4.1 Genel 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 de 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 (korelâsyonsuz) ve tek anlamlı olduğundan uydu sinyalleri birbirinden CDMA ( Code Division Multiple Access) tekniği ile ayırt edilebilmektedir.
 |
| Şekil 4.1 GPS Uydu Sinyali Bileşenleri |
|
L1 taşıyıcı frekansı 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 4.1).'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.
C/A ve P kod durumları +1 ve -1 'li ifadelerin karşılığı olan 0 ve 1'li (binary) değerlerle gösterilmektedir. 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 4.1'de verilmiştir.
Tablo 4.1 GPS Uydu Sinyali Bileşenleri ve Frekans Değerleri
Bileşenin Adı
|
Frekansı (MHz)
|
Dalga Boyu
|
Temel Frekans
L1 Taşıyıcı
L2 Taşıyıcı
P-Kod
C/A-Kod
W-Kod
|
f0 = 10.23
154 x f0 = 1575.42
120 x f0 = 1527.60
f0 = 10.23
f0 /10 = 1.023
f0 / 20 = 0.5115
|
~19.0 cm
~24.4 cm
30 m
300 m
|
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 hareketinin 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 şu bağıntılarla ifade edilir;
∆f = fr - fs= -1 / c Vs fs (4.1)
Vs = dρRSV / dt (4.2)
Gözlemcinin zeniti doğrultusunda bulunan bir uydu gözlemciye en yakın konumda (20183 km) olup, bu doğrultuda radyal hız sıfır olacağından doppler etkisi de (4.1) 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 (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.
4.2 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.
 |
Şekil 4. 2 C/A Kod Chip uzunluğu ve Çözünürlüğü
|
|
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 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 4.1).
4.3 P-Kod Özellikleri
 |
Şekil 4.3 P-Kod chip uzunluğu ve çözünürlüğü
|
|
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 periyot 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 4.3).
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 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.
4.4 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. 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 4.2 'de verilmiştir.
Tablo 4.2 Navigasyon Mesajı Alt Bölüm İçeriği
Alt Bölüm
|
İçeriği
|
1
|
a.GPS haftası sayısı
b.URA (User Range Accuracy) değeri
c.Uydu sağlık durumu
d.Uydu saati düzeltmeleri
|
2-3
|
a. Efemeris verileri
|
4
|
İçeriği her mesaj yayınlanmasında değişmekle birlikte 4 üncü alt bölümün büyük kısmı askeri kullanıma ayrılmıştır. Ayrıca;
a. Almanak verileri
b. UTC – GPS saat düzeltmeleri
İyonosferik modellendirme katsayıları bulunmaktadır
|
5
|
Bu bölüm Almanak verilerine ayrılmıştır
|
Navigasyon Mesajının tamamı toplam 25 sayfadan oluşmaktadır ve bunun yayınlanması toplam 12,5 dakikalık süre getirmektedir. Navigasyon Mesajı tüm uydular tarafından yayınlanmaktadır.
4.5 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 4.3′ de verilmiştir.
Tablo 4.3 Almanak Verileri
Parametre
|
Açıklaması
|
ID
HEALTH
WEEK
ta
√a
e
Mp
w
δ0
l0
w
a0
a1
|
Uydu PRN Numarası
Uydu Sağlık Durumu
Ölçü Anındaki GPS Haftası
İçinde Bulunan GPS Haftasındaki Saniye Cinsinden Referans Epok
Elipsoidin Büyük Yarı Ekseninin Karekökü
Dış Merkezlilik (Eksentrisite)
Referans Epoktaki Ortalama Anomali
"Perige Argümanı"
Offset Değeri (Eğim Düzeltmesi)
Yükselen Düğüm Noktasının ta Anındaki Rektesansiyonu ile t0 Zamanındaki Greenwich Yıldız Zamanı
Yükselen Düğüm Noktasının Rektesansiyonundaki Değişim
Uydu Saati Faz Sapması
Uydu Saati Frekans Sapması
|
Tablo 4.3'de verilen Almanak parametrelerinin tamamı, Navigasyon Mesajının iki ve üç nolu 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.
