GPS 101

GPS Nedir?

GPS, açılım itibariyle Global Positioning System anlamına gelir. Küresel Konumlandırma Sistemi olarak Türkçeleştirilebilir. Bu sistem, dünya üzerindeki konumumuzu bir GPS alıcısı aracılığıyla 5-10 metre hata payıyla anlık olarak bulmamızı sağlar.

GPS’in Tarihçesi ve Bugünü

GPS, Amerika Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiş, kontrolü tamamen Amerika Savunma Bakanlığı’nda olan ve tam adı NAVSTAR-GPS olan bir konumlandırma sistemidir. Günümüzde sivil GPS kullanımı Amerika Savunma Bakanlığı’nın izniyle olmaktadır.

GPS’in tasarımı 1940’larda geliştirilen radyo bazlı konumlandırma sistemleri baz alınarak geliştirilmiştir. 1960’da fırlatılan 5 uydu ile sağlanan Transit adlı ilk uydu konumlandırma sisteminin ardından 1978’de GPS’in ilk uydusu fırlatılmıştır. 1993 Aralık ayında GPS sistemi çalışabilir hale gelmiş ve 17 Ocak 1994’te 24 uydunun 24’ü de yörüngelerine yerleşmiştir.

Bazı başka ülkeler (Avrupa Birliği (2013), Rusya, Çin, Japonya…) GPS benzeri kendi konumlandırma sistemlerine sahiptir. GPS’in askeriyede ne derece önemli olabileceği ve Amerika’nın bir savaş anında bu sistemi kendine saklayacağı düşünüldüğünde başka ülkelerin kendi sistemlerini geliştirmede neden bu kadar hevesli oldukları açıkça anlaşılacaktır.

GPS ve Sivil Konumlandırma

GPS temelde askeri amaçlara hizmet etmek amacıyla tasarlanmıştır. Askeri operasyonlarda konumlandırmadan, kıtalar arası füzelerde keskin hedeflemeye kadar birçok amaçla kullanılmaktadır. 1996 yılına kadar GPS sivil amaçlar için kullanılamıyordu. Ancak zaman içerisinde artan büyük ilgi ve ihtiyaç sonrası o zamanın başkanı Bill Clinton tarafından sivil kullanıma açılmıştır.

2004 yılında GPS kullanımının aşırı derecede artması sonrasında ABD başbakanı George W. Bush GPS kullanım şartlarını yenilemiş, sivil konumlandırmanın bundan sonra kesintisizin süreceğini ve ücretsiz olacağını güvence altına almıştır.

GPS’in Çalışma Esasları

GPS genel olarak üç katmanda incelenebilir.

Katman 1: Uzay Katmanı

GPS, dünya üzerinde yörüngeye oturtulmuş 24 uydu ile sağlanmaktadır. Bunlardan başka yedekte başka uydular da bulunmaktadır. Bu uydular, dünyanın hiçbir noktası herhangi bir anda boş kalmayacak şekilde konumlandırılmıştır.

Bu uydular yörüngelerinde saatte yaklaşık 11.000 kilometre hızla seyreder ve 24 saatten daha kısa bir süre içerisinde dünya çevresinde tur atarlar. Bu uydularda yörüngeden çıkmaları durumunda, yeniden konumlanmalarını sağlayacak minik roketler bulunmaktadır. Uydular güneş enerjisi ile çalışacak şekilde tasarlanmış olup, güneş tutulması ve olabilecek başka kesintilerden zarar görmemeleri için yedek bataryalarla donatılmıştır. Uydular 10 yıllık tasarlanmış olup, sürekli yeni uydular gönderilerek konumlandırmanın sürekliliği sağlanmaktadır.

Katman 2: Kontrol Katmanı

Dünya üzerinde tüm kontrol istasyonları birlikte yörüngedeki 24 uydunun tamamını da görecek şekilde konumlandırılmış 6 tane kontrol istasyonu bulunur. Bu kontrol istasyonları sürekli olarak sistemin stabilitesini ve uyduların sağlık durumlarını ve uydulardaki sistem saatlerini öğrenerek ana istasyona rapor ederler.

Ana istasyon tüm istasyonlardan gelen bilgileri değerlendirerek, gerekli düzeltmeleri yapar, uyduların dünya üzerindeki konumlarını (ephemeris) uydulara dünya üzerindeki bir anten aracılığıyla gönderir. GPS sisteminde uydulara gönderilen tek sinyal budur.

Katman 3: Kullanıcı Katmanı

Uzaydaki 24 GPS uydusu çeşitli frekanslarda mikrodalgalar yayarlar. Sivil konumlandırma için 1575.42Mhz frekansı kullanılır. (Askeri konumlandırmada bilgiler şifreli gönderilmektedir.) Bu mikrodalgalar çeşitli bilgiler içerir:

• Mesajın gönderildiği zaman
• Mesajı gönderen uydunun yörüngedeki konumu
• Sistem genel durumu ve diğer uyduların yörüngedeki konumları

Dünya üzerindeki bir kişi GPS alıcısını kullanarak yörüngedeki bu uydulardan sinyal almaya çalışır. GPS alıcısı bir uydudan sinyal yakaladığında kendi saati ile uydunun sinyali ne zaman gönderdiği arasındaki farkı hesaplayarak uydu ile arasındaki uzaklığı bulabilir. Böylelikle, uydu merkez olacak şekilde, yarı çapı uydu-alıcı arası uzaklık olan bir küre çizlirse, GPS alıcısı bu kürenin sınırında bir yerlerde olur. Aynı GPS alıcısı iki uydudan daha sinyal yakalarsa üç tane küre elde edilmiş olunur. Bu üç kürenin kesişimi tek bir noktayı işaret edecektir ki bu da GPS alıcısının konumu olacaktır. Daha sonra uyduların dünyaya göre konumlarını kullanarak bir hesaplama yapıldığında GPS alıcısının dünya üzerindeki yeri konumlandırılmış olur.

Gözünüzde canlandırmaya çalışırsanız (iki boyutlu konumlandırma için bir örnek bu yazıya şekil olarak eklenmiştir) bu üç kürenin aslında iki noktada keiştiği görülür. Hangisindeyiz? Bu sorunun cevabı genellikle “dünyaya yakın olan” olduğundan, böyle kabul edilir. Bu yüzden teknik olarak üç uyduya bağlanmak konum tespiti için yeterlidir.

Ancak pratikle üç uydu yeterli kalmaz. Bunun en önemli nedeni GPS alıcısının saati ile uydu saatlerinin birbirini tutmamasıdır. Uydular kendi atom saatlerine sahiplerdir ve bu yüzden geri kalmazlar. Ancak atom saatleri çok pahali olduklarından ve GPS alıcısının ucuz olması gerektiğinden bu cihazlarda genellikle quartz saatler kullanılır. (Kol saatinizdekinden bir farkı yoktur.) Bu da saatin geri kalacağı anlamına gelir. Uydulardan gelen sinyaller uzayda ışık hızında, atmosferde ışık hızına yakın bir hızda seyahat ettiklerinden bir saniyelik gecikme bile kilometrelerce yanılma anlamına gelir. Bu yüzden genellikle dördüncü bir uydu güncel atomik saati almak için kullanılır. Hazır atomik saat için bu uydudan sinyal gelmişken, dördüncü bir küre de diğer üçüyle kesiştirilir. Böylece hangi kesim noktasında olduğumuz da netleşmiş olur.

GPS’te Yaşanan Sinyal Bozuklukları

GPS sinyalleri yüksek frekanslı olduklarından çok zayıftırlar ve açık olmayan alanlarda (şehir merkezi, bolca yüksek bina) kolayca kaybolabilirler. Başlıca konumlandıramama nedenleri şunlardır:

• Atmosferin üst katmanlarında sinyallerde yavaşlama olabilir. (Bulutlar vs.) Sinyalin geliş süresi için ortalama bir hız kullanılarak hesaplama yapıldığında bu konum hesabında hatalara neden olabilir.
• Gelen sinyal bir binadan yansıyarak alıcıya ulaşabilir. Bu da süreyi uzaltacak, konumlandırmayı bozacaktır.
• Alıcının saati hatalı olabilir. Işık hızına yakın bir hızla gelen bir sinyal için, bir saniye bile kilometreler demektir.
• Yeterince uydudan sinyal alınamıyor olabilir. Bu durumda alıcı kendince hata düzeltme yöntemleri uygular.
• Uydu hatalı bilgi gönderiyor olabilir. Ana kontrol istasyonu kısa bir sürede uydunun doğru çalışmasını sağlayacak düzeltmeleri yapacaktır.

Hata Düzeltme, Bolca Hata Düzeltme!

Dört uydu bulduk mu konumumuzu kesin bulacakmışız gibi görünse de, gerçek hayatta bu da bir hayaldir. Özellikle şehir merkezlerinde, binalar sinyalleri yansıtarak cihazları yanıltır. Diğer sinyaller GPS sinyalleri baskılayabilir ya da bozabilir. Hava koşulları ve uzayda olabilecek manyetik etkiler de GPS sinyallerinin kalitesini düşürebilir. Tüm bunlar konumlandırmanın hatalı yapılmasına sebebiyet vereceğinden, GSP alıcıları bulabildikleri kadar çok uydu bulur ve hepsinin bir ortalamasını alırlar.

Ancak bazen dört tane sinyal bile yakalanamayabilir. Böyle durumlarda GPS alıcıları, kendi sistem saatlerini kullanmayı deneyebilirler. Güncel atomik saati internetten almaya çalışabilirler. En son bilinen yüksekliği kullanarak ya da uçak gibi irtifası bilinen araçlar için bu irtifayı kullanarak gerekli uydu sayısını azaltabilirler.

(Her boyut için bir uydu gerekir: Yükseklik, Enlem, Boylam ve Zaman. Bunlardan biri biliniyorsa, gereken uydu sayısı bir azalır. Kürelerden birinin yarı çapını bildiğinizi varsayın.)

Assited GPS

Assisted GPS, Kasım 2004’te Qualcomm firması tarafından tanıtılan GPS’e yardımcı bir metottur. Normal şartlar altında bir GPS uydusuna bağlanabilmek için 40 saniye civarı bir süre kesintisiz sinyal almak gerekmektedir. Bunun nedeni uydunun konum bilgilerinin (ephemeris) ancak bu kadar süre içerisinde aktarılabilmesidir. (download) Şehir içi gibi, yüksek binalar, birçok başka sinyalin yarattığı gürültü ve daha bir çok engelin olduğu alanlarda ise 40 saniye boyunca kesintisiz sinyal yakalamak imkansızlaşmaktadır. A-GPS bu sorunu çözer.

A-GPS, bir ağ bağlantısı yardımıyla (GPRS, 3G, Wireless vs.) uydudan alacağı bazı bilgileri bir internet sunucusundan almayı tercih eder. Bu bilgiler aşağıda listelenmiştir:

• Uyduların dünya üzerindeki konumlarını gönderebilir. Böylece 40 saniye boyunca kesintisiz sinyal alınarak bu bilginin uydudan çekilmesi gerekmez.
• En güncel atomik saati gönderebilir. Böylece saati hesaplamak için dördüncü bir uydu bulunamasa bile oldukça tutarlı bir konumlandırma yapılabilir.
• Kullanıcının bağlantığı konumu göz önüne alarak (IP adresi veya baz istasyonuna göre) GPS sinyalinde hata oluşturma olasılığı olan bilgileri gönderebilir. (Bulut var, bina var vs.) Böylece cihaz hesaplarken bunları göz önüne alır.
• Kullanıcının bağlı olduğu konumu gönderebilir. (Ip adresi veya baz istasyonuna göre) Böylece alıcı, hangi uydulardan gelen sinyalleri arayacağını ve dünya üzerinde ne civarlarda bir yerlerde olduğunu bilir.

Bu bilgiler yardımıyla A-GPS destekli GPS cihazı “ne arayacağını bilerek” uydu arar. Böylece GPS uydularından yararlanarak konumlandırma yapmak çok daha tutarlı ve hızlı olur. Ancak A-GPS verilerinin hesaplanması gelişmiş algoritmalara ve yüksek bir işlemci gücüne ihtiyaç duyar. Her GPS alıcısı bunu başaramaz. GPS alıcısının aldığı uydu sinyallerini bir sunucuya gönderip, sunucunun GPS alıcısı yerine konumu hesaplayıp, doğrudan konumu alıcıya göndermesi de bir başka A-GPS yöntemidir. Ancak böyle bir durumda sürekli olarak ağa bağlı kalınması gerekmektedir. Bazı GPS cihazları sadece A-GPS desteklidir. A-GPS kapatılamaz, internete bağlanılamayan yerlerde çalışmazlar.

GPS Ne Değildir?

GPS harita değildir. Bu sistem sizin dünya üzerinizdeki enleminizi, boylamınızı ve irtifanızı verir. Son kullanıcıya yönelik firmalar, GPS’le aldıkları verileri haritalar üzerine yansıtan çeşitli ürünler sunarlar. Böylece, cadde cadde şehri gezmek ya da bir noktadan bir noktaya yol tarifi almak mümkün olur.

Ancak bunlar içinde GPS servisini barındıran birer programdır. GPS’in kendisi eylem, boylam ve irtifadan başka bir şey değildir.

Bitirirken

Şu anda yörüngede bulunan en eski GPS uydusu 26 Kasım 1990’da fırlatılmış olup, gelecek sene ömrünü dolduracaktır. En yeni GPS uydusu ise 17 Ağustos 2009’da fırlatılmıştır.

Kullanım Şartları

Yazı tarafımdan yazılmıştır, kopyala yapıştır değildir. Bu yazı kaynak gösterilmek şartı ile istenildiği gibi kullanılabilir. Forum yazarlarına (!) not: Alıntıdır yazmak, kaynak göstermek değildir, can sıkıcı ve sinir bozucudur.

Yararlanılan Kaynaklar

• http://tr.wikipedia.org/wiki/GPS
• http://en.wikipedia.org/wiki/Assisted_GPS
• http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
• http://www8.garmin.com/aboutGPS/
• https://www.gps.gov/
• http://www8.garmin.com/manuals/GPSGuideforBeginners_Manual.pdf
• http://www.guardian.co.uk/technology/2009/may/19/gps-close-to-breakdown
• http://abcnews.go.com/Technology/AheadoftheCurve/story?id=7647002&page=1