GPS sistemleri nasıl çalışıyor?
GPS (Global Positioning System; Küresel Konumlama Sistemi), düzenli olarak kodlanmış bilgi yollayan bir uydu ağıdır ve uydularla arasındaki mesafeyi ölçerek dünya üzerindeki kesin yeri tespit etmeyi mümkün kılar. GPS dünyanın ilk uydu navigasyon sistemidir. GPS’e resmi adını veren ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiştir: NAVSTAR sistemi (Navigasyon Uydu Zamanlama ve Mesafe Belirleme).
Bu sistemin ilk kuruluş hedefi tamamen askeri amaçlar içindir. GPS alıcıları yön bulmakta, askeri çıkartmalarda ve roket atışlarında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, 1980’lerde GPS sistemi sivil kullanıma da açılmıştır. Günümüzde GPS teknolojisinin birçok kullanım alanı vardır ve her geçen gün bunlara yenileri eklenmektedir.
Dünyanın yaklaşık 20 bin km yükseğindeki yörüngesine yerleştirilmiş, 20’den fazla uydu bulunmaktadır. Yörüngenin bu kadar yüksek tutulması yeryüzünün herhangi bir noktasındaki GPS alıcısının en az dört uyduyu görmesini sağlamak içindir. Bu uydular 12 saatte bir dünyanın çevresini dolaşırlarve güneş enerjisi ile çalışırlar. İlk uydu 1978 yılında fırlatılmış ve ağ 1994 yılında tamamlanmıştır. Her bir uydu son derece hassas radyo sinyalleri gönderir. Bu sinyaller saat, yörünge gibi pek çok parametreyi içermektedir. Sistemin esas çalışma mantığı yeryüzündeki alıcıların bu sinyallerin geliş süresini ölçerek uyduya olan mesafeyi hesaplamasıdır. Bu sayede birçok uydudan gelen bu bilgiler derlenerek dünya üzerindeki konum son derece hassas bir şekilde hesaplanabilmektedir.
Günümüzde GPS teknolojisi sivil alanda haritalama, sivil havacılık, referans saat ve hatta görme engelliler için geliştirilen projeler ve diğer birçok alanda kullanılmaktadır. Fakat bunlar arasında günlük hayatta en yaygın kullanım şekli, “yol navigasyonu” olarak adlandırılabilecek işlevi olan ürünlerdir. Bu ürünler GPS kullanarak aracınız ile seyir halinde iken size en doğru rotayı çizen ve bunu sesli ve görüntülü olarak bildiren sistemlerdir.
NAVSTAR sistemi, uzay bölümü (uydular), kontrol bölümü (yer istasyonları) ve kullanıcı bölümünden (GPS alıcısı) oluşur.
Uzay Bölümü
Uzay bölümü, en az 24 uydudan (18 aktif 6 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 Bakanlığı’na 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.
GPS sinyalleri binalardan yansıdığı için şehir içlerinde araziye oranla hassasiyeti azalır. Yeraltına kazılan tünellerde ise sinyal elde edilemez. Hatalı sinyallerin elde edilebileceği ya da hiç sinyal elde edilemeyen bölgelerde kullanılmak üzere geliştirilen Diferansiyel GPS’ler tarafından bu hatalar en aza indirilerek daha hassas bir yer ölçümü yapılabilir.
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. Bu yüzden GPS uydularından temiz sinyal alabilmek için açık bir görüş alanı gereklidir.
GPS uyduları tarafından gönderilen elektromanyetik dalgalar atmosferden geçerken bükülmeye uğrarlar. L1 ve L2 bantları farklı dalga boylarına sahip olduğundan farklı oranda bükülmeye uğradığından aradaki farklılık hesaplanarak atmosferik bozulma engellenerek çok daha hassas bir yer bilgisi hesaplanabilir. Sadece L1 bandı kullanılarak (diferansiyel GPS ile dahi) 98 m. hassasiyet elde edilebilirken, L1 ve L2 bantlarının ortak kullanımı ile 1 m.’nin altında hassasiyete ulaşmak mümkün olmaktadır.
Her uydu yerdeki alıcının sinyalleri tanımlamasını sağlayan iki adet özel pseudo-random (şifrelenmiş rastgele 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)” ya da 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 ionosferik gecikme bilgisini içerir. Uydu sinyalleri çok güvenilir atom saatleri kullanılarak zamanlanır.
Kontrol Bölümü
Adından anlaşılacağı gibi, Kontrol Bölümü, GPS uydularını sürekli izleyerek, doğru yörünge ve zaman bilgilerini sağlar. Dünya üzerinde 5 adet kontrol istasyonu bulunmaktadır.(Hawai,Kwajalein,Colorado Spring(Ana merkez),Ascension adaları ve Diego Garcia) Bunlardan dördü insansız, biri insanlı ana kontrol merkezidir. İnsansız kontrol merkezleri, topladıkları bilgileri ana merkeze yollarlar. Ana merkezde bu bilgiler değerlendirilerek gerekli düzeltmeler uydulara bildirilir.
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 (receiver) bu bölümü oluşturur. Bir GPS alıcısı; algılayıcı (sensor), kontrol ünitesi, alıcı anteni ve güç kaynağından oluşur. Ölçü sırasında • Anlık faz farkı ölçüleri(data, ham ölçüleri) • Yayın efemerisi bilgileri (uydu yörünge bilgileri) • Atmosferik bilgiler (iyonosfer ve troposfer bilgileri) • Mesaj bilgileri(anten yüksekliği ve nokta bilgileri) elde edilir.
