Global Uydu Navigasyon Sistemleri ve Uydu Bazlı Alan Büyütme

CeBIT - Eurasia 2010
Coğrafi Bilgi Teknolojileri Çalıştayı
“Akademik Perspektif”
8 Ekim 2010, Istanbul
Global Uydu Navigasyon Sistemleri ve Uydu Bazlı Alan
Büyütme Sistemleri
Çetin Mekik
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Bölümü, Zonguldak,
E-posta: [email protected]
Özet
Bu bildiride günümüzde insan yaşamının neredeyse ayrılmaz bir parçası haline gelmeye başlayan
konumlama ihtiyacını karşılayan sistemler olan Global Uydu Navigasyon Sistemleri ile Uydu Bazlı Alan
Büyütme Sistemleri kısaca tanıtılmaktadır. Ayrıca bu sistemlerin gelişmiş ve gelişmekte olan kullanım
alanları navigasyon, haritacılık ve diğer kullanım alanları olarak sunulmaktadır.
1
GİRİŞ
Global Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS) uydulardan,
yer kontrol istasyonlarından ve kullanıcı ekipmanından
oluşmaktadır ve modern toplumlarda bir çok faaliyeti
desteklemekte
ve
hatta
gerçekleşmesini
sağlamaktadırlar. GNSS sistemleri için en iyi bilinen ve
tam olarak çalışanı ABD’nin GPS’idir. Rusya’nın işlettiği
ve henüz öngörülen uydu dağılımı tamamlanmayan
GLONAS da 2011 yılında tam faal olacaktır. Avrupa’nın
Galileo sisteminin tamamlanması 2015 yılını bulması
bekleniyor. Öte yandan Çinlilerin Compass-Beidou2
sistemi 2015-2020 yılları arasında tamamlanacağı
düşünülmektedir.
2
GLOBAL
NAVİGASYON
SİSTEMLERİ (GNSS)
UYDU
Global Navigasyon Uydu Sistemleri temel olarak üç
bileşenden oluşur: 1) Uzay Bölümü, 2) Kontrol Bölümü
ve 3) Kullanıcı Bölümü. GNSS’leri SBASlardan ayıran en
önemli özelliği kendi başlarına birer sistem olmalarıdır.
Uzay bölümünde tam global kapsama alanı sunacak
biçimde yeryuvarı etrafında yörünge düzlemlerinde
dolanan uydular bulunmaktadır. Kontrol bölümü ise bu
uyduları izleme ve çeşitli nedenlerden ötürü oluşan
bozulmaları hesaplayıp düzeltme görevini görmektedir.
Kullanıcı bölümünde de alıcı ekipmanları bulunmaktadır.
(Kahveci ve Yıldız, 2005)
Bunlara ilaveten çok sayıda Uydu Bazlı Alan Büyütme
Sistemleri (SBAS) bulunmaktadır. Örneğin ABD’nin Geniş
Alan Büyütme Sistemi (WAAS), AB’nin Avrupa Yersabit
Navigasyon Kapsama Servisi (EGNOS) ve Japonların
MTSAT Uydu Büyütmeli Navigasyon Sistemi (MSAS).
Bu çalışmada Global Uydu Navigasyon Sistemleri (GNSS)
tanıtılmakta ve kısaca da Uydu Bazlı Alan Büyütmeli
Sistemleri ve GNSS’in kullanım alanları anlatılacaktır.
Şekil 1. GNSS Bileşenleri
1
Farklı gelişme aşamalarında olan halihazırda dört ana
GNSS sistemi bulunmaktadır. Bunlardan sadece GPS tam
olarak çalışmaktadır. Bunlardan Galileo’nun uyduları
diğerlerinin uydularından daha yüksekte bulunmaktadır.
(URL 1)
Uydu
Sayısı
GPS
GLONASS Galileo
Compass
24
24
30+
GEO
27 + 3
5
Yörünge
6
sayısı
3
3
?
Büyük
yarıeksen
25440 km
29600
km
? 21500
km
26600
km
Yörünge
11:58 H 11:15 H
dönüş
Eğiklik
55 deg
Uydu
kütlesi
Güneş
paneli
alanı
64 deg
14:07 H ? 12:35 H
56 deg
? 55 deg
1100 kg
1400 kg
(IIR)
700 kg
? 2200 kg
14 m2
13 m2
???
23 m2
Şekil 2. GNSS sistemlerinin uzay bölümleri hakkında
genel bilgiler
GNSS uyduları birbirlerine göre konumlarını sabit
tutmak zorundadır. Böylelikle yörünge düzlemleri
arasında mesafe de aynı kalmak zorundadır. GPS’te bu
uydulara bir günde yapacakları döngü tekrarı vererek
sağlanır. Bunun anlamı her yıldız gününde uydu
yeryüzündeki aynı noktadan üzerinden geçer. Bu da
uyduların yer gravite alanıyla aynı salınım yapmasına yol
açar. Bu salınım yüzünden GPS uyduları önemli yörünge
bozunumları yaşarlar. Bu uydular düzenli olarak
izlenerek normal yörünge konumlarına getirilmeleri
gerekmektedir.
GLONAS’ta ise uydular bir diğerinin yerini alarak döngü
yaparlar. Bir yörünge düzlemi içinde uydular birbirinden
15 dakika ile ayrılırlar. 11:15 saatlik yörünge peryodu
göz önüne alındığında bir yörünge düzlemindeki bir
uydu bir gün önce aynı yörünge düzlemindeki “önceki”
uydunun üzerinden geçtiği aynı noktadan geçmektedir.
Böylelikle uydu dağılımı sabit kalmakta ve salınım
etkilerinden etkilenmemektedir. GLONASS uydularının
döngü süreleri 8 gündür.
Galileo’da temel tasarım kriterlerinden biri her
uydunun, yörünge düzlemindeki nominal konumunda
tutmak için ömürleri boyunca sadece maksimum bir
manevraya ihtiyaçlarının olmasıydı. Böylelikle GPS
uydularının yaşadığı salınım oluşmayacaktı. Galileo için
seçilen yörünge dağılımı Galileo uydu yörüngelerinin 10
günlük bir tekrar döngüsü sağlamaktadır. 10 gün sonra
her hangi bir Galileo uydusu kendisini tekrar eder.
Galileo yörünge seçimiyle, tüm Galileo uydu dağılımının
her Galileo uydusu başına maksimum bir manevralık
ömrü için “mükemmel” biçimde kalmasını sağlanır.
(Mekik, 2008)
Tamamen yeni GNSS sistemlerinin yanı sıra GNSS alan
büyütme (augmentation) sistemleri de bulunmaktadır.
Bunların çoğu GPS’ten elde edilen performansı
geliştirmeyi amaçlamaktadır, ancak bazılarına GLONASS
da dahil edilmektedir. ABD’de GPS büyütme sistemine
WAAS (Geniş Alan Büyütme Sistemi) denilmektedir.
Benzer sisteme Avrupa’da EGNOS (Avrupa Yersabit
Navigasyon KaplamaServisi) denilmektedir. Japonların
sisteminin adı ise MSAS (MTSAT Uydu Büyütme Sistemi)
ve Hintlilerin ki ise GAGAN (GPS Destekli Yer Büyütmeli
Navigasyon)’dır.
2.1
GPS
1973’te yeni bir navigasyon (yön bulum) ve konumlama
sistemi geliştirmek üzere ABD Silahlı Kuvvetlerinden ve
Savunma Haritalama Ajansından temsilcilerle bir proje
grubu kuruldu. Bu yeni sistem eski DOPPLER ya da
TRANSIT navigasyon sisteminin yerini alacaktı ve adı
NAVSTAR GPS olacaktı. NAVSTAR’ın açılımı Uydularla
Zaman ve Mesafe Ölçümüyle Navigasyon ve GPS’in ki
Global Konumlama Sistemiydi. Sistem ABD Savunma
Bakanlığı tarafından askeri uygulamalar için yürürlüğe
kondu. Sivil kullanıcılara bazı kısıtlamalarla erişim
sağlandı. Günümüzde ise en çok kullanılan biçimi
GPS’tir.
GPS’in gelişimi bir gereklilikten doğdu. Teknoloji
geliştikçe GPS günümüzde kullandığımız hale geldi.
Roketler ve uydulardaki ilerlemeler olmadan Küresel
Konumlama Sistemi de olmayacaktı. Aslında bu
gelişmeyi biz ilk uyduyu fırlatan Sovyetler Birliğine ve
soğuk savaşla birlikte Sovyetler Birliğinin hava sahasına
yanlışlıkla giren sivil havayolu şirketinin KAL 007
uçağının 1983’te düşürülmesine borçluyuz. Bu olay
ABD’nin Global Konumlama Sistemini geliştirme
programını hızlandırdı ve ilk defa sivil kullanımına
açılmasına yol açtı. Günümüzde GPS hayatın her
aşamasında karşımıza çıkmaktadır. (URL 2)
Aslında konumlama ihtiyacının ortaya çıkması 2. Dünya
Savaşına kadar gitmektedir. Askeriye yön bulmak için
yıldızlar ve radyo kulelerinden yayılan zayıf radyo
2
sinyallerinden başka daha iyi bir yol bulma ihtiyacı
hissetti. Pilotlar uçuş görevlerindeyken merkeze
dönerken radyo sinyallerinden yararlanmaktaydılar.
Pilot ya da navigatör planlanmış dönüş rotalarının
civarındayken sorun olmuyordu, fakat rotalarından
uzaklaştıklarında eve dönüş radyo sinyalini almakta
zorlanıyorlardı. Sinyalin gücüyle belirlenen belirli bir
mesafe içinde olmaları gerekiyordu. 1940’ların
başlarında LORAN sistemi askeri amaçlı olarak hem kara
hem de deniz için geliştirildi.
Sputnik 1957’de fırlatıldığında bir grup ABD’li bilim
adamı onun radyo sinyallerini izliyorlardı. Hemen fark
ettiler ki Doppler etkisinden ötürü uydu yaklaşırken
Sputnik’in sinyali daha yüksekken uydu geçtikten ve
onlardan uzaklaşırken daha düşük oluyordu.
Kendilerinin yeryüzündeki sabit konumunu bildikleri
takdirde Doppler bozunumunu/ötelemesini ölçerek
uydunun kesin konumunu bulabileceklerini formülüze
ettiler.
ABD Donanması ilk olarak 1960 yılında bir uydu
navigasyon sistemini başarılı bir şekilde test etti
(Transit). Bu sistem dünya etrafında yörüngede dolanan
beş uydudan oluşmaktaydı. Sistemin kusuru bir saatten
önce navigasyon konumu vermiyor olmasıydı. GPS’in işe
yaraması için uzayda güvenilir doğruluklu saatlere
ihtiyaçları vardı. ABD Donanması Timation uydusunu
1967 fırlatarak bunu başardı ve uzay yarışında bir adım
öne geçti.
İlk dünya çapında yer bazlı navigasyon sistemi
1970’lerde çalışmaya başladı. Adı Omega NAvigasyon
Sistemiydi ve tek fazlı karşılaştırma esasına
dayanmaktaydı.
1978’te Blok I adı verilen deneysel GPS uyduları fırlatıldı
ve 1985’e kadar on uydu daha bunu takip etti. Modern
Blok II uyduları 1989’da fırlatılmaya başlandı. 1994 Ocak
ayında tam operasyonel kapasitede 24 uydu
yörüngelerinde dolanmaktaydı.
Sovyetlerin 1983’te Kore’ye ait KAL 007 uçağını
düşürdükten sonra Başkan Ronald Reagan sistem
tamamlandıktan sonra sivil halkın da GPS navigasyon
sisteminden yararlanabileceğini duyurdu. Bill Clinton
yönetimi sırasında GPS sisteminin askeriyenin olduğu
kadar sivillerin kullanımının önemini fark etti. Clinton
GPS Yönetim Kurulu adında bir komisyon kurdurup
GPS’in yönetim ve gelecek planlarını hazırlanmasını
sağladı. Bu noktada GPS gerçekten hem askerler hem de
siviller için kullanılan bir sistem haline geldi. 1998’te
Başkan Yardımcısı Al Gore sivil kullanım için iki yeni
sinyal eklenerek güvenirlik ve doğruluğunu artırılarak
GPS’in geliştirilmesine yönelik gelecek planlarını anons
etti. 2004’te güncelleştirilmiş bir Ulusal politikayla
Başkan George W. Bush GPS sistemin bizlerin günlük
yaşamımızdaki öneminden dolayı GPS Yönetim
Kurulunun yerine Ulusal Uzay Esaslı Konumla,
Navigasyon ve Zamanlama Yönetim Komitesinin
kurulduğunu duyurdu.
Günümüz dünyasındaki hızlı teknolojik ilerlemelerle GPS
sektöründe bir çok değişiklikler olacaktır ve gelişmeler
arttıkça GPS’in yaşamlarımıza daha fazla gireceği
kaçınılmaz bir gerçektir.
GPS, 1970’lerde ABD tarafından savunma programının
bir parçası olarak geliştirilen bir uydu ağıdır. Yaklaşık
20200 km yüksekte ve ekvatorla 55 derece eğikliği olan
altı yörünge üzerinde dolanan 24 asıl ve 3 yedek
uydusuyla kesin konum bilgisi (enlem, boylam ve
yükseklik) sağlayarak nesneleri ya da araçları izlemenize
ve konumlamanıza olanak sağlayan bir sistemdir. GPS
uydularının tam döngüleri 11 saat 58 dakika olup aynı
noktada aynı uydu dağılımına her gün 4 dakika önce
gelmektedir.
Uydudan gönderilen tüm sinyaller uydu osilatörünün
temel frekansından (Fo) türetilmektedir. F1 ve F2 taşıyıcı
sinyalleri (dalga boyları sırasıyla 19 ve 24 cm) üzerine
modüle edilmiş kodlar ve navigasyon mesajıyla uydu
saati bilgileri, yörünge parametreleri gibi bilgiler
gönderilmektedir. C/A kod (Kaba Alım ya da Kesintisiz
Erişim ya da Sivil Erişim) F1 taşıyıcı sinyalin üzerine
modüle edilirken, P kodu (Presizyonlu ya da Korumalı)
her iki taşıyıcıya modüle edilmiştir/bindirilmiştir. (Mekik
ve Arslanoğlu, 2003)
Şekil 3. Standart bir GPS uydusu
3
hangi bir yerde en az 5 uydu görünümde olacak biçimde
düzenlenmiştir.
Her uydunun bir “dilim” numarası olup bulunduğu
yörünge düzlemini ve düzlemdeki yerini belirtir. Birinci
düzlemde 1-8 numaraları, ikinci düzlemde 9-16 ve
üçüncü düzlemde 17-24 numaraları tahsis edilmiştir.
Şekil 4. GPS uydu yörüngeleri
Sinyal ve kod ölçümleriyle yeryüzü üzerindeki noktaların
konumları en az dört uyduyla kestirilmektedir. Mevcut
sinyal ve kodlara ilaveten M-kod, L2C ve L5 sinyalleri de
eklenerek modernize edilmektedir. (URL 3)
2.2
GLONASS (Global Navigasyon Uydu
Sistemi)
GLONASS
(Rusçası:
ГЛОНАСС:
ГЛОбальная
НАвигационная Спутниковая Система; çevirisi.:
GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema;
İngilizcesi: GLObal NAvigation Satellite System)
geliştirilmesine 1976’da başlandı ve 1991 yılına kadar
global kapsama amaçlandı. Ekim 1982’de çok sayıda
uydu yüklü roketler fırlatıldı. GLONASS ilk olarak Sovyet
ordusu tarafından navigasyon ve balistik füze hedefleme
amacıyla kullanılmak üzere gerçek zamanlı konum ve hız
belirleme amacıyla geliştirildi. 24 uyduluk dağılıma 1996
yılında ulaşıldı. Ancak, Rus ekonomisin çöküşüyle ve
temel itibariyle kısa ömürlü tasarlanan uydular
nedeniyle GLONASS hızlı bir biçimde gerileme yaşamaya
başladı. 2002 yılında birkaç uyduya kadar düştü. Rus
hiyerarşisinden aldığı destekle GLONASS tekrar doğdu
ve yılda altı fırlatmaya kadar varan daha uzun ömürlü
uyduların fırlatılmasıyla uydu sayısı 21’e yükseldi
(yörüngede 2 tane de yedek olarak). (URL 4).
Tam çalışır haldeki GLONASS uydu dağılımı 24 uydudan
oluşmaktadır. Üç yörünge düzlemi birbirinden
rektazansiyonu
120
derece
olacak
biçimde
oluşturulmuştur. Yörüngeler yaklaşık dairesel olup
o
eğikliği yaklaşık 64,8 ve yüksekliği 19.100km. dir.
Uydular döngülerini 11 saat 15 dk da tamamlarlar.
o
Düzlemlerin birbirlerinden 15 lik enlem ötelemeleri
vardır ve bu da uyduların ekvatordan üç yerine bir kere
geçmelerini sağlar. Uydu dağılımı, her hangi bir anda her
Şekil 5. GLONASS uydu yörüngeleri
GPS ile GLONASS arasındaki temel fark, GLONASS’ta her
uydunun aynı koda sahip olup kendine ait bir frekansı
olurken GPS’te tüm uydular aynı frekansı kullanılır ama
farklı kodları vardır. GLONASS frekans bölüşümlü çoklu
erişim (FDMA) kullanırken GPS ve Galileo kod bölüşümlü
çoklu erişim (CDMA) kullanmaktadır.
Uyduların gönderdiği tüm sinyaller temel frekanstan (Fo)
türetilmiştir ve her uydu L1 band olarak adlandırılan
1602,5625 MHz ile 1615 MHz arasında bulunan 25
kanallı FDMA tekniğini kullanan farklı frekansta sinyal
gönderir. (Hu vd. 2010)
2.3
Galileo
Galileo Avrupa’nın kendine ait global navigasyon uydu
sistemi olup yüksek doğruluklu, sivillerin denetiminde
garantili global konumlama sistemidir. GPS, GLONASS ve
diğer iki global uydu navigasyon sistemiyle birlikte
çalışma özelliğinde olacaktır. Yeryüzündeki kullanıcı aynı
uyduyla her hangi bir kombinasyonla uydulardan
konumunu hesaplayabilecektir. İki frekansı standart
olarak sağlayan Galileo sivillere açık bir sistemden
beklenmeyen biçimde metre doğrulukla gerçek zamanlı
konumlama olanağı sunacaktır. Her türlü zorlu
koşullarda servis sağlamayı garantileyen sistem
kullanıcıları her hangi bir uydu sorununda saniyeler
içinde kullanıcıları bilgilendirecektir. Tren ve arabaları
yönlendirme ve uçakları indirme gibi güvenliğin çok
önemli
olduğu
uygulamalarda
rahatlıkla
kullanılabilecektir.
4
İlk deneysel uydu, GIOVE-A 28 Aralık 2005’te fırlatıldı.
Bu uydunun amacı Avrupa Uzay Ajansı kontratlarıyla
geliştirilen kritik teknolojilerin özelliklerini ortaya
koymaktı. İkinci deneysel uydu GIOVE-B 27 Nisan
2008’te fırlatıldı. Bu uydu öngörülen Galileo uydularına
yakından benziyordu ve bunun da amacı kritik
teknolojileri test etmekti. GIOVE-B’de gelecek GNSS
sistemleri ve özellikle de Galileo için oldukça çok umut
vaat eden ultra-dengeli saat olan pasif hidrojen maser
(PHM) bulunmaktadır. Diğer deneysel uydu GIOVE-A2
ise hazırlık aşamasındadır.
Tamamlanmış Galileo sisteminde 30 uydu bulunacaktır
(27 faal ve 3 yedek). Galileo uyduları yerden 23.222 km
yüksekte üç dairesel Orta Yersabit Yörüngede
dolanacaklar. Buradan Galileo uydularının GPS ve
GLONASS uydularından daha yüksekte olduğu
anlaşılmaktadır. Galileo uydu yörüngelerinin “tekrar
döngüsü” 10 gün olup yörüngedeki dolanım 14 saat 7 dk
o
sürecektir. Yörüngelerin ekvatorla olan eğikliği 56 dir.
Tamamlanmış uydu dağılımında Galileo navigasyon
o
sinyalleri 75 kuzey enlemlerinde bile iyi kapsama
sunacaktır. (Cordara vd., 2003)
tarafından yetki verilmiş kullanıcılara açıktır. (Gökalp ve
Boz, 2006),
Şekil 7. Galileo sisteminin sinyal tahsisleri
GPS ve GLONASS’tan farklı yeni bir özellik de Galileo’nun
sağlayacağı küresel anlamda bir Arama ve Kurtarma
(SAR) fonksiyonu olup faal durumdaki CORPAS-SARSAT
sistemine dayanmaktadır. Her Galileo uydusunda
kullanıcıdan Arama ve Kurtarma Koordinasyon
Merkezine acil durum sinyallerini transfer edebilen bir
aktarıcı bulunacaktır. Aynı zamanda sistem, kullanıcıya
durumun dikkate alındığını ve yardımın yolda olduğunu
bildiren bir sinyal gönderecektir. Bu yeni özellik mevcut
sistemlerle karşılaştırıldığında önemli bir üstünlük
sayılmaktadır.
2.4
Compass/BeiDou 2
BeiDou
Navigasyon Sistemi (Geleneksel Çince:
Basitleştirilmiş Çince:
;
pinyin: běidǒu dǎoháng xìtǒng) veya BeiDou (COMPASS)
Navigasyon
Uydu
Sistemi
(Geleneksel
Çince:
;
Basitleştirilmiş
Çince:
北斗導航系統;
Şekil 6. Galileo sisteminin bileşenleri
GPS ve GLONASS’ta olduğu gibi uydulardan gönderilen
tüm Galileo sinyalleri bir temel frekanstan
türetilmektedir. Ancak, Galileo sinyalleri üç farklı
frekansta (F1, F2 ve F5) 10 navigasyon sinyali
gönderecektir. Bu sinyallerin frekans aralıkları 11641215 MHz (E5a ve E5b), 1215-1300 Mhz (E6) ve 15591592 MHz (E2-L1-E1). Bu sinyaller değişik kullanıcı
gruplarına açıktır; örneğin E5a, E5b ve L1 taşıyıcı
frekansları üzerinden gönderilen 6 sinyal Açık Servisler
(OS) ve Yaşam Güvenliği Servisleri (SOL) kullanıcılarına
açıktır.E6 taşıyıcı frekansı üzerinde bulunan ve
şifrelenmiş uzunluk belirleme kodları içeren iki sinyal
Ticari Servis (CS) sağlayıcısı aracılığıyla erişim hakkı
kazanan kullanıcılar açıktır. 10 sinyalin şifreli uzunluk
belirleme kodu ve bir E6 bandında diğeri L1 bandında
veri içeren son ikisi de Genel Düzenleme Servisi (PRS)
北斗导航系统
北斗衛星導航系統
北斗卫星导航系统;
pinyin: běidǒu wèixīng dǎoháng
xìtǒng) Çin’in bağımsız bir uydu navigasyon sistemi
projesidir. Mevcut Beidou-1 sistemi (dört uydudan
oluşur) deneysel olup kısıtlı kapsama ve uygulama
alanına sahiptir. Ancak, COMPASS sistemiyle Çin 35
uydudan oluşan gerçek bir global uydu navigasyon
sistemi geliştirmeyi planlamaktadır. (URL5)
Yeni sistemde 5 tanesi yersabit yörünge (GEO) uydusu
ve 30 tane de orta yer yörüngesi (MEO) uydusu
bulunmakta ve global kapsama sağlayacaklardır.
COMPASS, 10 servis sunacaktır; bunlardan beşi açık
servisler olup diğer beşi de kısıtlı yetkili servisler
olacaktır. Bu servislerin sekiz farklı taşıyıcı frekansla
verilmesi öngörülmektedir. Açık servislerin 10 metrelik
anlık konumlama doğruluğu sunarken yetkili (lisanslı)
servisler açık servislerden daha doğruluklu olacak ve
kullanıcıya sistem durumu hakkında bilgiler de sunacak.
5
2007’de 2 tane COMPASS Beidou uydusu fırlatıldı. 2012
yılına kadar Asya-Pasifik bölgesinde 2020 yılına kadar da
global kapsamda kullanıcılara hizmet vermesi
düşünülmektedir. Aslında 2000 yılında ilk Beidou 1
uydusu fırlatılırken yerel olması planlanan konumlama
sistemi 2007 yılında Çin Devletinin politika
değiştirmesiyle global ölçeğe çıkarılmıştır. Bunda
ABD’nin GPS sisteminin askeri hedefleri ve askeri
operasyonlarda GPS kullanımının öne çıkması ve
ABD’nin zor (gerekli) durumlarda GPS kullanımını
sınırlandıracağına dair söylemlerin etkili olduğu
düşünülmektedir.
hesaplanır. Bu bilgiler sonradan kullanıcıya bir SBAS
uydusuyla gönderilir kullanıcı bu değerleri kendi hassas
konumunu hesaplamada kullanır.
Gününüzde mevcut SBAS sistemleri WAAS, EGNS ve
MSAS’tır. Bunlar farklı ülkeler tarafından işletilmektedir.
Bunların yanı sıra ticari amaçlı işletilen OmniSTAR,
Globalstar ve Starfire sistemleri de bulunmaktadır. (M.
Kahveci, 2009, Kinematik GNSS ve RTK CORS Agları,
Zerpa Turiz Yayıncılık)
3.1
Geniş Alan Büyütmeli Sistem (WAAS)
WAAS uydu bazlı bir DGPS sistemi olup ABD tarafından
işletilmektedir. WAAS, GPS sinyallerini kontrol eden
yaklaşık 25 yer istasyonu ve bu istasyonlardan gelen
verileri toplayıp düzelten iki referans istasyonundan
oluşur.
Hesaplanan
düzeltmeler
yer
sabit
(geostationary) uydulara aktarılır. Bu düzeltme bilgileri
GPS benzeri sinyaller biçiminde yayınlanır. Sinyalleri
alacak biçimde tasarlanmış bir GPS/WAAS alıcıyla bu
düzeltmeler alınır ve konum hesabında kullanılır.
Şekil 8. Compass-M1 uydusu
Avrupa’nın Galileo test uyduları gibi (Gİove-A ve GioveB), Çinliler de Compass sistemi için Compass-M1 adı
verilen deneysel bir uyduyu 14 Nisan 2007’de fırlattılar.
Giove uyduları gibi bu uyduyu fırlatmanın ana amacı
frekans tahsisi içindi. Bununla birlikte uydu sinyal testi
ve geçerlilik uygulamaları için kusursuz bir test altlığı
sundu.
Compass sinyal yapısı hakkında çok fazla bilgi
bulunmamasına rağmen bağımsız araştırmalar bir çok
sırrını ortay çıkardı. Compass 4 bantta sinyal
yayınlayacak: E1, E2, E5B ve E6. Compass-M1’in
yörüngesi yaklaşık dairesel olup 21.150 km yüksekliğe
o
sahiptir ve ekvatorla 55.5 lik eğikliği vardır.
3
UYDU
BAZLI
SİSTEMLERİ (SBAS)
ALAN
BÜYÜTME
Uydu Bazlı Alan Büyütme Sistemlerinde (SBAS)
yeryüzünde geniş bir alana yayılmış çok sayıda referans
istasyonu bir iletişim kanalıyla (internet, uydu vb.)
kontrol merkezine bağlanarak izlenen uydulara ilişkin
veriler ve işlemler sonucu yüksek doğrulukla
koordinatlarını gönderir. Kontrol merkezinde tüm
referans istasyonlardan gelen bilgilerle uydulara ait
düzeltme verileri ve iyonosferik gecikme miktarları
Şekil 9. WAAS Uydularının kapsama alanları
3.2
Avrupa Yersabit Navigasyon Kapsama
Servisi (EGNOS)
EGNOS Avrupa Birliği’ne ait bir servis olup amacı GPS ve
GLONASS sistemlerinin hizmet kalitesini (doğruluk,
güvenirlik ve süreklilik) artırarak uçakların ve gemilerin
güvenli bir biçimde rota izlemelerini sağlamaktır. EGNOS
da uzay, yer kontrol ve kullanıcı birimlerinden oluşur.
Uzay biriminde üç yersabit (geostationary) uydu olan
AORE-E (Doğu Atlantik üzerinde), IOR-W (Hint Okyanusu
üzerinde) ve Artemis (Afrika üzerinde) bulunmaktadır.
Bu uydular düzeltmelerini GPS L1 frekansı üzerinden
yayınlamaktadır. Sistemin yer kontrol biriminde 4 ana
kontrol istasyonu (MCC) ve bir merkezi hesaplama birimi
(CPF), bir merkezi kontrol birimi (CCF) ve 34 RIMS
(Ranging
and
Integrity
Monitoring
Stations)
istasyonundan oluşmaktadır.
6
uydusu GSAT-4 olup 2011 yılında hizmete girmesi
hedeflenmektedir.
3.5
Şekil 10. EGNOS sisteminin bileşenleri
3.3
MSAS Sistemi
Japonların sivil havacılık trafiğini daha güvenilir hale
getirmek ve meteorolojik gözlemler yapmak için
geliştirdikleri bir sistemdir. Önce MSAT (Multifonksiyonel Ulaştırma Uyduları) olarak sistem kapsama
alanı sorunlarını gidermek ve elde edilen navigasyon
doğruluğunu artırmak için genişletilerek MSAS (MTSAT
Uydu Bazlı Alan Büyütme Sistemi) adını almıştır. MSAS,
WAAS ve EGNOS sistemlerine benzemektedir ve
özellikle hava navigasyonunda GPS’in Pasifik bölgesinde
doğruluğunu, güvenirliğini ve sürekliliğini sağlayan bir
sitemdir. MSAS uyduları yerden yaklaşık 36.000 km
yüksekte yersabit uydular olup bunlar MTSAT-1R ve
MTSAT-2 uydularıdır.
QZSS (Kuazi Zenit Uydu Sistemi)
QZSS (lakabı ve ilk uydusunun adı olan Michibiki ile de
anılır), Japonların bölgesel uydu navigasyon sistemi olup
halen geliştirilmektedir. Navigasyon sisteminin amacı,
orijinal Japon (QZSS) sistemi sinyalleriyle birlikte GPS ile
birlikte çalışan ve GPS büyütmeli sinyaller göndermektir.
Üç uydu eliptik yerle senkronize yörüngede
dolanmaktadır. Bu sistem konseptiyle Japonya ve
Okyanusyadaki ve civarındaki kullanıcılar şehir içlerinde
ve dağlık arazilerde bile kesintisiz konumlama ve
navigasyon yapabilecekler. (Kogure ve Yasuda, 2009)
Şekil 12 (üst) QZSS uydularının üç yersabit düzlemde
gösterimi
(alt) uydularının yeryüzündeki izinin
genişletilmiş görüntüsü
Şekil 11. MSAS sistemin çalışma şeması
3.4
GPS Destekli Yer Büyütmeli Navigasyon
(GAGAN) Sistemi
Hindistan hava sahasındaki uçuşlarda kesintisiz
navigasyon hizmeti sağlamak amacıyla Hintliler
tarafından geliştirilmiş bir sistemdir. Sistem GPS
uydularını izleyip bunlara ilişkin düzelmeleri hesaplayıp
doğruluk konum belirlemesi sağlamaktadır. Sistemde 8
yer referans istasyonu, bir ana kontrol merkezi ve
uydulara navigasyon verisi yükleyen bir istasyondan
oluşur. Sistem WAAS, EGNOS ve MSAS ile uyumlu
çalışacak biçimde tasarlanmaktadır ve sistemin tek
QZSS, başka bir navigasyon sisteminin (burada GPS)
kullanım hacmini büyütmek amacıyla tasarlanmış olması
özelliğiyle uydu navigasyon sistemleri alanında eşsiz bir
yer tutmaktadır, ancak sadece “yama” görevi görmek
kısıtlı değildir. Aksine, QZSS uyduları kapsama
alanlarından optimal görüş için eliptik yerle senkronize
yörüngelere yerleştirilecektir. Tamamlanmış QZSS uydu
dağılımı nispeten bağımsız işleyecek; SBAS’larda olduğu
gibi yer kontrol göreviyle kısıtlanmak yerine GPS ve
Galileo navigasyon uydularını işletecek.
QZSS sistemi GPS servislerini iki şekilde artıracaktır: ilki
GPS sinyallerine erişim iyileşecek ve ikincisi GPS’ten elde
edilen navigasyon çözümünün doğruluğu ve güvenilirliği
artacak. Kuazi Zenit Uydularından gönderilen sinyaller
modernize edilmiş GPS sinyallerine benzemektedir ve
7
bu nedenle GPS ile birlikte çalışması sağlanmaktadır.
QZSS L1C/A, L2C ve L5 sinyalleri yayınlacaktır. Bu da alıcı
tasarımlarında sinyal işleme metodolojisinde minimum
değişikliğe neden olacaktır.
4.
GNSS UYGULAMA ALANLARI
Navigasyon:
- Otomobiller/Taşıtlar: Gabrika çıkışlı ya da sonradan
takılabilen navigasyon cihazlarıyla yön ve adres
bulunması; taşımacılık firmalarının filo takibi amaçlı
olarak araçların hızları, konumları, güzergahları gibi
bilgileri edinmeleri
- Uçaklar: Navigasyon sistemleri genellikle “hareketli
harita” görüntülemekte ve çoğunlukla da otopilotla
bağlantılı olarak yön ve rota tayini amaçlıdır. Kokpite
monte edilen GNNS alıcıları ve dijital göstergeler artık
her boyuttaki sivil uçaklarda kullanılmaya başlamış ve
WASS ya da LAAS teknolojilerini kullanarak doğruluğu
artırmaktadırlar. Bu sistemlerin çoğu aletli uçuş kuralları
navigasyonu olarak lisanslandırılabilmekte ve son
yaklaşma ve iniş için kullanılabilmektedir. Planör pilotları
planör yarışlarında dönüş noktalarına varışlarını teyit
eden GNSS verilerini kaydetmede GNSS Uçuş Kaydedici
kullanmaktadırlar. Uçuş bilgisayarı kurulan bir çok
planörler havadayken rüzgar hızını ve uçuş rotalarını,
alternatif rotaları, dağ geçişlerini hesaplamada GNSS
kullanmaktadırlar
- Gemi ve Tekneler: Göller, denizler ve okyanuslarda yön
bulmada GNSS kullanabilmektedirler. Denizcilik GNSS
ünitelerinde anında konum işaretlemeye olanak veren
“adam denize düştü (MOB) gibi sularda kullanıma
elverişli fonksiyonlar bulunmaktadır. GNSS geminin
otomatik dümenine bağlanabilmekte ve NMEA 0183
arayüzü kullanarak harita çizimi yapabilmektedir. GNSS
ayrıca AIS (Otomatik Tanımlama Sistemini) etkin hale
getirerek gemi trafiğinin güvenliğini artırabilmektedir.
- Ağır Makineler: İnşaat, madencilik ve hassas tarımda
kullanılabilmektedir. GNSS tabanlı makine güdüm
sistemlerinde inşaat ekipmanın bıçakları ve kepçeleri
otomatik olarak kontrol edilmektedir. Tarım makineleri
otomatik sürüş ya da sürücü için ekranda görsel olarak
görünteleme amacıyla GNSS kullanılabilmektedir.
Kontrollü trafik, ham ürün işlemleri ve ilaçlama için çok
yararlı olmaktadır. Mahsül monitör destekli biçer
döverler GNSS’i kullanarak hasat edilen tarlanın mahsül
haritasını oluşturabilmektedir.
- Bisiklet : Genellikle yarışlarda ve gezilerde
kulanılmaktadır. GNSS ile navigasyonla biniciler daha
tenha, dar caddeleri kendi rotalarını önceden
çekleyebilmekte ve bu rotayı sürekli haritaya bakma
zorunluluğu olmadan izleyebilmekteler. Bazı GNSS
alıcıları bisikletler için özel montaj ekipmanıyla birlikte
satılmaktadır.
- Dağ yürüyüşçüleri ve tırmanıcıları : Hatta yayalar
şehirde ve kırsalda kendi konumlarını belirlemede ayrı
haritalara başvurmadan GNSS kullanmaktadırlar. Issız
bölgelerde GNSS’in sunduğu hassas konum bilgileri
dağcıların, dağ yürüyüşçülerinin kaza geçirmeleri ya da
kaybolmaları
durumunda
kurtarılmalarını
hızlandırmaktadır (elbette yanlarında bir iletişim
cihazıyla birlikte).
- Görme engelliler: Görme engelliler ya da görme
yeteneği kuvvetli olmayanlar için sesli GNSS aletleri
bulunmaktadır. Bunlar köpeklere de takılarak yön
tayininde kullanılabilmektedir.
- Uzay araçları : Günümüze uzay araçları GNSS’i bir
navigasyon aracı olarak kullanmaya başlamışlardır. Bir
uzay aracına eklenen bir GNSS alıcısı yer kontrol ünitesi
olmadan hassas yörünge belirlemeye olanak
vermektedir. Bu da otomatik uzay aracı navigasyonunu,
düzenli uçuş ve otomatik buluşmaya katkı vermektedir.
MEO, GEO, HEO ve yüksek derecede eliptik yörüngeler
için GNSS’in kullanımı zayıf sinyal (15-20dB) izleme
yeteneği olan alıcılarla birlikte mümkün olmaktadır.
Alçak yer yörüngeli (LEO) uydular (örneğin Orbcomm)
GPS alıcıları kullanmakadurlar.
Ölçme ve Haritacılık:
-
Ölçme : Ölçü noktalarında (poligon, nirengi),
binaların ve yolların inşaatında konumlama
amacıyla jeodezik GNSS alıcıları kullanılmaktadır. Bu
alıcılar her iki L1 ve L2 GPS frekanslarını
kullanmaktadırlar. L2 kod verisi şifreli olmasına
karşın taşıyıcı sinyaller iyonosferik hataların
düzeltilmesinde kullanılmaktadır. Bu çift frekanslı
GPS alıcıları diğer sivillerin kullandığın alıcılardan
çok daha pahalıdırlar ancak cm hatta mm düzeyinde
konumlama hatasıyla konumlama yapma olanağı
sunmaktadırlar.
-
Haritacılık ve CBS: Çoğu ölçmecilik düzeyindeki
GNSS alıcıları sadece L1 frekansında veriyi
kullanmaktadır, fakat alıcı saati hatalarını azaltan
hassas kristal osilatöre sahiptirler. Bu da
8
diferansiyel GNSS sinyaliyle gerçek zamanlı
konumlama doğruluğunun bir metre ya da altında
olmasına olanak tanımaktadır. Taşıyıcı faz
ölçüleriyle ve büroda hesaplamayla bu alıcılarla
desimetre düzeyinde doğrulukla konumlama
yapmak mümkün olabilmektedir.
-
Jeofizik ve jeoloji : Kabuk hareketlerinin yüksek
hassasiyette ölçülmesinde diferansiyel GNSS
kullanılabilmektedir. Aktif olarak deforme olan
alanlarda (örn. Volkan ya da fay hatlarında) çok
sayıda istasyonda ölçüler yaparak gerilme ve yer
hareketlerinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Bu
ölçümler daha sonra deformasyonun nedenini
yorumlamada kullanılabilmektedir.
-
Arkeoloji: Arkeologlar bir bölgede kazı yaparlarken
buluntuların yerlerini ayrıntılı biçimde göstermek
için genellikle kazı alanının üç boyutlu haritasını
yaparlar.
Diğer Kullanımlar:
-
-
-
Hassas zaman referansı (senkronizyon için referans
saati, sismoloji amaçlı NTP, RF üreten ekipman ve
ağlar için zaman doğruluklu TDMA – Zaman
bölüşümlü çoklu erişim)
Mobil uydu iletişimi (hareketli platformdaki
antenlerin uyduya yönlendirilmesi)
Acil ve lokasyon esaslı servisler (cep telefonların
konumları, rota tayini)
Lokasyon esaslı oyunlar (geocaching, geodashing
oyunlarında yön ve konum tayini)
Yönlendirme bilgisi (GNSS pusulası)
İzleme (araç, insan, hayvan, gemi vb izlenmesi)
Suçluların izlenmesi (cinsel suçluların ayak
bileklerini takılarak izlenmesi)
Yol ücretlendirme (kullanılan yolun tespiti ve
ücretlendirilmesi)
Hava tahmini (hava yoğunluğu, sıcaklık, nem ve
elektron yoğunluğu belirleme)
Fotoğrafik Jeokodlama (fotoğraflara konum
ekleyerek harita ve lokasyonlara ilişkin bültenlerde
yayınlama)
Paraşütle atlama (iniş noktalarının belirlenmesi)
Pazarlama (CBS ile birleştirerek yeni yerlerin
açılması ve hedef kitlenin yollarının belirlenmesi)
Enkaz dalışları ( gemi enkazlarının konumları)
Sosyal ağlar (arkadaşların yerleri, uyarı veren kişiye özel
haritalar, krokiler (Gleason ve Gebre-Egziabher, 2009)
Lokasyon Bazlı Servis (LBS)
LBS bilgi ve eğlence servisi olup mobil ağlar aracılığıyla
ulaşılabilen ve mobil aygıtın coğrafi konumundan
yararlanmaktadır. LBS servisleri sağlık, iş, kişisel yaşam
vb gibi çeşitli amaçlarla kullanılabilmektedir ve en yakın
ATM’nin bulunması ya da bir arkadaş veya çalışanın yeri
gibi bir kişini ya da nesnenin yerini (lokasyonunu)
belirlemede kullanılır. LBS’ten kargo takibi, araç takibi
servislerinde de yararlanılmaktadır. Kişilerin o an
bulundukları yere göre doğrudan müşteri hedefli
reklamların ya da kuponların sağlanmasını amaçlayan
mobil ticarette de kullanılabilmektedir. Kişisel hava
tahmini servisleri ve hatta lokasyon bazlı oyunlarda da
kullanılabilmektedir.
5. SONUÇ
Önce askeri ve savunma amacıyla gelişen global
navigasyon uydu sistemleri konum ihtiyacının yaşamın
her aşamasında hissedilmesinden dolayı sivil kullanıma
da sunulmuştur. Nerede ya da neredeyim sorularının
modern insanın hayatın önemli bir yer tutmasıyla
ABD’nin GPS’i ve Rusya’nın GLONASS sistemlerini diğer
ülke ve ülkeler topluluklarının sistemleri izlemeye
başlamıştır. Tamamen sivil kullanıma yönelik AB’nin
Galileo’su ile Çin’in Compass sistemleri önümüzdeki
yıllarda tam kapasite çalışmaya başlayınca global uydu
konumlaması
alanında
önemli
atılımlar
da
gerçekleşecektir.
GNSS’lerin yanı sıra gücünü ve altyapısını GNSS’lerden
alan bunların eksik ya da yeterli olmadığı bölge ve
durumlar için uydu bazlı alan büyütme sistemleri olan
SBAS’lar da gelişmiştir. Burada bunlarla ilgili bilgiler de
sunulmuştur.
GNSS’lerin sunduğu konum, zaman ve hız bilgilerinden
her an her yerde yararlanmak isteyen kişi ve kurumların
geliştirdikleri çeşitli uygulamalar kısaca anlatılmıştır. Bu
uygulamalara bakıldığında artık bu uydu bazlı
konumlama sistemlerinin insan yaşamına ne denli
girdiğini görmek bu sistemlerin hızla gelişmelerinin
ardındaki itici gücü göstermektedir.
REFERANSLAR
Cordara, F., Costa, R.; Lorini, L.; Orgiazzi, D.; Pettiti, V.;
Tavella, P.; Graglia, G.; Detoma, E.; Hahn, J. “The
generation of the experimental Galileo system time in
the Galileo System Test Bed V1”, Proceedings of the
2003 IEEE International Frequency Control Symposium
and PDA Exhibition, (2003)
9
Hu, H., Fang, L., Fu, J.”Acquisition and Tracking
Algorithms of GLONASS Sotfware Receiver”, Key
Engineering Materials, Vol. 439-440, 1415-1420, (2010)
Mekik, Ç. ve Arslanoğlu, M. “Gerçek Zamanlı Kinematik
GPS Konumlarının Duyarlık Analizi ve Bir Örnek
Uygulama”, 9. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik
Kurultayı, 437-445, Ankara, (2003).
Gleason, S. ve Gebre-Egziabher, D. “GNSS Applications
and Methods” (Eds), Artech House Publishers ISBN 9781-59693-329-3 (2009).
URL1 : http://www.positim.com/others.html, High
Accuracy GNSS Solutions and Services, 2010
Gökalp, E. ve Boz, Y. “Avrupanın Global Navigasyon
Uydu Sistemi: GALILEO”, HKMO jeodezi, jeoinformasyon
ve arazi yönetimi dergisi, sayı 94, pp.3-8, (2006).
URL 2: http://www.buzzle.com/articles/
development-gps.html, The Development of GPS,
2010.
Kahveci, M. “Kinematik GNSS ve RTK CORS Ağları”,
Zerpa Turiz Yayıncılık), (2009)
URL 3: http://www.spirent.com/PlanetSpirent/Media_Room/Press-Releases/09-2109.aspx, “Spirent Showcases New Developments in
GPS/GNSS Testing”, 2010
Kahveci, M. ve Yıldız, F. “GPS: Teori – Uygulama”, 2.
Baskı, Nobel Yayın Dağıtım, Istanbul, (2005)
Kogure, S. Ve Yasuda, A. “Status and Future Plans for
QZSS”, ENC-GNSS, Napoli, İtalya (2009)
Mekik, Ç. “Küresel Konumlama Teknikleri”, Dersnotu, Z.
Karaelmas Üniversitesi, (2008).
URL 4: http://en.wikipedia.org/wiki/GLONASS,
GLONASS, 2010.
URL 5: http://www.sinodefence.com/space/
spacecraft/beidou2.asp, “Compass (Beidou 2)
Satellite Navigation System”, (2010)
10