KISALTMALAR GPS : GNSS : GLONASS

Transkript

1 ÖNSÖZ Lisans hayatımız boyunca gerek mesleki gerekse sosyal anlamda her türlü konuyu konuşabildiğimiz, bize her konuda doğru yolu gösteren, vizyonunu ve tecrübesini bizden esirgemeyen tasarım projesi danışman hocamız saygıdeğer Doç. Dr. Bihter EROL a, tasarım projesi kapsamında bilgilerini ve tecrübelerini bizimle paylaşan sayın Doç. Dr. Serdar EROL a şükranlarımızı sunarız. Tasarım projesi kapsamındaki arazi çalışmalarında yardımlarını esirgemeyen Renas Ronahi YILDIZ, Orhan TETİK ve Murat HARBALİOĞLU na, BeeJIS proje logosunu tasarlayan Müh. Mohsen FAİZABADİ ye, İTÜ Geomatik Mühendisliği Bölümü öğretim üyeleri, asistanları ve arkadaşlarımıza sonsuz teşekkür ederiz. Aralık 2014 İsmail Cem DOKUZ & Sidar BAYGELDİ Gerek eğitim hayatım gerekse tüm hayatım boyunca bana güvenen, her şart ve koşulda sevgilerini eksik etmeyen, maddi ve manevi her türlü desteği gösteren ve gelecek yaşamım boyuncada esirgemeyeceklerinden emin olduğum aileme sonsuz teşekkürlerimi sunuyorum. Lisans sürecinin önemli bir bölümünü beraber geçirdiğim, tasarım projesinde beraber çalıştığımız, her zaman daha iyisini yapmaya çalışan ve yapacağından da şüphe duymadığım, başarının ve çalışmanın önemini kavramış ve meslek hayatının ilerleyen yıllarında daha büyük başarılara imza atacağından en ufak kuşku duymadığım çok değerli dostum Sidar BAYGELDİ ye teşekkür ederim. İsmail Cem DOKUZ Hayatımda maddi ve manevi, her koşulda yanımda olan babam Fadıl BAYGELDİ ye, sevgisini hiç eksik etmeyen, duruşumda en büyük katkısı olan annem Ayten BAYGELDİ ye, her an arkamda olan ve bana sonsuz güvenen kardeşim Merve BAYGELDİ ye, zekasıyla örnek aldığım ve bana hep doğru yapmayı gösteren, gördüğümde mutlu olduğum Lina nın babası, çok sevdiğim yengem Didem in eşi, abim Serdar BAYGELDİ ye ve beni güldürmeyi bir hedef haline getiren Şilan, Şeyda ve Roni nin annesi, saygıdeğer eniştem Muhsin TEYFUR un eşi, beni hep mutlu eden ablam Rojda TEYFUR a sonsuz teşekkür ederim. Projede ve lisans hayatımın büyük bir döneminde bana yol gösteren, tasarım projesi ve okulun her bölümünde her daim yanımda olan tartışabildiğim, bilgi paylaşımı yapabildiğim, mesleğimizin ince detaylarını anlatan ve beni aydınlatan çok yakın dostum, kardeşim İsmail Cem DOKUZ a teşekkür ederim. Hayatımın en zor zamanlarında maddi manevi yanımda olan, gözlerinde ki ışığı paylaşan, hayatıma üniversite zamanında giren ve çıkmasını istemediğim, üniversite hayatımda aldığım tüm kararların arkasında olan, beni hep anlayan en yakın arkadaşım Berfin ÖNDER e teşekkür ederim. Sidar BAYGELDİ I

2 İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ..I KISALTMALAR....IV TABLO LİSTESİ.....V ŞEKİL LİSTESİ......VI ÖZET...VIII GİRİŞ..IX 1. UYDULARLA KONUM BELİRLEME Tarihçe Uydularla Konum Belirlemede Temel Düşünce Başlıca Uydudan Konum Belirleme Servisleri GPS Glonass Galileo Compass (BEIDOU) GPS Sisteminin Bölümleri Yer Kontrol Bölümü Uzay Bölümü Kullanıcı Bölümü GPS Uydu Yörüngeleri Yayın (Broadcast) Efemerisi Duyarlı (Precise) Efemeris GPS İLE KONUM BELİRLEME YÖNTEMLERİ GPS ile Konum Belirlemede Kullanıcı Seviyeleri Mutlak Konum Belirleme Göreli Konum Belirleme Statik Ölçü Yöntemi Hızlı Statik Ölçü Yöntemi Tekrarlı Ölçü Yöntemi Dur-Git Ölçü Yöntemi Kinematik Ölçü Yöntemi GPS İLE KONUM BELİRLEMEDE HATA KAYNAKLARI Uydu Efemeris Hataları II

3 3.2. Uydu Saati Hataları İyonosfer Etkisi Troposfer Etkisi Sinyal Yansıma (Multipath) Etkisi Alıcı Anten Faz Merkezi Hatası Taşıyıcı Dalga Faz Belirsizlikleri ve Faz Kesiklikleri GPS İLE GÖZLENEN BÜYÜKLÜKLER VE VERİ FORMATLARI Temel GPS Gözlemlerine Dayanılarak Türetilen Fark Gözlemleri Tekli Farklar İkili Farklar Üçlü Farklar GPS de Kullanılan Veri Formatları GPS ÖLÇÜLERİNİN GEÇEKLEŞTİRİLMESİ VE DOĞRULUK ÖLÇÜTLERİ Arazi Çalışması Öncesi Planlama GPS Ölçmelerinin Gerçekleştirilmesi Duyarlılık Kaybı (DOP; Dilution Of Precision) Faktörleri TASARIM PROJESİ KAPSAMINDA GERÇEKLEŞTİRİLEN ARAZİ ÇALIŞMALARI GPS Ölçülerinin Gerçekleştirilmesi GPS Ölçülerinin Değerlendirilmesi Nivelman Ölçmeleri İNTERNET TABANLI JEODEZİK BİLGİ SİSTEMİNDE SUNULACAK VERİLERİN PLANLANMASI ve HAZIRLANMASI Nokta Adı, Tesisi ve Konumu Hakkındaki Açıklamaların Hazırlanması Nokta Koordinat ve Yükseklik Bilgilerinin Üretilmesi ve/veya Türetilmesi Durum ve Röper Krokilerinin Hazırlanması Engel Krokisi Hazırlıkları İNTERNET TABANLI JEODEZİK BİLGİ SİSTEMİNİN OLUŞTURULMASI ArcGIS Online Maps ile İnternet Tabanlı Jeodezik Bilgi Sistemini Hazırlanması SONUÇ VE ÖNERİLER 63 KAYNAKLAR...66 III

4 KISALTMALAR GPS : Global Positioning System GNSS : Global Navigation Satellite Systems GLONASS : Global Navigation Satellite System DOD : Department of Defence RTK : Real Time Kinematic IRNSS : İndian Regional Navigation Satellite System DORIS : Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite QZSS : Quasi-Zenith Satellite System MEO : Medium Earth Orbit GEO : Geostationary Earth Orbit MCS : Master Control Station OCS : Operational Control Station IGS : İnternational GNSS Service SPS : Standart Positioning Service PPS : Precise Positioning Service CORS : Continuously Operating Reference Station RINEX : Receiver Independent Exchange Format DOP : Dilution Of Precision GDOP : Geometric Dilution Of Precision TDOP : Time Dilution Of Precision HDOP : Horiziontal Dilution Of Precision VDOP : Vertical Dilution Of Precision PDOP : Position Dilution Of Precesion BOHHBUY : Büyük Ölçekli Harita ve Harita Bilgileri Üretim Yönetmeliği İSKİ UKBS : İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi Uydulardan Konum Belirleme Sistemi ITRF96 : The İnternational Terrestrial Reference Frame 1996 ED-50 : European Datum 1950 TUD-54 : Türkiye Ulusal Datumu 1954 İGNA : İstanbul GPS Nirengi Ağı BÖHYY : Büyük Ölçekli Harita Yapım Yönetmeliği BÖHHBÜY : Büyük Ölçekli Harita ve Harita Bilgileri Üretim Yönetmeliği IV

5 TABLO LİSTESİ Sayfa Tablo 1. Duyarlı Yörünge ve Saat Bilgileri Üreten Kurum ve Kuruluşlar (Kahveci ve Yıldız, 2012) Tablo 2. IGS Yörünge Doğrulukları (Kahveci ve Yıldız, 2012) Tablo 3. FGCC GPS ile Gözlemlerde Doğruluk Standartları (Kahveci ve Yıldız, 2012) Tablo 4. DOP Faktörleri (Kahveci ve Yıldız, 2012) Tablo 5. Kabul Edilen DOP Limitleri (Kahveci ve Yıldız, 2012) Tablo 6. Leica System Özellikleri Tablo 7. Geomax ZDL700 Dijital Nivo Özellikleri Tablo 8. Nivelman Dengelemesi Sonuçları Tablo 9. Geoit Ondülasyonlarının Karşılaştırılması Tablo 10. Veri Değerlendirme Sonucu Elde Edilen Coğrafi Koordinatlar ve Karesel Ortalama Hataları Tablo 11. Veri Değerlendirme Sonucu Elde Edilen Kartezyen Koordinatlar ve Karesel Ortalama Hataları Tablo 12. Dönüşümde Kullanılan Polinom Katsayıları (ITRF96 > ED50) Tablo 13. Dönüşüm Sonuçları (ITRF96 > ED50) Tablo 14. IGNA Polinomu Kullanılarak Üretilen Ortometrik Yükseklikler Tablo 15. ITRF TM Projeksiyon Koordinatları (DOM:30 DG:3) Tablo 16. Meridyen Yayı Uzunluğu İçin Katsayılar Tablo 17. ED50 TM Projeksiyon Koordinatları (DOM:30 DG:3) V

6 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 1. IGN Geoportail Web Sitesi Genel Görünümü... X Şekil 2. Nivelman Noktasına Ait Veri Formu (IGN)... X Şekil 3. GPS Sisteminin Bölümleri... 7 Şekil 4. Dünya Genelinde IGS İstasyonları Şekil 5. GPS ile Konum ve Zamanın Belirlenmesi Şekil 6. Mutlak Konum Belirleme (El-Rabbany, 2002) Şekil 7. Göreli Konum Belirleme (El-Rabbany, 2002) Şekil 8. Tekli Farklar (Blewitt, 1997) Şekil 9. İkili Farklar (Blewitt, 1997) Şekil 10. Üçlü Farklar (Blewitt, 1997) Şekil 11. İTÜ Jeodezik Referans Ağı Şekil 12. IGS ISTA ve İSKİ UKBS PALA İstasyonları Şekil 13. Leica System 1200 GPS Alıcısı Şekil 14. GNSS Oturum Planı Şekil 15. GPS ölçmelerinin gerçekleştirilmesi Şekil 16. Leica GeoOffice Proje Açma İşlemi Şekil 17. Ham Verilerin (Raw Data) Projeye Eklenmesi Şekil 18. Koordinat Sisteminin Belirlenmesi Şekil 19. Anten Tiplerinin Projeye Eklenmesi Şekil 20. Yazılımdaki Listede Olmayan Anten Tipinin İndirilerek Projeye Eklenmesi Şekil 21. Sonuç Efemeris Bilgilerinin Projeye Eklenmesi Şekil 22. ISTA ve PALA Noktalarının Referans Alınarak F222H008 Noktasının Kesin Koordinat Bilgilerinin Üretilmesi Şekil 23. Koordinatı Bilinen Noktaların Standart Sapmalarının 0.00 Olarak Girilmesi Şekil 24. Tüm Noktaların SPP Olarak Çözümlenmesi Şekil 25. Process İşlemi Şekil 26. Bazların Çözülmesi Şekil 27. Baz Çözümü Yapılan Noktaların Kaydedilerek Projeye Devam Edilmesi.. 41 Şekil 28. Satellite Window VI

7 Şekil 29. Satellite Window Şekil 30. Dengeleme Sonrası Bazların Görünümü Şekil 31. Bazların Yakınlaştırılmış Görünümü Şekil 32. Process Sonuç Raporu Şekil 33. Geomax ZDL700 Dijital Nivo ve Barkodlu Mira Şekil 34. Nivelman Ölçme Güzergâhı Şekil 35. Örnek Durum ve Röper Krokisi Şekil 36. Kamera Eğimi Şekil 37. Örnek Panoramik Fotoğraf Şekil 38. Noktaya İlişkin Veri Formu Örneği Şekil 39. ArcMap Modülünde Geodatabase Açma İşlemi Şekil 40. ArcMap Modülünde Feature Class Açma İşlemi Şekil 41. ArcMap Modülünde Feature Class Açma İşlemi Şekil 42. ArcMap Modülünde Feature Class Açma İşlemi Şekil 43. Noktaların Kesin Koordinatlar ile Projeye Eklenmesi Şekil 44. Noktaların Kesin Koordinatlar ile Projeye Eklendikten Sonraki Görünümü Şekil 45. ArcGIS Online Web Sitesi Genel Görünümü ve Verilerin Eklenmesi Şekil 46. ArcGIS Online Web Sitesi'ne Verilerin Eklenmesi Şekil 47. ArcGIS Online Web Sitesinde Projenin Son Hali Şekil 48. Jedozik Ağ Noktasını Tanıtıcı Tasarım Örneği VII

8 İTÜ JEODEZİK REFERANS AĞININ UYDU TEKNİKLERİ İLE ÖLÇÜLMESİ VE WEB TABANLI SİSTEMLERDE SUNULMASI ÜZERİNE ÖRNEK BİR ÇALIŞMA BeeJIS ÖZET Ülkemizde geomatik mühendisliği ile doğrudan ya da dolaylı olarak ilişkisi bulunan farklı birçok kurum ve kuruluş jeodezik ağ tesisi ve ölçmesi gerçekleştirmektedir. Tesis edilen ağlara ilişkin bilgilere ulaşmak ise ilgili kurumlarla yapılan yazışmalar neticesinde gerçekleştirilmektedir. Bu tasarım projesi kapsamında jeodezik ağ noktalarına ait koordinat ve öznitelik bilgilerinin günümüz dünyasının en önemli iletişim çeşidi olan internete kullanılarak sunulması incelenmiştir. Proje kapsamında İTÜ jeodezik referans ağı kullanılmıştır. İncelemeler neticesinde internet tabanlı sistemde sunulması planlanan noktalar belirlenip, koordinatlarının da uydu teknikleri kullanılarak üretilmesine karar verilmiştir. GNSS teknikleri ile yapılan ölçmelerin daha sonra değerlendirilmesi yapılmıştır. Ağın belirli bölümünde nivelman ölçmesi yapılarak İstanbul Geoit Modeli nin doğruluğu incelenmiştir. Tüm noktaların durum krokileri, röper ölçüleri ve engel krokileri hazırlanmış, tüm veriler her nokta için ayrı ayrı noktaya ilişkin veri formu halinde düzenlenmiş ve internet üzerinden kullanıcılara sunulmuştur. VIII

9 GİRİŞ F. C. Helmert e uygun olarak jeodezinin klasik tanımı, yeryüzünün ölçülmesi ve izdüşürülmesi olarak yapılmıştır. Bu klasik tanım günümüzde, yeryuvarının dış çekim alanının ve okyanus tabanı yüzeyinin belirlenmesi görevini ve de yeryüzünün ve onun çekim alanının geçici değişimlerinin belirlenmesi görevini içerecek biçimde genişletilmesi gerekmektedir. Jeodezi bir yerbilimi ve mühendislik bilimidir. Jeodezi biliminin başlangıcı olarak, insanoğlunun dünyanın şekli konusundaki sorular düşünülebilir yılında, Danimarka lı astronom Tycho Brahe ( ) ilk kez jeodezik ağ kavramını ortaya atmıştır yılında dürbünün icadından sonra, 1615 yılında Hollanda lı astronom ve matematikçi Willebrord Snellius yeryuvarının şeklini belirlemek amacıyla 33 üçgenden oluşan ilk jeodezik ağı kurmuştur. 16. yüzyıldan bu yana jeodezik ağlar çeşitli amaçlar için kullanılmaya devam edilmiştir. Bu amaçlar, kentsel teknik hizmetler, kadastral çalışmalar ya da deformasyon analizi amaçlı kurulan ağlar vb. olarak çoğaltılabilir. Jeodezik referans ağı noktalarına ilişkin koordinat ve öznitelik bilgileri, ağı tesis eden kurumun ve/veya kuruluşun dahilindedir. Bu koordinat ve bilgilere kimi zaman ağ belirli bir proje dahilinde oluşturulup sonrasında güncellenmeyip, dökümante edilmediğinden ulaşılamaz, kimi zamanda kağıt baskı ortamında, yazışmalar neticesinde, belirli süreler sonunda ulaşılabilmektedir. Bu tasarım projesi kapsamında jeodezik referans ağı noktalarına ait koordinat ve öznitelik bilgilerine erişilebilirliği kolaylaştırmak, sağlıklı ve yüksek doğruluklu koordinat bilgisini uygulayıcıların kullanımına sunmak adına, internet tabanlı jeodezik bilgi sistemi kurulmasına ilişkin araştırmalar yapılmıştır. Söz konusu çalışmalar ilk olarak benzer projeleri araştırmakla başlamıştır. Tasarım projesi başlangıç döneminde yapılan araştırmalar neticesinde, bu tasarım projesine benzer bir uygulamaya, yani jeodezik ağ noktalarına ait bilgilerin belirli bir altlık üzerinde sunulduğu bir sisteme Türkiye de rastlanamamıştır. Türkiye deki web tabanlı, belirli jeodezik altlığı olan çalışmalar daha çok coğrafi bilgi sistemi kullanılarak, arazi kullanımını, imar planlarını, çeşitli tarihlere ait uydu görüntülerinin veya hava fotoğraflarının sunulması üzerine çalışmalardır. Türkiye de hazırlanan CBS sistemlerine İstanbul Büyükşehir Belediyesi nin ve Kocaeli Büyükşehir Belediyesi nin web siteleri örnek gösterilebilir. Araştırılan çeşitli projeler IX

10 arasında tasarım projesinde hazırlanması planlanan sisteme benzeyen tek uygulama Fransız Ulusal Coğrafi ve Orman Bilgi Enstitüsü nün (IGN) hazırlamış olduğu web sitesidir. IGN in hazırlamış olduğu web tabanlı sistem tasarım projesinde hazırlanması planlanan sistemin ötesinde bilgiler sunan bir sistemdir. Tasarım projesi kapsamında hazırlanması planlanan sistemde sadece jeodezik ağ noktaların ait bilgiler sunulması planlanmıştır. IGN sisteminde ise çeşitli altlık haritalara (yükseklik haritası, tematik haritalar, uydu görüntüleri, arazi kullanımı vb.) ek olarak çeşitli jeodezik ağlara ait noktalara ve bu noktaların koordinat ve öznitelik bilgilerine ücretsiz bir şekilde web adresinden ulaşılabilmektedir. Aşağıda web sitesinin genel görünümü ve jeodezik ağ bilgilerini içeren form gösterilmiştir. Şekil 1. IGN Geoportail Web Sitesi Genel Görünümü Şekil 2. Nivelman Noktasına Ait Veri Formu (IGN) X

11 Tasarım projesi kapsamında hazırlanması planlanan web tabanlı jeodezik noktalara ait bilgi sistemi için İTÜ jeodezik referans ağı noktalarına ait koordinat ve öznitelik bilgilerinin kullanıcılara sunulmasına karar verilmiştir. Söz konusu koordinat bilgilerini üretmek amacıyla günümüzde yüksek doğruluklu ve hızlı ölçme olanağı sağlayan GNSS teknikleri kullanılmasına karar verilmiştir. Bu kapsamda İTÜ jeodezik referans ağının belirlenen 19 noktasında Leice System 1200 uydu alıcısı ile hızlı statik yöntem kullanılarak ölçme yapılmıştır. Referans noktaları olarak IGS ISTA noktası, İSKİ UKBS PALA noktası ve İstanbul GPS Nirengi Ağı (IGNA) çalışmaları kapsamında İTÜ Ayazağa kampüsü içerisinde tesis edilmiş olan F222H008 nolu nokta kullanılmıştır. Ölçmeler ölçme sonrası proses ile 3 bazdan dengelenmiş ve noktaların ITRF96 datumu, epoğunda 3B kartezyen (X, Y ve Z) ve elipsoidal koordinatları (φ, λ ve h) ve bu koordinatların karesel ortalama hataları elde edilmiştir. Kullanıcılara bu iki sistem dışında ED50 elipsoidal koordinatlar, Transverse Mercator (TM) projeksiyon koordinatları ve ITRF96 TM projeksiyon koordinatlarının sunulabilmesi için dengeleme sonucu elde edilen koordinatlar dönüştürülmüştür. Noktaların ortometrik yüksekliklerinin türetilmesi için İstanbul Geoit Modeli kullanılmıştır. İstanbul Geoit Modeli nin doğruluğunun test edilmesi amacıyla ağın kısmı bir bölümünde ortometrik yüksekliği bilinen bir noktadan başlanarak dijital nivo ile geometrik nivelman yapılmış ve nivelman sonucu hesaplanan N (ondülasyon) değeri ile İstanbul Geoit Modeli nden hesaplanan N (ondülasyon) değeri karşılaştırılmıştır. Noktalara ait veri formunda sunulmak üzere röper ölçmeleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen ve türetilen tüm verilerin web ortamında sunulabilmesi için kullanılabilecek araçlar incelenmiş ve en uygun araç olarak ArcGIS online kullanılmasına karar verilmiştir. Söz konusu veriler her nokta için ayrı ayrı noktaya ilişkin veri formu hazırlanarak ve tüm sistem tamamlanarak adresinden kullanıcılara sunulmuştur. Tasarım projesi metninde ilk olarak uydu teknikleri ile konum belirleme sistemi detaylıca anlatılmış, sonrasında arazi çalışmaları, ofis çalışmaları ve son olarak web tabanlı sistemin kurulması anlatılmıştır. XI

12 1. UYDULARLA KONUM BELİRLEME 1.1 Tarihçe Yaklaşık 8200 yıllık tarihi ile Haritacılık mesleği oldukça güçlü bir geçmişe sahiptir, öyle ki yazının icadının M.Ö.3000 yılına denk gelmesi insanların yazıyı keşfetmeden önce taşınmaz kavramına önem verdiklerini göstermektedir. Çatalhöyük te oluşturulan kent planı ile başlayan haritacılık faaliyetleri ihtiyaca göre değişiklikler göstermiştir. Nil kıyısında taşan suların sınırları yok etmesi nedeni ile ilk kadastral çalışmalar yapılmıştır. Zaman içerisinde gerek ölçme yöntemi gerekse de beklenen doğruluk giderek gelişmiştir. 04 Ekim 1957 tarihinde ilk yapay uydu olan SPUTNIK-1 in uzaya fırlatılmasıyla uzay jeodezisi jeodezi bilimi içerisinde önemli bir yer edinmiştir. Başka bir deyişle, SPUTNIK-1 ile uydu jeodezisinin fiili gelişimi başlamıştır. Diğer taraftan günümüzün modern konum belirleme teknolojisi 1960 lı yıllara dayanmakta olup TRANSIT olarak bilinmektedir. Bu sistem yeryüzünden yaklaşık 1100 km uzaklıkta 6 uydudan oluşmaktaydı. TRANSIT sistemi ABD Silahlı Kuvvetleri tarafından geliştirilmiş olup ana amaç uçak ya da diğer askeri araçların koordinatlarının belirlenmesiydi. Daha sonralar sistem sivil sektörün kullanımına açılmış ve jeodezik konum belirleme amacıyla 1967 yılından bu yana yaygın olarak kullanılmıştır (Kahveci ve Yıldız, 2012). TRANSIT sisteminin gelişmiş biçimi olan NAVSTAR/GPS ABD Savunma Bakanlığı (Department of Defence) tarafından geliştirilen, elinde GPS alıcısı olan herhangi bir kullanıcının, uydu sinyalleri yardımı ile; Herhangi bir yer ve zamanda Her türlü hava koşullarında Global bir koordinat sisteminde Yüksek duyarlıkta Ekonomik olarak Anında ve sürekli konum, hız ve zaman belirlemesine olanak veren bir radyo navigasyon sistemidir (Kahveci ve Yıldız, 2012). 1

13 GPS in kullanım alanlar çok genel olarak iki ana başlık altında toplanabilir: a. Askeri Kullanım Alanları; Kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu Arama-Kurtarma Hedef bulma Füze güdümü INS sistemlerinin desteği Uçakların, görüşün sınırlı ya da hiç olmadığı hava koşullarında iniş ve kalkışı b. Sivil Kullanım Alanları; Kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu Jeodezik ve jeodinamik amaçlı ölçmeler Kadastral ölçmeler Kinematik GPS destekli fotogrametrik çalışmalar Yerel deformasyon ölçmeleri (baraj, yol, viyadük vb.) Araç takip sistemleri (IMU/GNSS) Gerçek zamanlı aktif kontrol ağları (RTK CORS) CBS veri tabanlarının geliştirilmesi Mobil haritacılık (Mobile Mapping Systems) Turizm, hassas tarım, ormancılık, spor, arkeoloji Güvenlik Hidrografik ölçmeler (Kahveci ve Yıldız, 2012). GPS tekniği klasik ölçmeler ile karşılaştırıldığında birçok üstün tarafı vardır, bunları şu şekilde sıralayabiliriz: Noktalar arası görüş zorunluluğu ortadan kalkmıştır. GPS alıcı anteninin uydu sinyali izleyebilmesi için gökyüzünü görmesi yeterlidir. Nokta yeri seçiminde noktaların en yüksek yerlerde olması gibi zorunluluklar ortadan kalkmıştır. Gereksinim duyulan ve GPS ölçüsünün yapılmasına olanak veren her yerde nokta tesisi yapılabilmektedir. GPS ölçülerinin yapılması büyük ortanda hava şartlarından bağımsızdır. Gece ve gündüz (24 saat) ölçüm yapılabilmektedir. 2

14 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. Gerçek zamanlı (anlık) konum, hız ve zaman bilgisi sağlanabilmektedir. GPS tekniğinin klasik ölçmeler karşısındaki zayıf tarafı ise, alıcı anteni mutlaka açık gökyüzünü görmelidir. Başka bir deyişle, GPS sinyalleri radyo sinyalleri gibi kuvvetli olmadığından kapalı yerlerde, çok sık ağaçlık bölgelerde ve madenlerde kullanılamamaktadır. Bu konu ile ilgili çalışmalar hızla devam etmekte olup, önümüzdeki yıllarda GNSS sistemlerinin aynı radyo/tv/gsm gibi kapalı yerlerde de çalışacağı bilinmektedir (Kahveci ve Yıldız, 2012) Uydularla Konum Belirlemede Temel Düşünce GPS ile konum belirleme uydu-alıcı uzaklıklarının hesabına dayanan bir uzayda geriden kestirme (trilaterasyon) probleminin çözümüdür (Kahveci ve Yıldız, 2012). Klasik yersel geriden kestirme problemlerinin çözümünde nokta konumunu belirlemek için 3 koordinatı bilinen nokta gerekmektedir. GPS ile konum belirleme de ise, en az 4 uydudan 4 uydu-alıcı uzaklığına (pseudorange) ihtiyaç vardır (Blewitt, 1997). Uydu-alıcı uzaklığı (pseudorange) sinyalin uydudan alıcıya ulaşana kadar arada geçen zamanın ışık hızı ile çarpılması sonucu bulunmaktadır. Uydu-alıcı uzaklığı = (zaman farkı) x (ışık hızı) P = t x c (1.1) Yukarıdaki formülde kullanılan t (zaman farkı) uydu ve alıcı saatlerinin GPS zamanı ile çakışık olduğu (saat hatasının olmadığı) ve uydudan alıcıya ulaşan sinyalin atmosferik etkilerin olmadığı bir ortamda yayıldığı kabul edilirse, sinyal uydudan alıcıya ulaşana kadar arada geçen zaman doğrudan pseudorange olarak tanımlanır ve formül aşağıdaki şekli alır (Kahveci ve Yıldız, 2012). P = ( ta t u ) x c (1.2) Ancak bu varsayımlar gerçekte sağlanamadığından pseudorange için eşitlik; 3

15 P + I + T = [ ( ta + ta ) ( t u + t u ) ] x c (1.3) şeklinde yazılabilir. Eşitlik yeniden düzenlenirse; c x ( ta t u ) = P + c x ( t u - ta ) + I + T (1.4) eşitliği elde edilir. Son eşitlikte, ta ve t u : Sinyalin alıcıya ulaştığı GPS zamanı ve uyduyu terk ettiği GPS zamanı t u ve ta: Uydu saati zamanı ve alıcı saati zamanı ile GPS zamanı arasındaki fark I ve T: Uydu ile ölçü noktası arasındaki iyonosferik ve troposferik etki c: Işık hızı ( m/sn) P: uydu ile alıcı arasında, sinyalin uydudan ayrıldığı ve alıcı tarafından alındığı epoklardaki toposentrik uzunluktur. Kullanıcıyı esas ilgilendiren kısım alıcı anteni kurulan noktanın koordinatları olup bunlar toposentrik uzunluk P içerisinde bulunmaktadır. P = U A = (X u X a )² + (Y u Y a )² + (Z u Z a )² (1.5) Şeklinde ifade edilir ve eşitlikte, U: X u, Y u, Z u uydu koordinatlarını, A: Xa, Ya, Za alıcı anteni kurulan noktanın koordinatlarını ifade etmektedir, sonuç olarak (1.4) eşitliği, c x ( ta t u ) = U A + c x ( t u - ta ) + I + T (1.6) halini alır. Uydu konumunun daha sonra bahsedilecek olan efemeris bilgilerinden bilindiği kabul edilirse (1.6) eşitliğinde 7 bilinmeyen kalır. Bu bilinmeyenler; Uydu ve alıcı saat hataları Alıcı anteni koordinatları İyonosferik etki Troposferik etkidir. 4

16 1.3. Başlıca Uydudan Konum Belirleme Servisleri Uydudan Konum belirleme ile ilgili çalışmalar 1960 lı yıllarda başlamış ve günümüze dek gelişimini sürdürmüştür. Teknolojik gelişmeler ile daha gelişen ve güçleşen birden çok konum belirleme hizmeti mevcuttur. Bunlardan bazıları; GPS, GLONASS, Galileo, Compass, IRNSS, DORIS, QZSS vb. sistemleridir. Tezin bu bölümünde başlıca sistemler tanıtılacak ancak ilerleyen bölümlerde GPS üzerine yoğunlaşılacaktır GPS NAVSTAR/GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Positioning System) ABD Savunma Bakanlığı (DOD) tarafından geliştirilen uydu konum belirleme sistemidir. Sistemle ilgili ilk çalışmalar 1973 yılında ABD Deniz Kuvvetlerinin TIMATION programı ile Hava Kuvvetlerinin 621B projesinin birleştirilmesi ile başlatılmış ve Los Angeles Hava Üssünde kurulmuş olan Ortak Program Bölümünün (Joint Program Office) sorumluluğuna verilmiştir (Kahveci ve Yıldız, 2012) Glonass Rusça karşılığı Global naya Navigation naya Sputnikovaya System olan GLONASS (Global Navigation Satellite System) 1970 li yılların ortalarında SSCB (Sovyet Sosyalist Cumhuriyetler Birliği) tarafından geliştirilmeye başlanmıştır. SSCB Doppler uydu sistemi Tsikada nın yerine geliştirilmiştir (Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger ve Collins, 2001). Rusya Silahlı Kuvvetleri tarafından 1983 yılında duyurulan sistem ABD GPS sistemine karşılık olarak geliştirilmiştir. İlk yıllarda 4-6 uydu ile testlere başlanılan sistem günümüzde sivil kullanıma açılmış ve 24 tanesi faal, 3 tanesi yedek, 2 tanesi test aşamasında ve 2 tanesi bakımda olan toplam 31 uydudan oluşmaktadır (Kahveci ve Yıldız, 2012). Sistemin jeodezik datumu PE-90 (bazı kaynaklarda PZ-90) sistemidir Galileo ABD ve Rusya Federasyonu (o yıllardaki adı SSCB) tarafından 1970 li yıllarda başlanan uydudan konum belirleme çalışmalarının gerisinde kalan Avrupa ülkeleri 2000 li yılların başında GPS ve GLONASS a olan bağımlılığını gidermek amacıyla Galileo projesini geliştirmeye başlamıştır. 5

17 Proje Avrupa Birliği (EU: European Union) ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA: European Space Agency) tarafından ortaklaşa finanse edilmiştir. Toplamda 27 si aktif 3 ü yedek 30 uydu olması planlanan projenin yaklaşık maliyetinin 6 milyar Euro olması planlanmıştır. Uydular 3 yörünge düzlemine sahip olacak olup, her yörünge düzleminin eğim açısı 56 dir. Uyduların yörünge yüksekliği yaklaşık olarak km (yer merkezinden olan yükseklik km) olup, bu yörüngeler Orta Uzaklıklı Yörünge (MEO: Medium Earth Orbit) olarak adlandırılmaktadır. Uyduların yörüngeyi bir tam devir süresi 14.4 saat olması planlanmıştır. Sistemin 2014 yılında sivil kullanıcılara açılması planlanmıştır (Kahveci ve Yıldız, 2012) Compass (BEIDOU) 1970 li yıllarda gönderdiği ilk uydudan bu yana uydu faaliyetlerini aralıksız sürdüren Çin Halk Cumhuriyeti 1980 li yılların başında uydu navigasyon sistemi kurmaya karar vermiştir. Uydudan konum belirleme amaçlı kurulan ilk sistemin ismi Beidou sistemidir. Beidou sistemi bölgesel bir sistem olup Çin ve komşu ülkelerine servis sağlamaktadır. İlerleyen yıllarda sistem geliştirilerek Compass adını almış ve global anlamda hizmet vermeye başlamıştır. Sistemin mimarisi diğer sistemlerle benzer özelliktedir. Sistemde 27 si MEO (Medium Orbit Satellite), 5 i GEO (Geostationary Orbit) ve 3 ü de (GEO) yedek olmak üzere 35 uydu bulunmaktadır. Uydu eğim açıları 55 ve 3 farklı yörünge düzlemi bulunmaktadır (Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger ve Collins, 2001). Yukarıda anlatılan sistemler dışında Fransız sistemi olan DORIS, Hint Uzay Araştırma Kurumu tarafından geliştirilen IRNSS ve GAGAN, yine bölgesel bir uydu navigasyon sistemi olan QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) özellikle Doğu Asya, Japonya ve Avustralya bölgesinde kullanılan uydu sistemidir. Sistemler genel olarak benzer özellikler göstermekle birlikte gelişen teknoloji ile birlikte sinyal yapısı ve donanımlar giderek güncellenmektedir. Bitirme çalışması kapsamında yapılan uydu ölçmelerinde her ne kadar GPS sistemine ek olarak GLONASS dan da faydalanılmış olsa da tezin ilerleyen bölümleri GPS sistemi üzerine ilerleyecektir. 6

18 1.4. GPS Sisteminin Bölümleri Uydudan konum belirleme ile ilgili çalışmaların başladığı ilk zamanlardan bugüne kadar oluşturulan tüm sistemler üç ana bölümden oluşmaktadır. Bu bölümler; alıcıların bulunduğu kullanıcı bölümü, uyduların bulunduğu uzay bölümü ve sistemi izlemek, kontrol etmek ve güncellemekle sorumlu olan yer kontrol bölümüdür (Samana, 2008). Şekil 3. GPS Sisteminin Bölümleri Yer Kontrol Bölümü GPS sisteminin kontrol bölümü Ana kontrol istasyonu (MCS: Master Control Station), yer antenleri ve izleme istasyonlarını içeren İşletim Kontrol Sistemi (OCS: Operational Control System) nden meydana gelmektedir (Kahveci ve Yıldız, 2012). Yer kontrol bölümünde toplamda 11 kontrol istasyonu bulunmaktadır. Bunlardan 5 i Hawaii, Colorado Springs, Ascension İsland, Diego Garcia ve Kwajalein dir. Bu istasyonlarda Colorado Springs Ana kontrol istasyonudur. Bu istasyonlar dışında NGA (National Geospatial Agency) tarafından kontrol edilen 6 istasyon daha bulunmaktadır (Samana, 2008). Yer kontrol istasyonlarının temel görevi uydu yörüngelerini takip ederek uydu konumunu, sistemin bütünlüğünü, uyduda bulunan atomik saatin durumunu ve zamanı, atmosferik verileri, uydu almanak bilgilerini elde etmektir (El-Rabbany, 2002). Ana kontrol istasyonu, tüm sistemin izlenmesinden, her bir uydu için uydu efemeris bilgilerinin ve saat düzeltmelerinin hesabından sorumludur. Diğer 4 istasyon ise izleme istasyonları olarak görev yapmakta ve uydu efemerislerinin belirlenebilmesi için gerekli verileri toplamaktır. Ayrıca Ascension İsland, Diego Garcia, Cape Canaveral ve Kwajalein istasyonlarında efemeris bilgilerini ve saat düzeltmelerinin uydulara yüklemek amacıyla yer antenleri bulunmaktadır (Samana, 2008). 7

19 Uydulardan veri alma (Download) işlemi L band üzerinden, veri yükleme (Upload) işlemi S band üzerinden gerçekleşmektedir (El-Rabbany, 2002) Uzay Bölümü GPS sisteminin uzay bölümü ekvator ile 55 lik eğim (inclination) yapan, 6 farklı yörünge düzlemi üzerine yerleştirilmiş 21 esas 3 yedek olmak üzere 24 uydudan oluşması planlanmıştır. Ancak, ortalama ömrü 7,5-10 yıl olarak hesaplanmış olan bazı uyduların hala sorunsuz olarak çalışmaya devam etmeleri nedeniyle günümüzde toplam 31 GPS uydusu faaliyet göstermektedir (Kahveci ve Yıldız, 2012). Uyduların periyotları yaklaşık 12 saat olup, uydu yörünge yüksekliği yerden yaklaşık km dir. Uydudan yayılan sinyalin aldığı yol uydunun konumuna göre değişmekle birlikte uydunun zenitte olduğu durumda yaklaşık km iken, uydunun ufuk çizgisine yakın olduğu konumda yaklaşık km dir (Samana, 2008). Her uydu, Ana kontrol istasyonu (MCS) nca hesaplanan ve yer antenleri aracığıyla gönderilen kendi yörüngesine ait bilgileri alır ve düzeltilmiş zaman bilgileri ile birlikte 2 temel frekans üzerinden yayımlar. Bunlar, L1: Mhz (λ: m) ve L2: Mhz (λ: m) dir. Bu sinyaller, uydudaki atomik saat takımınca oluşturulan L1 sinyali hem P-Kod ve hem de C/A Kod ile modüle edilmektedir. L2 sinyali ise yalnızca P-Kod ile modüle edilmektedir. Her iki sinyal de sürekli olarak navigasyon verileri ile de modüle edilmektedir. Bu veriler saniyede 50 Mhz bloklar halinde olup uydunun sağlığı, saat bilgileri ve konumu hakkında bilgileri içermektedir (Eren ve Uzel, 1995). GPS ve genel olarak GNSS sistemlerinin teknolojileri sürekli gelişmektedir. Günümüzde Block IIF ve Block III uyduları L1 ve L2 ye ek olarak L5 ( Mhz ve λ: m) sinyalini de kullanabilmektedir (Kahveci ve Yıldız, 2012) Kullanıcı Bölümü GPS çok farklı amaçlar için kullanılabilen bir sistem olup, elinde GPS alıcısı bulunan herkes bir kullanıcıdır. GPS in kullanım alanlarına bakıldığında Kullanıcı Bölümü için askeri ve sivil kullanıcılar olmak üzere iki ayrı sınıflandırma yapılabilir. Bu nedenle GPS alıcıları da askeri ve sivil amaçlı alıcılar diye sınıflandırılabilmektedir (Kahveci ve Yıldız, 2012). 8

20 1.5. GPS Uydu Yörüngeleri Anlık konum belirleme (gerçek zamanlı, real-time) uygulamalarında GPS Navigasyon mesajının bir parçası olarak yayınlanan yayın (broadcast) efemerisi ve saat bilgileri bulunmaktadır. Diğer taraftan, GPS verilerinin ölçü sonrası büroda değerlendirilmesi (post-process) aşamasında duyarlı (precise) GPS yörünge ve saat bilgilerinin kullanılması tercih edilmektedir. Söz konusu duyarlı yörünge ve saat bilgileri çok sayıda devlet kurumu ve bilimsel kuruluşlar tarafından hesaplanarak internet aracılığı ile tüm kullanıcılara ücretsiz olarak sunulmaktadır. Bu kurum ve kuruluşlar dan en çok bilinenleri Tablo-1 de gösterilmiştir (Kahveci ve Yıldız, 2012). Tablo 1. Duyarlı Yörünge ve Saat Bilgileri Üreten Kurum ve Kuruluşlar (Kahveci ve Yıldız, 2012). Kurum/Kuruluş Adı Jet Propulsion Laboratory (JPL) Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC) Center for Orbit Determination in Europe (CODE) National Geodetic Survey (NGS) Kullanılan Yazılım GIPSY-OASIS II GAMIT BERNESE PAGES Yayın (Broadcast) Efemerisi Yayın efemeris bilgileri GPS kontrol bölümü izleme istasyonlarından toplanan kod (pseudorange) gözlemlerine dayalı olarak üretilmektedir. Yayın efemeris bilgileri uydu mesajının bir parçasıdır. Yayın efemerisi genel bilgi kayıtlarını, uydu yörünge bilgilerini ve uydu saat bilgilerinin içermektedir (Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger ve Collins, 2001). Yayın efemerisi anlık olarak yayınlanmakta olup yaklaşık 12 ile 36 saatlik bir süre için geçerlidir. Yalnızca 6 izleme istasyonundan toplanan verilerle üretildiğinden elde edilen doğruluğun (5-10m) oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Yayın efemerisi WGS-84 sistemindedir (Kahveci ve Yıldız, 2012). 9

21 Duyarlı (Precise) Efemeris IGS (International GPS Service for Geodynamics) yörünge bilgileri, duyarlı P-Kod alıcılarının kurulu olduğu yoğun bir global ağda yapılan faz gözlemlerinden yararlanılarak oluşturulmaktadır (Kahveci ve Yıldız, 2012). Şekil 4. Dünya Genelinde IGS İstasyonları IGS yörünge bilgilerinin dağıtımına resmi olarak 1 Ocak 1994 tarihinde başlamıştır. Dağıtım IGS merkezi (IGS CBIS: IGS Central Breau Information System) ile global veri merkezleri tarafından yapılmaktadır. IGS üç farklı yörünge bilgisi üretmekte olup bunlar; IGS Sonuç (Final), IGS Hızlı (Rapid, IGR) ve IGS Ultra Hızlı (Ultra Rapid, IGU) efemerisleridir. IGS topladığı GPS ölçülerinden yararlanarak efemeris bilgileri dışında, saat parametrelerini, kutup parametrelerini, UT1-UTC, ITRF sisteminde uydu ve nokta koordinatlarını, iyonosfer modellerini, alıcı anteni kalibrasyon tablolarını da sunmaktadır. Günümüzde elde edilen IGS yörünge doğrulukları Tablo-2 de gösterilmiştir (Kahveci ve Yıldız, 2012). 10

22 Tablo 2. IGS Yörünge Doğrulukları (Kahveci ve Yıldız, 2012). Yörünge Doğruluk (m) Elde Etme Süresi Elde Edileceği Yer Yayın Efemerisi 3.00 Gerçek Zamanlı Uydu Mesajlarından CODE Kestirim 0.20 Gerçek Zamanlı CODE Merkezi CODE Hızlı Saat Sonra CODE Merkezi IGS Ultra Hızlı Saat Sonra IGS Veri Merkezleri IGS Hızlı Saat Sonra IGS Veri Merkezleri IGS Sonuç Gün Sonra IGS Veri Merkezleri 2. GPS İLE KONUM BELİRLEME YÖNTEMLERİ Bölüm 1.2. de açıklandığı gibi, GPS ile konum belirleme uydu-alıcı uzaklıklarının hesabına dayanan bir uzayda geriden kestirme probleminin çözümüdür. GPS alıcısında yapılan temel işlem tüm yönlerden gelen uydu sinyallerinin kaydedilmesi ve bunlardan yararlanarak uydu alıcı uzaklıklarının hesaplanmasıdır. Şekil 5. GPS ile Konum ve Zamanın Belirlenmesi 11

23 2.1. GPS ile Konum Belirlemede Kullanıcı Seviyeleri GPS ile Konum belirleme ve navigasyon hizmetleri iki farklı kullanıcı seviyesinde sunulmaktadır. Bunlar Standart Konum Belirleme Hizmeti (SPS, Standart Positioning Service) ve Duyarlı Konum Belirleme Hizmeti (PPS, Precise Positioning Service) dir. PPS, yüksek doğrulukta konum, hız ve zaman belirleme hizmeti olup yalnızca yetkili (askeri ve güvenlik amaçlı) kullanıcılara açıktır. PPS kullanıcıları genellikle askeri kullanıcılar olup, yetkili kullanıcı olma izni ABD DoD (Savunma Dairesi) tarafından verilmektedir. PPS e erişim AS (Anti Spoofing) kripto özelliği ile kontrol edilmektedir. SPS ise tüm kullanıcılara açık olup doğruluğu PPS den daha düşüktür. SPS ile elde edilen 3 boyuttaki konum doğruluğu 156 metre, zaman doğruluğu 170 nanosaniyedir (Kahveci ve Yıldız, 2012) Mutlak Konum Belirleme GPS ile iki ana konum belirleme sistemi vardır. Bunlar; mutlak konum belirleme (absolute point positioning) ve göreli (relative point positioning) konum belirlemedir. Mutlak konum belirleme tek GPS alıcısının dört ya da daha fazla GPS uydusundan aldığı sinyallerden yararlanarak alıcı pozisyonunu belirlemesidir. GPS alıcısının konumunu belirleyebilmesi için en az dört uydudan uydu alıcı uzaklığına (pseudorange) ihtiyacı vardır. Hesaplanan uydu alıcı uzaklığında uydu ve alıcının saat farklılıklarından kaynaklanan hatalar bulunmaktadır. Bu hata uydudan gelen navigasyon mesajındaki saat düzeltmesi ile düzeltilebilinir. Basit anlamda koordinatı ve yörüngesi bilinen uydudan hesaplanan üç uydu alıcı uzaklığı ile tek noktada X, Y, Z koordinatları üç adet üç bilinmeyenli (alıcı koordinatları) denklem çözülerek kolay bir şekilde belirlenebilir. Ancak uydu ve alıcı arasındaki saat farklarından kaynaklanan hataları giderebilmek için dördüncü uyduya ihtiyaç vardır. Çünkü denklemde bilinmeyen X, Y, ve Z koordinatlarına ek olarak saat farkı da bulunduğundan dört adettir. Böylece dört tane dört bilinmeyenli denklem çözülerek hata giderilmiş olur (El-Rabbany, 2002). 12

24 Şekil 6. Mutlak Konum Belirleme (El-Rabbany, 2002) 2.3. Göreli Konum Belirleme GPS ile göreli konum belirleme en az iki GPS alıcısının aynı anda aynı uydulardan veri alarak kendi koordinatını belirlemesidir. İki uydu alıcısından biri referans (base) olarak kullanılmaktadır. Diğer alıcı gezici (Rover) veya yine sabit olarak kullanılarak koordinatı referansa göre hesaplanabilmektedir. Göreli konum belirleme ile elde edilen doğruluk mutlak konum belirlemeye göre oldukça iyi olup, alıcı tipi (P kodlu, P kodsuz), ölçü süresi, gözlenen uydu geometrisi, uydu sayısı ve kullanılan efemerisin bilgisine (yayın ya da duyarlı) bağlı olarak elde edilen doğruluk ile 100 ppm arasında değişmektedir (Kahveci ve Yıldız, 2012). Faz gözlemleri kullanılarak yapılan göreli konum belirlemede genel olarak beş farklı yöntem mevcut olup bunlar aşağıdaki şekilde sıralanabilir; Statik Ölçü Yöntemi Hızlı Statik (Rapid) Ölçü Yöntemi Tekrarlı (Pseudostatic) Ölçü Yöntemi Dur-Git (Stop and Go) Ölçü Yöntemi Kinematik Ölçü Yöntemi 13

25 Şekil 7. Göreli Konum Belirleme (El-Rabbany, 2002) Statik Ölçü Yöntemi Statik Ölçü Yöntemi GPS ile yapılan ölçüden beklenen doğruluğun yüksek olduğu durumlarda, ölçülecek noktalar arasındaki mesafe uzun olduğunda, iyonosfer ve troposferden kaynaklanan sistematik hatalardan kurtulmak istendiğinde kullanılan en iyi ölçü yöntemidir. Yöntemde iki ya da daha fazla alıcı ile en az dk eş zamanlı ölçü yapılmaktadır. Ölçü süresi noktalar arası uzaklığın (baz) büyüklüğüne, görülen uydu sayısına, mevcut uydu geometrisine bağlı olarak dk ile birkaç saat arasında değişmektedir Hızlı Statik Ölçü Yöntemi Bu yöntemde bir çeşit statik ölçü yöntemi olup çok daha kısa süreli ölçülerle duyarlı sonuçların alınması nedeniyle ekonomik olarak büyük önem taşımaktadır. Genel olarak alıcılardan birisi referans noktası üzerinde sabit bırakılarak sürekli gözlem yaparken başka alıcı ya da alıcılar tüm diğer noktalara çok kısa süreler kurularak eş zamanlı gözlemler yapılır. Bu yöntemde ölçü süresi noktalar arası uzaklığa ve uydu geometrisine bağlı olup, uydu sayısı arttıkça aynı uzunluktaki bazda ölçü süresi azaltılabilir (Kahveci ve Yıldız, 2012). 14

26 Tekrarlı Ölçü Yöntemi Bu yöntem statik ile kinematik arasında bir yöntemdir. Kinematik yönteme göre daha az, statik yönteme göre ise daha fazla sayıda nokta üretilebilmektedir. Yöntem bir ya da iki saatlik bir ölçü süresinin başlangıç ve bitişinde, değişen uydu geometrisinden yararlanmak için bir noktanın birkaç dakika süre ile iki defa ölçülmesi esasına dayanmaktadır. Bu yöntemde en iyi sonuçlar değişen uydu geometrisine bağlı olarak kısa baz uzunluklarında (10 km ye kadar) alınmaktadır. Her nokta en az 10 dakika ölçülmeli ve ikinci ölçü en az 1 saat sonra ve en fazla 4 saat içinde tamamlanmalıdır. Ölçüler değerlendirilirken iki bağımsız ölçü kümesi tek gözlem varmış gibi ele alınmakta ve böyle her noktada iki ölçüdeki toplam uydu sayısına gözlem yapılmış olmaktadır. Bu yöntem özellikle uydu geometrisinin zayıf olduğu durumlarda ya da tek frekanslı alıcılar varsa uygun bir yöntemdir (Kahveci ve Yıldız, 2012) Dur-Git Ölçü Yöntemi Bu yöntemde yine bir alıcı konumu bilinen nokta üzerinde sabit ve sürekli olarak izleme yapmaktadır. İkinci alıcı ise önce herhangi bir noktaya kurulur ve aynı hızlı statik ölçü yapılıyormuş gibi birkaç dakika ölçü yapılır. Bunun nedeni bu noktada faz başlangıç belirsizliklerinin çözülmesi zorunluluğudur. Faz belirsizliği çözümü için yeterli veri toplandıktan sonra söz konusu ikinci alıcı uydulara olan izlemeyi devam ettirerek diğer noktalar birkaç epokluk (10-20 sn lik) ölçülerle gezilir. Burada aletin noktadan noktaya giderken izlemeyi devam ettirmesinin nedeni ilk noktadaki faz belirsizlik değerlerinin diğer noktalara aynen taşınması zorunluluğudur. Eğer kesilme olursa ya da uydu sayısı 4 ün altına düşerse bu durumda ilk ölçü gibi nispeten uzun bir ölçü yapılmalıdır (Kahveci ve Yıldız, 2012) Kinematik Ölçü Yöntemi Dur-Git yönteminin daha genel şeklidir. Burada amaç tek noktanın ölçülmesi olmayıp hareket eden bir antenin gezi yolunun belirlenmesidir. Bu yöntemde referans alıcısı koordinatı bilinen bir noktaya kurularak radyo vericisi eklenir. Gezici olarak kullanılan alıcı referans noktasındaki vericiden yayılan radyo sinyali ve izlediği uydular yardımı ile konumunu belirler (El-Rabbany, 2002). Kinematik ölçü yöntemi kendi içinde ikiye ayrılabilir. Bunlar; Gerçek Zamanlı Kinematik Ölçü (Real Time Kinematic) ve Büro (Postproces). Gerçek zamanlı 15

27 kinematik ölçü de yine kendi içinde ikiye ayrılmıştır. Bunlardan ilki Klasik Gerçek Zamanlı ölçmedir. Bu yöntem yukarıda anlatıldığı şekilde koordinatı bilinen noktada bulunan referans vericiyi ve uyduları izleyerek konumunu belirler. Bu yöntem için en az iki uydu alıcısına ve radyo vericisine ihtiyaç vardır. Bir diğer yöntem ise Ağ Gerçek Zamanlı Kinematik (Continuously Operating Reference Station) ölçme yöntemidir. Bu yöntemde ise daha öncede kurulan sabit istasyonlardan yayılan sinyaller yardımı ile tek bir alıcı ile arazide anlık olarak konum belirleme şeklindedir. Bu sistem Türkiye de de uygulanmaktadır. Sistem Tusaga-Aktif olarak isimlendirilmiştir. Sisteme bu ismin verilmesinin nedeni daha önceden kurulan jeodezik bir GPS ağı olan Tusaga nın devamı niteliğinde olup aktif yani sabit uydu sistemlerinin bulunmasıdır. Bu sistemlere ek olarak 1990 lı yılların sonlarından itibaren geliştirilmeye başlanan bir yöntem daha vardır. Hassas Konum Belirleme (Precise Point Positioning) olarak adlandırılan yöntem ağ rtk yöntemine benzer bir şekilde arazide tek alıcı kullanılmasıyla gerçekleştirilmektedir. Sistemin ağ rtk dan farkı sabit bir istasyona veya klasik rtk daki gibi ekstra bir alıcıya ihtiyaç yoktur. Kullanılan tek alıcı yardımıyla uydu yörünge ve saat düzeltmelerini alarak anlık olarak konum hassas olarak belirlenebilmektedir. Sistemin en önemli sorunu taşıyıcı faz başlangıç tamsayı bilinmeyeni (integer ambiguity) çözümü için gereken sürenin uzun olmasıdır. Bu sürenin kısaltılmasına ilişkin çeşitli algoritmalar geliştirilmeye ve sistem de geliştirilmeye devam etmektedir. 3. GPS İLE KONUM BELİRLEMEDE HATA KAYNAKLARI GPS uydusu ile alıcı arasındaki konum belirleme amaçlı kullanılan sinyal birçok rastlantısal ve sistematik (Bias) hata barındırmaktadır. Bu hataları kaynaklandığı yere göre sınıflandırabilir. Bunlar; GPS uydusunun kendinden kaynaklanan hatalar, alıcıdan kaynaklanan hatalar, sinyalin atmosferde aldığı yol boyunca etkiyen etkilerden kaynaklanan hatalardır. Bu kaynaklara ek olarak doğruluğa etkiyen bir diğer etki ise uydu geometrisidir. 16

28 3.1. Uydu Efemeris Hataları GPS Navigasyon Mesajı içerisinde yayınlanan uydu konum bilgililerinin doğruluğunun düşük ya da kasıtlı olarak yanlış yayınlanması durumunda karşılaşılan hataya efemeris hatası denir. Bu hata, modellendirilmesi zor olan bozucu etkilerden birisidir. Örneğin uydu saati hataları hassas atomik saatler kullanılarak ya da fark gözlemleri oluşturarak giderilebilmektedir. Oysa efemeris hatası uydu yörüngelerinin daha duyarlı hesabını gerektirmektedir. Bu da uydulara etkiye kuvvetlerin çok iyi ölçülmesi ya da modellendirilmesine bağlıdır. Efemeris hatası uydu konumlarının kestiriminin bir sonucu olduğundan, bu hatanın büyüklüğü Kontrol Bölümü tarafından uydulara yapılan en son yükleme zamanından uzaklaştıkça artacaktır. Birkaç km lik baz uzunluklarında efemeris hatasının etkisi oldukça küçüktür. Baz uzunluğu uzadıkça hatada artacağından, örneğin 100 km lik kenarların bulunduğu bir projede GPS sisteminin kullanılmasında sorun oluşturmaktadır. Bu hata kaynağı doğal nedenlerden kaynaklandığı gibi, GPS mesajları içerisinde de kasıtlı olarak artırılabilmektedir. Bu kasıtlı olarak artırılan bozucu etkiye Seçimli Doğruluk Erişimi (SA Selective Availability) adı verilmektedir. GPS sisteminin ABD tarafından yönetilmesi ve ABD savunma politikaları gereği uygulanan ve kullanıcılara habersiz olarak uygulanması Diferansiyel GPS tekniğinin geliştirilmesine neden olmuştur. Bu kasıtlı etkiye Sivil kullanıcıların ve alıcı üreten firmaların baskısı sonucu 1 Mayıs 2000 de ABD tarafından son verilmiştir (Kahveci ve Yıldız, 2012) Uydu Saati Hataları GPS sisteminin Block II ve Blok IIA olarak isimlendirilen uydularının her biri ikisi sezyum ve ikisi rubidyum olmak üzere 4 atomik saat içermektedir. Yeni nesil Block IIR uyduları ise sadece rubidyum saatler içermektedir. GPS ile konum belirlemenin temelinin zaman ölçümü oluşturduğundan bu hata kaynağı oldukça önemli bir hata kaynağıdır. Atomik saatler oldukça hassas olmalarına karşın hatasız değillerdir. Uydulardaki hassas atomik saatlere karşın alıcılarda hassasiyeti atomik saatlere oranla oldukça düşük kristal saatler kullanılmaktadır. Uydu alıcı uzaklığındaki hataların temel kaynağı uydu ve alıcı saatlerinin GPS zamanına göre yeterli doğrulukta senkronize edilememesi oluşturmaktadır. Uydu saati hatası Kontrol Bölümü tarafından sürekli olarak izlenmekte ve yayın efemerisi saat düzeltmeleri günlük olarak navigasyon mesajının bir bölümü olarak yüklenmektedir (El-Rabbany, 2002). 17

29 3.3. İyonosfer Etkisi GPS sinyali uydudan alıcıya ulaşana kadar atmosferin değişik katmanlarından geçer. Her katmanın değişik bir etki (gecikme-hızlandırma) uygulaması gibi faz ve kod ölçüleri de farklı şekilde etkilenir. İyonosfer genel olarak, elektromanyetik dalgaların yayılmasını etkileyebilecek kadar serbest elektron yoğunluğuna sahip üst ( km) atmosfer tabakası olarak tanımlanabilir. İyonlaşma ve serbest elektron yoğunluğu doğrudan güneş ışımasına bağlı olduğundan, iyonosferin elektromanyetik dalgalara etkisi geceye göre gündüz daha fazladır. Gece gündüz etkilerinin farklı olması gibi, uydu yükseklik açısı da etkinin miktarını etkilemektedir. Düşük uydu yükseklik açılarında iyonosferik etki gündüz ve gece için verilen değerlerin yaklaşık üç katıdır. Birbirine yakın uzaklıkta ölçü yapan iki alıcı için bu hata aynı kabul edilebilir. Bu nedenle kısa baz uzunluklarında tekli, ikili ve üçlü faz farkları oluşturularak iyonosferik etki büyük ölçüde giderilebilmektedir. Ancak, uzun bazlarda mutlaka çift frekanslı alıcılar kullanılmalıdır. Tek frekanslı GPS alıcıları ile yapılan ölçmelerde, çift frekanslı gözlemlerle elde edilen iyonosferik modeller kullanılabilir ya da uydu navigasyon mesajlarının bir bölümü olarak yayınlanan mevsimlik iyonosferik model katsayıları kullanılarak GPS ölçülerine iyonosferik düzeltme getirilmektedir (Kahveci ve Yıldız, 2012) Troposfer Etkisi GPS uydularından yayılan sinyaller atmosfere girmeden önce uzaydaki boşlukta ilerlerler. Atmosferde ilk olarak iyonosferden geçerler. İyonosferin GPS uydularından yayılan sinyale etkisi frekansa bağlıdır. Bu nedenle iyonosfer etkisi çift frekanslı alıcılarla yapılan ölçülerle giderilebilen bir etkidir. Troposfer tabakası yeryüzü ile temas halinde olduğundan ve elektrik yüklü olmadığından frekansları dağıtıcı özelliğe sahip değildir. Bu nedenle troposferin uydu sinyaline etkisi frekans bağımlı değildir. Troposfer tabakası kutuplarda ve ekvatorda farklı kalınlıkta olduğundan ve frekans bağımlı olmadığından troposferin uydu sinyaline etkisi uydu yükseklik açısına ve troposferde bulunan kuru hava ve su buharı oranlarına bağlıdır. Bu nedenle gündelik çalışmalarda uydu görüş açısının en az 15 olması istenmektedir. Troposferin uydu sinyaline etkisi çeşitli modeller kullanılarak giderilebilmektedir. 18

30 3.5. Sinyal Yansıma (Multipath) Etkisi GPS alıcıları ile birlikte kullanılan alıcı antenleri her yönden gelecek sinyalleri alabilecek şekilde tasarlanmışlardır. Antenin kurulduğu arazi yapısına, uydu yükseklik açısına bağlı olarak kaydedilen uydu sinyallerine arzu edilmeyen sinyal yansımalarının da karışması söz konusudur. Uydulardan yayınlanan sinyallerin yeryüzünde herhangi bir noktada kurulu olan antene, bir veya daha fazla sayıda yol izleyerek ve esas sinyale karışarak ulaşmamasına Sinyal Yansıma (Multipath) etkisi denir. Bu etki GPS alıcısının kurulu olduğu noktanın çevresi ve uydu görüş açısı ile alakalıdır. Bu durumu en aza indirmek için noktalar bu tarz etkiler olabilecek (bina yakınları, göl kenarları, araçlar, diğer yapılar vs.) yerlerden uzak seçilmeli ve GPS ölçüsü yapılacağı esnada sinyal yansıma etkisini en aza indirecek özel antenler kullanılmalıdır Alıcı Anten Faz Merkezi Hatası Alıcı anteni faz merkezi GPS sinyallerinin antene ulaştığı nokta olup bu nokta genellikle geometrik faz merkezinden farklıdır. İdeal olarak GPS anteninin faz merkezi antene ulaşan sinyalin geliş doğrultusundan bağımsız olmalıdır. Ancak uygulamada, uydu sinyalinin azimut ve yükseklik açısına bağlı olarak jeodezik antenlerin faz merkezlerinde küçük değişimler göstermektedir. Bu değişimler L1 ve L2 sinyalleri için farklıdır ve aynı zamanda L1 ve L2 sinyallerinin faz merkezi antenin geometrik faz merkezinden de farklıdır (Kahveci ve Yıldız, 2012). Anten faz merkezi hatası antenin yapısına bağlı olarak birkaç mm ile 1-2 cm arasında değişmektedir. Modellenmesi zor olan bu hata kaynağı örneğin kısa bazlarda yapılan çalışmalarda aynı anten tipi için antenlerin aynı yöne döndürülerek yok sayılabilir. Çünkü kullanılan sinyaller ve alıcılar aynı olduğundan ve ölçme yapılan alanda küçük olduğundan anten faz merkezi hatası tüm alıcılarda aynı olacaktır. Jeodezik amaçlı antenlerde, genellikle faz merkezi yatay konumda anten fiziksel merkezi ile aynı olup, esas sorun düşey bileşendedir. Bu nedenle, ortalama faz merkezleri anten fiziksel referans merkezine göre çok iyi bilinmeli ve arazide yapılan anten yüksekliği ölçmeleri yeterli titizlikte ve mm duyarlıkla yapılmalıdır (Kahveci ve Yıldız, 2012). Yüksek doğruluk gerektiren ve farklı alıcı tiplerinin kullanıldığı kampanyalarda, ölçünün değerlendirilmesi yapılırken her anten için özel kuruluşlarca servis edilen ve üretici firma tarafından belirlenmiş anten faz merkezi bilgileri ilgili kurum-kuruluştan temin edilerek değerlendirme esnasında yazılımda kullanılmalıdır. 19