GNSS Teknikleri ve Uygulamaları

Transkript

1 GNSS Teknikleri ve Uygulamaları Yrd. Doç. Dr. Sefa YALVAÇ Gümüşhane, 2017 Gümüşhane Üniversitesi, 2017 Versiyon:

2 Bölüm-1 Tarihçe Tarih boyunca insanlar, Neredeyim? Nereye gidiyorum? sorularına cevap aradılar yılında ilk uydu Sputnik-1 ile ilk uydu jeodezisine geçiş yapıldı. Daha sonra 1960 yılında TRANSIT sistemi hayata geçmiştir (1100 km 6 uydu). TRANSIT sisteminde iki uydu geçişi arasındaki süre çok kısa ve doğruluk düşüktü.

3 Tarihçe (devam) Daha sonra 1980 yılında, TRANSIT sisteminin zayıf yönleri ortadan kaldırılarak GPS sistemi ortaya çıktı. Daha sonra bu sistemin oluşturduğu ayrıcalıklardan dolayı GLONASS ve GALILEO sistemleri de evreye girdi. Bunları takiben Beidou/COMPASS ve QZSS ve GAGAN sistemleri devreye alındı. Bu çalışmalardaki ana düşünce her yerde, her zaman, doğru, güvenilir ve ulaşılması kolay konum üretmek dir.

4 GNSS Tanımı ve Kullanım Alanları Elinde GNSS alıcısı olan herhangi birinin, uydu sinyalleri yardımıyla, Herhangi bir yer ve zamanda, Her türlü hava koşullarında, Global bir koordinat sisteminde, Yüksek duyarlılıkta, Ekonomik olarak, Anında ve sürekli konum, hız ve zaman belirlemesine olanak veren navigasyon sistemidir.

5 GNSS in Kullanım Alanları Askeri kullanım alanları (a)kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu (b)arama-kurtarma, (c)hedef bulma, (d)füze güdümü, (e)her türlü hava koşullarında iniş-kalkış

6 GNSS in Kullanım Alanları Sivil kullanım alanları, (a)jeodezik ve jeodinamik amaçlı ölçmeler, (b)kadastral ölçmeler, (c)fotogrametrik ölçmeler, (d)deformasyoon ölçmeleri, (e)araç takip sistemleri, (f)her türlü RTK (GZK) uygulamaları, (g)cbs veri tabanlarının geliştirilmesi, (h)güvenlik,

7 Kabuk deformasyonları

8 Deprem ölçmeleri

9 Kısa film

10 Bölüm-2 GNSS in Bölümleri GNSS sistemleri üç bölümden oluşmaktadır. Bunlar; Uyduların bulunduğu Uzay bölümü Tüm sistemi yöneten Kontrol bölümü Alıcıların bulunduğu Kullanıcı bölümü olarak sıralanabilir.

11 1-Uzay Bölümü Uzay bölümü ekvatorla yaklaşık 55⁰ lik eğim yapan 6 yörünge düzleminde bulunan 30 dan fazla uydudan oluşmaktadır. Her bir GNSS uydusu, Senkronize zaman sinyallerini, Tüm diğer uydulara ait konum bilgilerini, Yörünge parametrelerine ilişkin bilgileri, Kontrol bölümü tarafından yayımlanan bilgileri alır.

12 Uzay Bölümü (devam) Uydular yeryüzünden ~20200km uzaklıkta olup bir tam devri 11 saat 58 dakikada tamamlar. Her uydu 5 saat ufuk düzleminde kalır. Yıldız zamanı ile ortalama güneş zamanı arasında yaklaşık 4 dakikalık fark vardır. Teknolojik gelişmelere paralel olarak 6 farklı tip uydu mevcuttur. Ortalama ömürleri 7-12 yıldır. Uydu tanımlamaları PRN (Pseudo Random Noise) numaralarına göre yapılmaktadır.

13 2-Kontrol Bölümü Kontrol bölümü, Ana kontrol istasyonu, yer antenleri ve izleme istasyonlarını içeren İşletim kontrol sistemidir (OCS). Tüm GNSS uyduları yeryüzü üzerine homojen dağıtılmış konumları ve saatleri çok hassas olan 6 yer kontrol istasyonundan sürekli izlenir. Temel görevleri, uydu yörünge düzeltmelerinin hesaplanması, saat hatalarının giderilmesi ve uyduların sağlıklı işleyişlerinin kontrolü olarak sıralanabilir. Toplanan bilgilerden yapılan hesaplamalar yer antenleri yardımıyla uydulara gönderilir.

14 3-Kullanıcı Bölümü Yeryüzünde (ya da gökyüzünde) GNSS alıcısı bulunan tüm kullanıcılar bu kapsamda değerlendirilir.

15 Bölüm-3: GNSS Sinyali ve Özellikleri GNSS teknolojisinde elektromanyetik dalgalar kullanılarak uydulardan veri akışı sağlanmaktadır. Her GNSS uydusu konum belirleme amaçlı iki temel frekansta elektromanyetik dalga yayınlar. Bunlar L1 ve L2 dir. L MHZ L MHZ dir. Yeni nesil uydularda L5 sinyali bulunmakta olup MHZ dir de L-Bant tercihinin temel sebebi iyonosferden daha az etkilenmesidir.

16 GNSS sinyalinin özellikleri GNSS siteminde çift frekans kullanılmasının temel sebebi yedek sinyal ve iyonosferik etkilerin en doğru şekilde kestirilmesidir. Yeni nesil uydularda planlanan L5 sinyali ise diğer iki sinyale göre 4 kat daha güçlüdür. L1 ve L2 taşıyıcı frekansları uydu saati düzeltmeleri, yörünge parametreleri gibi bilgileri yeryüzündeki alıcıya ulaştırırlar. Her bir uydu kendi PRN numarasıyla yayın yaptığından bu veriler karışmamaktadır.

17 GNSS sinyalinin özellikleri L1 taşıyıcı frekansı üzerine C/A (Clear Access), P (Precise) kodlar ve uydu navigasyon verileri modüle edilmiştir. L2 üzerine ise sadece P kod navigasyon verileri modüle edilmiştir. ve

18 C/A Kod özellikleri L1 taşıyıcısı üzerine modüle edilmiştir. Periyodu 1 milisaniye olup, alıcının uydulara çok hızlı kilitlenmesini sağlar. Sivil standart konum belirleme amacıyla kullanılır. Dalga boyu 293 m dir. Günümüzde sinyal işlemede tekniklerinde hassasiyet %1 lik dalga boyunu tespit edecek seviyede olduğundan, sinyalin çözünürliği 2.9 m seviyelerindedir.

19 P-kod özellikleri P-kod L1 ve L2 taşıyıcılarının her ikisine de modüle edilmiştir. P-kod dalga boyu 29.3 metre olup, çözünürlüğü 30 cm seviyelerindedir. P kodun herhangi bir karıştırmaya maruz kalmaması için AS ile kriptolanmıştır.

20 RINEX dosyası

21 Navigasyon mesajı

22 Almanak Bilgisi Almanak bilgisinin temel amacı, alıcının açıldığında süratli bir şekilde uydulara bağlanabilmesini sağlamaktır. Bunun için doğruluğu oldukça düşük, uydu yörünge parametrelerini bünyesinde bulundurur. GNSS kontrol bölümü tarafından 6 günde bir güncellenir.

23 Almanak bilgisi

24 Kepler yörünge elemanları

25 Navigasyon mesaj dosyası

26 GNSS Alıcı ve Anten Sistemleri GNSS alıcısının temel görevi topladığı sinyalleri kaydetmektir. antenin Gerçek zamanlı uygulamalarda ise alıcıya entegre bir mobil pc yardımıyla anlık değerlendirme işlemi de yapar. Antenin temel görevi ise uydulardan yayınlanan sinyalleri toplamaktır. Başka bir deyişle, elektromanyetik dalga enerjisini işlenebilir (anlaşılabilir) elektrik akımına dönüştürerek alıcıya iletir.

27 GNSS Antenleri GNSS anteni almaya karar verilirken; Azami sayıda uydu izleme yeteneği olan, En az çift frekans alabilme özelliği olan, Farklı tip uydulardan gözlem toplayabilen, Sinyal yansıması etkisini azaltan, özelliklere sahip olması istenir. Sinyal yansıması etkisini azaltan antenler choke ring ya da ground plane olarak isimlendirilirler. Bu antenlerin temel özelliği uydu yükseklik açısı altından gelen yansımış sinyalleri elemine etmeleridir.

28 GNSS Antenleri

29 GNSS Antenleri GNSS anten bilgilerinin RINEX gözlem dosyasında olması, analiz aşaması için oldukça önemlidir. Analiz aşamasında anten PCV (Phase Center Variation) verileri IGS den elde edilerek her bir gözlem için düzeltilir. Bu nedenle IGS de PCV modeli bulunan antenler kullanmak hassasiyet açısından önem teşkil eder.

30 GNSS Alıcısı ve Çalışma Esası Anten aracılığıyla alınan verileri (ölçümler ve navigasyon gözlemleri) bu birimde sayısallaştırılır. Bu işlemi iki aşamada gerçekleştirir; 1-) Sinyal alma aşaması: Alıcı öncelikle en son aldığı navigasyon mesaj dosyasına göre uydulardan C/A kodları yakalamaya çalışır. Daha önce hafızasında veri yoksa ya da çok eskiyse, gök yüzünü taramaya (sky search) başlar. Daha sonra uydulara kilitlenir. 2-) Uydu izleme aşaması: Uydu sinyallerinin izlenmesinde korelasyon teknikleri kullanılmaktadır. Taşıyıcı dalgaları izlemek için taşıyıcı izleme lupu, kod gözlemlerini izlemek için kod izleme lupu kullanılır.

31 GNSS Alıcısı ve Çalışma Esası GNSS alıcıları çok ya da tek frekanslı olabilir. Tek frekanslı olanlar ucuzdur ancak tüm gözlemleri kaydedemezler. Günümüzde hayata geçen yeni tip uydular da göz önünde bulundurulduğunda çok frekanslıların tercihi oldukça önemlidir.

32 GNSS de Kullanılan Koordinat ve Zaman Sistemleri GNSS in amacı 3 boyutlu koordinat üretmektir. Bu koordinatlar berirli bir globak koordinat sisteminde tanımlanır. GNSS sistemiyle elde edilen koordinatlar kartezyen koordinat sistemindedir. Temel anlamda iki tip koordinat sistemi vardır: Uzay sabit ve yer sabit koordinat sistemleridir. Bu koordinat sistemleri IERS (International Earth Rotation Service) tarafından yönetilir.

33 Yer merkezli İnersiyal Koordinat Sistemi (ECI) GNSS uydu belirlenmesinde ECI kullanılır. yörüngelerinin koordinat sistemi ECI sisteminin orjini yeryüzünün kitle merkezidir. +x ekseni Greenwich kesişim noktası ile ekvatorun +z ekseni kuzey kutup doğrultusunda +y ekseni ise sağ el koordinat sistemi oluşturacak şekilde seçilmiştir.

34 ECI koordinat sistemi

35 Hassas uydu yörünge dosyası

36 Dünya Jeodezik Sistemi (WGS-84)