Makaleler / Elektronik / İletişim Teknolojisi / GPS Nedir ?


Yazar: Burcu Derelioğlu
Gönderen: Admin   Tarih: 06-01-2009 05:28
Yorumlar: (0)   Oylar:


“NAVSTAR/GPS” (Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System) uydu tabanlı radyo navigasyon sistemidir. Amerika DoD (U.S. Departmant of Defense) tarafından geliştirilen GPS, uydu sinyalleri yardımıyla, herhangi bir yer ve zamanda, her türlü hava koşullarında global bir koordinat sisteminde, yüksek duyarlılıkta, ekonomik olarak, anında ve sürekli konum, hız ve zaman bilgilerini belirlemeye olanak verir [1].

GPS hem askeri, hem de sivil kullanım alanları olan bir sistem olup, çoğunluğu sivillerden oluşan 20 milyon kullanıcısı vardır [4].GPS ile konum belirleme ve navigasyon hizmetleri iki farklı seviyede sunulmaktadır. Bunlar Duyarlı Konum Belirleme Hizmeti (PPS, Precise Positioning Service) ve Standart Konum Belirleme Hizmeti (SPS, Standart Positioning Service)’dir [34] . PPS, yüksek doğruluklu konum, hız ve zaman belirleme hizmeti olup yalnızca DoD tarafından yetkilendirilmiş kullanıcılara açıktır. SPS ise PPS’e göre daha düşük doğruluklu konum, hız ve zaman belirleme hizmeti olup sivil, asker tüm kullanıcılara açıktır [1].

3.1. GPS Bileşenleri

GPS sistemi üç ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar; uzay bölümü, kontrol bölümü ve kullanıcı bölümüdür [34]. Şekil 3.1‘de GPS bileşenleri görülmektedir.


Şekil 3.1. GPS bileşenleri


3.1.1. Uzay bölümü

Uzay bölümü, ekvator ile 55° eğim yapan 6 yörünge düzlemi üzerine yerleştirilmiş en az 24 uydudan oluşmaktadır. Uydular yer merkezinden 26.560km (yeryüzünden yaklaşık 20.200km) uzaklıkta olup 11 saat 58 dakikada bir tam devir yapmaktadırlar. Yeryüzünde herhangi bir yer ve zamanda gözlenebilecek en az uydu sayısı 4’tür ve her bir uydu yaklaşık 5 saat ufuk hattı üzerinde kalmaktadır. Altı farklı tip GPS uydusu mevcut olup bunlar, Block I, Block II, Block IIA, Block IIR (ve Block IIRM), Block IIF, Block III uydularıdır Her bir GPS uydusu; senkronize zaman sinyallerini, diğer uydulara ait konum bilgilerini, yörünge parametrelerine ilişkin bilgileri yayınlar ve kontrol bölümü tarafından yayınlanan bilgileri alır [1]. Resim 3.1’de GPS uydu yörüngesi ve GPS uydusu görülmektedir.


Resim 3.1. GPS uydu yörüngesi ve GPS uydusu


3.1.2. Kontrol bölümü

Kontrol Bölümü, ana kontrol istasyonu ile yer antenleri ve izleme istasyonlarını içeren OCS (Operating Control System)‘den oluşmaktadır. Dünya üzerinde uygun dağıtılmış 5 sabit izleme istasyonundan GPS uyduları sürekli izlenmektedir. Bu istasyonlardan Colorado Springs ana kontrol istasyonu, Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia ve Kwajalein ise izleme istasyonlarıdır [34]. Şekil 3.2‘de ana kontrol istasyonu ve izleme istasyonları görülmektedir.


Şekil 3.2. Ana kontrol istasyonu ve izleme istasyonları


Ana kontrol istasyonu, tüm sistemin kontrolünden, her bir uydu için uydu konum bilgilerinin ve saat düzeltmelerinin hesabından sorumludur. Diğer 4 istasyon ise sürekli izleme istasyonu olarak görev yapmakta ve uydu konumlarının belirlenebilmesi için gerekli verileri toplamaktadır. Uydulara bilgi yükleme işlemleri günde bir yada iki defa S-bandı (1783.74 ve 2227.5MHz) frekansı üzerinden yapılmaktadır. Ayrıca kontrol bölümü uydularda meydana gelen sorunları çözmektedir [34].

3.1.3. Kullanıcı bölümü

Elinde GPS alıcısına sahip herkes bir kullanıcıdır. GPS’in kullanım alanlarına bakıldığında askeri ve sivil kullanıcılar olmak üzere ikiye ayrılır [36]. Resim 3.2’de GPS alıcısı ve kullanıldığı alanlar görülmektedir.


Resim 3.2. GPS kullanıcıları a) GPS alıcısı b) Askeri kullanıcı c) Sivil kullanıcı


3.2. GPS Sinyali Özellikleri

GPS ölçmelerinde, elektromanyetik dalgalar kullanılarak uydulardan kullanıcılara veri akışı sağlanmaktadır. Her GPS uydusu konum belirleme amaçlı olarak L1(Link1) ve L2(Link2) olmak üzere iki temel frekansa sahiptir. 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 [2]. GPS sisteminin tasarımı aşamasında birçok taşıyıcı frekans incelenmiştir. İnceleme sonucunda, frekans tahsisindeki kolaylıklar ve iyonosferik etkilerin diğer bantlara göre çok daha küçük olması nedeniyle L-bandı kullanımı tercih edilmiştir. GPS sisteminde çift frekans olmasının amaçları; L1 frekansının herhangi bir nedenle kesilmesi yada elektronik karıştırmaya maruz kalması durumunda L2 frekansının yedek frekans görevi görmesi ve çift frekans özelliğinden yararlanarak iyonosferik düzeltme olanağı sağlaması olarak sıralanabilir [36]. L1 ve L2 taşıyıcı frekansları iki tip kod (Pseudo Random Noise- PRN) ve navigasyon mesajı verileri ile modüle edilmiştir. L1 taşıyıcı frekansı üzerine C/A (Coarse/Acquisition;Clear/Access) kod ve P (Precise/Protected Code) kod ile navigasyon mesajı verileri modüle edilmiştir. L2 taşıyıcı frekansı ise yalnızca P kod ve navigasyon mesajı verileri ile modüle edilmiştir. P kodun sadece askeri kullanıcılara açık olması nedeniyle sivil kullanıcıların tek frekans (L1-C/A kod) kullanabilmekte ve bu durumda iyonosferik düzeltme olanağı sağlayan çift frekans özelliğinden yararlanamamaktadırlar. Sivil kullanıcıların da çift frekans üstünlüklerinden yararlanabilmeleri amacıyla 2003 yılından itibaren Block IIR-M uyduları aracılığıyla L2 frekansı üzerinden C/A kod yayınlanmasına karar verilmiştir. Ayrıca üçüncü ve yeni bir sivil frekans tahsisi söz konusudur. L5 (Link5) adı verilen bu sinyalin frekansı 1176.45 MHz’tir. Bu sinyalin 2012 yılına kadar 18 uydudan oluşması planlanmıştır [2]. Çizelge 3.1’de GPS uydu sinyali bileşenleri görülmektedir [1].


Çizelge 3.1. GPS uydu sinyali bileşenleri


Çizelge 3.1’de görüldüğü gibi C/A kod 1 MHz’lik bir kod olup milisaniyede bir tekrar etmektedir. C/A kod periyodunun çok kısa seçilmesinin amacı GPS alıcılarının uydulara en kısa sürede kilitlenmesini sağlamaktır. C/A kod tüm kullanıcılara açıktır ve özellikle SPS için temel oluşturmaktadır [36].

P Kod, L1 ve L2 taşıyıcılarının her ikisinde de modüle edilmiştir. Uzun periyotlu bir koddur. Elektronik karıştırmaya ve aldatmaya karşı korunmak için bu kod AS (Anti Spoofing) özelliği kullanılarak kriptolanmıştır. W-kod olarak bilinen kripto kodu sayesinde askeri amaçlı GPS alıcılarının doğrudan çözebileceği bir kod ortaya çıkmıştır [2].

Navigasyon mesajı tüm uydular tarafından yayınlanmakta olup 5 alt bölümden oluşan 25 sayfalık bir mesajdır. Çizelge 3.2‘de navigasyon mesajı alt bölüm içeriklerigörülmektedir [1].


Çizelge 3.2. Navigasyon mesajı alt bölüm içerikleri


Çizelge 3.2‘de navigasyon mesajı alt bölüm içerikleri görülmektedir. 2 ve 3 nolu alt bölümde verilen efemeris verileri yer izleme istasyonları tarafından önceden tahmin edilerek uydulara gönderilen ve uydu sinyalleri ile yayınlanan uydu konum bilgileridir [2]. 5 nolu alt bölümde yayınlanan almanak verileri ise efemeris ve saat parametrelerinin belirli bir kısmını kapsamaktadır. Almanak verileri içerisinde tüm uydulara ait yaklaşık konum bilgileri bulunmaktadır. Amacı, GPS alıcısının ilk açıldığında hızlı bir şekilde uydulara kilitlenebilmesi için gerekli olan uydu koordinatlarını sağlamaktır [2].

3.3. GPS Alıcı ve Anten Sistemleri

GPS ölçülerinde kullanılan en önemli donanım alıcı 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 alıcıları uydulardan yayınlanan sinyalleri yorumlayan radyo alıcıları olarak tanımlanabilir. Temel işlevi uydu sinyalini kaydeder, işler, anlık uygulamalar için koordinat dönüşümlerini yapar, gerektiğinde navigasyon için gerekli bilgileri hesaplar.

GPS anteninin temel görevi ise uydulardan yayınlanan sinyalleri almaktır. 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 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. GPS antenlerinin verimli çalışmasını etkileyen bir çok faktör olup bunlar; ısı ve nem etkisi, tuzlu ortamlar, titreşim ve mekanik şok şeklinde sıralanabilir [36].

3.4. GPS ile Konum Belirleme Yöntemleri

GPS alıcısı kendi konumunu belirlemek için uyduların kesin konumunu ve uydulara olan mesafesini bilmek zorundadır. GPS alıcısı uydu konum bilgisi için her uydudan efemeris ve almanak verisi almaktadır. Almanak ve efemeris bilgilerini alan GPS alıcısı, uyduların kesin konumlarını sürekli olarak belirlemektedir. Uydulara olan mesafeyi belirlemek için temel ölçü ise, sinyalin uydu ve alıcı antenleri arasındaki yol alma süresidir. Bunun için Mesafe = Geliş Süresi x Hız kuralı kullanılmaktadır. Uyduya olana uzaklık, gönderilen sinyalin geliş süresiyle, hızının çarpımına eşittir. Uzaklığı belirlemek için kullanılan bu formülde, radyo dalgasının hızı ışık hızına (c = 300.000 km/sn) eşittir. Geliş süresi uydulardan gelen kodlanmış sinyallerde yer almaktadır. GPS alıcısı uydudan gelen kodla kendi ürettiği kodu eşleştirmeye çalışır. Bu iki kodu karşılaştırarak aradaki gecikmeyi tespit eder. Bu gecikme ile ışık hızının çarpımı uydulara olan mesafeyi vermektedir.

GPS’de ölçülen noktaların cinsine, istenen duyarlılığa ve amaca göre farklı ölçme yöntemleri uygulanmaktadır. Ölçüm sonucu elde edilen koordinatlar alıcı tipine, gözlem süresine, uyduların konumu ve sayısına, ölçü tipine göre değişmektedir. Bir noktanın dünya üzerindeki konumu enlem, boylam, yükseklik olarak belirleniyorsa buna mutlak konum belirleme denilmektedir. Birden fazla noktanın birbirine göre konumlarının belirlenmesine ise bağıl konum belirleme adı verilmiştir.

Konumu belirlenecek nokta hareketsiz ise statik konum belirleme; hareketli ise dinamik konum belirlemeden söz edilmektedir. Uçak, gemi ve benzeri araçların navigasyonu amacıyla anlık konum belirleme de yapılmaktadır. Bu, genellikle askeri amaçlı kullanımda söz konusudur. Ölçümlerin, daha hassas sonuçlar elde etmek için arazideki ölçmelerden sonra ofiste değerlendirilmesi de mümkündür. Bu durum ise daha çok mühendislik uygulamalarında geçerlidir. GPS’de kullanılan iki ana konum belirleme yöntemi vardır. Bunlar mutlak konum belirleme ve bağıl konum belirleme yöntemleridir.

3.4.1. Mutlak konum belirleme

Bu yöntemde tek bir alıcı ile dört yada daha fazla uydudan kod gözlemleri yapılarak üzerinde alıcı kurulu olan noktanın koordinatları belirlenmektedir. Yöntem uzayda geriden kestirme esasına dayanmaktadır. Alıcının sabit olması durumunda statik, hareketli olması durumunda dinamik olarak tanımlanmaktadır [3].

3.4.2. Bağıl konum belirleme

Bu yöntemde koordinatları bilinen bir noktaya göre diğer noktanın koordinatları belirlenmektedir. Bağıl konum belirleme için iki ayrı noktada kurulmuş olan iki alıcı ile aynı uydularda eş zamanlı gözlem yapılır. Koordinatı bilinen referans noktaya, alıcılardaki konum farkı eklenerek diğer noktanın konumu belirlenmektedir. Bağıl konum belirlemede farklı metotlar kullanılmakta olup bunlar; statik ölçü yöntemi, hızlı statik ölçü yöntemi, dur ve git ölçü yöntemi, dinamik ölçü yöntemi, gerçek zamanlı dinamik ölçme yöntemi olarak sıralanabilir [3].

3.5. GPS Hata Kaynakları

GPS yüksek doğruluklu bir konum belirleme sistemi olmasına rağmen uydu, alıcı ve sinyal yayılması kaynaklı hatalar oluşmaktadır. Şekil 3.3’de bu hata kaynakları görülmektedir.


Şekil 3.3. GPS hata kaynakları


3.5.1. Uydu efemeris hataları

Uyduların gerçek konumu ile navigasyon mesajı içerisinde yayınlanan uydu konum bilgileri arasındaki farklılıktan kaynaklanan hatalara uydu efemeris hatası denilmektedir [34]. Efemeris hatası uydu konumlarının kestiriminin bir sonucu olduğundan, kontrol bölümü tarafından uydulara yapılan en son yükleme zamanından uzaklaştıkça hata oranı artacaktır. Efemeris hatası GPS mesajları içerisinde kasıtlı olarak da artırılabilmektedir [1].

3.5.2. Uydu saat hataları

GPS alıcı saati ile GPS uydularında kullanılan yüksek atomik saatler arasındaki zaman farkından kaynaklanmaktadır [35]. GPS ile konum belirlemenin temeli zaman ölçümüne dayanmaktadır. Bu nedenle uydu saat hatalarını azaltmak için fark teknikler kullanılmaktadır.

3.5.3. Atmosferik gecikme

Troposfer ve iyonosfer kaynaklı gecikmelerdir. İyonosfer, GPS sinyallerinde gecikmeye sebep olmaktadır. GPS sinyalindeki gecikme iyonosferdeki elektron oranına bağlıdır. Elektron yoğunluğu zaman ve konuma bağlı olarak değişmektedir. Öğleden sonra 5-15 m’lik bir hata kaynağı iken gece yarısı 1-3 m’lik bir etkiye sahiptir. Navigasyon mesajında Klobuchar modeli kullanılarak bu hata %50 oranında azaltılabilir. Troposferdeki gecikme ise lokal sıcaklık, basınç ve nemden kaynaklanmaktadır ve 2 m ile 25 m arasında bir hataya sebep olmaktadır [35].

3.5.4. Sinyal yansıma etkisi

Uydulardan yayınlanan sinyallerin yeryüzünde herhangi bir noktada kurulu olan antene, bir veya daha fazla sayıda yol izleyerek ve esas sinyale karışarak ulaşmasına sinyal yansıma (multipath) etkisi denir. Şekil 3.4’te sinyal yansıma etkisi görülmektedir [36].


Şekil 3.4. Uydu sinyal yansıması


Şekil 3.4’de görüldüğü gibi uydudan yayınlanan sinyal hem direk olarak hem de binadan yansıyarak alıcıya ulaşmaktadır. Bu problemin tam olarak giderilmesi, her noktada farklı geometri ve çevre koşulları söz konusu olacağından mümkün değildir. En kolay ve etkin yol, alıcının çok yakınında yansıtıcı yüzeylerin olmamasına dikkat etmektir. Ayrıca GPS sinyallerinin sağ el kuralına göre, yansıyan dalganın ise sol el kuralına göre polarize olması nedeniyle uygun filtreleme yöntemleri ve yansıyan dalgayı absorbe eden özel anten tipleri (ground planes) kullanılabilir.

3.5.5. Alıcı anteni faz merkezi hatası

Alıcı anteninde sinyallerin algılandığı nokta, anten faz merkezi olarak adlandırılır. Bunokta genellikle geometrik faz merkezinden farklıdır. Anten faz merkezi hata büyüklüğü antenin yapısına bağlı olarak bir kaç mm ile 1-2 cm arasında değişmektedir. Bu nedenle, özellikle yüksek doğruluk gerektiren uygulamalarda uygun anten seçimi, aynı anda farklı tip anten kullanılmaması ve antenlerin kuzeye yönlendirilmesi önerilir.

3.5.6. Seçimli doğruluk erişimi

SA yetkisiz kullanıcıların GPS'in sağladığı doğruluklara ulaşmasını engellemek amacıyla konum belirleme doğruluklarının ABD tarafından kasıtlı olarak kötüleştirilmesidir. SA etkisi 2 Mayıs 2000 tarihinde kaldırılmıştır. Uygulanmadığı durumlarda SPS ile elde edilen konum doğruluğu yaklaşık 2m iken, SA aktif edildiğinde doğruluk yaklaşık 22 m’dir [35].

3.5.7. Uydu geometrisi

Mevcut uydu konfigürasyonuyla herhangi bir kullanıcı, dünya üzerinde aynı anda sekiz veya daha fazla uyduyu gözlemleyebilir. Ancak alıcıların yerleşim alanlarında kullanılması, çukur veya vadi içinde kalması gibi durumlarda uydu görünürlüğünün engellenmesi nedeniyle zayıf uydu geometrisiyle karşılaşılabilir[36]. Şekil 3.5’de güzel ve zayıf uydu geometrileri görülmektedir.


Şekil 3.5. Güzel ve zayıf uydu geometrisi


Şekil 3.5’in sol kısmında gökyüzünde uygun dağılmış uyduların oluşturduğu güzel uydu geometrisi, sağ kısmında ise zayıf uydu geometrisi görülmektedir. Geometrik bozukluğun etkisi basitleştirilmiş olarak Konum Hatası = Geometrik Bozukluk x Mesafe Ölçümü şeklinde gösterilebilir.

3.6. Diferansiyel GPS

GPS ile elde edilen anlık doğruluk birçok amaç için yeterli olmakla birlikte bazı navigasyon uygulamalarında daha yüksek doğruluklara gereksinim duyulmaktadır. Bu ise mevcut GPS sisteminden anlık konum belirlemede yararlanabilme olanaklarını kısıtlamaktadır. Diferansiyel GPS, doğal nedenler ve insan ürünü faktörlerden oluşan hataları azaltmaktadır. Şekil 3.6’da DGPS’in çalışma sistemi görülmektedir.


Şekil 3.6. DGPS çalışma sistemi


DGPS tekniğinde biri sabit diğeri hareketli olmak üzere en az iki alıcıya gereksinim vardır. Sabit alıcı anteni, konumu daha önceden duyarlı olarak belirlenmiş bir noktaya kurulur ve hareketli (ya da uzak) alıcının konumu belirlenir. Her iki noktada da en az dört ortak uyduya eş zamanlı GPS gözlemi yapılmalıdır. Sabit alıcı gözlem yaptığı tüm uydulara ait uydu-alıcı uzaklıklarını hesaplayıp bu değerleri kendi duyarlı konumundan yararlanarak hesapladığı (olması gereken) uydu-alıcı uzaklığı ile karşılaştırır. Aradaki farklar gözlem hatası olarak yorumlanır ve bu farklar konumu belirlenecek olan noktalardaki hareketli alıcı/alıcılar tarafından kaydedilen gözlemlere düzeltme olarak getirilerek hareketli alıcının konumu doğru olarak belirlenir. Söz konusu düzeltmeler hareketli alıcılara, alıcılar arasındaki uzaklığa bağlı olarak portatif telsizler, yer istasyonları ve uydular aracılığıyla yayınlanmaktadır [36].