0 GPS Bölümleri

Tweet

Konum belirleme sistemi, uzay bölümü (Uydular), kontrol bölümü ( Yer istasyonları ) ve kullanıcı bölümünden (GPS alıcısı)  olmak üzere üç bölümden oluşur.

GPS'in Bölümleri

3.1 Uzay Bölümü

Uzay bölümü, en az 24 uydudan (21 aktif uydu ve 3 yedek) oluşur ve sistemin merkezidir. Uydular, "Yüksek Yörünge" adı verilen ve dünya yüzeyinin 20.000 km üzerindeki yörüngede bulunurlar. Bu kadar fazla yükseklikte bulunan uydular oldukça geniş bir görüş alanına sahiptirler ve dünya üzerindeki bir GPS alıcısının her zaman en az 4 adet uyduyu görebileceği şekilde yerleştirilmişlerdir.

Uydular saatte 7.000 mil hızla hareket ederler ve 12 saatte, dünya çevresinde bir tur atarlar. Güneş enerjisi ile çalışırlar ve en az 10 yıl kullanılmak üzere tasarlanmışlardır. Ayrıca güneş enerjisi kesintilerine karşı (güneş tutulması vs.) yedek bataryaları ve yörünge düzeltmeleri için de küçük ateşleyici roketleri vardır.

GPS projesi ilk uydunun 1978'de ateşlenmesiyle başlamıştır. 24 uyduluk ağ 1994'de tamamlanmıştır. Projenin devamlılığı ve geliştirilmesi ile ilgili bütçe ABD Savunma Bölümüne aittir. Uyduların her biri, iki değişik frekansta ve düşük güçlü radyo sinyalleri yayınlamaktadır. (L1, L2) Sivil GPS alıcıları L1 frekansını (UHF bandında 1575,42 Mhz), ABD Savunma bölümü alıcıları L2 (1227,60 Mhz) frekansını dinlemektedirler. Bu sinyal "Görüş Hattında – Line of Sight" ilerler. Yani bulutlardan, camdan ve plastikten geçebilir ancak duvar ve dağ gibi katı cisimlerden geçemez.

Daha rahat anlaşılması için, bildiğimiz radyo istasyonu sinyalleri ile L1 frekansını kıyaslamak istersek; FM radyo istasyonları 88 ile 108 Mhz arasında yayın yaparlar, L1 ise 1575,42 Mhz' i kullanır. Ayrıca GPS' in uydu sinyalleri çok düşük güçtedirler. FM radyo sinyalleri 100.000 watt gücünde iken L1 sinyali 20-50 watt arasındadır.

İşte bu yüzden GPS uydularından temiz sinyal alabilmek için açık bir görüş alanı gereklidir. Her uydu yerdeki alıcının sinyalleri tanımlamasını sağlayan iki adet özel "pseudo-random" (şifrelenmiş kod) kodu yayınlar. Bunlar Korumalı (Protected – P code) kod ve Coarse/Acquisition (C/A code) kodudur. P kodu karıştırılarak sivil izinsiz kullanımı engellenir, bu olaya "Anti-Spoofing" adı verilir. P koduna verilen başka bir isimde "P (Y)" yada sadece "Y" kodudur.

Bu sinyallerin ana amacı yerdeki alıcının, sinyalin geliş süresini ölçerek, uyduya olan mesafesini hesaplamayı mümkün kılmasıdır. Uyduya olan mesafe, sinyalin geliş süresi ile hızının çarpımına eşittir. Sinyallerin kabul edilen hızı ışık hızıdır. Gelen bu sinyal, uydunun yörünge bilgileri ve saat bilgisi, genel sistem durum bilgisi ve iyonosferik gecikme bilgisini içerir. Uydu sinyalleri çok güvenilir atom saatleri kullanılarak zamanlanır.

Uyduların yörüngesel hareketi yer gravite alanının çekim etkisi ve uydular üzerinde etkili olan diğer birçok kuvvetin (ayın ve güneşin çekim etkisi vb.) bir sonucudur. Uydu hareket denklemleri zamana bağlı olarak sayısal integrasyon ile çözülen diferansiyel denklemlerdir. İntegrasyon belirli bir epoktaki uydu hızı ve konumunu içeren başlangıç durumları ile başlatılmaktadır.

Bu konuya uydu yörüngeleri teorisi kısaca açıklanmakta ve uydu efemerislerinin hesabının anlaşılabilmesi için GPS yörünge bilgilerinin hesabına ilişkin bilgiler verilmektedir.

Johannes Kepler'in 1609 yılında yayımlanan "Astronomia Nova" isimli temel eserinde gezegen hareketlerine ilişkin iki kanun yer almıştır. Üçüncü kanun ise "Harmonices Mundi Libri V" isimli eserinde 1619 yılında yayımlanmıştır. Söz konusu bu üç kanun günümüzde "Kepler Yasaları" olarak bilinmektedir. Kepler Yasaları aşağıdaki gibi özetlenebilir.

a. Gezegenler, güneş etrafındaki dolanımlarında bir elips çizerler (yörünge elipsi). Güneş yörünge elipsinin odak noktalarından birindedir.

b. Güneşle gezegenlerin ağırlık merkezini birleştiren doğru (yarıçap vektörü) eşit zamanlarda eşit alanlar süpürür.

c. Büyük yarı eksenin küpü dönüş periyodunun karesiyle doğru orantılıdır.

Kepler yasaları büyük oranda yer etrafında hareket eden uydular için de geçerlidir. Dolayısıyla, yukarıdaki ifadelerde Güneş yerine "Yer", gezegen yerine "uydu" kullanılabilir.

Böylece, yapay uydular için Kepler yörünge elemanları, anlık (gerçek) gök koordinat sistemine göre uydu yörünge düzlemindeki Kepler elemanları;

Ω : Yükselen düğüm noktasının rektasansiyonu olup ekvator düzleminde ölçülür. (radyan)

i: Uydu yörüngesinin ortalama ekvator düzlemine göre eğimi. (radyan)

w: Perige konumu ( Perige ile yükselen düğüm noktası arasındaki açı. (radyan)

a: Yörünge elipsinin büyük yarı ekseni. (metre)

e: Elipsin dışmerkezliği

Tp: Perige geçiş anı.

                                                          

Kepler Yörünge elemanları

3.2 Kontrol Bölümü

Adından anlaşılacağı gibi Kontrol Bölümü, GPS uydularını sürekli izleyerek, doğru yörünge ve zaman bilgilerini sağlar. Dünya üzerinde 5 adet kontrol istasyonu bulunmaktadır. Bunlardan dördü insansız izleme istasyonları, biri insanlı ana kontrol merkezidir. İnsansız kontrol merkezleri, topladıkları bilgileri ana merkeze yollarlar. Ana merkezde bu bilgiler değerlendirilerek gerekli düzeltmeler uydulara bildirilir.

İzleme İstasyonları: GPS uydularını sürekli olarak izleyerek yörüngelerini hesaplamak üzere Kwajalein (Doğu Avusturalya), Diego Garcia (Doğu Africa), Ascension (Batı Afrika), Hawai ve Falcon (ABD)'de kurulan beş yer istasyonundan ibarettir. Her istasyon, 1.5 saniye aralıklarla yaptıkları ölçülerini, iyonosferik ve meteorolojik verilerle bir araya getirir ve hepsini Ana Kontrol İstasyonu'na gönderir.

Ana Kontrol İstasyonu: İzleme İstasyonlar'ından gelen verileri toplar. Uyduların yörüngelerini ve uydulardaki saatlerin düzeltme değerlerini hesaplayarak bunları Yer Antenleri'ne iletir.

Yer Antenleri: 3 antenden oluşan S-band sistemi, Ana Kontrol İstasyonu'ndan gelen bilgileri 8 saatte bir uydulara yükler (Uzel ve diğ., 1998).

3.3 Kullanıcı Bölümü

Kullanıcı bölümü yerdeki alıcılardır. Çeşitli amaçlarla GPS kullanarak yerini belirlemek isteyen herhangi bir kişi, sistemin kullanıcı bölümüne dahil olur. Bu bölüm kullanıcılara sunulan uygulamaya ait donanım ve hesaplama tekniklerinin geniş bir aralığını tanımlar. Gerek askeri gerekse sivil kullanıcılar için teknolojinin gelişmesi ile beraber büyük bir ilerleme göstermiştir. Genel olarak her türlü amaç için farklı duyarlıkları olan uygun donanımlı GPS alıcıları bu bölümü oluşturur. Türüne göre GPS alıcı tiplerinin özellikleri GPS Alıcı ve Anten Sistemleri bölümü altında daha ayrıntılı olarak anlatılacaktır.

Yer Kontrol İstasyonları