2 GPS ile Konum Belirleme Yöntemleri

Tweet

GPS alıcıları ile dünya üzerindeki 3 boyutlu koordinatlar (X, Y, Z), zaman ve kullanıcı aynı zamanda hareketli ise hızı da hesaplanabilmektedir. GPS Sisteminde kullanıcının tipine ve metoda göre milimetreden - desimetreye, metre altından 3-5 metreye kadar farklı sonuçlar alınabilmektedir.

7.1 Mutlak Konum Belirleme

Mutlak konum belirleme, tek bir alıcı ile normal olarak dört yada daha fazla uydudan kod gözlemleri yapılarak doğrudan 3 boyutlu koordinatların (Φ,λ,h veya X,Y,Z) belirlenmesi işlemidir.(Şekil 7.1)

                                                                                           

7.2 Bağıl (Rölatif) Konum Belirleme

Bağıl konum belirleme birden fazla noktanın birbirine göre konumlarının belirlenmesine denir. Konumu belirlenecek nokta hareketsiz ise (Nirengi, Poligon, Detay vb.) statik konum belirleme, hareketli ise (Uçak, Gemi, Tank vb.) kinematik konum belirlemeden söz edilir (Şekil 7.2).                                                                                        

Şekil 7.2 de görüldüğü gibi A, koordinatı bilinen sabit bir noktayı B ise koordinatı hesaplanmak istenen noktayı göstermektedir. Bu durumda aralarındaki matematiksel bağınrtı;

X_B = X_A + b_AB                                                                                                                     (7.1)

şeklindedir. Burada b_AB baz vektörünü göstermektedir.

7.2.1 Statik Ölçme Yöntemi

Güvenilir ve yüksek duyarlıklı sonuçların istendiği çalışmalarda kullanılır. Ayrıca 15 km.' den daha uzun bazların ölçümünde ve yüksek duyarlıklı ağlarda diğer ölçü metodları güvenilir sonuç veremeyebileceğinden Statik ölçü metodu kullanılmalıdır. Statik ölçü metodu ile tam sayı belirsizliğini çözebilmek için baz uzunluğuna göre uzun süreli gözlemler gerekmektedir ( 0,5 - 3 saat gibi). Uzun süreli gözlemler esnasında uyduların pozisyonları, geometrileri devamlı değişmektedir. Bu değişim PC ile değerlendirme yapılırken tam sayı belirsizliğinin çözülmesini ve bilinmeyen noktanın pozisyonunun duyarlı bir şekilde hesaplanmasını sağlar. Fakat akademik veya duyarlı çalışmalar dışında ve genelde bazların 15 km' den daha kısa olduğu düşünülürse çoğunlukla hızlı statik yöntem kullanılacaktır. Bu ölçü metodu çift frekanslı jeodezik alıcılar ile yapılır. Yöntemde 2 adet alıcı (A,B) koordinatı önceden bilinen noktaya kurulur, 3.alıcı (C) eş zamanlı olarak koordinatı hesaplanacak noktaya kurulur ve en az 45 dakikalık gözlem yapılır. 2 adet koordinat ve 3 adet kenar yardımı ile (Kenar-Kenar-Kenar Üçgen Çözümü) C noktasının koordinatları maksimum 1 cm duyarlılıkla hesaplanır.

                                                                                       

7.2.2 Hızlı Statik Ölçme Yöntemi

GPS gözlemleri prosedür olarak Statik GPS gözlemleri ile aynıdır. Fark sadece gözlem süresinin farklı olmasıdır. Daha detaylı anlatılacak olursa L2 frekansı ve duyarlı P kod kullanılarak tam sayı bilinmeyenin çözümü statik gözlemlere nazaran daha kısa sürede gerçekleşir. Hızlı (Rapid) statik GPS gözlemlerin Statik GPS gözlemlerine göre en büyük avantajı sürenin daha kısa olmasından dolayı üretim ve verimin artmasıdır. Gözlemlerin kısa süreli olmasından dolayı Statikte olduğu gibi istenilen yüksek duyarlıklara ulaşamayabiliriz. Fakat yine de tamsayı bilinmeyenin çözümünden sonra statik kadar olmasa da iyi duyarlık elde edilebilmektedir. Rapid statik GPS gözlemleri 15 km ve daha kısa bazlarda kullanmak gerekir. 10 km lik bir baz için uygun şartlarda 10 dakikalık bir ölçü ve her bir km artımında 1 dakikalık süre artışı kâfi gelmektedir. Fakat 15 km'nin üzeride bazlar için statik gözlemler gibi düşünüp uzun süreli ölçmeler yapmak gerekir. Hızlı statik GPS gözlemlerinde bir alıcı (base) bilinen bir nokta üzerinde (A) data toplar iken diğer alıcı (rover) koordinatı bilinmeyen noktalar (B,C) üzerinde gezdirilir. Baz uzunluğuna ve uydu sayısına göre 5- 15 dakikalık gözlemler yeterlidir. Bu şekliyle rapid statik kinematik metoda benzer bir şekil almış oldu. Yani bilinen bir noktadan bilinmeyen bir noktaya 1 vektör ile çözüme ulaşılmış oldu. Bilinmeyen noktanın duyarlığını, güvenirliğini artırmak için 2 sabit alıcıdan 2 vektör ile veya bir alıcıdan 2 farklı zamandaki 2 vektör ile gözlemler yapmak gerekir. Rapid Statik GPS gözlemleri arazi çalışması, Statik GPS gözlemleri arazi çalışması ile aynıdır.

7.2.3 Kinematik Ölçme Yöntemi

Taşıyıcı faza ilişkin tam sayı belirsizliğinin çözümü açısından diğer GPS ölçü metodlarından farklılık gösterir. Kinematik ölçü metodu ile tam sayı bilinmeyeni bilinen baz kullanılarak çözülür. Bir bazın bilinmesi demek aynı zamanda o baza bağlı iki noktanın koordinatlarının bilinmesi demektir. Gezici alıcının koordinatı bilinen bir noktada 5 dakikalık gözlem yapması ile tam sayı bilinmeyeni çözülmüş olur. (Initialization) ve bundan sonra saniyeler içinde bilinmeyen noktaların pozisyonları duyarlı şekilde belirlenebilir. Tam sayı bilinmeyeni çözüldükten sonra en önemli husus alıcının devamlı açık kalması ve gözlemler bitinceye kadar en az 4 uydudan data toplamasıdır. Kinematik yöntem ile saniyeler içerisinde duyarlı sonuç elde etmek mümkündür fakat bina araları, ormanlık sahalar ve değişik engeller ile gökyüzünün sınırlandırıldığı koşullarda uydu sayısı 4 uydunun altına inebileceğinden çalışmak zordur. Bir de alıcı sürekli açık olacağından bir noktadan bir noktaya alıcının mobilizasyonu zor olabilir. Onun haricinde bu yöntem ile üretim diğer yöntemlere göre çok fazladır.                                                

Gözlemler esnasında uydu sayısı 4 uydunun altına indiğinde çözülen parametre kaybedildiğinden parametrenin tekrar çözülmesi gerekmektedir. Bu işlem, daha önce GPS gözlemleri yapılmış baz kullanılarak yada hızlı statik gözlem ile bilinmeyen noktada en az 5 dakikalık gözlem yapılarak gerçekleştirilebilir.

İki yöntem arasındaki fark 1. Metodun daha kısa bir süre gerektirmesidir. Hatta belli aralıklarla hızlı statik gözlemler yapıp ağı güçlendirmek, verimi ve duyarlığı artırmak sonuç açısından çok iyidir. Ayrıca kinematik gözlemlerde sabit ile gezici alıcı arası 10 km.' den yukarı olmaması tavsiye edilir.

Kinematik ölçü metodu iki türdür. Birinde alıcı açıldıktan sonra örneğin 10 sn' de bir ölçü al denilip 3 boyutlu arazi modellerinin çıkartılmasında veya yol ve benzeri güzergâhların ölçülmesinde kullanılır. Alıcı hareketlidir ve Alıcının hızına göre 10 sn' de bir nokta ölçümü yapılmış olur. İkincisinde ise alıcı yine hareketli ve açık, fakat Tam sayı belirsizliğinin çözülmesinden sonra her detay noktasında en az 2 epok (10 sn' de bir ölçü alınıyor ise 20 sn. 1 sn' de bir ölçü alınıyor ise 2 sn. Bekleme süresi) ölçü yeterli olmaktadır. Özellikle Gerçek zamanlı konfigurasyondaki data kontrol ünitesinde mevcut semboloji ile arazide kroki tutmanıza gerek olmamakta ve ok ile sembol (yol, şev altı, üstü, ağaç, rogar, elektrik direği... gibi) bulunup enter tuşuna basmak ile ölçü tamamlanmış olmaktadır.

Duyarlık olarak GPS metotları genelde Statik 5 mm + 1 ppm, Rapid Statik 5 -10 mm + 1 ppm, Kinematik 10 - 20 mm + 1 ppm seviyesinde sonuç verirler.

7.2.4 Diferansiyel GPS ( DGPS ) Yöntemi

DGPS, bilinen bir noktadaki konumlama hatalarının belirlenip, aynı bölgedeki başka alıcıların konum hesaplarının düzeltilerek doğruluğun arttırıldığı bir tekniktir. Bu sistemde konumu belirli referans noktası üzerinde ölçme yapılmakta ve temel olarak ölçülerin olması gereken değerleri ölçülerle karşılaştırılmaktadır. Uygulama alanları; navigasyon, araç takibi, filo yönetimi, GIS veri toplama, hassas tarım vb. DGPS, sistem olarak alıcı ve alıcının o anki konumuna bağlı yansıma ve sinyal gürültüsü gibi hataları elemine edememekte ancak birçok uygulama bu hataların ihmal edilebilir mertebede olacak şekilde hazırlanması nedeniyle etkin biçimde kullanılmaktadır. Bu tür hataları elemine etmek için taşıyıcı dalga faz ölçüleri ile kod ölçülerini filtreleme gibi diğer yöntemler kullanılmaktadır.             

Veri aktarım DGPS' in en önemli bileşenlerinden birisidir. Kullanılacak olan veri aktarımı yöntemi sabit alıcı ile gezen alıcı/alıcılar arasındaki uzaklığa ya da bölgenin büyüklüğüne bağlıdır. Bu yöntemler, sabit ve gezen alıcıların yanında olan basit özel amaçlı radyo modemler (telsizler) olabildiği gibi, cep telefonları, FM radyo frekansları ya da ülke boyutundaki global uygulamalarda haberleşme uyduları da veri aktarımı amacıyla kullanılmaktadır.

Birçok DGPS tekniği olmakla birlikte bunlar çok genel olarak Küçük Alan DGPS (LADGPS, Local Area DGPS) ve Büyük Alan DGPS (WADGPS, Wide Area DGPS) tekniği olarak iki ana sınıfta toplanabilir. LADGPS tekniğinde tek bir referans istasyon mevcut olup gezen alıcı arasındaki uzaklık veri aktarımını etkileyen önemli bir kısıtlamadır. Buradaki temel prensip, bazı pseudorange hata kaynaklarının küçük alan içindeki tüm alıcılar için yaklaşık aynı olduğu varsayımına dayanmaktadır. Gezen alıcı referans alıcıya ne kadar yakınsa bu ortak hatalar o kadar büyük oranda giderilmiş olmaktadır.

0 GPS Ölçü ve Hesaplarını Etkileyen Hata Kaynakları

Tweet

GPS ölçülerinden elde edilen sonuçları da etkileyen bazı rastlantısal ve sistematik etkiler söz konusudur. Bunların bazıları göreli konum belirleme yöntemlerinin kullanılması durumunda bile bozucu etkilerini sürdürmektedir.

Bu hatalar;

• Uydu Efemeris Hataları
• Uydu - Alıcı Saati Hataları
• Atmosferik Etkiler (İyonosferik ve Troposferik Etki)
• Sinyal Yansıma Etkisi
• Anten Faz Merkezi Hataları
• Taşıyıcı Dalga Faz Belirsizliği (Ambiguity) ve Faz Kesiklikleri (Cycle Slips)
• Uydu Geometrisi

6.1 Uydu Efemeris (Yörünge Bilgisi) Hataları

GPS Navigasyon Mesajı içerisinde yayınlanan uydu konum bilgilerinin doğruluğunun düşük olduğu yada kasıtlı olarak yanlış yayınlanması durumunda karşılaşılan hataya efemeris hatası denir.  Efemeris hatasının büyüklüğü, Kontrol Bölümü tarafından uydulara yapılan en son yükleme zamanından uzaklaştıkça artacaktır. Kullanıcı açısından durum irdelendiğinde, ∆r büyüklüğündeki yörünge hatasının (uydu konum hatası) b uzunluğundaki bazın baz bileşenlerinde (∆b) neden olacağı hata;

=                                                                                                                    (6.1)

Uydu-alıcı uzaklığı yaklaşık 20200 km kabul edilirse, 6.1 eşitliğinden yararlanarak farklı efemeris hataları için farklı baz uzunluklarındaki hatalar elde edilebilir.

Örn. ∆r = 2.5 m ise 100 km deki baz hatası ∆b = 1.2 cm dir.

6.2 Uydu – Alıcı  Saati Hatası

GPS ile konum belirlemenin temelini zaman ölçümü oluşturduğundan konum belirlemede en büyük hata kaynağını uydu - alıcı saati hataları oluşturmaktadır. Uydu saatinden kaynaklanan hata  ölçü yapılan tüm noktalardaki alıcılar için aynı büyüklüğe sahiptir. Örneğin Uydu saatindeki 0,000000009 saniyelik bir hata uydu-alıcı uzaklığında 3 m'lik hataya neden olmaktadır. Bu nedenle uydularda çok yüksek doğruluklu atomik saatler kullanılmaktadır. Alıcılarda bu şekilde atomik saatler kullanılarak hatalar minimize edilebilir fakat bu alıcıyı çok pahalı bir duruma getirir. Alıcı saat hataları en belirgin hata kaynağı olup, minimum sayıdan fazla uyduya gözlem yapılarak giderilebilmektedir. 3 boyutlu konum bilgisi (X,Y,Z) için gerekli uydu sayısı 3 iken bu sayı 4 e çıkarılarak saat hatası da bir bilinmeyen olarak çözülür. Bu sebepten dolayı konum belirlemede en az 4 uyduya gözlem yapılır.

6.3 Atmosferik Etkiler

6.3.1 İyonosfer Etkisi

İyonosferin elektromanyetik dalgalar üzerindeki etkisi gündüz daha fazla olmaktadır. GPS sinyallerinin iyonosferdeki ilerleme hızı sinyal frekansına bağlıdır. Dolayısıyla, iyonosfer tabakasının GPS sinyallerine olan etkileri çift frekanslı ölçülerle büyük oranda giderilebilmektedir. İyonosfer, yeryüzünden 100 km.'den 1000 km.'ye kadar olan ve yeryüzü etrafındaki küresel bir kabuk olarak düşünülebilir. İyonosfer saçıcıdır (dispersif) ve nötr moleküllerin solar radyasyondan dolayı iyonlaşmasından kaynaklanan serbest elektronlar içerir. İyonosferin GPS sinyallerine olan gecikme etkisi elektron yoğunluğuna bağlıdır. Elektron yoğunluğu yaklaşık 300-400 km. yüksekliğe kadar artar ve sonra tekrar azalmaya başlar. Bunun nedeni alçalan yükseklikle azalan solar radyasyon yoğunluğuyla ve artan yükseklikle azalan atmosferik yoğunluğuyla açıklanabilir. İyonosfer boyunca seyahat eden bir elektromanyetik sinyal iki biçimde etkilenir. Faz hızı artarken grup hızı yavaşlar. Her iki etki de büyüklük olarak aynı fakat ters işaretlidir. Diğer bir deyişle GPS kod ölçmeleri gecikir, fakat taşıyıcı faz ölçmeleri ise hızlanır. Bu yüzden uydu ile alıcı arasındaki geometrik uzunluğa kıyasla kod ön-uzunlukları (pseudoranges) daha uzun, taşıyıcı faz ön-uzunlukları (pseudoranges) daha kısa ölçülür .Her ikisinde de boyut aynıdır. Tek frekans ölçmeleriyle iyonosferik gecikmeleri hesaplayan modeller kullanarak elde edilen sonuçlar oldukça iyi olmasına rağmen çift-frekanslı ölçmelerin kullanılması halinde en iyi sonuçlar elde edilir (Mekik, 1999).

6.3.2 Troposfer Etkisi

Nötr atmosfer, yeryüzünden 100 km yukarısına kadar uzanan yaklaşık küresel bir kabuktur. Bu alt kısım, sıcaklığın yükseklikle azaldığı troposfer (0-10 km.), sıcaklığın sabit kaldığı tropopause (10 km.) ve sıcaklığın yükseklikle arttığı stratosfer (10-50 km)'den meydana gelir. Troposfer toplam gecikmenin %80'nini oluşturduğundan, atmosferin nötr kısmından geçen sinyalin uğradığı gecikme genel olarak 'troposferik gecikme' olarak adlandırılır. Troposferik gecikme iki parçaya ayrılır: kuru ve ıslak. Kuru bileşeni yüzey meteorolojik ölçmelerinden türetilen bir çok troposferik gecikme modelleriyle yüksek doğrulukla belirlenebilir. Troposferin kuru kısmı hidrostatik dengede olduğundan, ideal gazlar yasası kolayca uygulanabilir. Islak kısmı ise troposferde hem yatay hem de düşey olarak sıvı su ve su buharının düzensiz dağılımından dolayı hesaplanması (tahmin edilmesi) zordur. Gecikmenin ıslak bileşeni toplam etkinin %10 kadar kısmını oluşturmasına rağmen toplam gecikme için çok hassas bir çözüm bulmada kısıtlayıcı rol oynayan bir belirsizliğe neden olmaktadır. Uydu ile alıcı arasında seyahat eden sinyalin yükseklik (eğim) açısı 15° 'nin altında olduğu durumlarda troposferik gecikme çok büyük boyutlara ulaşmakta ve modellemesi daha da zorlaşmaktadır .Troposferik gecikmenin zenitteki değeri (uydunun yükseklik açısındaki değerine eşlenmemiş durumu, kısaca sinyalin başucu doğrultusundaki gecikme değeri) 2.2 m civarında olurken yatayda yani yükseklik açısının 0°'ye yakın olduğu durumlarda 25-85m arasında değişebilmektedir. Bu yüzden GPS ölçmeleri yapanlardan troposferden ve sinyal yolu eğrilinden fazla etkilenmemeleri için gözlemlerini 15° 'nin altına inen (buna ölçmeyi kesme açısı, cut-off angle veya mask angle denilmektedir) uydulara yapmamaları önemle sağlık verilir (Mekik, 1999).

6.4 Sinyal Yansıma Etkisi (Multipath)

GPS alıcıları ile birlikte kullanılan antenlerin hemen tamamı tüm yönlerden gelen uydu sinyallerini eş zamanlı alabilme özelliğine sahiptir. Antenin kurulduğu arazi yapısına ve sinyal yükseklik açısına (cut-off angle) bağlı olarak kaydedilen uydu sinyallerine arzu edilmeyen sinyal yansımalarının da karışması söz konusudur. 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. Anten sinyal yansıma etkisi esas olarak antenin kurulu olduğu noktanın çevresindeki yüzeylere bağlıdır. Alıcı anteni çevresinin neden olduğu yansımaların olası kaynakları ise yapılar, araçlar, su yüzleri (deniz, göl) ve diğer yansıtıcı yüzeylerdir.

Şekil 6.1 Sinyal Yansıma Etkisi

Anten sinyal yansımasının kod ölçülerindeki etkisinin büyüklüğü P kod için en çok 29,3 m, C/A kod için 293,2 m.dir. Faz ölçülerinde ise bu hata miktarı L1 frekansı için yaklaşık 4,8 cm.dir.

6.5 Alıcı Anteni Faz Merkezi Hatası

Alıcı anteni faz merkezi GPS sinyallerinin antene ulaştığı nokta olup bu nokta genellikle geometrik faz merkezinden farklıdır. Uygulamada, uydu sinyalinin azimut ve yükseklik açısına bağlı olarak jeodezik antenlerin faz merkezlerinde küçük değişimler gözlenmektedir. Söz konusu değişimler L1 ve L2 sinyalleri için farklıdır. Anten faz merkezi değişimleri antenin yapısına bağlı olarak bir kaç mm ile 1-2 cm arasında değişmektedir. Bu nedenle, özellikle yüksek doğruluk  gerektiren çalışmalarda anten faz merkezi değişimlerinin de GPS ölçülerinin değerlendirilmesinde dikkate alınması gerekmektedir.

6.6 Taşıyıcı Dalga Faz Belirsizliği ve Faz Kesiklikleri

Taşıyıcı dalga fazı gözlemlerinde temel prensip kod ölçüleri ile aynı olmasına karşın, kod gözlemlerinde kodun "chip" uzunluğu ölçülürken faz gözlemlerinde taşıyıcı dalganın dalga boyları sayılmaktadır.

Şekil 6.2 Faz Belirsizliği

Kod gözlemlerinde alıcı kodun hangi bölümünü kaydettiğini hemen çözer. Oysa her dalga boyu (cycle) birbirinin benzeri olduğundan faz ölçüsünde alıcı kaydettiği sinyalin neresinde olduğunu bilemez. GPS alıcısı ölçü anında yalnızca uydu sinyali ile alıcı sinyali arasındaki fazı ölçer. Ancak, ilk epok (başlangıç anı) için uydu alıcı arasındaki taşıyıcı dalga fazının kaç tane tam dalga içerdiği bilinmemektedir. Bu bilinmeyene Taşıyıcı Dalga Faz Başlangıcı Belirsizliği (Initial Phase Ambiguity) yada kısaca faz belirsizliği (ambiguity) adı verilmektedir. GPS gözlemi devam ederken uydu sinyallerinin alınmasında karşılaşılacak herhangi bir problem nedeniyle meydana gelecek sinyal kesikliklerine faz kesiklikleri yada faz kayıklıkları (cycle slips) adı verilmektedir. Bu durumda, uydu sinyal kesikliğinin meydana geldiği andan sonraki gözlemler oluşan kayma miktarı kadar düzeltilmelidir. Faz kesikliklerinin genel nedenleri, ölçü noktası çevresindeki ağaç, bina, köprü, dağ vb. uydu sinyallerinin alıcıya ulaşmasını engelleyen nesneler, kötü iyonosferik şartlar, Sinyal yansıma etkisi ve Alıcı yazılımında oluşabilecek arızalar şeklinde sayılabilir.

6.7 Uydu Geometrisi

Ölçü yapılan uyduların uzaydaki dağılımı da koordinat hesaplamalarını etkilemektedir. Örneğin, gözlenen uyduların hepsi birbirine çok yakınsa elde edilecek koordinat doğruluğu düşük, eğer dört bir doğrultuya homojen olarak dağılmışsa elde edilecek doğruluk yüksek olacaktır. Geometrik hatalar, Geometrik Hassasiyet Bozulması (Geometric Dilution of Precision, GDOP ) olarak ifade edilir. GDOP, konumdaki bozulmayı ifade eden PDOP (Positional Dilution of Precision ), düşey konumdaki bozulmayı ifade eden VDOP (Vertical Dilution of Precision ) ve zaman içerisindeki bozulmayı ifade eden TDOP (Time Dilution of Precision) olarak ifade edilir. GDOP'taki küçük değerler uyduların, o an uzaydaki dağılımının iyi olduğunu, başka bir ifade ile konum doğruluğunun uydu geometrisine bağlı olan hatalarının düşük olacağını ifade etmektedir.

GDOP =                                                                                (6.2)

Şekil 6.3. Kötü Dağılımlı Uydu Geometrisi

Şekil 6.4. İyi Dağılımlı Uydu Geometrisi

Görsel olarak uydu geometrisine bağlı konum doğruluğu, uydulardan alıcıya oluşturulan uzaysal kirişlerle meydana gelen çok kenarlı cismin hacmi olarak düşünülebilir. Buna göre daha büyük hacimli bir geometrinin daha iyi konum doğruluğu vereceği söylenebilir. 

Uydu sayısının artmasının avantajları şöyle sıralanabilir;

• Çok uydu demek fazla ölçü demek, bu da kontrol demektir.
• Sistematik hatalar daha iyi modellenebilir.
• Çok uydu daha fazla doğruluk ve güvenirlik demektir.
• Çok uydu daha geniş alanda çalışabilmek demektir.
• Çok uydu, daha hızlı ölçüye başlama ve daha hızlı belirsizlik çözümü demektir.

0 GPS Alıcı Tipleri

Tweet

5.1 Genel Tanımlar

GPS ölçülerinde kullanılan en önemli donanım alıcı (receiver) 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 alıcısı temel işlev olarak uydu sinyalini kaydeder, kaydedilen sinyali işleme tabi tutar (signal processing), anlık (real-time) uygulamalar için koordinat dönüşümleri yapar, gerektiğinde navigasyon için gerekli bilgileri hesaplar.

GPS alıcı anteninin temel görevi uydulardan yayınlanan sinyalleri, çevresindeki objelerden yansıyan sinyalleri (multipath) ayıklayarak almaktır. Bazı özel tasarımlı antenler bu özelliklere ilave olarak uydulardan gelen sinyallere diğer kaynaklardan karışan (interface signals) sinyalleri de ayıklama özelliğine sahiptir. Alıcı antenleri esas olarak uydulardan yayınlanan elektromanyetik dalgalar içerisindeki enerjiyi alıcı içerisindeki elektronik devrelerde işlenebilecek elektrik akınına dönüştürmektedir. Başka bir ifadeyle, GPS alıcısı anteni uydulardan yayınlanan elektromanyetik dalgaları belirler ve bu dalgalar içerisindeki enerjiyi elektrik akımına dönüştürür, güçlendirir (amplify) ve alıcı elektrik devrelerine gönderir.

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 (built-in) 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. Jeodezik amaçlı antenler genellikle Ll ve L2 sinyallerinin her ikisini de alacak şekilde tasarlanmışlardır.

Kullanım amacına uygun olarak antenler yalnızca Ll frekansında (tek frekanslı) veya L1,L2 frekanslarının her ikisinde de (çift frekanslı) çalışabilir. Diğer taraftan GPS uydu 'sinyalleri RHCP (Right Hand Circularly Polarized) özellikli olduğundan GPS alıcı antenleri de RHCP özellikli olmalıdır. Bununla birlikte sinyal yansıma etkilerini en aza indirmeyi amaçlayan LHCP (Left Hand Circularly Polarized) özellikli antenler de üretilmektedir.

Farklı yapılarda anten tipleri mevcut olup bunlardan en çok kullanılan "microstrip" "dipole" ve "helix" modelleridir. Microstrip anteni günümüzde en çok tercih edilen anten modelidir. Bunlar tek ve çift frekanslarda ölçü yapabilmekte, dayanıklı ve basit yapıdadır. Dipole antenler tek frekanslı konfigürasyona sahip anten modelidir. Helix anten tipi microstrip antenler gibi Ll ve L2 frekanslarının her ikisinde de sinyal toplayabilmesine karşılık yüksek profilli bir görünüme sahiptir, GPS antenlerinin verimli çalışmasını etkileyen birçok faktör olup bunlar; ısı ve nem etkisi, tuzlu ortamlar, titreşim ve mekanik şok şeklinde sıralanabilir.

5.2 GPS Alıcı Tipleri

Günümüzde GPS alıcılarını farklı şekillerde sınıflandırmak (kanal sayısına göre, kullanım amacına göre, izlenen uydu sinyaline göre vb.) olanaklıdır. İzlenen uydu sinyaline bağlı olarak iki temel alıcı tipi vardır. Bunlar; P(Y) ve C/A kodların her ikisini de izleme yeteneğine sahip olan alıcılar ve yalnızca C/A kod izleme yeteneğine sahip olan alıcılardır.

Bu temel sınıflamadan yararlanarak alıcıları şu maddelerle tanımlayabiliriz.

a. C/A kod ölçen alıcılarla yalnızca Ll pseudorange ölçüsü yapılır. Bu tip alıcılar genellikle batarya ya da pil ile çalışan portatif el alıcılarıdır. Bunlar en az 1, en çok 6 kanallı olabilmekte ve ekranda anlık olarak 3-boyutlu konum (enlem, boylam, yükseklik veya sağa, yukarı, yükseklik) gösterebilmektedirler. Özellikle hareketli uygulamalarda en az 4 kanallı alıcı tercih edilmelidir. Bu tip alıcılar daha çok hobi amaçlı (dağcılar, yat gezileri vb.) ve özellikle CBS (Coğrafi Bilgi Sistemi) tabanlı GPS/CBS uygulamalarında (araç takip, güvenlik vb.) kullanılmaktadır.

b. C/A kodlu taşıyıcı dalga fazı ölçen alıcılar, yalnızca Ll frekansında kod ve faz ölçüleri (tek frekanslı alıcılar) ya da Ll frekansında kod ve faz ölçüleri ile L2 frekansında yalnızca faz ölçüleri yaparlar. Bunlar 4 kanaldan başlayıp 12 kanala kadar olabilmektedir. Bu alıcılarla, jeodezik amaçlı her türlü ölçü (statik, hızlı statik, kinematik vb.) yapılabilmektedir.

c. P kod Alıcıları: P kod kullanırlar ve böylece Ll ve L2 frekanslarının her ikisinde de çalışmaktadırlar. Taşıyıcı dalgalardaki P kod verileri bunların alıcı içerisinde üretilen benzeri ile karşılaştırılarak elde edilmektedir. Bu şekilde uydudan alınan sinyal ile bunun alıcıda üretilen benzerinin karşılaştırılması için çapraz korelâsyon (cross correlation) yapılmaktadır. Uydu sinyalindeki kod bileşenleri ayıklanana kadar faz ölçüsü yapmak olanaklı değildir. Bu alıcıların en önemli üstünlüğü uzun bazların (>100 km) cm mertebesinde doğruluklarla belirlenebilmesidir. Ancak AS (Anti-Spoofing) özelliğinin uygulanmaya başlanmasıyla P kod kriptolanmış ve böylece Y kod kullanılmaya başlanmıştır. Bununla birlikte P kod alıcıları ile kodsuz veya yarı kodsuz yöntemler kullanılarak faz ölçüleri ve Y kod bilgisine gereksinim olmadan L2 frekansındaki uydu-alıcı mesafeleri (pseudorange) belirlenebilmektedir. P kodlu alıcılarla L2 frekansında veri toplamak için günümüzde kullanılan yöntemler; sinyalin karesini alma (squaring) tekniği, çapraz korelâsyon (cross-correlation), kare alma tekniği kullanılarak kod korelâsyon ve Z-İzleme (Z-tracking) tekniği olarak sayılabilir.

d. Y kod alıcıları, AS etkisi altındaki P kod'a doğrudan ulaşım olanağı sağlamaktadır. Böylece, Ll ve L2 frekanslarındaki kod ve faz ölçüleri yapılabilmektedir (P kod korelâsyon tekniği). Ancak, Y kodlu alıcılar askeri amaçlı alıcılar olup bu alıcıların her bir kanalına AOC (Auxiliary Output Chip) modülü takılı olmalı ve bu tip alıcıların SM (Security Modüle) modülünün olması gerekmektedir. Bu modüller ile Y kod çözülerek P kod elde edilebilmekte ve SA (Selective Availability) etkisi ile uydu koordinatlarına uygulanan kasıtlı bozulmalar da giderilebilmektedir. Y kod alıcıları için gerekli olan AOC ve SM modüllerini ABD tarafından yetki verilen kullanıcılar alabilmektedir.

0 GPS Sinyalinin Özellikleri

Tweet

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 f_r 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 = f_r - f_s= -1 / c V_s f_s                                                                                                        (4.1)

V_s = d_ρR^SV / d_t                                                                                                                     (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

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

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.

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

0 Matlab Notları - Matlab'a Giriş

Tweet

Haritacılıkta Matlab Uygulamaları

Ders 1 - Matlab'a Giriş

İçindekiler:


Matlab nedir?
Avantajları nelerdir?
Matlab giriş ekranı

• Current folder (Çalışma dizini)
• Command window (Komut penceresi)
• Editor (Metin düzenleyicisi)
• Function
• Script
• Workspace (Çalışma alanı)
• Command history (Komut geçmişi)

Matlab menü

Matlab start

Matlab dosya türleri

Değişkenlerin tanımlanması

Değişken komutları

Sık kullanılan komutlar

Sayı formatları

Mantıksal ve karar operatörleri

İşlem önceliği

Özel değişkenler

Özel karakterler

İşlem operatörleri

Temel matematiksel fonksiyonlar

Matlab help

Uygulama 1 (1.Temel Ödev)

Çalışma (2. ve 3. Temel Ödev)

İndirmek için tıklayınız!

1 Online Jeoit/Geoid Yüksekliği Hesaplama

Tweet