Küresel Konumlama Sistemi Yrd. Doç. Dr. Okan Yıldız Yrd. Doç. Dr. Mustafa Dihkan Öğr.Gör.Dr. Deniztan Ulutaş

Transkript

1 Küresel Konumlama Sistemi Yrd. Doç. Dr. Okan Yıldız Yrd. Doç. Dr. Mustafa Dihkan Öğr.Gör.Dr. Deniztan Ulutaş Ölçme Bilgisi Ders Notları Bahar Yarıyılı

2 Golabal Positioning System(GPS) Nedir? Küresel Konumlama Sistemi Amerika Savunma Bakanlığı tarafından navigasyon amaçlı geliştirilen ve bilim adamlarının çabasıyla jeodezik problemlerin çözümünde de kullanılan, Dünya üzerinde her türlü hava koşullarında, 24 saat esasına göre, En az 4 uydudan kod-faz varış zamanının ölçülmesi esasına dayanan, Herhangi bir noktaya ait konum, hız ve zaman bilgileri sağlayan, Uzay tabanlı bir ölçme sistemidir

3 GPS sisteminde konumu bilinen noktalar GPS uydularıdır. Bilinmeyenler, bulunulan noktanın kartezyen koordinatlarıdır (X,Y,Z). Matematiksel olarak 3 bilinmeyenli bir denklemin çözümü için 3 bilinene ihtiyaç vardır. Burada 3 bilinen yetiyor gibi gözükse de, saat hatalarını ortadan kaldırmak için en az 4 tane bilinene ihtiyaç vardır. Bu nedenle GPS, 4 boyutlu bir sistemdir (X, Y, Z, t). Bu modelde kullanılan mesafeler radyo dalgalarıyla elde edilen uzaysal mesafe ölçüleri, kullanılan nirengi noktaları ise yörünge (efemeris) bilgileri vasıtasıyla belirli bir andaki koordinatları bulunabilen GPS uydularıdır

4 Uydularla konum belirlemede uydu sinyallerinin bir alıcı tarafından kaydedilerek, sinyalin uydudan yayınlandığı an ile alıcıda kaydedildiği an arasında geçen süre çok hassas olarak ölçülür. Çalışma Yöntemi Bu süre, sinyalin yayılma hızı ile çarpılarak uydu ile alıcı arasındaki mesafe belirlenir. Uydunun koordinatları zamana bağlı olarak bilindiğinden alıcının konumu hesaplanabilir. Bu sebeple uydular yüksek doğruluklu atomik saatler içerir

5 GPS inkullanım Alanları Askeri Kullanım Alanları : Kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu, arama-kurtarma, uçakların iniş ve kalkışları, hedef bulma ve diğer amaçlar. Sivil Kullanım Alanları : Kara, deniz ve hava araçlarının navigasyonu, GPS Ülke jeodezik ağlarının ölçülmesi ve sıklaştırılması, detay ölçmeleri, aplikasyon uygulamaları, kadastral ölçmeler, deformasyon ölçmeleri, araç takip sistemleri, CBS için veri toplama gibi birçok alanda kolaylık sağlayan, çalışmalara hız ve ekonomi getiren bir yöntemdir. Turizm, tarım, ormancılık, spor, güvenlik, hidrografik çalışmalar, CBS nin veri tabanının geliştirilmesi ve diğer alanlar.

6 GPS inkullanım Alanları

7 Gps in Klasik Sisteme Göre Üstün ve Zayıf Yönleri Üstün Yönleri : Noktalar arasında görüş zorunluluğu ortadan kalkmıştır. Ölçü noktalarının yükseklerde seçilmesi zorunluluğu yoktur. GPS ölçüleri büyük oranda hava koşullarından etkilenmez. Gece-gündüz 24 saat ölçü yapılabilir. Noktaların konum doğruluğu oldukça yüksektir. Zayıf Yönleri : GPS in sinyalleri mikrodalga sinyaller gibi güçlü değildir. Kapalı yerlerde, çok sık ağaçlıklı alanlarda, su altında ve binaların yoğun oldu olduğu yerleşim yerlerinde, tünellerde ve maden galerilerinde ölçü yapılamaz. Ağır yağışta, güçlü radyo yayınının yapıldığı ya da yayın antenlerinin olduğu yerlerde verimli değildir. GPS koordinatları WGS-84 datumundadır. Lokal datuma dönüşüm gerekir. Elde edilen yükseklikler Ortometrik değil, elipsoidal yüksekliklerdir

8 GPS in Bölümleri Uzay Bölümü Kullanıcı Bölümü Kontrol Bölümü Ana İstasyon İzleme İstasyonları Yer Antenleri

9 GPS in Bölümleri Uzay bölümü uydulardan oluşur. Uydular ekvator düzlemi ile yaklaşık 55 lik açı yaparlar, 6 yörünge düzleminden oluşur 28 aktif, 4 yedek olmak üzere toplam 32 uydudan oluşmaktadır. Yedek uydular esas uydulardan birinde sorun olması durumunda devreye girerler. HerbirGPSuydusu, Senkronize (eşzamanlı) zaman sinyallerini, Tüm diğer uydularla ilgili konum bilgilerini, Yörünge parametrelerine ilişkin bilgileri ikitaşıyıcıfrekanstan(l 1,L 2 )yayınlar; Kontrol bölümü tarafından yayınlanan bilgileri alır. GPS Uzay Bölümü Kontrol Bölümü Kullanıcı Bölümü

10 GPS in Bölümleri GPS Uzay Bölümü Kontrol Bölümü Kullanıcı Bölümü Bu bölüm yeryüzünün çeşitli yerlerine dağılmış 1 ana ve 5 izleme istasyonundan oluşmaktadır. Ana istasyon Colorado da(usa) dır. Bunun dışındakiler izleme istasyonlarıdır. GPS uyduları Dünya üzerine uygun dağılmış, Çok hassas saatlerle donatılmış, Konumu iyi bilinen, 6 sabit izleme istasyonu tarafından izlenmektedir.

11 GPS in Bölümleri GPS Uzay Bölümü Kontrol Bölümü Kullanıcı Bölümü

12 GPS in Bölümleri GPS Uzay Bölümü Kontrol Bölümü Kullanıcı Bölümü GPS uyduları tarafından gönderilen verileri alabilen GPS alıcıları ve bunların fonksiyonel parçalarından oluşmaktadır.

13 Kullanıcı bölümünü oluşturan GPS alıcıları üçe ayrılırlar. GPS Uzay Bölümü Kontrol Bölümü Kullanıcı Bölümü Kullanım amacına göre : Bilimsel amaçlı alıcılar. Hassas çalışmalarda kullanılırlar. Pratik amaçlı alıcılar. Anında kabaca 3 boyutu belirlerler. Kullanım alanlarına göre : Askeri amaçlı alıcılar Sivil tip alıcılar Yapılarına göre : Kanal sayısına göre. Tek ve çift kanallı alıcılar Frekanslarına göre. Tek ve çift frekanslı alıcılar

14 GPS de Kullanılan Sinyaller GPS ölçmelerinde elektromagnetik dalgalar kullanılarak uydulardan kullanıcı bölümüne veri akışı sağlanmaktadır. Kontrol bölümü ile uydular arasında S-band, İyonosferik etkilerin etkisinin az olmasından dolayı uydu ile kullanıcı bölümü arasında L-band kullanılmaktadır. Sinyaller iki farklı frekansta taşıyıcı dalga üzerinden iletilirler. BunlarL 1 vel 2 sinyalleridir. Uydular bu sinyallerle faz ve kod ölçüleri ile kendi konum bilgilerini(efemeris) yayınlarlar. L 1 frekansı1575,42mhz(10,23mhz*154),dalgaboyu19cm L 2 frekansı1227,60mhz(10,23mhz*120),dalgaboyu24cm Not: Dünya ile uydular arasında kullanılan radyo frekanslarına verilen genel ada uydu bantları denir. Bunlardan ikisi S ve L bandlarıdır.

15

16 GPS Gözlemleri Çalışma Prensibi GPS gözlemleri, alıcı tarafından alınan ve alıcı tarafından üretilen sinyallerin zaman ya da faz farklarından oluşmaktadır. Elektronik Uzaklık Ölçme Sistemlerinin (EDM) aksine, GPS de tek taraflı uzaklık ölçme söz konusudur. GPS ile iki temel büyüklük gözlenmektedir. 1. Kod Gözlemleri 2. FazGözlemleri(L 1,L 2 ) Yüksek doğruluk gerektiren uygulamalarda ve bilimsel çalışmalarda faz gözlemleri, navigasyon amaçlı uygulamalarda ise kod gözlemleri kullanılmaktadır. Jeodezik amaçlı GPS ölçülerinde doğrudan faz gözlemleri kullanmak yerine bunlardan yararlanarak elde edilen lineer kombinasyonlar ve fark gözlemleri kullanılmaktadır.

17 Kod Gözlemleri Uydu ile alıcı arasındaki uzaklık, uydudan yayınlanan sinyalin uydudan çıkış anı ile alıcıya ulaştığı ana kadar geçen zamanın (ΔT) ışık hızı ile çarpılmasıyla elde edilen ham uzunluktur. Sinyalin uydudan alıcıya ulaşana kadar geçen zaman, alıcı ve uydu tarafından üretilen PRN kodlarının karşılaştırılması ile elde edilmektedir. Her uydu kendine has PRN (Pseudo Random Noise) kodu üretir. Bu kod GPS alıcıları tarafından da üretilir. Ancak uydudan gönderilen PRN ile ilişkilendirilmiş bilgi, alıcılara belli zaman gecikmesi ile gelmektedir. Bu zaman gecikmesi ( T) ölçülerek ışık hızıyla çarpılır. Böylece mesafe tespit edilir. Bu uzaklığa pseudo uzaklığı denir. Uydu ile alıcı saatlerindeki hatalardan dolayı elde edilen uzunluk gerçek geometrik uzunluktan farklıdır. Saat hatalarının neden olduğu sapmalar nedeniyle elde edilen uzaklığa ham uzunluk denir.

18 FazGözlemleri Faz, herhangi bir dalganın herhangi bir referansa göre durumuna verilen addır. Referans değiştirildikçe faz değeri de değişmektedir. Uydudan yayınlanan fazın benzeri alıcı içerisinde de üretilmekte ve bunlar arasında korelasyon sağlanmaktadır. Başka bir deyişle t S zamanında uydudan yayınlanan sinyalin L 1 ve L 2 taşıyıcı fazı ile t R zamanında alıcı tarafından üretilen sinyalinin fazı arasındaki fark olarak tanımlanmaktadır.

19 GPS Hata Kaynakları Uzunluk ölçmedeki hatalar Uydu efemeris hataları Uydu saat hataları Atmosferik hatalar - İyonosferik etki - Troposferik etki -Uydu eğim açısı Sinyal yansıma (Multipath) etkisi Anten faz merkezi hataları Taşıyıcı dalga faz belirsizliği (Ambiguity) ve faz kesiklikleri (cycle-slips) Seçimli doğruluk erişimi Uydu geometrisi Alıcı hataları: Tek veya çift frekanslı alıcılar Datum seçimi Alıcının kurulumu

20 Uydu EfemerisHataları GPS navigasyon mesajı içerisinde yayınlanan uydu konum bilgilerinin doğruluğunun düşük olduğu veya kasıtlı olarak yanlış yayınlanması durumunda karşılaşılan hataya efemeris hatası denilmektedir. Uydu efemeris hatası uydu yörüngelerinin daha duyarlı hesabını gerektir. Bu da uydulara etki eden hataların çok iyi ölçülmesi ve modellenmesine bağlıdır.

21 Uydular uzayda nerede? (efemeris) Uydular hassas yörüngelerde hareket ederler GPS alıcıları, doğru konumlama için, uydulardan alınan almanak bilgilerini kullanırlar(ephemeris). Almanak uydulardan yayınlanır Düzeltilmiş efemeris bilgileri uydulara gönderilir.

22 Uydu Saat Hataları GPS ile konum belirlemenin temelini zaman ölçüsü oluşturmaktadır. Bu nedenle GPS uydularında atomik saatler kullanılmaktadır. Uydu ve alıcı saatlerinin GPS zamanına göre yeterli doğrulukta senkronize edilmemesi saat hatalarının temelini oluştur. Uydu saat hatası, uydu saat zamanı GPS zamanı arasındaki farktır. Her uydu saatinin davranışının izlenmesinde en iyi çaba gösterilse bile dünyanın manyetik alanı, yerin ve ayın çekim etkisi, radyasyon vb sebeplerden dolayı saatlerin davranışı duyarlı bir şekilde belirlenememektedir. Uydu saat hataları kontrol bölümü tarafından sürekli izlenmekte ve yayın efemerisi saat düzeltmelerini günlük olarak navigasyon mesajının bir bölümü olarak yüklemektedir. Burada önemli olan uydu-alıcı uzaklığının hesaplanmasındaki toplam hatayı azaltmak.

23 İyonosfer Etkisi: Atmosferik Etkiler İyonosfer tabakası yer yüzeyinden itibaren atmosferin 50.km den 200 km sine kadar olan tabakadır. Bu tabakadaki serbest elektronlar yüzünden GPS sinyalleri bu bölgeyi tam ışık hızında geçemez. Sonuçta ölçülen kod uzunluk ölçüsü olması gerekenden daha uzun buna karşılık ölçülen faz ölçüsü olması gerekenden daha kısadır. İyonosferin gündüz elektromagnetik dalgalar üzerindeki etkisi geceden daha çoktur. Uydu sinyalleri alıcıya ulaşıncaya kadar bu tabakalardan geçer ve karşılaştığı dirençten dolayı bir gecikmeye uğrar. İyonosferik gecikmenin giderilmesi için, farklı frekanstaki dalgaların farklı dirençle karşılaşacağı gerçeğinden hareket ederek çift frekanslı GPS alıcıları kullanılmalıdır.

24 Troposfer Etkisi Troposfer, havanın yeryüzü ile temas ettiği en alt tabakasıdır. Kalınlığı kutuplarda 8 km, ekvatorda 18 km dir. Hava olayları genel olarak troposferin 3-4 km lik alt kısımlarında görülmektedir. Troposferik gecikme sinyalin frekansına bağlı olmayıp, her iki taşıyıcı dalgaya da aynı derecede etki etmektedir. Farklı frekans kullanımı ile giderilemez.

25 Atmosferik gecikme GPS sinyalleri atmosferden geçerken gecikmeye uğrar < 10 km > 10 km

26 Uydu Eğim Açısı Düşük eğim açılı ölçüler, atmosferik refraksiyon nedeniyle sorun olmaktadır. Ancak konum doğruluğunu arttırmak için daha fazla ölçü kullanmak isteğinden ve daha çok uydu görebilmek için bu açı değerini küçük tutmak isteriz.

27 Sinyal Yansıma (Multipath) Etkisi GPS alıcı antenleri her yönden gelen uydu sinyallerini eş zamanlı alabilme özelliğine sahiptir. Arazi yapısı ve sinyal yükseklik açısına bağlı olarak istenmeyen sinyal yansımaları ile karşılaşılır. Uydulardan yayınlanan sinyallerin alıcı antenine bir veya daha çok yol izleyerek ulaşmasına sinyal yansıma (multipath) etkisi denir. Uyduların neden olduğu etkiler ve alıcı anteninin çevresindeki yüzeylerin neden olduğu etkiler kısa kenarlı ağlarda bazın iki ucundaki anten için aynı büyüklüğe sahip olacağından göreli konum belirleme yöntemi ile büyük ölçüde giderilmektedir.

28 Multipath Hatası uydu Yansıyan sinyal engel Doğrudan gelen sinyal A B C alıcı Ölçme noktası D Multipath gecikmesi = AB + BC

29 Multipath etkisini azaltmak için! Yansıma etkisinin giderilmesi, her noktada farklı geometri ve çevre şartları söz konusu olacağından her zaman mümkün değildir. Etkinin giderilebilmesi için 1. En kolay ve etkin yol, alıcının çok yakınında yansıtıcı yüzeylerin olmamasına dikkat etmek ve çok uzun süreli ölçü yapmaktır. 2. Bir başka yol ise yansıma sonucu sinyal dağılım etkisini içinde sayısal olarak filtreleme yapan alıcı kullanmak ve yansıyan dalgayı emen özel anten tipleri groundplanes, chokeringanten kullanmaktır. 3. Uydulara belirli bir yükseklik açısının üzerinde (en az 10 derece -15 derece) gözlem yapmak yansıma etkisini azaltır

30 Alıcı Anteni Faz Merkezi Hatası GPS ile konum belirlemede, GPS alıcılarıyla alınan ölçülerin uydu ileticisinin elektriksel merkezi ile alıcı antenin elektriksel merkezi arasındaki uzaklık olduğundan söz edilebilir. Elektriksel merkezi ile fiziksel merkezi arasındaki farka faz merkezi değişimi denir. Elektriksel merkez, gelen sinyalin gücünü ve yönünü değiştirmeye çalışır. Bununla birlikte, L1 ve L2 taşıyıcıları için faz merkezi değişimleri farklı özelliklere sahiptir. Anten faz merkezi değişimleri anten yapısına göre birkaç milimetre ile 1-2 cm arasında değişmektedir. Önemli çalışmalarda bu değişimler dikkate alınmalıdır.

31 GPS gözlemi devam ederken, uydu sinyalinin alınmasında meydana gelecek sinyal kesikliklerine faz kesiklikleri yada faz kayıklığı adı verilmektedir. Faz kesikliklerinin genel nedenleri şunlardır: Ölçü noktası çevresinde ağaç, bina, köprü vb. gibi uydu sinyallerinin alıcıya ulaşmasını engelleyen nesneler, Kötü iyonosferik koşullar, Sinyal yansıma etkisi(multipath), Alıcı yazılımında oluşabilecek arızalar. Faz belirsizliği pratik konum belirlemede; 20 km nin altındaki bazlarda GPS yazılımlarında otomatik olarak giderilmektedir.

32 t 1 t 2 A uydusu Engeller B uydusu B uydusu t 2 t 1 A uydusu

33 Faz Kesilmesi GPS Sinyali Engel Düşük Uydu yükseklik açısı Sinyal karışması

34 Uydu Geometrisi. Ölçü yapılan uyduların uzaydaki dağılımı da koordinat hesaplamalarını etkilemektedir. Örneğin, gözlenen uyduların hepsi birbirine çok yakınsa elde edilecek koordinat doğruluğu düşük, eğer dört bir doğrultuya homojen olarak dağılmışsa elde edilecek doğruluk yüksek olacaktır. Geometrik hatalar; Geometrik hassasiyet bozulması (GeometricDilutionof Precision, GDOP) olarak ifade edilmektedir. GDOP küçük değer ise uyduların konumlarının o an için dağılımının iyi olduğunu ifade etmektedir.

35 Uydular gökyüzünde küçük bir hacim meydana getiriyor

36 Uydular gökyüzünde büyük bir hacim meydana getiriyor

37 Ölçü sırasında iyi GDOP ve iyi görünebilirlik olmalıdır. bu herzaman mümkün olmayabilir.

38 Uydu sayısının artmasının avantajları! Çok uydu demek fazla ölçü demek, bu da kontrol demektir. Sistematik hatalar daha iyi modellenebilir. Çok uydu daha fazla doğruluk ve güvenirlik demektir Çok uydu daha geniş alanda çalışabilmek demektir Çok uydu, daha hızlı ölçüye başlama ve daha hızlı belirsizlik çözümü demektir.