Geçmişte insanlar kaybolmamak için önce yer şekillerinden, sonra da yıldızlardan yararlanıyorlardı. Denizciler, Güneş ve gece gökyüzündeki yıldızlara bakarak konumlarını hesaplamayı öğrendiler. Pusulanın, bu alandaki en büyük keşiflerden biri olduğu göz ardı edilemez. Ancak, konum belirlemedeki en büyük keşif, kuşkusuz Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS). Sistem, başlangıçta askeri kullanıma yönelik olarak geliştirilmiş olduğu halde, kimsenin öngörmediği biçimde büyük çoğunlukla siviller tarafından kullanılır hale geldi. Cep telefonu boyutlarındaki bir GPS alıcısı, yine bir cep telefonu fiyatına satın alınabiliyor. Önümüzdeki yıllarda, varolan sistemin geliştirilmesiyle ve yeni sistemlerin kurulmasıyla, kullanım alanları daha da genişleyecek. Bu gelişmeler, çoğunlukla sivil ve ticari kullanıcıların yararına olacak.
Küresel Konumlandırma Sistemi, ABD Savunma Bakanlığı'nın 1978'de ilk Navstar uydusunu yörüngeye yerleş-tirmesiyle oluşmaya başladı. GPS'i ta­sarlayanlar, sistemin sivil ve ticari uygu­lamalarının da gelişeceğini öngörmüş­lerdi. Ancak, öncelikli amaçları, en azından 40.000 askeri kullanıcının yer­de, denizde ve gökyüzünde konum be­lirlemede, bu sistemden yararlanmala­rıydı. 1980'li yıllardaysa, sistemi kulla­nan sivillerin sayısı askeri kullanıcı sayı­sını geride bıraktı. 1990'ların başların­da, sistemin kesintisiz bir şekilde çalış­masına olanak verecek 24 uydunun ta­mamlanmasıyla, sivil kullanıcı sayısında patlama oldu.
Günümüzde, GPS'in yaklaşık 30 mil­yon kullanıcısı var. Artık GPS, uçaklar, gemiler ve başka ticari araçların yanı sı­ra, özel otomobillerde ve teknelerde de yaygın olarak kullanılıyor. Üreticiler, ar­tık bir kol saatinin ya da cep telefonu­nun içine entegre edilmiş olan GPS alı­cıları üretiyorlar. Denizcilik, dağcılık, doğa yürüyüşü gibi spor ve eğlence amaçlı etkinliklerde yaklaşık bir cep te­lefonu boyutlarındaki GPS alıcıları kul­lanılıyor. Bu tür alıcıları üreten firmalar her ay yaklaşık 200.000 aygıt satıyor. Frost & Sullivan adlı bir araştırma şir­ketinin yaptığı ankete göre, satılan tüm GPS alıcılarının % 92'sinİ siviller, yalnız­ca % 8'inİyse askerler kullanıyor.
Aslında GPS kısaltması, Amerikan GPS-Navstar uydularından oluşan sis­tem için kullanılıyor. Bu, konumlandır-mada kullanılan tek sistem değil. So­ğuk savaş döneminde Sovyetler Birli-ği'nin GPS'e karşı oluşturduğu konum­landırma sistemi GLONASS (Global'na-ya Navigatsionnaya Sputnikovaya Siste-ma - Küresel Konumlandırma Uydu Sis­temi), GPS'den 4 yıl sonra, 1982'de kul­lanılmaya başlandı. Ancak 11 uydusu çalışır durumda olduğundan, sistem şu anda tek başına kullanılır durumda de­ğil. Ancak, üreticiler her iki sistemi de aynı anda kullanabilen alıcılar yapıyor­lar. Avrupa Uzay Ajansının geliştirmek­te olduğu Galileo Konumlandırma Sis-
BİLİMveTEKNİK 54
temi, 2008 yılında tam kapasiteyle çalış­maya başlayacak. Galileo'nun özelliği, sivil kaynaklı oluşu ve öncelikle sivil kullanıcılara hizmet edecek olması. Her üç sistemi de tasarlayanlar, birbirleriyle uyumlu olmasına özen gösteriyorlar ve buna yönelik olarak önceden protokol­ler hazırlanıyor.
Küresel Konumlandırma Sistemi'nin amacı, kullanıcılarına konumlarını he­saplayabilmek için gereken veriyi ulaş­tırmak. Sistem, günümüzdeki haliyle çoğu kullanıcısına yeterince duyarlı ve güvenilir veri sağlayabiliyor. Ancak, özellikle sivil uçuşlar gibi güvenliğin çok önemli olduğu durumlarda siste­min kesintisiz ve çok duyarlı çalışaca­ğından emin olunması gerekiyor. Bu henüz sağlanamadığı için, özellikle iniş ve kalkışlarda geleneksel yöntemler kullanılıyor.
Önümüzdeki 10 yıl içinde, Küresel Konumlandırma Sistemi'nin büyük bir atağa geçeceği sanılıyor. Gelecek kuşak GPS, daha duyarlı konumlandırma ye­teneğinin yanı sıra, çok daha geniş ve yeni uygulama alanlarına sahip olacak. Deniz, hava ve kara taşımacılığı yapan kuruluşların yanı sıra, haberleşme, inşa­at, madencilik, haritacılık ve tarım gibi endüstri alanları, GPS'teki gelişmeler­den doğrudan etkileniyor. Bunlar ya­nında GPS, özellikle yerbilim, arkeoloji gibi bilim dallarında da yaygın olarak kullanılıyor.
Küresel konumlandırma sistemleri­nin nereye gittiğini daha iyi anlayabil­mek için, sistemin çalışma şeklini ve günümüzdeki uygulamalarını bilmek­te yarar var. Her bir GPS uydusu, bel­li aralıklarla bilgi paketleri yayımlar. Bu uyduların yaydıkları sinyallerin gü­cü, yaklaşık 5 geleneksel ampul civa­rında, yani 500 W kadar. Bu ışınım, yaklaşık 20.000 km uzakta, yerde bu­lunan alıcıya ulaştığında güç yoğunlu­ğu metrekareye 103 watt'a (1 watt'ın binde biri) kadar düşer. Bir televizyon alıcısına ulaşan güç, bunun yaklaşık bir milyar katıdır.
GPS uyduları, iki tür bilgi yayar. Bunlardan biri, uydunun yörüngedeki konum bilgisini ve sinyalin gönderildiği zamanı içerir. Uydular yörüngede hare­ket ettiklerinden, konum bilgisi sürekli değişir ve yerdeki bir merkez tarafın­dan duyarlı bir biçimde hesaplanarak uydulara gönderilir. Uyduların yaydığı öteki bilgi paketi, sayısal atmalardan
Küresel Konumlandırma Sistemi'nin çalışabilmesi için yeryüzünde herhangi bir noktada, aynı anda en az dört
uyduyunun gökyüzünde olması gerekir. Bu da yörüngede en azından 24 uydunun bulunmasıyla
sağlanabiliyor. Şu an, yedekleriyle birlikte toplam 29 GPS uydusu yörüngede dolanıyor. Bu uyduların her
biri, günde iki kez Dünya'nın çevresinde dolanıyor.
oluşan bir diziden oluşur. Bu kodlar, alıcının konumu duyarlı biçimde belirle­mede önemli role sahip olan, sinyalin ulaşma süresini belirlemektir. PRN (pseudo-ranging noise - yalancı-değiş-ken gürültü) olarak adlandırılan bu kodlar, bir şarkıyı oluşturan notalara benzetilebilir. Hem uydunun hem de alıcının bir şarkıyı eşzamanlı olarak çal­dığını varsayarsak, alıcının yanındaki dinleyici her İkisini de duyacak; ancak, uydudan gelen şarkı, uzaklığa bağlı ola­rak dinleyiciye daha geç ulaşacak. Eğer dinleyici, şarkıdaki belli bir notanın iki ayrı yorumda ne kadar süre farkıyla ça­lındığını bir kronometreyle ölçerse, se­sin uydudan ne kadar zamanda geldiği­ni bulmuş olur. Sesin bir saniyede aldı­ğı yol belli olduğundan, gecikmeye ba­kılarak kaynağın uzaklığı kolayca he­saplanabilir.
Bir GPS alıcısı, GPS uydularından birinden gelen PRN kodunu algıladı­ğında, aygıtın içinde de eşzamanlı ola­rak tekrarlanan aynı koddan yararla­narak ışık hızında gelen sinyaldeki ge­cikmeyi bulur. Uydunun uzaklığını bulabilmek için, aygıtın bu süreyi ışık
hızıyla çarpması yeterlidir.
Alıcının, uydulardan elde ettiği veri­ler ışığında konumunu nasıl hesapladı­ğını basit bir örnekle şöyle anlatabiliriz: Elinizde bir harita varsa ve üç farklı kente olan uzaklığınızı biliyorsanız, ko­numunuzu harita üzerinde kolayca be­lirleyebilirsiniz. Bunun için, uzaklığını bildiğiniz kentlerin herbirinin çevresine (kent çemberin merkezinde olacak şe­kilde), yarıçapı size uzaklığı kadar olan birer çember çizmelisiniz. Bu çemberle­rin kesiştiği nokta sizin bulunduğunuz konumdur. Konumunuzu üç boyutlu olarak hesaplamak isterseniz, en azın­dan dört noktaya olan uzaklığınızı bil­meniz gerekir. Nitekim, GPS'teki du­rum budur. Konumunuzu tek noktaya indirgemek için, en azından dört küre­nin yüzeyinin kesiştiği noktayı bulma­nız gerekir.
GPS alıcısı, üç uydudan sinyal alarak da konumu belirleyebilir: Üç küre, iki noktada kesişir. Ancak, bu noktalardan yalnızca biri yeryüzünde olabileceğin­den, öteki nokta dikkate alınmaz. An­cak, her durumda, duyarlı bir enlem, boylam ve yükseklik hesaplaması için,
Ağustos 2004 55 BİLİM ve TEKNİK
rin alıcılara daha iyi ulaşmasını sağla­mak ve sistemin duyarlılığını artırmak. Günümüzde, konum belirlemeye yöne­lik olarak İki farklı sinyal yayımlanıyor. Ll adı verilen sinyal sivil, L2 sinyaliyse askeri kullanıma yönelik. Sisteme iki yeni askeri sinyalin eklenmesinin yanı sıra, sivil kullanıma yönelik de yeni bir sinyal eklenecek. Bu yeni sinyalleri, ön­ceden üretilmiş alıcılar kullanamayabi-lir. Bu nedenle, eski sinyaller gelecekte de sürdürülecek. 2008 yılına gelindiğin-deyse, yeni ve geliştirilmiş uydular L5 (L3 ve L4 bantları, askeri amaçlı ancak, konum bilgisi taşımayan sinyaller içeri­yor) olarak adlandırılan yeni bir bantta daha fazla sivil sinyaller içerecekler. L5 bandı, günümüzdeki sinyallerden en azında dört kez güçlü sinyaller içere­cek.
Sinyal sayısının fazla oluşu sayesin­de alıcılar, iyonosferin neden olduğu gecikmeyi hesaplayacak ve böylece çok daha duyarlı konum hesaplamaları ya­pılabilecek. Örneğin, Ll sinyallerini ala­rak konum hesaplayan, günümüzdeki-lere göre daha gelişmiş bir alıcı, bu sin­yalleri L5 sinyalleriyle karşılaştırarak, duyarlılığını önemli ölçüde artırabilir. Günümüzde bazı Özel alıcılar hem Ll bandındaki sivil sinyali, hem de L2 ban-dındaki askeri sinyali alıp bu karşılaştır­mayı yapabiliyor. İleride, sivil kullanıma yönelik bant sayısının artmasıyla alıcılar çok duyarlı ölçümler yapabilecekler.
Bu gelişmelerden, Diferansiyel-GPS (D-GPS) kullanıcıları da yararlanacak. D-GPS, yerdeki konumu ayrıntılı olarak bilinen bir alıcı-verici yardımıyla, ko­num bilgilerinin düzeltilmesi yöntemi­ne deniyor. Alıcı, uydulardan aldığı veri­yi, yerdeki vericinin gönderdiği hata bil­gisi yardımıyla düzeltiyor ve çok daha duyarlı konum hesaplaması yapabiliyor. D-GPS alıcılarının ölçümlerinin duyarlı­lığı, alıcının kaynak alıcıya uzaklığıyla orantılı olarak azalır. Çünkü iki aygıta ulaşan ışınlar, iyonosferin farklı bölgele­rinden geçerler ve bu iki bölge birbirine ne kadar uzaksa, iyonosfer katmanının kalınlığının farklı olma olasılığı o kadar artar. Farklı frekanslarda gelen sinyal­ler, alıcının kaynak alıcıdan gelen sin­yalleri de düzeltebilmesini sağlar. Gele­cekteki D-GPS kullanıcıları, konumları­nı 30 ila 50 cm arasında bir hata payıy­la bulabilecekler. Günümüzde GPS kul­lanıcıları arasında duyarlılığa en çok ge­reksinim duyanlar, bilim adamları ve
Bir GPS alıcısının, konum belirleyebilmek için ez azından üç uyduyla bağlantı kurabilmesi gerekir. Her bir
uydudan yayılan sinyallerin küre biçiminde genişlediğini varsayarsak, sinyaller yeryüzündeki alıcıya
ulaştığında, kürelerin yarıçapları uyduyla alıcı arasındaki uzaklığa eşit olur. Bu kürelerin yüzeyleri iki
noktada kesişir. Bu noktalardan yeryüzünde olanı, alıcının konumuyla aynıdır. Üç uyduyla yapılan konum
hesaplaması iki boyutludur. Koordinatların yanı sıra, yüksekliğin de doğru hesaplanabilmesi için, dördüncü
bir küreden, yani dördüncü bir uydudan da sinyal almak gerekir.
alıcılar en az dört uydudan gelen sinyal­lere gereksinim duyarlar.
GPS uydularının yukarıda saydığı­mız üç değişken (enlem, boylam ve yükseklik) dışında, zamanı da doğru olarak bilmesi gerekir. Önemli olan, GPS uydularının ve alıcının saatlerinin aynı olması. GPS uydulanndaki saat­ler, atom saatleriyle saniyenin milyar­da birine kadar duyarlı şekilde düzen­li olarak ayarlanırlar. Ama, çok basit bir saat mekanizmasına sahip olan alı­cıların saatleri günde bir saniye ya da daha yüksek hata yapabilir. (Zaman hatasını uzaklık hatasına çevirmek için, ışık hızı olan saniyede 300.000 km ile çarpmak yeterli.) Zaman bilgisi­ni almak ve konum hatalarını düzelt­mek İçin, dördüncü uydudan da gerek­li bilgi alınır ve alıcı, konumunu olabil­diğince küçük hatayla hesaplar.
Son yıllarda üretilen bazı gelişmiş GPS alıcıları, eğer alıcı hareket halin­deyse, sinyalin dalgaboyundaki Doppler kaymasına bakarak doğrudan hız ölçe­biliyor. Örneğin, alıcı uydudan uzaklaşı-yorsa, gelen sinyalin dalgaboyu, olması gerektiğinden daha uzun; yaklaşıyorsa, daha kısa algılanır. Dalgaboyuna bakıla­rak yapılan hız hesaplamaları çok daha doğru olur.
GPS alıcıları, konum belirlemek için herhangi bir sinyal göndermeye gerek duymazlar. Ancak, kullanıcının konu­munu belirlemeye yönelik bazı aygıtlar, belirledikleri konumu herhangi bir alıcı-
ya gönderebilir. Bu, Özellikle askeri ya da ticari uygulamalarda kullanılır ve ör­neğin bir kaza durumunda kullanıcının yerini saptamada çok yararlıdır.
GPS alıcılarının temel işlevleri ko­num belirlemektir. Bunun ötesinde, en basit alıcılar bile, konumdaki değişime bakarak hareket eden bir alıcının hızını ve gittiği yönü kolayca hesaplayabilir. Bunun yanında yine en basit alıcılarda kullanıcının gereksinimine göre, ayrıntı­lı kent haritaları yanında yüz binlerce yerleşim biriminin, limanların, deniz fe­nerlerinin koordinatları gibi veriler yer alır. Alıcı, kullanıcının daha önceden ay­gıtta kayıtlı noktalara ulaşabilmesi İçin en kısa yolu gösterebilir. Bunun yanın­da, izlediği rotayı aynen geri dönmesine olanak sağlar. Bu ve bunun gibi uygu­lamaların sayısı neredeyse sınırsız. Alıcı­nın yetenekleri, üreticinin yetenekleri­ne ve kullanıcıların gereksinimlerine bakıyor. Konum bilgisinden yararlanıla­rak yapılabilecekler, GPS alıcısı üretici­lerinin yeteneğine ve kullanıcıların ge­reksinimlerine bakıyor.
Küresel
Konumlandırmanın
Geleceği
Önümüzdeki yıldan başlanarak, Kü­resel Konumlandırma Sistemi'nde birta­kım değişiklikler yapılması düşünülü­yor. Bu değişikliklerdeki amaç, sinyalle-
BİLİM ve TEKNİK 56 Ağustos 2004
racak. Gelecekte, sivil kullanıma açık olacak L2 ve yeni eklenecek L5 sinyal­leri sayesinde uygun alıcıya sahip her­kes çok duyarlı konum saptayabilecek. Aynı anda erişilebilecek üç sinyalin ol­ması, alıcıların konumu hesaplarken üç ayrı vuruş frekansından (L1-L2, L1-L5 ve L2-L5) konum hesaplayabilmesini ve çok duyarlı konum hesaplamaları yapa­bilecekler.
Uçuş güvenliği gibi bazı konularda, güvenilir ve duyarlı bir sistem büyük önem taşıyor. ABD'nin Federal Havacı­lık İdaresi, geliştirilmiş sisteme dayanan yeni bir uçuş kılavuz sistemi tasarladı. Kısmen kullanılmaya başlayan sistem, görüş mesafesi sıfıra indiğinde bile pi­lotların yere inmesine olanak sağlaya­cak. Burada önemli İki nokta var. Birin­cisi, konumdaki hata payı çok düşük ol­malı ve pilotların bunu bilmesi gerekli. Örneğin, piste yaklaşmak için manevra yapan bir uçağın konum hatasının İÜ metreden fazla olmaması gerekir. İkin­cisi, sistemin kesintisiz çalışacağının bir garantisi olmalı.
2003'de ABD'de kurulan WAAS (Wide Area Augmentation System - Ge­niş Alan Değerlendirme Sitemi) ulusal çapta GPS alıcılarından oluşan bir şebe­ke. Bu şebeke, GPS'in performansını öl­çüyor ve aynı zamanda D-GPS yani ola­sı hataların düzeltilebilmesi için kaynak sinyali yayıyor. WAAS sayesinde uydu­lardan gelen bozuk sinyaller düzeltili­yor. Halen uçaklar bu sistemden yarar­lanarak yere 100 metre kadar yaklaşa­biliyorlar. WAAS bu aşamada devreden çıktıktan sonra geleneksel yöntemlerle uçak yere indiriliyor. Bazı Avrupa ülke­leri, Çin, Japonya, Hindistan, Avustralya ve Brezilya da benzer sistemler geliştir­mek için çalışıyorlar.
GPS sinyalleri geliştirildiğinde, LA-AS (Local Area Augmentation System -Yerel Alan Değerlendirme Sistemi) adı verilen sistemler, uçakların sıfır görüş mesafesinde yere inmelerini sağlayacak. Bu sistemler, yalnızca hava alanlarının yakınında yerel olarak hizmet verecek­ler ve hata payı çok düşük olacak.
Alp Akoğlu
GPS alıcılarının temel işlevleri konum belirlemek olsa da, en basit alıcılar bile, konumdaki değişime bakarak hareket eden bir alıcının hızını, katettiği uzaklığı ve gittiği yönü kolayca hesaplayabilirler.
araştırmacılar. Çünkü onların santimet­re, hatta milimetre düzeyinde duyarlılı­ğa sahip olan alıcılara gereksinimleri var. Bu duyarlılık, PRN kodlarının öte­sinde bir uygulamayı, D-GPS'in gelişmiş bir biçimini gerektiriyor.
GPS sinyalleri, elektromanyetik tay­fın mikrodalga aralığında gönderilir. Bu dalgaların dalgaboyu (dalganın birbirini izleyen iki tepe noktası arasındaki uzak­lık), 19 cm'dir. Dalgaboyu burada Önemli bir etken. Çünkü, dalgaboyu ne kadar kısaysa, sinyal birim zamanda o kadar çok veri taşıyabilir. Bu da ölçü­mün duyarlılığını belirler. Alıcı kuram­sal olarak, bu dalgaboyundaki bir sinya­li kullanarak 1-2 mm hatayla konum be­lirleyebilir; ki bu da en yüksek duyarlılı­ğa gerek duyan kullanıcılar için yeterli. Ancak, eğer alıcı bir şekilde döngüler­den birini ya da birkaçını kaçırırsa, ha­ta payı İki döngü arasındaki uzaklık ve­ya onun katlarının neden olacağı hata kadar olur.
PRN kodlarının bir şarkıdaki notala­ra benzediğine değinmiştik. Her bir PRN sinyali bir notaysa, konum bilgisi­ni hesaplamak İçin gereken verileri taşı­yan ışınım, şarkıdaki davul vuruşları olarak düşünülebilir. Eğer dinleyici yal­nızca davul sesini dinlerse, davul hep aynı sesi aynı aralıkla çıkardığından, şarkının neresinin çalınmakta olduğu­nu anlayamaz. Herhangi bir davul sesi­nin şarkının neresinde olduğunu anla­manın anahtarı, onu notalarla birlikte dinlemektir. Ancak, bu GPS alıcıları
için kolay bir iş değil. Her notanın (PRN kodunun) başlangıç zamanı, 30 cm'lik aralığa (Saniyede 1 milyar 23 milyon titreşim) sahip. Her davul vuru-şuysa, 19 cm'ye karşılık gelen aralıklar­la gerçekleşir. Ölçüm, notalara göre ya­pıldığından, davul vuruşlarının daha sık olması sorun yaratır. Bu şekilde yapılan ölçümlerde hata payı büyük olur.
Belli bir vuruşu daha duyarlı tanım­layabilmek İçin, vuruşların daha uzun aralıklarla gerçekleşmesi gerekir. Bu­nun için, dalgaların bir özelliği olan gi­rişimden yararlanılabilir. Bunun için de biraz daha yavaş çalan bir davulcuya gerek var. Bir müzik aletinde farklı iki nota aynı anda çalındığında, bu iki nota dışında bir ses daha duyulur. Bu sesin frekansı, öteki iki notanın frekansları arasındaki farka eşittir. Eğer iki notanın frekansı birbirinden çok farklı değilse, elde edilen frekans, her iki notanınkin-den de düşük olacaktır. GPS'e dönecek olursak, bu iki nota Ll ve L2 bantları­dır. Eğer bir alıcı bu iki bandı da alabi­liyorsa, bu özellikten yararlanarak dal-gaboyları 19 cm ve 24,4 cm olan bu sin­yallerden 85 cm dalgaboylu bir sinyal elde edebilir. Bu dalgaboyu, 30 cm çö­zünürlüğe sahip bir Ölçüm sistemi tara­fından algılanabilecek kadar uzundur ve alıcıya yaklaşık sekiz mm hata payıy­la hesaplama yapma olanağı verir. Bu da çoğu kullanıcı için fazlasıyla yeterli.
Sisteme farklı frekanslarda yeni sin­yallerin eklenmesi, İşte bu nedenle GPS'in duyarlılığını önemli ölçüde artı-
Ağustos 2004 57 BİLİM ve TEKNİK