GPS Nedir ve Nasil Çalisir?

tarafından **ewrelife SUPERVISOR** Perş. Tem. 16, 2009 5:23 pm

GPS Nedir ve Nasil Çalisir?

Sartlar ne olursa olsun, bir GPS alicisi
size yeryüzünde nerede oldugunuzu söyleyebilir. Neredeyse her yerde 365 gün
24 saat çalisabilirler. Tipide, yogun siste, hatta okyanusun ortasinda
referans noktaniz olmadigi zaman bile çalisirlar.

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
L1 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 karistirilarak 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.

-

tarafından **ewrelife SUPERVISOR** Perş. Tem. 16, 2009 5:23 pm

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 alicisinin saati, 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. Ilk 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.

GPS Nedir ve Nasil Çalisir?

GPS Nedir ve Nasil Çalisir?

Geri: GPS Nedir ve Nasil Çalisir?