GNSS TEKNİĞİ Konum Ölçmeleri

1. GNSS TEKNİĞİ Konum Ölçmeleri Yrd. Doç. Dr. Ayhan CEYLAN Yrd. Doç. Dr. İsmail ŞANLIOĞLU

2. 5. GNSS SİSTEMLERİ • Küresel Konum Belirleme Amaçlı Uydu Sistemleri • GPS (Global Positioning System, ABD) • http://www.gps.gov/ • GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, Rusya) • http://www.glonass-center.ru/ • GALILEO (Galileo Galilei, İtalyan Bilim Adamı’nın İsmi Avrupa Birliği) • http://www.gsa.europa.eu/ • COMPASS (Beidou-2,Çin) • http://www.sinodefence.com/default.asp • http://www.beidou.gov.cn/ • IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System, Hindistan) • QZSS (Quasi Zenith Satellite System, Japonya)

3. 5. GNSS SİSTEMLERİ • GPS • UYDU SAYISI 31 (en az 24) • YÖRÜNGE SAYISI 6 • PERİYOT 11s. 58 dk • Block IIA, IIR, IIR(M), IIF, Block III • Ölçüleri L1, L2, P1, P2, C/A

4. Uzay Bölümü GPS uydularının ortalama dönüş zamanları dır. Bu uyduların dünyaya uzaklıkları 20200 km.’dir. İçinde sinyal gönderici, sinyal kaydedici, anten, osilator ve mikroişlemci bulunan uydular ortalama 430-1500 kg. ağırlığındadır. Dünyanın her yerinden en az 4, en çok 12 uydu gözleme imkanı verecek şekilde 6 ayrı yörünge düzleminde hareket etmektedir.

5. UzayBölümü Uydu, her biri 7.2 m2 ‘lik iki adet güneş kollektörü ile elektrik enerjisini sağlar. Güneş enerjisi panellerinin yüzeyi güneşe dik gelecek şekilde tutulmaktadır. Uydunun güneşi görmemesi durumunda enerji sağlamak için uyduda 3 adet nikel-kadmium pil bulunmaktadır. Zaman ise 2 adet ribidyum, 2 adet sezyum atomik saatten üretilmektedir

6. Uzay Bölümü Bütün uydu sinyalleri temel frekans olan 10.23 MHz’den üretilmiştir. Temel frekans ise atomik saatlerden üretilir. Temel frekans 154 ile çarpıldığında L1 taşıyıcı dalga frekansı olan L1=1575,42 MHz, 120 ile çarpıldığında L2 taşıyıcı dalga frekansı olan L2= 1227,60 MHz elde edilir. P kodu temel frekans olan 10.23 MHz.’tir. C/A kodu ise temel frekansın 1/10’u yani 1.023 MHz.’tir. L1 taşıyıcı dalga boyu 19.05 cm, L2 taşıyıcı dalga boyu 24.45 cm, P kodunun dalga boyu 29.31 m. ve C/A kodunun dalga boyu ise 293.1 m.’dir. L1 sinyali hem P hem de C/A kodu ile modüle edilmiştir. L2 sinyali ise sadece P kodu ile modüle edilmiştir. L1 ve L2 sinyalleri sürekli olarak navigasyon verileri (uydu mesajları) ile modüle edilmiştir.

7. Uydu Sinyalleri • GPS ölçmelerinde elektromanyetik dalgalar kullanılarak uydulardan kullanıcılara veri akışı sağlanmaktadır. Her bir GPS uydusu konum belirleme amaçlı olarak L1 ve L2 olmak üzere 2 temel frekansa sahiptir. • Kontrol bölümü ile uydular arasındaki veri akışı S bant üzerinden uydular ile kullanıcılar arasındaki veri akışı L bant üzerinden yapılmaktadır. • C/A kod sadece L1 üzerine modüle edilmiştir. Periyodu çok kısadır. Böyle seçilmesinin sebebi ise GPS alıcılarının uydulara en kısa sürede kilitlenmesini sağlamaktır P kod L1 ve L2 taşıyıcıların her ikisine de modüle edilmiştir. P kod her hafta sıfırlanıp yeniden yayınlanır.

8. Uydu Sinyalleri (1) • GPS uyduları 2 frekansta radyo sinyali yayınlar • L1: 1575.42 MHz (C/A and P/Y code,L1C) • L2: 1227.60 MHz (L2C and P/Y code) • L5: 1176.45 MHz • 2 Servis Sağlayıcı • Standard Positioning Service (SPS) • Precise Positioning Service (PPS)

9. Uydu Sinyalleri (2) • Radyo sinyalleri; • Birbirine benzemeyen pseudorandom kod • Ephemeris bilgisi • Saat ve saat düzeltme bilgisi • Sistemzamanı • Durum mesajı • Almanac bilgisi

10. Uydu Sinyalleri (3) • Uydu sinyallerinin GPS alıcısına doğrudan ulaşması gerekir. • Sinyaller su, toprak, duvar ve diğer engellerden geçemezler.

11. GPS’ in Modernizasyonu GPS modernizasyonuaskeri ve sivil gereksinimleri karşılamaktadır. Block IIR-M, IIF Block III Block IIA/IIR IIR-M: IIA/IIR kabiliyetlerinde & • 2.sivil sinyal (L2C) • Yeni Askeri kod • Sinyal karıştırmaya karşı güçlü sinyal(+7dB) IIF: IIR-M kabiliyetine ek olarak • 3.sivil sinyal (L5) III: IIF kabiliyetlerinde & Geliştirlmiş sivil sinyal (L1C) • Duyarlılığı artırılmış (±4.8-±1.2m) • Navigasyonu garantileme • Sinyal karışırmaya karşı güçlü sinyal (+20 dB) IIA / IIR: tEMEL GPS • C/A sivil sinyal (L1C/A) • Standart Servis, ±16-24m • Hassas Servis, ±16m • L1 & L2 P(Y) nav

12. L2C 2.Sivil Sinyal (L2C) 1227.6 MHz • Aralık 2005 den buyana ücretsiz olarak hizmet vermektedir. • Şu anda 2 (Blok IIR-M) uydu bu hizmeti vermektedir. • Bu tarihten sonra fırlatılacak bütün GPS uyduları bu hizmeti verecektir. L1 frekansı üzerindeki C/A nın bazı sınırlamalarını ortadan kaldıracaktır. • Ticari ihtiyaçları karşılamak için tasarlanmıştır. • İonosferik düzeltmelere imkan sağladığı için yüksek doğruluk sağlanacaktır. • Indoor kullanıma imkan sağlamaktadır. • Alıcıların boyutlarının küçültülmesine ve daha hızlı sinyal alımına imkan sağlamaktadr. • Daha etkin güç ve iyileştirilmiş veri yapısı, diğer radyo sinyalleriyle karışımı azaltmaktadır.

13. L2C 2.Sivil Sinyal (L2C) 1227.6 MHz • L2 frekanslı (çift frekanslı) ucuz alıcılar bu sinyalden yararlanmaktadır. • 5 milyar $ ‘ın üzerinde bir Pazar genişlemesi beklenmektedir. • Yer kontrol Sisteminin güncellenmesi ve Blok IIR-M uydularının atılmaya devam edilmesiyle daha fazla fayda sağlanacaktır. • Tracking (izleme) kapasitesini arttıracaktır (yaklaşık 3dB veya daha fazla).

14. L5 3.Sivil Sinyal (L5) 1176.45 MHz • Blok IIF uydularıyla birlikte hizmet verecek. • Ulaşım güvenliğinin artan ihtiyaçlarını karşılamak için tasarlanmıştır. • Diğer sivil GPS sinyallerinden daha güçlüdür (L1’e göre 6dB daha güçlü). • Radyo bant genişliğinin fazla olması sinyal karışımına karşı direnci artırmaktadır. • En az 20MHz broadcast genişliğe sahiptir. • Havacılık Radyo Navigasyon Servisinin (ARNS) yüksek derecede korunmuş bandını kullanmaktadır. • Yeni sinyal yapısı performansı arttırmaktadır. • Global olarak (multi-signal) tekniğiyle santimetre (cm) seviyesinde doğruluk elde edilebilmektedir. • GALILEO’nun E5-A sinyali ile birlikte işletilebilmektedir.

15. L1C 4. Sivil Sinyal (L1C) 1575.42 MHz • Bu hizmet GPS Blok III uydularıyla verilmeye başlanacaktır. • Farklı Uluslar arası GNSS sistemlerinin birlikte çalıştırılabilirliğinin sağlamak için tasarlanmıştır.(Galileo’nun Open Service, Japonya’nın QZSS ve muhtemelen GLONASS) • L1 frekansının modernizasyonuyla gerçekleşecektir (ARNS bandı, İyileştirilmiş kod ve taşıyıcı dalga, yeni mesaj yapısı). • L1 (C/A), geçmişle uyuşumu sağlamak amacıyla devam ettirilecektir.

16. GPS III • GPS sisteminin modernizasyonu kapsamında en son geleceği noktadır. • İlk uydusu 2013 de fırlatılması düşünülmektedir. • Sivil kullanıcılar GPS IIR-M ve GPS IIF uydularının kombinasyonuyla L2C ve L5 ve L1C sinyallerini bu uydulardan alabileceklerdir. • Bu uyduların göndereceği L1C sinyalini GALILEO ve QZSS de kullanabilecektir. • GPS sisteminin doğruluğunda önemli bir artış sağlanacaktır. • Sinyal karışımına karşı direnç artacaktır. • Günümüzdeki mevcut alıcılar sistemle uyuşumlu olacaktır. • GALILEO nun Open Service ile birleşme imkanı olacaktır. • Gelecek 30 yılda GPS kullanıcılarına en iyi GPS sistemini sağlayacaktır. • Askeri ve sivil ihtiyaçları en iyi şekilde karşılayacaktır.

17. GPS III • Sistemin performans doğruluğu, erişilebilirliği, bütünlüğü ve güvenirliği artacaktır. • Sivil ve askeri kullanıcılar için farklı spektral bölgeler kullanılacaktır. • Askeri harekat (savaş) bölgesi dışındaki bölgelerde sivil kullanıcılar korunacaktır. • Yeni ticari fırsatlar sağlayacaktır. • Diğer GNSS sistemleriyle birleşme imkanı sağlayacaktır.

18. Frekans kombinasyonları • Dar Aralık (Narrow-Lane) = f1 + f2 ≈ 11 cm • Geniş Aralık (Wide-lane) = f1 – f2 ≈ 86 cm • İoyonosferden bağımsz (L3 Iono-Free)≈ f1/(f1-f2) ≈ 5 cm • Bu frekanslar ne işe yarar • Dar aralık ve geniş aralık kombinasyonları taşıyıcı faz başlangıç belirsizliği (ambiguity) çözümünde kullanılır • L3, Iono-free kombinasyonu iyonosfer etkisini büyük ölçüde azaltır veya elimine eder. • Bütün kombinasyonlar orijinal ölçü değildir. GPS yazılımları matematiksel olarak oluşturur.

19. Uydu Alıcı Zaman geçikmesi Kod ölçüsünün oluşumu ve gönderimi İletim Zaman Taşıyıcı sinyali ile Birleştirilmiş… PRN kodu... Modüle edilmiş taşıyıcı Sinyali üretir which is transmitted... Demodulasyon çalışarak Sinyal alıcı tarafından belirlenir, Uyduya kilitlenir, fakat Belirli zaman geçikmesi ile...

20. Uydu Almanak Kütüğü (Bilgisi) • Konumlama ve zaman mesajı bilgileriyle birlikte gönderilir. • Tüm uydu yörüngelerinin kestirimi • Satellite availability software yazılımı • Yaklaşık 30 gün geçerlidir. • GPS alıcısının ölçüye başlamak için ilk açıldığı sırada hızlı bir şekilde uyduya kilitlenebilmesi için gerekli olan doğruluğu oldukça düşük uydu koordinatlarını sağlar. Almanak verileri her uydu tarafından yayınlanır.

21. Uydu Yörüngeleri (Efemerisleri) • Anlık (gerçek zaman-realtime) konum belirleme uygulamalarında GPS navigasyon mesajının bir parçası olarak yayımlanan yayın efemerisi ve saat bilgileri kullanılmaktadır. Yayın efemerisinde uydu konum doğruluğu ±100 cm civarındadır. Yayın efemerisine broadcast efemeris denir • Bu uygulamalarda kod ölçüleri kullanıldığından, mutlak konum belirleme yada tek nokta konum belirleme yapılır. Metre seviyesinde konum elde edilir. • 50 km’’dan daha uzun bazların bağıl konum belirleme ile ölçülmesinde hassas efemeris kullanılır. Hassas efemerise precise efemeris denir. • Hassas efemeris, sp3 uzantılı dosya olup uydu geçtikten 13-18 gün sonra internetten elde edilir ve ±2,5 cm doğruluğundadır. • Hassa efemeris bilimsel kuruluşlarca hesaplanın internet aracılığı ile kullanıcılara ücretsiz servis edilmektedir.

22. Kontrol Bölümü Kontrol bölümü, Ana Kontrol ve Gözlem İstasyonlarından oluşmaktadır. Ana ve yer kontrol istasyonları ile gözlem istasyonları, sürekli olarak GPS uydularını gözleyerek, uydu yörüngelerinin belirlenmesini, uydu saat düzeltmelerinin hesaplanmasını ve her saat bu bilgileri içeren mesajların güncellenmesini sağlarlar. Ana Kontrol İstasyonu ( Colorado), gözlem istasyonlarından aldığı bilgi ile uydu yörünge ve saat parametrelerini hesaplar, daha sonra bu bilgileri mesaj halinde uydulara yüklemek üzere yer kontrol istasyonlarına gönderir. Gözlem İstasyonları, presizyonlu cesium saatler ve P kod alıcılar ile yaptıkları gözlemleri uydu yörüngelerini belirlemede kullanırlar. Yer Kontrol İstasyonları, gözlem istasyonları ile aynı yerde konuşlandırılmışlardır. Uydulara yükleme yapacak şekilde yer antenleri ve haberleşme hatları ile donatılmışlardır.

23. GPS Kontrol istasyonları

24. U.S. DoD İzleme İstasyonları • Yörüngeler hassas olarak ölçülür • Kestirilen yörünge bilgileri (almanac) ile gerçek yörünge bilgileri arasındaki farklılıklar uyduya geri gönderilir.

25. Kullanıcı Bölümü • GPS uydularından yayılan sinyaller üzerinden bilgileri alarak yeryüzündeki bir noktanın konumlanmasını sağlayan alıcılar, GPS sisteminin kullanıcı bölümünü oluştururlar. Böyle bir gözlem seti şu bölümlerden oluşur ; • GPS alıcısı ve yazılımı • GPS anteni ve anten kablosu • Alet sehpası • Batarya • Üç ayak düzeç (tribrach) • Güneş panelleri

26. GPS sisteminin kullanıcı bölümü

27. Kullanıcı Bölümü

28. Kullanıcı Bölümü

29. Kullanıcı Bölümü Alıcılar, günümüzde GPS alıcıları tek frekanslı ve çift frekanslı olmak üzere iki tip üretilmektedir. Alıcının işlevi osilatörde üretilen sinyali, anten aracılığıyla alınan GPS sinyali ile Sinyal işlemcide karşılaştırarak sonucu mikro işlemciye gönderir ve burada kod ve faz ölçüleri oluşturur. Bu ölçüler kayıt ünitesine gönderilerek kaydedilir. Bir GPS alıcısının işlevsel yapısı şekil ’de gösterilmiştir. Tek Frekanslı : L1 ve C/A-Kod Çift Frekanslı : L1, L2 ve C/A ayrıca P(Y)-Kod

30. Kullanıcı Bölümü Alıcı antenlerinin kullanılan çok çeşitli tipleri vardır. En çok kullanılan anten tipleri arasında, manapole, helix, spiral helix, microstrip, choke ring sayılabilir. Anten uydudan gelen elektromanyetik dalgaları alır ve bunu elektrik enerjisine çevirir. Sinyalin gücünü yükselterek alıcının elektronik devresine gönderir.Alet Sehpası, GPS sinyallerinin alıcı antenine ulaşmasına mani engellerden alıcı antenini korumak ve anteni sabit nokta üzerine sabitlemek için kullanılır. Üç ayak düzeç (tribrach), anten ile sehpanın birbiriyle irtibatını ve antenin düzeçlenmesini sağlayan bir donanımdır. Optik çekül ve küresel düzeç ile donatılmıştır.Batarya sistemin çalışabilmesi için gerekli olan enerjiyi sağlayan donanımdır. Güneş panelleri ise sistemin kullandığı bataryaları gün ışığında şarj etmek için kullanılırlar. 24 saat veri toplanmasını gerektiren yüksek doğruluklu konum belirleme çalışmalarında önemli bir yeri vardır.

31. GPS Nasıl Çalışır? (Konum hesaplama) • GPS alıcısı kendi konumunu uydulara olan uzaklığını ölçerek hesaplar.

32. Uydulara olan Uzaklığın Ölçülmesi(1) • 1. Sinyalin uydu ile GPS alıcısı arasında seyahatindeki zamanı ölçme • 2. Işık hızı x seyehat süresi = Uzunluk • 3D konumlama (latitude, longitude and altitude) için en az 4 uyduya ait uzunluk ölçüsüne gereksinim vardır.

33. 12,000 mi bitiş: 0.06 s Uydulara olan Uzaklığın Ölçülmesi (2) start: 0.00 s • Uzaklık Ölçümü başlama: 0.00 s end: 0.06 s

34. Ölçülenler(Değişkenler) • Latitude (Enlem) • Longitude (Boylam) • Altitude (Yükseklik) • Time (Zaman)

35. Uydu Konumlama 1 Uydu2 Uydu 3 Uydu Latitude Longitude Latitude Longitude Height

36. Uydu Konumlama Latitude Longitude Height Time veya X, Y, Z, t 4 uydu

37. Uydu Konumlama Latitude Longitude Height Time veya X, Y, Z, t 4 uydu

44. GNSS (Global Navigation Satellite System)

45. NİÇİN GNSS (Global Navigation Satellite System) Bütün alanlar geniş ve açık değildir. Sinyalleri etkileyen engeller uyduyu da elimine eder. Sistem minimum uydu seviyesinin altına düşer ve yüksek oranda doğruluğunu yitirir.

46. Uydu Sistemlerinin Birleştirilmesi Mevcut uydu sayısını arttırmak ve performansı iyileştirmek

47. Birden Fazla Uydu Sistemi (GPS+GLONASS+GALILEO+ Ve diğ.) Uydu sistemlerini birleştirmek uzayda daha fazla uydunun eklenmesini sağlar. Ekstra uydular minimum gerekliliklerin yerine getirilmesine yardımcı olur.

48. GPSUydu Mevcudu

49. GPS’in zor alanlarda kullanımı

50. GPS & Glonass