Yrd. Doç. Dr. Müge Kirmikil

1. Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) Yrd. Doç. Dr. Müge Kirmikil

2. GPS: Nedir? • GPS (Global Positioning System; Küresel Yer Belirleme Sistemi ya da Küresel Konumlandırma Sistemi), düzenli olarak kodlanmış bilgi yollayan bir uydu ağıdır ve uydularla arasındaki mesafeyi ölçerek Dünya üzerindeki kesin yeri belirlemeyi sağlar • GPS alıcısı ve uydu sinyalleri yardımıyla herhangi bir yer ve zamanda, her türlü hava koşullarında, global bir koordinat sisteminde, yüksek duyarlıkta, en ekonomik şekilde, anında ve sürekli şekilde konum, hız ve zaman belirlemesi yapılabilir GPS Alıcısı

3. GPS: Nedir? • Bu sistem, ABD Savunma Bakanlığı'na ait, yörüngede sürekli olarak dönen uydulardan oluşur. Bu uydular radyo sinyalleri yayarlar ve yeryüzündeki GPS alıcısı bu sinyalleri alır. Böylece konum belirlenir.

4. GPS: Nedir? • Bu sistemin ilk kuruluş hedefi tamamen askeri amaçlar içindi. GPS alıcıları yön bulmakta, askeri çıkartmalarda ve roket atışlarında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, 1980'lerde GPS sistemi sivil kullanıma da açılmıştır.

5. GPS: Tarihçe • 1969—ABD Savunma Navigasyon Uydu Sistemi kuruldu (DNSS) • 1973—NAVSTAR (Navigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System) Küresel Yer Belirleme Sistemi geliştirildi • 1978—ilk 4 uydu uzaya fırlatıldı (Delta roketi fırlatıldı) • 1993—24’üncü uydu fırlatıldı • 1995—tam kapasiteli işletim • Mayıs 2000—Tüm kullanıcılara askeri ölçekte hassas veri sunumu

6. GPS: Çalışma İlkesi • Sistem temel olarak jeodezideki en eski tekniklerden biri olan ‘geriden kestirme’ esasına dayanır. • Geriden kestirme, konumu bilinmeyen bir noktadan konumu bilinen noktalara yapılan gözlem ve hesaplar ile bilinmeyen noktanın koordinatlarını hesaplamaya dayanır. • GPS sisteminde konumu bilinen noktalar GPS uydularıdır. • Bilinmeyenler, bulunulan noktanın kartezyen koordinatlarıdır (X,Y,Z) • Matematiksel olarak 3 bilinmeyenli bir denklemin çözümü için 3 bilinene ihtiyaç vardır • Burada 3 bilinen yetiyor gibi gözükse de, saat hatalarını ortadan kaldırmak için en az 4 tane bilinene ihtiyaç vardır • Bu nedenle GPS, 4 boyutlu bir sistemdir (X, Y, Z, t) • Bu modelde kullanılan mesafeler radyo dalgalarıyla elde edilen uzaysal mesafe ölçüleri, kullanılan nirengi noktaları ise yörünge (efemeris) bilgileri aracılığıyla belirli bir andaki koordinatları bulunabilen GPS uydularıdır

7. GPS: Nedir?

8. GPS: Uygulama Alanları • Askeri:(TSK-arazide yön bulma) • Araştırma:(Harita yapımı, yol yapım çalışmaları) • Görsel engelliler için:(Çeşitli projeler) • Havacılık:(Uçaklarda ek yön bulma aygıtı) • Referans saat:(Referans saat kaynağı olarak kullanılmakta) • Tarım • Denizcilik • Özel-rekreasyon

9. GPS: Sistem Bileşenleri UYDULAR Uzay Bölümü Kullanıcı Bölümü Yer Antenleri Ana İstasyon İZLEME İSTASYONLARI GPS sistemi; 1)Uzay bölümü (uydular), 2)Kontrol bölümü (yer istasyonları) 3)Kullanıcı bölümünden (GPS alıcısı) oluşur.

10. 1. Uzay Bölümü • 32 uydu aracı (28 aktif + 4 yedek) • Uydular yeryüzünden 20,200 km yukarıda olup, saatte 7.000 mil hızla hareket ederler ve 12 saatte bir dünya çevresinde bir tur atarlar • Yeryüzünde GPS alıcısı en az 4 uydu görür • 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.

11. 1. Uzay Bölümü Her bir GPS uydusu , • Senkronize (eşzamanlı) zaman sinyallerini • Tüm diğer uydularla ilgili konum bilgilerini • Kontrol bölümü tarafından yayınlanan bilgileri alır. • Her uydu, yerdeki alıcının sinyalleri tanımlamasını sağlayan iki adet özel kod yayınlar. Gelen bu sinyal, uydunun yörünge ve saat bilgisi, genel sistem durum bilgisi ve ionosferik gecikme bilgisini içerir. • Sinyalin uydudan dünyaya ulaşma süresi yaklaşık olarak 0.067 saniyedir. Saniyenin binde biri kadar oluşacak bir hata, mesafe ölçümünde 300 km (300.000 km/sn x 0.001 sn) lik bir hataya sebep olacaktır. Bu nedenle, uyduya olan mesafe ve konum belirlemek için, en az 4 uydu verisi kullanılarak hatanın en aza indirilmesi amaçlanır

12. 1. Uzay Bölümü • FM radyo sinyalleri 100.000 watt gücünde iken GPS sinyali 20-50 watt arasındadır. Bu sinyaller bulutlardan, camdan ve plastikten geçebilir ancak duvar ve dağ gibi katı cisimlerden geçemez. Sinyallerin kabul edilen hızı, ışık hızıdır. • Bu yüzden GPS uydularından temiz sinyal alabilmek için açık bir görüş alanı gereklidir. • GPS sinyalleri binalardan yansıdığı için şehir içlerinde araziye oranla duyarlılığı azalır. Yeraltına kazılan tünellerde ise sinyal elde edilemez.

13. Sinyallerin Alınması

14. 1. Uzay Bölümü (özet) • Her GPS uydusu Dünyayı günde iki kez turlar • Her uydu Dünyaya sinyal gönderir (zaman ve yörüngeye göre konum sinyalleri) • 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 (Yol= Hız x Zaman)

15. 2. Kontrol Bölümü • Dünya üzerinde 5 adet insansız kontrol istasyonu (Hawai, Kwajalein, Cape Cenavaral, Ascension adaları ve Diego Garcia) ve 1 adet insanlı ana kontrol istasyonu (Colorado Spring) bulunmaktadır. • İnsansız kontrol merkezleri, topladıkları bilgileri ana merkeze yollarlar. Ana merkezde bu bilgiler değerlendirilerek gerekli düzeltmeler uydulara bildirilir. • İstasyonların görevi; günlük olarak uyduların sağlıklı şekilde çalışmalarını sağlamak, toplanan verileri irdeleyerek uydu yörüngelerini belirlemektir. GPS uydularını sürekli izleyerek, doğru yörünge ve zaman bilgilerini sağlar. • Ana kontrol istasyonu ise tüm sistemin kontrolünden sorumludur.

16. 2. Kontrol Bölümü Ana Kontrol İstasyonu İzleme İstasyonu Yer Anteni US Space Command Cape Canaveral Hawaii Kwajalein Atoll Diego Garcia Ascension Is.

17. 3. Kullanıcı Bölümü • Kullanıcı bölümü yeryüzündeki alıcılardır. Çeşitli amaçlarla GPS kullanarak yerini belirlemek isteyen herhangi bir kişi, sistemin kullanıcı bölümünü oluşturur • GPS anteni & alıcı/işlemci • Pozisyon (yer) • Hız • Duyarlı zaman tayini • Kullanıcılar: • Hava araçları • Yer araçları • Gemiler • Bireyler

18. GPS Alıcısının Çalışması • GPS alıcısı açıldığında sinyal alma aşaması başlamıştır. • GPS alıcısı sinyal almaya başladığında ilk önce hafızasındaki uydulara ait navigasyon bilgilerine bakar eğer bu veriler işlevsel değilse gökyüzünü taramaya başlar. • Çok kanallı GPS alıcıları tarama işlemleri sonucunda sinyalini aldığı uyduları kanalları ile ayrı ayrı ilişkilendirir. Daha sonra hesapladığı mesafelere göre ve aldığı bilgilere göre konum belirleme işlemini yapar. • Sinyaller taşıyıcı izleme döngüsü ve kod izleme döngüsü ile takip edilir. • Yazılımlarla ve donanımlarla desteklenen her iki döngünün neticesinde uydulara kilitlenilir ve konum belirlenir.

19. 3. Kullanıcı Bölümü

20. 3. Kullanıcı Bölümü • Garmin eTrex • ~$100 • Garmin-12 • ~$150 • Casio GPS wristwatch • ~$300

21. 3. Kullanıcı Bölümü GPS alıcıları: a)P-Kod yorumlayabilen askeri amaçlı GPS b)Jeodezik amaçlı GPS c)Sivil kullanıcı portatif el GPS’i d)Renkli ekran portatif el GPS’i

22. 3. Kullanıcı Bölümü GPS sinyallerini yorumlayabilen elektronik araçlar a)Pocket-PC b)PDA cihazı c)Cep telefonu d)Kol saatleri

23. Sistem Nasıl Çalışır? İzleme İstasyonları • Diego Garcia • Ascension Adaları • Kwajalein • Hawaii • Colorado Springs Son kullanıcı GPS Ana Kontrol Colorado Springs Uzay bölümü 24+ Uydu Belirli zamanda gökyüzündeki objelerin konumları kullanıcılara gönderilir

24. Sistem Nasıl Çalışır? Bir noktanın konumu belirlenirken en az dört uydudan sinyal alınmalıdır, konum belirleme hassasiyeti uydu sayısıyla orantılıdır.

25. Üç uydu: İki nokta

26. Dört uydu: Bir nokta

27. Sistem Nasıl Çalışır? • Bir GPS alıcısı açıldığında sinyal alma aşaması başlamıştır. • Yeryüzünde en az 4 uyduyu görecek şekilde konumlandırılan bir GPS alıcısı, tarama işlemleri sonucunda sinyalini aldığı uyduları kanalları ile ayrı ayrı ilişkilendirir. Daha sonra hesapladığı mesafelere göre ve aldığı bilgilere göre konum belirleme işlemini yapar. • Hassaslık: 1 m den 15 m ye kadar (teknolojiye bağlı olarak)

28. Sistem Nasıl Çalışır? • Uzaklık ölçümü • Işık hızında hareket eden radyo sinyalleri • Uydudan kullanıcıya ölçüm süresi • Sinyallerin uydudan bize ulaşma süresinin ışık hızı ile çarpımı (uzaklık = hız x zaman) sonucunda uydu ile alıcı arasındaki uzaklık bulunur.

29. Uzaklık Ölçümü Işık hızı (300 000 km/sn) Bitiş: 0.06s • Mesafe ölçümü Başlangıç: 0.00 s

30. Hata Kaynakları • Atmosferik etkiler (iyonosfer ve troposfer katmanı) • Uyduların gökyüzündeki diziliş biçimi ve konumu (ephemeris hatası) • Kullanıcı hataları • GPS uydu ve alıcılarındaki saat hataları • Yeryüzü şekilleri (yansıma vs)

31. GPS : Klasik Ölçme • Noktalar arası görüş zorunluluğu ortadan kalkmıştır. GPS alıcı anteninin uydu sinyalini izleyebilmesi için gökyüzünü görmesi yeterlidir. • Nokta yeri seçiminde noktaların en yüksek yerlerde olması gibi zorunluluklar ortadan kalkmıştır. • GPS ölçülerinin yapılması büyük oranda hava şartlarından bağımsızdır. Gece ve gündüz sürekli (24 saat) ölçüm yapılabilmektedir. • GPS ölçülerinin yapılışındaki hız ve aletlerin kullanım kolaylığı, ölçücü hatalarının olmaması (anten yüksekliği ölçümü hariç) nedenleriyle ekonomik bir sistemdir. • Üç boyutlu nokta koordinatları elde edilmektedir. • Elde edilen jeodezik doğruluklar en duyarlı klasik jeodezik tekniklerle elde edilenlerle eşit ya da daha iyidir.

32. GPS: Olumsuz Yön • Alıcı anteni mutlaka açık gökyüzünü görmelidir. Başka bir deyişle, GPS sinyalleri mikrodalga sinyalleri gibi kuvvetli olmadığından kapalı yerlerde, su altında, çok sık ağaçlıklı bölgelerde, binaların çok olduğu yerleşim yerlerinde, tünel ve madenlerde kullanılamamaktadır. • Ağır yağışta, güçlü radyo yayınının yapıldığı ya da yayın antenlerinin olduğu yerlerde verimli değildir

33. Koordinat Sistemleri

34. GPS: Kullanımı Uydular ile bağlantı kurulduktan sonra bulunulan noktanın UTM*projeksiyonuna göre bölge, konum, yükseklik ve hassasiyet bilgisi (en az 3m) ekranda görülebilir. Mark tuşu yardımıyla ilgili nokta cihaza kaydedilir.

35. UTM Silindirik Projeksiyonu *UTM Projeksiyonu (Universal Transverse Mercator), Dünya, başlangıç meridyenleri 6°'de bir değişen 60 dilime (zone) ayrılır ve referans enlemi ekvatordur. Her dilimin enlem genişliği 80° kuzey, 80° güney enlemidir. Her dilimin ayrı bir koordinat sistemi vardır. Dilim orta meridyenleri X ekseni, ekvator da Y eksenidir. İkisinin kesişimi başlangıç noktasıdır. X değerleri dünyadaki uzunluklarla aynı, Y değerleri ise dünyadakinden biraz büyüktür. Bu farkı azaltmak için X, Y değerleri mo = 0,9996 ile çarpılır. Y değeri başlangıç meridyeninin solunda negatif olur. Bundan kurtulmak için Y değerine 500.000 eklenir. Uzunluk birimi metredir.

36. UTM Dilimleri Türkiye

37. UTM Silindirik Projeksiyonu

38. UTM Silindirik Projeksiyonu

39. GPS: Kullanımı Menu/Ayarlar/Harita birimleri/Koordinat sistemi bölümünden UTM yerine Coğrafik (Derece-Dakika) projeksiyona geçilebilir Nav tuşu ile pusula özelliği de kullanılabilir.

40. GPS: Coğrafik Koordinatlar

41. GPS: Kullanımı Menu/Kayıtlı noktalar/Alfabetik bölümünden daha önce kaydedilmiş olan noktaların bilgilerine ulaşılabilir. İstenirse bilgisayar bağlantısı ile veriler aktarılabilir.