Transcript Ölçme Bilgisi XII - Biyosistem Mühendisliği Bölümü

Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS)
Yrd. Doç. Dr. Müge Kirmikil
GPS: Nedir?
• GPS (Global Positioning System; Küresel Yer Belirleme Sistemi ya
da Küresel Konumlandırma Sistemi), düzenli olarak kodlanmış
bilgi yollayan bir uydu ağıdır ve uydularla arasındaki mesafeyi
ölçerek Dünya üzerindeki kesin yeri belirlemeyi sağlar
• GPS alıcısı ve uydu sinyalleri yardımıyla herhangi bir yer ve
zamanda, her türlü hava koşullarında, global bir koordinat
sisteminde, yüksek duyarlıkta, en ekonomik şekilde, anında ve
sürekli şekilde konum, hız ve zaman belirlemesi yapılabilir
GPS Alıcısı
GPS: Nedir?
• Bu sistem, ABD Savunma Bakanlığı'na ait, yörüngede
sürekli olarak dönen uydulardan oluşur. Bu uydular
radyo sinyalleri yayarlar ve yeryüzündeki GPS alıcısı bu
sinyalleri alır. Böylece konum belirlenir.
GPS: Nedir?
• Bu sistemin ilk kuruluş hedefi
tamamen askeri amaçlar içindi.
GPS alıcıları yön bulmakta, askeri
çıkartmalarda
ve
roket
atışlarında kullanılmak üzere
tasarlanmıştır. Ancak, 1980'lerde
GPS sistemi sivil kullanıma da
açılmıştır.
GPS: Tarihçe
• 1969—ABD Savunma Navigasyon Uydu Sistemi kuruldu (DNSS)
• 1973—NAVSTAR (Navigation Signal Timing And Ranging Global
Positioning System) Küresel Yer Belirleme Sistemi geliştirildi
• 1978—ilk 4 uydu uzaya fırlatıldı (Delta roketi fırlatıldı)
• 1993—24’üncü uydu fırlatıldı
• 1995—tam kapasiteli işletim
• Mayıs 2000—Tüm kullanıcılara askeri ölçekte hassas veri sunumu
GPS: Çalışma İlkesi
Sistem temel olarak jeodezideki en eski tekniklerden biri olan ‘geriden
kestirme’ esasına dayanır.
Geriden kestirme, konumu bilinmeyen bir noktadan konumu bilinen
noktalara yapılan gözlem ve hesaplar ile bilinmeyen noktanın
koordinatlarını hesaplamaya dayanır.
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
aracılığıyla belirli bir andaki koordinatları bulunabilen GPS uydularıdır
GPS: Nedir?
GPS: Uygulama Alanları
•
•
•
•
•
•
•
•
Askeri: (TSK-arazide yön bulma)
Araştırma: (Harita yapımı, yol yapım çalışmaları)
Görsel engelliler için: (Çeşitli projeler)
Havacılık: (Uçaklarda ek yön bulma aygıtı)
Referans saat: (Referans saat kaynağı olarak kullanılmakta)
Tarım
Denizcilik
Özel-rekreasyon
GPS: Sistem Bileşenleri
GPS sistemi;
1)Uzay bölümü (uydular),
2)Kontrol bölümü (yer istasyonları)
3)Kullanıcı bölümünden (GPS alıcısı) oluşur.
UYDULAR
Uzay Bölümü
Kullanıcı Bölümü
Yer
Antenleri
Ana İstasyon
İZLEME İSTASYONLARI
1. Uzay Bölümü
• 32 uydu aracı (28 aktif + 4 yedek)
• Uydular yeryüzünden 20,200 km yukarıda
olup, saatte 7.000 mil hızla hareket
ederler ve 12 saatte bir dünya çevresinde
bir tur atarlar
• Yeryüzünde GPS alıcısı en az 4 uydu görür
• 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.
1. Uzay Bölümü
Her bir GPS uydusu ,
►Senkronize (eşzamanlı) zaman sinyallerini
►Tüm diğer uydularla ilgili konum bilgilerini
►Kontrol bölümü tarafından yayınlanan bilgileri alır.
►Her uydu, yerdeki alıcının sinyalleri tanımlamasını sağlayan iki
adet özel kod yayınlar. Gelen bu sinyal, uydunun yörünge ve saat
bilgisi, genel sistem durum bilgisi ve ionosferik gecikme bilgisini
içerir.
►Sinyalin uydudan dünyaya ulaşma süresi yaklaşık olarak 0.067
saniyedir. Saniyenin binde biri kadar oluşacak bir hata, mesafe
ölçümünde 300 km (300.000 km/sn x 0.001 sn) lik bir hataya sebep
olacaktır. Bu nedenle, uyduya olan mesafe ve konum belirlemek için,
en az 4 uydu verisi kullanılarak hatanın en aza indirilmesi amaçlanır
1. Uzay Bölümü
• FM radyo sinyalleri 100.000 watt gücünde iken
GPS sinyali 20-50 watt arasındadır. Bu sinyaller
bulutlardan, camdan ve plastikten geçebilir
ancak duvar ve dağ gibi katı cisimlerden
geçemez. Sinyallerin kabul edilen hızı, ışık
hızıdır.
• Bu yüzden GPS uydularından temiz sinyal
alabilmek için açık bir görüş alanı gereklidir.
• GPS sinyalleri binalardan yansıdığı için şehir
içlerinde araziye oranla duyarlılığı azalır.
Yeraltına kazılan tünellerde ise sinyal elde
edilemez.
Sinyallerin Alınması
1. Uzay Bölümü (özet)
Her GPS uydusu Dünyayı günde iki kez turlar
Her uydu Dünyaya sinyal gönderir (zaman ve yörüngeye göre
konum sinyalleri)
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 (Yol= Hız x Zaman)
2. Kontrol Bölümü
• Dünya üzerinde 5 adet insansız kontrol istasyonu (Hawai, Kwajalein,
Cape Cenavaral, Ascension adaları ve Diego Garcia) ve 1 adet insanlı
ana kontrol istasyonu (Colorado Spring) bulunmaktadır.
• İnsansız kontrol merkezleri, topladıkları bilgileri ana merkeze
yollarlar. Ana merkezde bu bilgiler değerlendirilerek gerekli
düzeltmeler uydulara bildirilir.
• İstasyonların görevi; günlük olarak uyduların sağlıklı şekilde
çalışmalarını sağlamak, toplanan verileri irdeleyerek uydu
yörüngelerini belirlemektir. GPS uydularını sürekli izleyerek, doğru
yörünge ve zaman bilgilerini sağlar.
• Ana kontrol istasyonu ise tüm sistemin kontrolünden sorumludur.
2. Kontrol Bölümü
US Space Command
Cape Canaveral
Hawaii
Kwajalein Atoll
Diego Garcia
Ascension
Is.
Ana Kontrol İstasyonu
İzleme İstasyonu
Yer Anteni
3. Kullanıcı Bölümü
• Kullanıcı bölümü yeryüzündeki alıcılardır. Çeşitli amaçlarla
GPS kullanarak yerini belirlemek isteyen herhangi bir kişi,
sistemin kullanıcı bölümünü oluşturur
• GPS anteni & alıcı/işlemci
• Pozisyon (yer)
• Hız
• Duyarlı zaman tayini
• Kullanıcılar:
–
–
–
–
Hava araçları
Yer araçları
Gemiler
Bireyler
GPS Alıcısının Çalışması
• GPS alıcısı açıldığında sinyal alma aşaması başlamıştır.
• GPS alıcısı sinyal almaya başladığında ilk önce hafızasındaki
uydulara ait navigasyon bilgilerine bakar eğer bu veriler işlevsel
değilse gökyüzünü taramaya başlar.
• Çok kanallı GPS alıcıları tarama işlemleri sonucunda sinyalini aldığı
uyduları kanalları ile ayrı ayrı ilişkilendirir. Daha sonra hesapladığı
mesafelere göre ve aldığı bilgilere göre konum belirleme işlemini
yapar.
• Sinyaller taşıyıcı izleme döngüsü ve kod izleme döngüsü ile takip
edilir.
• Yazılımlarla ve donanımlarla desteklenen her iki döngünün
neticesinde uydulara kilitlenilir ve konum belirlenir.
3. Kullanıcı Bölümü
3. Kullanıcı Bölümü
• Garmin eTrex
– ~$100
• Garmin-12
– ~$150
• Casio GPS wristwatch
– ~$300
3. Kullanıcı Bölümü
GPS alıcıları:
a)P-Kod yorumlayabilen askeri amaçlı GPS
b)Jeodezik amaçlı GPS
c)Sivil kullanıcı portatif el GPS’i
d)Renkli ekran portatif el GPS’i
3. Kullanıcı Bölümü
GPS sinyallerini yorumlayabilen elektronik araçlar
a)Pocket-PC b)PDA cihazı
c)Cep telefonu
d)Kol saatleri
Sistem Nasıl Çalışır?
Uzay bölümü
24+ Uydu
İzleme
İstasyonları
Belirli zamanda
gökyüzündeki
objelerin konumları
kullanıcılara
gönderilir
• Diego Garcia
• Ascension Adaları
• Kwajalein
• Hawaii
• Colorado Springs
GPS Ana Kontrol
Colorado Springs
Son
kullanıcı
Sistem Nasıl Çalışır?
Bir noktanın konumu belirlenirken en az dört uydudan sinyal
alınmalıdır, konum belirleme hassasiyeti uydu sayısıyla orantılıdır.
Üç uydu: İki nokta
Dört uydu: Bir nokta
Sistem Nasıl Çalışır?
• Bir GPS alıcısı açıldığında sinyal alma aşaması
başlamıştır.
• Yeryüzünde en az 4 uyduyu görecek şekilde
konumlandırılan bir GPS alıcısı, tarama
işlemleri sonucunda sinyalini aldığı uyduları
kanalları ile ayrı ayrı ilişkilendirir. Daha sonra
hesapladığı mesafelere göre ve aldığı bilgilere
göre konum belirleme işlemini yapar.
• Hassaslık: 1 m den 15 m ye kadar (teknolojiye
bağlı olarak)
Sistem Nasıl Çalışır?
• Uzaklık ölçümü
• Işık hızında hareket eden radyo
sinyalleri
• Uydudan kullanıcıya ölçüm süresi
• Sinyallerin uydudan bize ulaşma
süresinin ışık hızı ile çarpımı (uzaklık
= hız x zaman) sonucunda uydu ile
alıcı arasındaki uzaklık bulunur.
Uzaklık Ölçümü
• Mesafe ölçümü
Başlangıç: 0.00 s
Bitiş: 0.06s
Hata Kaynakları
• Atmosferik etkiler (iyonosfer ve troposfer
katmanı)
• Uyduların gökyüzündeki diziliş biçimi ve konumu
(ephemeris hatası)
• Kullanıcı hataları
• GPS uydu ve alıcılarındaki saat hataları
• Yeryüzü şekilleri (yansıma vs)
GPS : Klasik Ölçme
 Noktalar arası görüş zorunluluğu ortadan kalkmıştır. GPS alıcı
anteninin uydu sinyalini izleyebilmesi için gökyüzünü görmesi
yeterlidir.
 Nokta yeri seçiminde noktaların en yüksek yerlerde olması gibi
zorunluluklar ortadan kalkmıştır.
 GPS ölçülerinin yapılması büyük oranda hava şartlarından
bağımsızdır. Gece ve gündüz sürekli (24 saat) ölçüm
yapılabilmektedir.
 GPS ölçülerinin yapılışındaki hız ve aletlerin kullanım kolaylığı,
ölçücü hatalarının olmaması (anten yüksekliği ölçümü hariç)
nedenleriyle ekonomik bir sistemdir.
 Üç boyutlu nokta koordinatları elde edilmektedir.
 Elde edilen jeodezik doğruluklar en duyarlı klasik jeodezik
tekniklerle elde edilenlerle eşit ya da daha iyidir.
GPS: Olumsuz Yön
• Alıcı anteni mutlaka açık gökyüzünü görmelidir.
Başka bir deyişle, GPS sinyalleri mikrodalga
sinyalleri gibi kuvvetli olmadığından kapalı
yerlerde, su altında, çok sık ağaçlıklı bölgelerde,
binaların çok olduğu yerleşim yerlerinde, tünel ve
madenlerde kullanılamamaktadır.
• Ağır yağışta, güçlü radyo yayınının yapıldığı ya da
yayın antenlerinin olduğu yerlerde verimli değildir
Koordinat Sistemleri
GPS: Kullanımı
Uydular ile bağlantı
kurulduktan sonra
bulunulan noktanın
UTM*projeksiyonuna
göre bölge, konum,
yükseklik ve hassasiyet
bilgisi (en az 3m) ekranda
görülebilir.
Mark tuşu yardımıyla ilgili
nokta cihaza kaydedilir.
UTM Silindirik Projeksiyonu
*UTM Projeksiyonu (Universal Transverse Mercator), Dünya, başlangıç
meridyenleri 6°'de bir değişen 60 dilime (zone) ayrılır ve referans
enlemi ekvatordur. Her dilimin enlem genişliği 80° kuzey, 80° güney
enlemidir.
Her dilimin ayrı bir koordinat sistemi vardır. Dilim orta meridyenleri X
ekseni, ekvator da Y eksenidir. İkisinin kesişimi başlangıç noktasıdır.
X değerleri dünyadaki uzunluklarla aynı, Y değerleri ise dünyadakinden
biraz büyüktür. Bu farkı azaltmak için X, Y değerleri mo = 0,9996 ile
çarpılır.
Y değeri başlangıç meridyeninin solunda negatif olur. Bundan
kurtulmak için Y değerine 500.000 eklenir. Uzunluk birimi metredir.
UTM Dilimleri Türkiye
UTM Silindirik Projeksiyonu
UTM Silindirik Projeksiyonu
GPS: Kullanımı
Menu/Ayarlar/Harita
birimleri/Koordinat
sistemi
bölümünden UTM yerine
Coğrafik (Derece-Dakika)
projeksiyona geçilebilir
Nav tuşu ile pusula
özelliği de kullanılabilir.
GPS: Coğrafik Koordinatlar
GPS: Kullanımı
Menu/Kayıtlı
noktalar/Alfabetik
bölümünden daha önce
kaydedilmiş olan
noktaların bilgilerine
ulaşılabilir.
İstenirse bilgisayar
bağlantısı ile veriler
aktarılabilir.