Küresel Konumlama Sistemi

Küresel Konumlama Sistemi
Yrd. Doç. Dr. Okan Yıldız
Yrd. Doç. Dr. Mustafa Dihkan
Yrd. Doç. Dr. Nazan Yılmaz
Öğr.Gör.Dr. Deniztan Ulutaş
Golabal Positioning System (GPS) Nedir?
Küresel Konumlama Sistemi
• Amerika Savunma Bakanlığı tarafından navigasyon
amaçlı geliştirilen ve bilim adamlarının çabasıyla
jeodezik problemlerin çözümünde de kullanılan,
•
Dünya üzerinde her türlü hava koşullarında,
•
24 saat esasına göre,
•
En az 4 uydudan kod-faz varış zamanının ölçülmesi
esasına dayanan,
•
Herhangi bir noktaya ait konum, hız ve zaman
bilgileri sağlayan,
•
Uzay tabanlı bir ölçme sistemidir
• 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
vasıtasıyla belirli bir andaki koordinatları bulunabilen GPS uydularıdır
Çalışma Yöntemi
Uydularla konum belirlemede
uydu sinyallerinin bir alıcı
tarafından kaydedilerek, sinyalin
uydudan yayınlandığı an ile
alıcıda kaydedildiği an arasında
geçen süre çok hassas olarak
ölçülür.
Bu süre, sinyalin yayılma hızı ile çarpılarak uydu ile alıcı arasındaki mesafe belirlenir. Uydunun
koordinatları zamana bağlı olarak bilindiğinden alıcının konumu hesaplanabilir. Bu sebeple
uydular yüksek doğruluklu atomik saatler içerir
GPS’in Kullanım Alanları
• Askeri Kullanım Alanları : Kara, deniz ve hava araçlarının
navigasyonu, arama-kurtarma, uçakların iniş ve kalkışları,
hedef bulma ve diğer amaçlar.
• Sivil Kullanım Alanları : Kara, deniz ve hava araçlarının
navigasyonu, GPS Ülke jeodezik ağlarının ölçülmesi ve
sıklaştırılması, detay ölçmeleri, aplikasyon uygulamaları,
kadastral ölçmeler, deformasyon ölçmeleri, araç takip
sistemleri, CBS için veri toplama gibi birçok alanda
kolaylık sağlayan, çalışmalara hız ve ekonomi getiren bir
yöntemdir.
• Turizm, tarım, ormancılık, spor, güvenlik, hidrografik
çalışmalar, CBS’ nin veri tabanının geliştirilmesi ve diğer
alanlar.
GPS’in Kullanım Alanları
Gps’ in Klasik Sisteme Göre Üstün ve Zayıf Yönleri
Üstün Yönleri
•
•
•
•
•
Noktalar arasında görüş zorunluluğu ortadan kalkmıştır.
Ölçü noktalarının yükseklerde seçilmesi zorunluluğu yoktur.
GPS ölçüleri büyük oranda hava koşullarından etkilenmez.
Gece-gündüz 24 saat ölçü yapılabilir.
Noktaların konum doğruluğu oldukça yüksektir.
Zayıf
•
•
•
•
:
Yönleri
:
GPS’ in sinyalleri mikrodalga sinyaller gibi güçlü değildir. Kapalı yerlerde, çok sık ağaçlıklı
alanlarda, su altında ve binaların yoğun oldu olduğu yerleşim yerlerinde, tünellerde ve
maden galerilerinde ölçü yapılamaz.
Ağır yağışta, güçlü radyo yayınının yapıldığı ya da yayın antenlerinin olduğu yerlerde
verimli değildir.
GPS koordinatları WGS-84 datumundadır. Lokal datuma dönüşüm gerekir.
Elde edilen yükseklikler Ortometrik değil, elipsoidal yüksekliklerdir
GPS’ in Bölümleri
Uzay Bölümü
Kullanıcı Bölümü
Kontrol Bölümü
Yer
Antenleri
Ana İstasyon
İzleme İstasyonları
Uzay bölümü uydulardan oluşur.
Uydular ekvator düzlemi ile yaklaşık 55°
lik açı yaparlar,
6 yörünge düzleminden oluşur
28 aktif, 4 yedek olmak üzere toplam 32
uydudan oluşmaktadır.
Yedek uydular esas uydulardan birinde
sorun olması durumunda devreye
girerler.
Her bir GPS uydusu ,
Senkronize
(eşzamanlı)
zaman
sinyallerini,
Tüm diğer uydularla ilgili konum
bilgilerini,
Yörünge parametrelerine ilişkin bilgileri
iki taşıyıcı frekanstan (L1, L2) yayınlar;
Kontrol bölümü tarafından yayınlanan
bilgileri alır.
GPS
GPS’ in Bölümleri
Uzay Bölümü
Kontrol Bölümü
Kullanıcı Bölümü
•
•
•
GPS
GPS’ in Bölümleri
Uzay Bölümü
Kontrol Bölümü
Kullanıcı Bölümü
Bu bölüm yeryüzünün çeşitli yerlerine dağılmış 1 ana
ve 5 izleme istasyonundan oluşmaktadır.
Ana istasyon Colorado’da (USA) dır.
Bunun dışındakiler izleme istasyonlarıdır.
GPS uyduları
•
•
•
•
Dünya üzerine uygun dağılmış,
Çok hassas saatlerle donatılmış,
Konumu iyi bilinen,
6 sabit izleme istasyonu tarafından izlenmektedir.
GPS
GPS’ in Bölümleri
Uzay Bölümü
Kontrol Bölümü
Kullanıcı Bölümü
GPS
GPS’ in Bölümleri
Uzay Bölümü
Kontrol Bölümü
Kullanıcı Bölümü
GPS uyduları tarafından gönderilen verileri alabilen GPS alıcıları ve bunların
fonksiyonel parçalarından oluşmaktadır.
Kullanım amacına göre :
• Bilimsel amaçlı alıcılar. Hassas çalışmalarda
kullanılırlar.
• Pratik amaçlı alıcılar. Anında kabaca 3 boyutu
belirlerler.
Kullanım alanlarına göre :
• Askeri amaçlı alıcılar
• Sivil tip alıcılar
Yapılarına göre
:
• Kanal sayısına göre. Tek ve çift kanallı alıcılar
• Frekanslarına göre. Tek ve çift frekanslı alıcılar
GPS
Kullanıcı bölümünü oluşturan
GPS alıcıları üçe ayrılırlar.
Uzay Bölümü
Kontrol Bölümü
Kullanıcı Bölümü
GPS’ de Kullanılan Sinyaller
•
GPS ölçmelerinde elektromagnetik dalgalar kullanılarak uydulardan kullanıcı
bölümüne veri akışı sağlanmaktadır.
•
Kontrol bölümü ile uydular arasında S-band,
•
İyonosferik etkilerin etkisinin az olmasından dolayı uydu ile kullanıcı bölümü
arasında L-band kullanılmaktadır.
•
Sinyaller iki farklı frekansta taşıyıcı dalga üzerinden iletilirler.
•
Bunlar L1 ve L2 sinyalleridir.
•
Uydular bu sinyallerle faz ve kod ölçüleri ile kendi konum bilgilerini (efemeris)
•
yayınlarlar.
L1 frekansı 1575,42MHz (10,23MHz * 154), dalga boyu 19 cm
•
L2 frekansı 1227,60MHz (10,23MHz * 120), dalga boyu 24 cm
Not: Dünya ile uydular arasında kullanılan radyo frekanslarına verilen genel ada uydu bantları denir.
Bunlardan ikisi S ve L bandlarıdır.
GPS Gözlemleri Çalışma Prensibi
• GPS gözlemleri, alıcı tarafından alınan ve alıcı tarafından üretilen
sinyallerin zaman ya da faz farklarından oluşmaktadır.
• Elektronik Uzaklık Ölçme Sistemlerinin (EDM) aksine, GPS’ de tek taraflı
uzaklık ölçme söz konusudur.
• GPS ile iki temel büyüklük gözlenmektedir.
1.
2.
Kod Gözlemleri
Faz Gözlemleri (L1, L2)
• Yüksek doğruluk gerektiren uygulamalarda ve bilimsel çalışmalarda faz
gözlemleri, navigasyon amaçlı uygulamalarda ise kod gözlemleri
kullanılmaktadır.
• Jeodezik amaçlı GPS ölçülerinde doğrudan faz gözlemleri kullanmak
yerine bunlardan yararlanarak elde edilen lineer kombinasyonlar ve fark
gözlemleri kullanılmaktadır.
Kod Gözlemleri
• Uydu ile alıcı arasındaki uzaklık, uydudan yayınlanan sinyalin uydudan çıkış anı ile
alıcıya ulaştığı ana kadar geçen zamanın (ΔT) ışık hızı ile çarpılmasıyla elde edilen
ham uzunluktur.
• Sinyalin uydudan alıcıya ulaşana kadar geçen zaman, alıcı ve uydu tarafından
üretilen PRN kodlarının karşılaştırılması ile elde edilmektedir.
– Her uydu kendine has PRN (Pseudo Random Noise) kodu üretir. Bu kod GPS alıcıları
tarafından da üretilir. Ancak uydudan gönderilen PRN ile ilişkilendirilmiş bilgi , alıcılara
belli zaman gecikmesi ile gelmektedir. Bu zaman gecikmesi (∆T) ölçülerek ışık hızıyla
çarpılır. Böylece mesafe tespit edilir. Bu uzaklığa pseudo uzaklığı denir.
• Uydu ile alıcı saatlerindeki hatalardan dolayı elde edilen uzunluk gerçek
geometrik uzunluktan farklıdır.
• Saat hatalarının neden olduğu sapmalar nedeniyle elde edilen uzaklığa ham
uzunluk denir.
Faz Gözlemleri
• Faz, herhangi bir dalganın herhangi bir referansa göre
durumuna verilen addır. Referans değiştirildikçe faz
değeri de değişmektedir.
• Uydudan yayınlanan fazın benzeri alıcı içerisinde de
üretilmekte ve bunlar arasında korelasyon sağlanmaktadır.
• Başka bir deyişle tS zamanında uydudan yayınlanan sinyalin
L1 ve L2 taşıyıcı fazı ile tR zamanında alıcı tarafından üretilen
sinyalinin fazı arasındaki fark olarak tanımlanmaktadır.
GPS Hata Kaynakları
Uzunluk ölçmedeki hatalar
• Uydu efemeris hataları
• Uydu saat hataları
• Atmosferik hatalar
- İyonosferik etki
- Troposferik etki
- Uydu eğim açısı
• Sinyal yansıma (Multipath) etkisi
• Anten faz merkezi hataları
• Taşıyıcı dalga faz belirsizliği (Ambiguity) ve faz kesiklikleri (cycle-slips)
• Seçimli doğruluk erişimi
• Uydu geometrisi
Alıcı hataları:
• Tek veya çift frekanslı alıcılar
• Datum seçimi
• Alıcının kurulumu
Uydu Efemeris Hataları
• GPS navigasyon mesajı içerisinde yayınlanan uydu konum
bilgilerinin doğruluğunun düşük olduğu veya kasıtlı olarak
yanlış yayınlanması durumunda karşılaşılan hataya
efemeris hatası denilmektedir.
• Uydu efemeris hatası uydu yörüngelerinin daha duyarlı
hesabını gerektir. Bu da uydulara etki eden hataların çok iyi
ölçülmesi ve modellenmesine bağlıdır.
Uydular uzayda nerede? (efemeris)
• Uydular hassas yörüngelerde hareket ederler
• GPS alıcıları, doğru konumlama için, uydulardan alınan almanak
bilgilerini kullanırlar (ephemeris).
• Almanak uydulardan yayınlanır
• Düzeltilmiş efemeris bilgileri uydulara gönderilir.
Uydu Saat Hataları
• GPS ile konum belirlemenin temelini zaman ölçüsü oluşturmaktadır.
Bu nedenle GPS uydularında atomik saatler kullanılmaktadır.
• Uydu ve alıcı saatlerinin GPS zamanına göre yeterli doğrulukta
senkronize edilmemesi saat hatalarının temelini oluştur.
• Uydu saat hatası, uydu saat zamanı GPS zamanı arasındaki farktır.
Her uydu saatinin davranışının izlenmesinde en iyi çaba gösterilse
bile dünyanın manyetik alanı, yerin ve ayın çekim etkisi, radyasyon
vb sebeplerden dolayı saatlerin davranışı duyarlı bir şekilde
belirlenememektedir.
• Uydu saat hataları kontrol bölümü tarafından sürekli izlenmekte ve
yayın efemerisi saat düzeltmelerini günlük olarak navigasyon
mesajının bir bölümü olarak yüklemektedir.
• Burada önemli olan uydu-alıcı uzaklığının hesaplanmasındaki
toplam hatayı azaltmak.
Atmosferik Etkiler
İyonosfer Etkisi:
•
İyonosfer tabakası yer yüzeyinden itibaren atmosferin 50.km’den 200 km’sine kadar olan
tabakadır.
•
Bu tabakadaki serbest elektronlar yüzünden GPS sinyalleri bu bölgeyi tam ışık hızında
geçemez. Sonuçta ölçülen kod uzunluk ölçüsü olması gerekenden daha uzun buna karşılık
ölçülen faz ölçüsü olması gerekenden daha kısadır.
•
İyonosferin gündüz elektromagnetik dalgalar üzerindeki etkisi geceden daha çoktur.
•
Uydu sinyalleri alıcıya ulaşıncaya kadar bu tabakalardan geçer ve karşılaştığı dirençten dolayı
bir gecikmeye uğrar.
•
İyonosferik gecikmenin giderilmesi için, farklı frekanstaki dalgaların farklı dirençle
karşılaşacağı gerçeğinden hareket ederek çift frekanslı GPS alıcıları kullanılmalıdır.
Troposfer Etkisi
•
Troposfer, havanın yeryüzü ile temas ettiği en alt
tabakasıdır. Kalınlığı kutuplarda 8 km, ekvatorda 18
km’dir.
•
Hava olayları genel olarak troposferin 3-4 km’lik alt
kısımlarında görülmektedir.
•
Troposferik gecikme sinyalin frekansına bağlı olmayıp,
her iki taşıyıcı dalgaya da aynı derecede etki etmektedir.
•
Farklı frekans kullanımı ile giderilemez.
Atmosferik gecikme
GPS sinyalleri atmosferden
geçerken gecikmeye uğrar
< 10 km
> 10 km
Uydu Eğim Açısı
• Düşük eğim açılı ölçüler, atmosferik refraksiyon
nedeniyle sorun olmaktadır.
• Ancak konum doğruluğunu arttırmak için daha fazla
ölçü kullanmak isteğinden ve daha çok uydu görebilmek
için bu açı değerini küçük tutmak isteriz.
Sinyal Yansıma (Multipath) Etkisi
• GPS alıcı antenleri her yönden gelen uydu sinyallerini eş
zamanlı alabilme özelliğine sahiptir. Arazi yapısı ve sinyal
yükseklik açısına bağlı olarak istenmeyen sinyal
yansımaları ile karşılaşılır.
• Uydulardan yayınlanan sinyallerin alıcı antenine bir veya
daha çok yol izleyerek ulaşmasına sinyal yansıma
(multipath) etkisi denir.
• Uyduların neden olduğu etkiler ve alıcı anteninin
çevresindeki yüzeylerin neden olduğu etkiler kısa kenarlı
ağlarda bazın iki ucundaki anten için aynı büyüklüğe
sahip olacağından göreli konum belirleme yöntemi ile
büyük ölçüde giderilmektedir.
Multipath Hatası
Yansıyan sinyal
uydu
engel
A
B
Doğrudan gelen sinyal
C
alıcı
Ölçme noktası
D
Multipath gecikmesi = AB + BC
Multipath etkisini azaltmak için…!
Yansıma etkisinin giderilmesi, her noktada farklı geometri ve çevre şartları söz konusu olacağından her
zaman mümkün değildir. Etkinin giderilebilmesi için
1. En kolay ve etkin yol, alıcının çok yakınında yansıtıcı yüzeylerin olmamasına dikkat etmek ve çok
uzun süreli ölçü yapmaktır.
2. Bir başka yol ise yansıma sonucu sinyal dağılım etkisini içinde sayısal olarak filtreleme yapan alıcı
kullanmak ve yansıyan dalgayı emen özel anten tipleri ground planes, chokering anten kullanmaktır.
3. Uydulara belirli bir yükseklik açısının üzerinde (en az 10 derece - 15 derece) gözlem yapmak yansıma
etkisini azaltır
Alıcı Anteni Faz Merkezi Hatası
• GPS ile konum belirlemede, GPS alıcılarıyla alınan ölçülerin uydu ileticisinin
elektriksel merkezi ile alıcı antenin elektriksel merkezi arasındaki uzaklık
olduğundan söz edilebilir.
• Elektriksel merkezi ile fiziksel merkezi arasındaki farka faz merkezi değişimi denir.
Elektriksel merkez, gelen sinyalin gücünü ve yönünü değiştirmeye çalışır.
Bununla birlikte, L1 ve L2 taşıyıcıları için faz merkezi değişimleri farklı özelliklere
sahiptir.
• Anten faz merkezi değişimleri anten yapısına göre birkaç milimetre ile 1-2 cm
arasında değişmektedir.
• Önemli çalışmalarda bu değişimler dikkate alınmalıdır.
• GPS gözlemi devam ederken, uydu sinyalinin alınmasında meydana gelecek sinyal
kesikliklerine faz kesiklikleri yada faz kayıklığı adı verilmektedir.
• Faz kesikliklerinin genel nedenleri şunlardır:
Ölçü noktası çevresinde ağaç, bina, köprü vb. gibi uydu sinyallerinin alıcıya
ulaşmasını engelleyen nesneler,
Kötü iyonosferik koşullar,
Sinyal yansıma etkisi (multipath),
Alıcı yazılımında oluşabilecek arızalar.
Faz belirsizliği pratik konum belirlemede; 20 km’ nin altındaki bazlarda GPS
yazılımlarında otomatik olarak giderilmektedir.
t1
t2
Engeller
A uydusu
A uydusu
B uydusu
B uydusu
t1
t2
Faz Kesilmesi
GPS Sinyali
Engel
Düşük Uydu yükseklik açısı
Sinyal karışması
Uydu Geometrisi….
Ölçü yapılan uyduların uzaydaki dağılımı da koordinat hesaplamalarını etkilemektedir.
Örneğin, gözlenen uyduların hepsi birbirine çok yakınsa elde edilecek koordinat
doğruluğu düşük, eğer dört bir doğrultuya homojen olarak dağılmışsa elde edilecek
doğruluk yüksek olacaktır.
Geometrik hatalar; Geometrik hassasiyet bozulması (Geometric Dilution of Precision,
GDOP) olarak ifade edilmektedir.
GDOP küçük değer ise uyduların konumlarının o an için dağılımının iyi olduğunu ifade
etmektedir.
Uydular gökyüzünde küçük bir hacim meydana getiriyor.
Uydular gökyüzünde büyük bir hacim meydana getiriyor.
Ölçü sırasında iyi GDOP ve iyi görünebilirlik olmalıdır.
…bu herzaman mümkün olmayabilir.
Uydu sayısının artmasının avantajları…!
•
•
•
•
•
Çok uydu demek fazla ölçü demek, bu da kontrol demektir.
Sistematik hatalar daha iyi modellenebilir.
Çok uydu daha fazla doğruluk ve güvenirlik demektir
Çok uydu daha geniş alanda çalışabilmek demektir
Çok uydu, daha hızlı ölçüye başlama ve daha hızlı belirsizlik çözümü
demektir.