GPS Nedir, Ne İşe Yarar?

GPS, bir nesnenin, kişinin, aracın veya geminin konumunu dünya çapında, santimetreye kadar hassasiyetle belirlememizi sağlayan küresel bir navigasyon uydu sistemidir. GPS sistemi, ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiş, kurulmuş ve işletilmektedir.

GPS (Global Positioning System/Küresel Konumlama Sistemi) Nedir?

1952’de Sovyetler Birliği, ilettiği sinyalin Doppler etkisini gözlemleyerek izlenen Sputnik I uydusunu uzaya fırlattı.

Bu nedenle, aynı şekilde, bir gözlemcinin konumunun, yörüngesi kesin olarak belirlenen bir uydu tarafından iletilen bir sinyalin Doppler frekansını inceleyerek kurulabileceği çalışmaları başlandı.

ABD Donanması, filolarının navigasyon sistemlerine güncel ve doğru konum gözlemleri sağlamak için bu teknolojiyi kullandı.

1964’te faaliyete geçen TRANSIT sistemi böyle ortaya çıktı ve 1967’de ticari kullanıma başlandı.

O zamanlar pozisyon güncellemeleri her 40 dakikada bir oluyordu ve gözlemci yeterli bilgi elde etmek için neredeyse tamamen sabit durmalıydı.

Daha sonra, aynı on yılda ve atomik saatlerin gelişimi sayesinde, her biri bu saatlerden birini taşıyan ve hepsi de belirli bir zaman referansına göre senkronize edilen bir takımyıldız tasarlandı.

1973 yılında, Deniz Kuvvetleri ve Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri programları, daha sonra NAVSTAR GPS olarak yeniden adlandırılan bir PRN kodu ile modüle edilmiş bir sinyal kullanarak doğru veri sağlayan şifreli bir iletim tekniği geliştirdi.

1978 ve 1985 yılları arasında 11 deneysel NAVSTAR prototip uydusu geliştirilmiş ve piyasaya sürülmüş, bunu diğer nesil uydular izlemiş, Aralık 1993’te “İlk Operasyonel Yetenek” ve Nisan 1995’te “Tam Operasyonel Yetenek” olarak ilan edilen mevcut takımyıldızı tamamlamıştır.

2 Mayıs 2000’de Bill Clinton, tüm sivil kullanımlar için A-GPS (Doğru GPS) açmak için bir anlaşma imzaladı ve 2009’da ICAO (Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü) ile hava seyrüseferinde GPS kullanımı konusunda bir anlaşma yaptı.

Küba, Çin Teknolojileri, GPS veya Araç Bilgisayarları ile birlikte, bu sistemleri kara ve deniz kaynaklarına entegre etmeye karar verdi.

Bu izlemenin temel amaçları, cep telefonları tarafından kullanılan ve yakıttan tasarruf etmek gibi faydalar sağlamak için herşeyin üzerinde daha fazla kontrol sağlamaktı.

GPS Sisteminin Gelişimi

GPS, daha fazla kullanılabilirlik sağlayan ve karmaşıklığını azaltan daha sağlam bir sisteme doğru ilerlemektedir.

GPS III programı, askeri ve sivil gereksinimleri karşılamasını sağlama amacını gütmektedir. Bu program çok esnek, gelecekteki değişikliklere göre yapılandırılabilen ve riskleri azaltabilen bir yaklaşım kullanılarak geliştirildi.

Sistem gelişti ve ondan sonra yeni konumlandırma sistemleri elde edildi. IPS-2 (Inertial Positioning System/Ataletsel Konumlandırma Sistemi), kullanıcının Mobil Haritalama adı verilen gerçek zamanlı ve hareket halindeyken ölçüm yapmasını sağlayan bir veri yakalama sistemidir.

Bu sistem, bir lazer tarayıcı, bir atalet sensörü, bir GNSS sistemi ve bir araçta bir kilometre sayacı toplayan bir cihaza dayalı 3B mobil haritalama elde eder.

Çalışma sırasında uydu sinyalinin iyi olmadığı alanlarda bile ölçüm seçeneği sunan üç konumlandırma teknolojisi IMU + GNSS + kilometre sayacı sayesinde büyük hassasiyet elde edilir.

Uzayda Dünya

En yakın yıldızımız olan Güneş, Samanyolu’ndaki milyarlarca yıldız arasında sadece biridir.

Dünya gezegeni, eliptik bir yörüngede Güneş’i çevreleyen 9 gezegenden biridir. Güneş’e en yakından en uzağa bu gezegenler: Merkür, Venüs, Dünya, Mars, Jüpiter, Satürn, Uranüs, Neptün ve Plüton’dur.

Bu güneş gezegenlerin hareketini yöneten kurallar, Göksel Mekanik disiplini içinde incelenmiş ve yüzlerce yıl önce Johannes Kepler ve Isaac Newton gibi istisnai bilim adamları tarafından keşfedilmiştir.

9 gezegenini bir arada tutan ve göreceli hareketlerini belirleyen kuvvet yerçekimi dir.

Bir gezegen Güneş’e ne kadar yakınsa, yerçekimi o kadar fazladır ve yörüngesinde çok hızlı hareket eder.

Örneğin, Güneş’ten yaklaşık 150.000.000 km uzaklıkta bulunan Dünya, yörüngesinde saniyede ortalama 30 kilometre hızla ilerler ve bir yıl içinde Güneş’in etrafındaki dönüşünü tamamlar.

Dünya Yörüngesindeki Uydular

Göksel Mekanik kurallarının ayrıntılı bilgisi ve uyduların hareketinin incelenmesi için bilim insanları Dünya ve Mars çevresinde yapay uydular tasarladı.

Uyduları uzaya fırlatmak için güçlü roketler kullanılır. Eğer fırlatma hızı çok düşükse, uydu yerçekimi kuvvetinin çektiği Dünya’ya geri döner.

Fırlatma hızı aşırı yüksekse, Dünya’nın yerçekimi kuvveti uyduyu yörüngede tutmak için yeterli olmayacaktır.

Günümüzde Dünya’nın farklı amaçlar için yörüngesinde dolaşan Telekomünikasyon, Hava Durumu, Askeri uygulamalar, Bilimsel araştırma ve Jeofizik alanların kullanım için birçok uydu vardır.

Bazı uyduların yörüngeleri Dünya’nın dönme periyodu ile senkronize edilir.

Hızları Dünya’nın dönüş hızına tam olarak denk geliyorsa, uydular geostationary olarak adlandırılır ve her zaman Dünya’ya göre gökyüzünde aynı noktada kalır.

Uydular göndermek ve uydulardan Dünya’ya yanıt almak için bir tür iletişim gereklidir.

Bunu yapmanın birçok yolu olmasına rağmen, temel iletişim yolu, televizyon ve radyo programlarını yayınlamak için kullanılan radyo dalgalarıdır.

Konumlandırma

Dünya üzerindeki konumu belirlemek, Dünya yüzeyindeki belirli bir noktanın enlemini ve boylamını sağlamak anlamına gelir.

Bu nedenle, çoğu alıcı bu koordinatların değerlerini derece (°) ve dakika (‘) cinsinden sağlar ve hem enlem hem de boylam açıdır. Bu nedenle iyi tanımlanmış 0° referansına göre ölçülmelidir.

Enlem: Kuzey ve Güney Yarımküreler

Enlem Ekvador’a göre ölçülür (0 ° enlem). Belirli bir nokta kuzey veya güney yarımkürede ise, enlem koordinatına her durumda N veya S harfi eşlik edecektir. Başka bir isimlendirme türü, pozitif sayılarla kuzey enlemlerini ve negatif sayılarla güney enlemlerini ifade eder.

Uzunluk: Doğu, Batı

Boylam Greenwich Meridyenine göre ölçülür. Greenwich meridyeninin doğusunda veya batısında bir açıyı ölçerseniz, boylamı veren sayıya eşlik ederek E veya W harfini yazarsınız.

Küresel Konumlandırma Sistemi

GPS (Global Konumlandırma Sistemi) yörünge başına 4 uydu olacak şekilde toplam 6 yörüngeye eşit olarak dağıtılmış 24 yapay uydudur.

Bu, Dünya yüzeyinin hemen hemen her yerinden en az 8 uydunun her zaman görülebilmesini sağlar.

GPS uyduları Dünya’yı yaklaşık 20.000 km yükseklikte yörüngede toplar ve her gün iki tam yörüngede seyahat eder.

Her uydu, radyo sinyallerini konumu ve sinyalin ne zaman yayıldığı hakkında bilgiyi iletir.

Birkaç uydu tarafından gönderilen sinyallerin eşzamanlı olarak kodunu çözen ve Dünya’daki kendi konumlarını, yani enlem ve boylam koordinatlarını yaklaşık 10 metrelik bir doğrulukla hesaplamak için birleştiren GPS alıcılar kullanılabilir. Ayrıca birkaç milimetre hassasiyetle pozisyonu belirleyebilen daha kaliteli alıcılar vardır.

GPS Alıcısı

GPS alıcıları uydunun zamanı ve konumu hakkında doğru bilgileri alır.

Tam olarak, iki tür veri alır, ağdaki uyduların geri kalanına göre her bir uydunun konumu ve çalışması hakkında bir dizi genel parametreden oluşan Almanac verileri, bu bilgiler herhangi bir uydudan alınabilir.

GPS alıcısı en son alınan Almanac ve kesin zaman bilgisine sahip olduktan sonra, uzayda uyduları nerede arayacağını bilir.

Alıcı, en az üç uydunun sinyallerini yakaladığında, yakalanan uyduların konumunu Dünya’daki kendi konumunu hesaplar ve bize hesaplanan Boylam, Enlem ve Yükseklik verilerini sunar.

GPS alıcıları, konumlarını hesaplamak için genellikle üçten fazla uydudan sinyal alır ve ne kadar çok sinyal alırlarsa, konum hesaplaması o kadar doğru olur.

Bu sistemin ilk anlayışının onu askeri olarak kullanmak olduğu göz önüne alındığında, piyasadaki alıcıların sivil kullanım için olduğu ve bunların hassasiyette bozulmaya maruz kaldığı belirtilmelidir.

Bu, elbette, bunu gerektiren askeri operasyonlar sırasında stratejik bir avantaj sağlamaktır.

Bütün bunlardan, GPS alıcılarının pozisyon hesaplamasında genellikle yaklaşık 15 m’lik bir nominal hataya sahip oldukları anlaşılmaktadır.

GPS alıcısına verilen kullanım, araştırma, kartografik araştırmalar, yönlendirme yarışları, işaret yeri konumu gibi daha fazla hassasiyet gerektiriyorsa, hemen hemen tüm firmaların, alıcılarının bazıları için bu hatayı diferansiyel hesaplama ile düzelten isteğe bağlı antenleri vardır.

GPS Alıcısının Kullanım Alanları

Yararlı olabileceğine inandığınız her amaç veya proje için bir GPS alıcısı kullanabilirsiniz ve bunların yalnızca kesin konumu hesaplayan ve herhangi bir analog veri ile çalışmayan veri alıcıları olduğu dikkate alınmalıdır.

Herhangi bir navigasyon görevi, rota izleme, ileri çalışmalar için nokta depolama için son derece yararlı cihazlardır, ancak hiçbir durumda atmosferik verileri onlardan çıkarmayı bekleyemezsiniz.

Bununla birlikte, GPS üreticilerinin kişisel navigasyon için sunduğu modeller bile, yıllardır günlük olarak havacılık ve deniz navigasyon sistemlerinde kullanılmıştır.

Bu, kişisel karasal navigasyon için GPS kullanıcıları için bir dizi önemli avantajı içerir.

İlk olarak, Motorlu taşıtlarda kullanılsa bile, kara navigasyonu boyutlarına kıyasla havacılık ve deniz seyrüseferinin boyutları çok daha büyüktür.

Bu, alıcıların aynı zamanda navigasyon kaynaklarına ve büyük olanların doğruluğuna sahip olduğu anlamına gelir.

GPS alıcısı, karasal navigasyon için yönlendirme için gerekenden çok daha fazla özellik sunar.

Alıcının Çalışma Mantığı

Uyduların konumu alıcılar tarafından önceden uyduların kendileri tarafından iletilen Almanac adı verilen bilgilerle belirlenebilir.

Tüm takımyıldız için almanakların toplanması her 5-20 dakikada bir tamamlanır ve alıcıda saklanır.

GPS alıcısının konumunu belirlemek için yararlı olan bilgilere ephemeris denir.

Bu durumda, her uydu, uydunun sağlığını, uzaydaki konumunu, atom zamanını, doppler bilgilerini içeren kendi ephemeris bilgisini yayar.

GPS alıcısı uydular tarafından gönderilen bilgileri kullanır ve dahili saatini uydulardaki atom saati ile senkronize etmeye çalışır.

Senkronizasyon, taşınabilir bir alıcıda saniyede bir gerçekleşen bir deneme yanılma işlemidir.

Saat senkronize edildikten sonra, uydulara olan uzaklığınızı belirleyebilir ve bu bilgileri yeryüzündeki konumunuzu hesaplamak için kullanabilirsiniz.

Her uydu, alıcının kürenin yüzeyi üzerinde bir noktada olduğunu, uydunun kendisi üzerinde merkezlendiğini ve alıcıya toplam mesafeyi ilettiğini gösterir.

İki uydudan bilgi edinerek, alıcının iki küre kesiştiği zaman ortaya çıkan çevre üzerinde olduğu söylenir.

Aynı bilgiyi üçüncü bir uydudan alırsak, yeni kürenin yalnızca önceki çevreyi iki noktada kesdiğini fark ederiz. Bunlardan biri dışlanabilir çünkü saçma bir pozisyon sunar.

Bununla birlikte, GPS alıcılarına dahil edilen saat, atomik saatleri ile senkronize olmadığından, belirlenen iki nokta kesin değildir.

Dördüncü bir uydudan bilgi ile, GPS alıcılarının saatleri ile uyduların saatleri arasındaki senkronizasyon eksikliğini ortadan kaldırır.

Saatler alıcı ile uydular arasında senkronize olmadığından, bu uydulardaki dört merkezli kürenin kesişimi küçük bir hacimdir.

DGPS (Diferansiyel GPS)

DGPS (Diferansiyel GPS), hesaplanan konumda daha fazla hassasiyet sağlamak için GPS alıcılarına GPS uydularından alınan verilerde düzeltmeler sağlayan bir sistemdir.

GPS sistemi tarafından üretilen hataların birbirine yakın olan alıcıları eşit şekilde etkileyebilir.

Hata düzeltmesini kendisine yakın olan alıcılara iletir ve böylece referans GPS ekipmanının sinyal iletim kapsama alanı içinde sistem tarafından üretilen hataları da düzeltebilir.

DGPS düzeltmelerinin kapsama alanının arttırılması ve aynı zamanda sabit referans alıcılarının sayısının en aza indirilmesi, hataların uzamsal ve zamansal değişikliklerini modellemek gerekecektir.

Yönlendirme Sistemlerine Göre Avantajları

Yörüngedeki uyduların bir takımyıldızı tarafından gönderilen verilerden, uydular kadar basit olmasına rağmen, günümüzde insan için mevcut olan hassas teknolojiyi kullanma güvenilirliği sağladı.

Gerçekleştirmek istediğiniz aktivitenin gelişimi için atmosferik değişiklikleri ve çevresel koşulları tahmin etmek için kullanılırlar.

Buna ek olarak, tüm GPS’ler yön kavramını değiştirecek navigasyon işlevlerine sahiptir.

Örneğin, rotalar harita üzerinde oluşturulabilir, cihazda istediğiniz noktaları kaydedebilir ve bu rotayı etkinleştirmeniz halinde, doğru yolda olup olmadığınızı anlayabilirsiniz.

Tüm bu verilerle, düz bir çizgide bir istikameti korurken tam olarak hareket ettiği hızı saptamak da mümkündür.

Alınan Verileri Bilgisayarda Kullanma

Gerekli hesaplamaları yapmak için bir GPS alıcısı ile elde edilen verileri bir bilgisayara aktarmanız gerekirse, genellikle PC’ler ve GPS’ler arasında veri aktarımı için yardımcı araçlar vardır.

Ayrıca, bu verilerin daha fazla veya daha az standart bir şekilde içe aktarılması için belirli bir yazılım gereklidir.

NMEA 0180,0181 ve 0183 ile en yaygın arabirimler olduğundan, bu arabirimleri içeren yazılımlar seri bağlantı noktası üzerinden aktarım yapabilir.

Paralel bağlantı noktalarından aktarıma izin veren RS232 arabirimleri de vardır. Ek olarak kendi soket yapılarını oluşturan birçok GPS üreticisinin firmasına özgü arayüzleri de vardır.