GPS nedir, nasıl çalışır?

Kontrol Bölümü (Yer İstasyonları)

Uyduların doğru çalışıp çalışmadığını sürekli kontrol eden yer istasyonlarından oluşan kontrol bölümü; Dünya üzerinde 5 adet takip istasyonu (Ascension, Hawaii, Colorado Springs, Kwajalein, Diego Garcia), 1 adet ana kumanda istasyonu ve 3 adet uydulara veri transmisyon istasyonundan oluşur. Takip istasyonlarından alınan bilgiler ana kumanda merkezine gönderilerek burada uyduların yörüngeleri ve saat düzeltme bilgileri hesaplanır ve ilgili uydulara mesaj olarak gönderilir.

Kullanıcı Bölümü (GPS Alıcısı)

Çeşitli amaçlarla GPS kullanarak yerini belirlemek isteyen herhangi bir kişi, sistemin kullanıcı bölümünü oluşturur. GPS alıcılarından oluşan bu bölüm; uydulardan gelen sinyalleri anteni vasıtasıyla alır ve kendi türüne göre çeşitli amaçlarla (seyrüsefer, araç takip vb.) gerçek zaman koordinat bilgisini veya biraz daha uzun süreli ölçüm sonucu jeodezi uygulamaları için statik fakat oldukça hassas (yatay düzlemde min. 1 mm.) koordinat bilgisi üretir.

GPS Nasıl Çalışır?

Uydulardan yararlanılarak yapılan GPS ölçmelerinde, elektromanyetik dalgalar kullanılarak uydulardan kullanıcılara veri akışı sağlanmaktadır. Her GPS uydusu konum belirleme amaçlı olarak L1 (Link 1) ve L2 (Link 2) adlı iki temel frekansa sahiptir. GPS sisteminde çift frekans olmasının nedeni; L1 frekansının kesilmesi ya da elektronik karıştırmaya maruz kalması durumunda L2 frekansının yedek frekans görevi görmesi ve çift frekans özelliğinden yararlanarak iyonosferik düzeltme olanağı sağlamasıdır.

GPS sürekli olarak, uyduların konumları ile ilgili bilgileri depolar. Depolanan bu bilgiye Almanak Bilgisi denir. GPS uzun süre çalıştırılmazsa, daha önce toplanmış olan Almanak Bilgisi güncelliğini yitirir. Buna GPS’ in “soğuması” (cold) adı verilir.

GPS “soğuk” iken çalıştırılırsa uydudan bilgi toplaması uzun sürebilir. Uydulardan alınan bilgiler dört ile altı saat güncelliğini korur. Bu süre içinde GPS tekrar açılır ise bu durumda GPS “sıcak” (warm) olarak nitelendirilir ve çalışmaya başlaması çok daha kısa süre alır. Almanak verileri her bir uydu tarafından yayınlanmakta ve içerisinde tüm uydulara ait yaklaşık konum bilgileri bulunmaktadır.

Position fix, GPS cihazı tarafından o anda bulunduğumuz noktanın belirlenmesidir. Bu nokta enlem/boylam veya Universal Transverse Mercator sistemiyle iki koordinat olarak cihazda görülür. Bulunduğumuz noktanın koordinatlarını belirledikten sonra ona bir isim verebiliriz. Buna da GPS dilinde waypoint (yol noktası) denir. Bu, katettiğimiz yol üzerindeki bir noktadır. Bazı GPS cihazlarında bu noktaları semboller ile belirlemek mümkündür. GPS alıcısı, dünya üzerindeki yerini belirleyebilmek için uydularla bağlantı kurmak zorundadır. Buna uyduya kilitlenme (satellite lock, fix veya acquisiton) denir. Kilitlenmenin gerçekleşebilmesi için alıcının gökyüzünü rahatça görebilmesi gerekir.

Kilitlenmeyle birlikte alıcı uydudan bilgileri almaya başlar ve konumunu hesaplayabilir. Uydunun gönderdiği her sinyalde zaman da gönderilir. Böylece alıcı uydudan ne kadar uzakta olduğunu sürekli öğrenir. GPS cihazını ilk açtığımızda uydulara kilitlenmeye çalışarak konumunuzu belirleyecektir. Cihazın bunu gerçekleştirebilmesi için yaklaşık 10–15 dakikalık süreye ihtiyacı olur. Bu işleme initialization (başlama) denir. Başlama süresini kısaltmak için GPS cihazına yardım edebiliriz. Eğer cihaza bulunduğumuz yerin koordinatlarını verebilirsek başlama süresi oldukça kısalacaktır. GPS bir pusula değildir. Hangi yöne döndüğümüzü göstermez. Eğer hareket hâlindeysek hangi yöne doğru gittiğimizi gösterir.

GPS sistemi, World Geodetic System 1984 (WGS 84) sistemini kullanır ve yeryüzünde bulunduğunuz noktayı 300 fit (90 M) yüksekliğe kadar kesin bir şekilde bulabilir. Bu yükseklikten sonra sistem hatayı düzeltmek için hesap yapar, hata en aza indirilerek yeryüzündeki hassasiyet yakalanabilir. Yapılan ölçümlerin hassas olması için uydular, çok komplike ve hassas saatler kullanır. Bu saatler nanosaniye hassasiyetindedir. Tam olarak 0,000000003 saniyeyi gösterebilir (saniyenin milyarda üçü). Sistemin bu kadar hassas olmasının nedeni ise alıcının tam olarak verinin uydudan ne kadar sürede geldiğini hesaplaması gerektiğidir. GPS alıcısı bu süreyi pozisyonunu bulmak için kullanır.

GPS Sistemlerin Gelişimi ve Uygulama Alanları

GPS sistemlerinin üretimi ilk olarak Amerika Birleşik Devletleri tarafından askeri kullanım amacıyla gerçekleştirilmiştir. Askerlerin yönlerini belirleme veya bir yerden gönderilen füzelerin kontrollerini sağlamak üzere tasarlanmışlardır. Fakat GPS sistemlerine dünya genelinde ihtiyaç duyulması ve teknolojinin hızla büyük bir ilerleme kat etmesi nedeniyle 1980’lerde sivil hayatta da kullanılmaya başlanmıştır. GPS teknolojisi, kıtalar arası füzelerde hassas güdümlü füzelerin kullanılmasında aktif şekilde kullanılmaktadır. Fırlatma pozisyonunda konumlandırılacağı alanların belirlenmesi ve nereye net olarak varacağı hakkında bilgi sahibi olabilmek adına GPS sistemleri önemli rol oynamaktadır.

Referans Saat Sistemi

Birden fazla senkronizasyon sistemleri referans saat doğuşları olarak GPS kullanmaktadırlar. Fakat GPS sistemleri UTC ve GMT ölçülerine göre farklılık göstererek kendi uydu atomları üzerinde atomik saatleri kullanmaktadırlar. Sistemlerin bilgileri 6 Haziran 1980’de sıfırlanmış olup saniye düzenlemesi yapılması mümkün kılınmadığı için de UTC sistemlerine göre 14 Saniye önde çalışmaktadır. Periyodik mantık seviyesi olarak GPS alıcılarına UTC saat bilgileri gönderilmektedir. Uzay bölümlerinde, yer istasyonlarında ve kullanıcı alanlarında da GPS alıcıları yer almaktadır.

En Yaygın Kullanılan GPS Sistemleri Hangileridir?

Dünya genelinde yaygınlıkla sivil hayatta kullanılan GPS sistemleri akıllı cihazlarımızda bulunan sistemlerden oluşmaktadırlar. Bunlar yörüngede bulunan uydularla sinyal alışverişi yaparak kişinin konum bilgileri ve detaylı arazi şartlarını kendilerine iletmektedir.

Sivil hayatta belirlenen GPS alıcıları askeri alanlara göre daha kısıtlıdır. Bunun temel sebebi, füze gibi sistemlerin test edilme aşamasında dışarıdan yapılacak olan müdahaleleri en aza indirmektir. Yani kısacası füze yapmalarına izin verilmediği için kullanıcılar 18 km. yükseklik ve 450 Km/S hız gibi limit sınırlarıyla işlemler yapabilmektedirler. Yürütülen projeler arasında arazi şartları başta olmak üzere yol güzergahları gibi temel önemli bilgileri yansıtan uyduların da sivillere açık şekilde kullanımına izin verilmektedir.