,

(a) Standart Konumlama Servisi (SPS): Sivil kullanıcıların C/A (Kaba-Sivil) kodu kullanarak uyguladıkları konumlama çeşididir. L1 frekansı bilgileri kullanılır. Elde edilen koordinatın doğruluğu

-Uyduların konumuna,
-Sinyalin yayılma ortamındaki dış etkilere (iyonosfer, troposfer, ters yansımalar, topoğrafya veya sinyal girişimi vb) bağlı olup, yatay konumda 13 m, düşey konumda 22 m.'dir ( % 95 istatistik seviyesinde).

(b) Hassas Konumlama Servisi (PPS): Askeri kullanıcıların sahip olduğu alıcılarda P (Hassas veya Korumalı) kodun kriptolu olarak kullanıldığı şekildir. Asker kullanıcılar, aynı zamanda sivil kullanıcıların kullandığı C/A kodu da kullanabilmektedirler. (Sivillerin temin edebildiği alıcılar P kodunu algılayacak modül ve kriptolara sahip olamayacakları için, siviller P kodunu kullanamayacak ve PPS uygulamasını gerçekleştiremeyeceklerdir) Bu konumlamada metre altı (birkaç dm seviyesinde) doğruluklar elde edilebilmektedir.

Şekil 4.Tek nokta konumlaması ve el-tipi kullanım alıcıları



(2) Göreli (Bağıl) Konumlama : En az iki alıcı kullanılır. Bir alıcı, konumu daha önceden duyarlı olarak bilinen bir referans (A) noktasında, diğer alıcı ise konumu belirlenmek istenen her hangi bir (B) noktadadır. İki alıcı arasında baz mesafesi- üç boyutlu vektör- yöntemin temelidir. Bu mesafe kullanılarak, A noktasına göre B'nin konumu belirlenir. Genelde taşıyıcı dalga fazı gözlemleri kullanılır. Nokta konum duyarlığı, konumu bilinen (referans) noktasının doğruluğuna ve aradaki mesafeye bağlıdır. Faz ölçüleri veya Fazla uyumlaştırılmış kod ölçüleri kullanılıyorsa doğruluk 5 - 10 mm + 1 ppm seviyesinde olmaktadır. Burada ppm (milyonda bir) ifadesi, mesafeye bağlı olarak değişen doğruluk terimidir. Bilimsel uygulamalarda en yaygın olarak kullanılan yöntemdir (Şekil 5).

Şekil 5. Göreli (Bağıl) Konumlama



(3) Diferansiyel GPS Yöntemi: Bağıl Konumlamadaki hususlar (iki alıcı, alcıların bulunduğu yerler vb.) burada da geçerlidir. Ancak bu yöntemde, konumu bilinen baz noktasında bulunan alıcı, elde ettiği GPS gözlemleri sonucu belirlediği konumu (veya uydu-alıcı mesafelerini), baz noktasının konumu ile karşılaştırır ve belirlediği farkları “DGPS Düzeltmeleri” olarak, her hangi bir veri iletişim organı ( GSM şebekesinden GPRSWAP, UHV-VHF, İletişim uyduları vb.) ile konumu belirlenmek istenen noktadaki diğer alıcıya (veya aynı iletişim alanındaki diğer alıcılara/kullanıcılara) gerçek zamanda gönderir. Kullanıcılardaki GPS alıcıları bu düzeltmeleri alır ve o anda (veya yakın zamanda) gözlediği GPS ölçülerine gerektiği şekilde ilişkilendirmek suretiyle duyarlı konumu elde eder. Eğer gözlem olarak kod veya (faz ile uyumlaştırılmış kod) verileri kullanılmışsa, iki alıcı arasındaki mesafeye bağlı olarak (30 km ‘den düşük mesafelerde) dm altı - 5 m arasında koordinat doğruluğu elde edilebilir. Eğer faz gözlemleri kullanılmışsa (faz gözlemlerinde bulunan belirsizliğin anlık olarak çözümlenmesi koşulu ile) cm seviyesinde nokta konumları elde edilebilir. Bu durumda genelde çift frekanslı alıcılar kullanılır, uygulama genelde haritacılık çalışmalarında RTK (Gerçek Zamanlı Kinematik) olarak anılır.

c. Alıcı uygulama şekli ve süreçleri : Alıcılar tek nokta ve bağıl konumlama yöntemlerinde iki durumda bulunulurlar

(1) Alıcı(lar) durağan (statik)
(2) Alıcı(lar) hareketli (kinematik)

Statik durumda bulunan alıcıların, genelde alıcı hafızalarında toplanan verilerin gözlem sonrası hesaplamaları yapılmak suretiyle kullanımı bulunmaktadır. Bu durumda alıcı bilinen veya bilinmeyen noktalarda hareketsiz olarak bulunduğundan sinyal ve alıcıyı etkileyen sistematik hatalar asgari seviyede olduğu için yapılan gözlem süresi vekullanılan konum belirleme yazılımına göre cm altı konum doğrulukları elde edilir. Birden fazla alıcının statik olarak (gözlem grubu-oturumu), belirli süreçlerde gözlem yapması sonucunda, uygulanacak hesap yöntemi, noktalar arası mesafe ve gözlem sürelerine bağlı olarak mm seviyesinde iç duyarlıklar, cm seviyesinde dış konum doğrulukları elde edilir. Jeodezik ve mühendislik uygulamaları bu yöntemi kullanılır.
Statik durumda referans noktasında duran bir alıcıya göre bir veya birden fazla hareketli alcının, kısa süreçlerde ve gerçek zamanlarda yapmış olduğu kod gözlemleri sonucunda (göreli navigasyon çözümleri) elde edilen duyarlıklar dm seviyesinde olurken ortalama 30 km mesafelerde faz gözlemleri ve çift frekanslı alıcılar kullanılarak elde edilen RTK uygulamaları soncundaki nokta konum doğrulukları (faz gözlemlerinde bulunan belirsizliğin anlık olarak çözümlenmesi koşulu ile) cm seviyesi ve altında elde edilebilmektedir. Tek bir alıcının hareketli olduğu navigasyon çözümlerinde kod verilerinin kullanılmasıyla birkaç m seviyesinde duyarlıklar elde edilir.
Özet olarak yaygın kullanımları yönüyle tek alıcılı (tek nokta konumlama) yönteminde sivil kullanıcıların elde ettiği doğruluk yatay konumda 13 m, düşey konumda 22 m.dir. Tek alıcılı kripto yetenekli askeri tip alıcılar ile elde edilen doğruluk ise birkaç dm seviyesindedir. Mühendislik çalışmalarında statik göreli konumlamada elde edilen doğruluk ise 5 - 10 mm + 1 ppm seviyesindedir.

 

Alınan koordinatların doğruluklarını değiştirecek şekilde GPS uyduları üzerinde sistematik uygulamalar yapılabilir mi?

GPS sisteminde uydu konumları ile oynanmak suretiyle, kasten duyarlık düşürülmesi yapılabilmektedir. Bu tüm uydulara olabileceği gibi bölgesel olarak da uygulanabilir. ABD Savunma Bakanlığı 5 Mayıs 2000 tarihinde uygulamadan kaldırdığı “Selective Availability (SA)” adıyla anılan seçimli duyarlık düşürmesi kapsamında;

a. Uydu yörünge koordinatlarını (Epsilon Etki)
b. Uydu saat katsayılarını (Dither Etki)
c. Uydu Sinyalini (Jitter etki)

sistematik olarak değiştirebiliyordu. Bu durumda elde edilen konumlar en az 100 m.den başlamak suretiyle hatalı olarak elde edilebiliyordu. Ancak, GPS uygulamaları dâhilinde diferansiyel GPS (DGPS) yönteminin geliştirilmesiyle anlamsız kalan bu duyarlık düşürmesi faaliyetinden ABD Senatosunun kararıyla yukarıda belirtilen tarihte vazgeçilmiştir. ABD'nin uydular üzerinde yaptığı diğer bir uygulama da duyarlı kod olarak bilinen P kodunun aldatmaya karşı korunmasıdır (AS-Anti-Spoofing). Bu işlem, P koduna bilinmeyen bir W kodunun eklenmesi suretiyle, sonuçta Y olarak adlandırılan farklı bir kodun oluşturulmasıdır. Bu uygulama, müttefik (NATO) kuvvetlerine sağlanan kripto bilgileriyle, hükümetler arası yapılan anlaşmalar kapsamında (MOU) temin edilen özel askeri alıcılarına yüklenmek suretiyle aşılmaktadır. Bu alıcıları satın alan müttefik ordu birimleri P koduna ulaşabilmekte ve duyarlı konumlama olanağı elde edebilmektedirler.
1990 ve 2003 Körfez Harekâtları kapsamında ABD, bölgesel olarak uydu manevraları kapsamında; 1990 tarihinde belirli bölgede yörünge hareketi yapan uydularda SA etkisini kaldırmıştır. Bu işlem ABD'nin istenilen zaman ve yerde uydular üzerinde oynama yapabildiğini göstermektedir. 2003 yılında da GPS ile elde edilebilecek duyarlıkları geliştirecek nitelikte, bir anlamda uzaydan DGPS uygulaması olarak anılan “Wide Area Augmentation System (WAAS)” olanağını sunmuş, harekât sırasında farklı uydular (jeosenkron) ile WAAS sinyallerini (GPS L1 sinyali üzerinden) yayımlayarak, konumlama yeteneklerini arttırmıştır.
GPS sinyalleri karıştırılmaya (Jamming) hassas bir yapıya sahiptir. Bununla birlikte karşı-girişim (karıştırma önleyici) tedbirleri alınmaktadır. En sağlam tedbir ise GPS'in, karıştırılma etki sahasına girilmeden önce, karıştırılmadan etkilenmeyen Ataletsel Ölçü Sistemleri (Inersiyal NAvigation Systems-INS) ile birlikte kullanılmasıdır.


Kaynak : Harita Genel Komutanlığı