T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GPS DESTEKLİ DETAY ALIMINDA YENİ BİR TEKNİK (GPSSİT) İN UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GPS DESTEKLİ DETAY ALIMINDA YENİ BİR TEKNİK (GPSSİT) İN UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI İbrahim KALAYCI DOKTORA TEZİ JEODEZİ VE FOTOGRAMETRİ ANABİLİM DALI Konya, 003

2 ÖZET Doktora Tezi GPS DESTEKLİ DETAY ALIMINDA YENİ BİR TEKNİK GPSSİT İN UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI İbrahim KALAYCI Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Jeodezi ve Fotogrametri Anabilim Dalı Danışman: Y.Doç.Dr. Ayhan CEYLAN 003, 106 Sayfa Jüri: Prof.Dr. Mehmet YERCİ Prof.Dr. Muhammed ŞAHİN Prof.Dr. Cevat İNAL Prof.Dr. Mehmet Emin AYDIN Bu çalışma kapsamında geliştirilen GPSSİT (GPS Serbest İstasyon Tekniği) i kullanan GPSSİT/TSK( GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station ile Kutupsal Alım) ve GPSSİT/TSU (GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station ile Uzunluk Kestirme) adı verilen GPS destekli detay alım yöntemlerinin kullanılabilirliğinin araştırması yapılmıştır. i

3 Bu bağlamda, klasik yöntemlere alternatif olarak günümüzde detay alımında kullanılan GPS tekniklerinin özellikle yerleşik alanlarda GPS ile doğrudan alımı yapılamayan ve GPS sinyallerinin bloke edilmesi şeklinde ortaya çıkan problemlerin, zemine nokta tesis edilmeden aşılmasını sağlayan GPSSİT kullanılmıştır. Detay alımı ise, geliştirilen GPSSİT ile çalışan GPSSİT/TSK ve GPSSİT/TSU yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Yöntemlerin test amaçlı uygulamaları, Selçuk Üniversitesi Aleaddin Keykubat Kampüsü içinde, toplam 10 blok içeren 3 bina ve GPS ile doğrudan alım yapılabilen açık araziden oluşan yaklaşık 18 hektarlık bir test alanında yapılmıştır. Test alanı GPS ile doğrudan alım yapılabilen ve GPS ile doğrudan alım yapılamayan detaylar olarak iki kısımda ele alınmıştır. GPS ile doğrudan alımı yapılabilen detayların alımı GPS (Dur-git), Klasik, GPSSİT/TSK ve GPSSİT/TSU yöntemleri ile yapılmış ve Klasik yöntem referans alınarak detay konumları karşılaştırılmıştır. GPS ile doğrudan alımı yapılamayan detayların alımı ise, Klasik, GPSSİT/TSK ve GPSSİT/TSU yöntemleri ile yapılmış ve yine klasik yöntem referans alınarak detay nokta konumları karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre doğruluk ve maliyet analizleri yapılmış ve yeni çalışılan yöntemlerin, güncel mühendislik ölçmeleri kriterleri olan doğruluk, zaman ve proje maliyeti açısından kullanılabilir yöntemler olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler : GPS, Detay ölçmeleri, Dur-git, Elektronik Takeometre, Faz başlangıç belirsizliği ii

4 ABSTRACT Ph.D. Thesis A STUDY ON USEBILITY OF NEW GPSSİT TECHNIQUE FOR GPS SUPPORTED DETAIL MEASUREMENTS İbrahim KALAYCI Selcuk University Graduate School of Naturel and Applied Sciences Department of Geodesy and Photogrammetry Supervisor : Y.Doç.Dr. Ayhan CEYLAN 003, Pages :106 Jurry : Prof.Dr. Mehmet YERCİ Prof.Dr. Muhammed ŞAHİN Prof.Dr. Cevat İNAL Prof.Dr. Mehmet Emin AYDIN In this study, the usebility of GPSSİT/TSK and GPSSİT/TSU measurement techniques which depend on GPSSİT (GPS free station technique) has been isvestigated. iii

5 For this purpose, GPSSİT which does not need any point to be set up on the field, was used when some problems occur, such as GPS signal blokage in especially rural areas with buildings. Detail measurements were performed by using GPSSİT/TSK and GPSSİT/TSU that utilize GPSSİT. The techniques were tested in the Aleaddin Keykubat Kampüs of Selcuk University on 3 buildings with 10 blocks distributed over 18 hectars. The observed detail points were divided in two parts. The first is the group of the points which can not be measured directly by any GPS techniques. The second is the group of the points which can be measured directly by any GPS techniques. The detail points, which can be measured directly by GPS, were collected by classical, GPS, GPSSİT/TSK and GPSSİT/TSU techniques, and then the positions of detail points obtained by GPS, GPSSİT/TSK and GPSSİT/TSU were compared with respect to the positions of some detail points obtained from the classical technique. On the other hand, the detail points, which can not be measured directly by GPS, were collected by classical, GPSSİT/TSK and GPSSİT/TSU techniques, and then the detail points obtained by GPSSİT/TSK and GPSSİT/TSU were compared with respect to the positions of some detail points obtained from classical technique. Finally, the new detail measurement techniques (GPSSİT/TSK and GPSSİT/TSU) were analysed in terms of cost and accuracy. According to the results, it is suggested that the new techniques are viable methods to apply them in engineering projects. Key Words : GPS, Detail measurement, Stop and Go, Total Station, integer ambiguity. iv

6 TEŞEKKÜR Çalışmalarım süresince değerli katkılarını esirgemeyen başta danışman hocalarım, Sayın Y.Doç.Dr. Ayhan CEYLAN ve Sayın Y.Doç.Dr. Özşen ÇORUMLUOĞLU olmak üzere, Sayın Prof.Dr. Mehmet YERCİ ye, Sayın Prof.Dr. Cevat İNAL a, Sayın Y.Doç.Dr. İ.Bülent GÜNDOĞDU ya, Sayın Y.Doç.Dr. Tayfun ÇAY a ve mesai arkadaşlarım Arş.Grv. İsmail ŞANLIOĞLUN a, Arş.Grv. Cemal Özer YİĞİT e, Arş.Grv.Dr. Hakan KARABÖRK e ve Arş.Grv.R.Alpay ABBAK a teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca tezimin her aşamasında desteklerinden güç aldığım, bana sabırla katlanan eşim ve çocuklarıma da teşekkürü bir borç bilirim. Konya, 003 İbrahim KALAYCI v

7 İÇİNDEKİLER Sayfa No 1.GİRİŞ GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) Uzay Bölümü Kontrol Bölümü Kullanıcı Bölümü GPS Ölçüleri Pseudorange uzaklıklar (kod ölçüleri) Taşıyıcı dalga faz ölçüleri Temel GPS gözlemlerine dayalı olarak türetilen fark gözlemleri Tekli farklar (single differences) İkili farklar (double differences) Üçlü farklar (triple differences) GPS İle Konum Belirleme Yöntemleri Mutlak konum belirleme Bağıl (göreli) konum belirleme Dünya Jeodezik Koordinat Sistemi-1984 (WGS-84) KLASİK DETAY ALIM YÖNTEMLERİ Bağlama Yöntemi Dik Koordinat Yöntemi (Ortogonal Yöntem) Ölçü Kontrolleri Kestirme Yöntemleri Açı kestirme yöntemi Uzunluk kestirme yöntemi Kutupsal alım yöntemi SERBEST İSTASYON YÖNTEMİ Serbest İstasyonun Tanımı Serbest İstasyon Noktasının Hesabı İçin Ölçü ve Veriler Yerel Koordinatların Hesabı Serbest İstasyon Noktasının Konum Doğruluğu GPSSİT (GPS SERBEST İSTASYON TEKNİĞİ) İLE DETAY ALIMI GPSSİT (GPS Serbest İstasyon Tekniği) GPSSİT de TeT Tekniği İle Zorunlu Merkezlendirme GPSSİT/TSK (GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station İle Kutupsal Alım) Yöntemi GPSSİT/TSU (GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station İle Uzunluk Kestirme) Yöntemi Yöntemlerin Doğruluk Analizi Klasik/TSK yöntemi GPSSİT/TSK yöntemi GPSSİT/TSU yöntemi...63 vi

8 6. UYGULAMALAR Uygulama Alanının Tanıtımı Uygulamalarda Kullanılan Donanım ve Yazılımlar Klasik yöntem ile kullanılan donanım ve yazılımlar GPSSİT/TSK ve GPSSİT/TSU yöntemleri ile kullanılan donanım ve yazılımlar Arazi Çalışmaları ve Hesaplamalar Klasik/TSK yönteminin uygulanması GPSSİT/TSK yönteminin uygulanması GPSSİT/TSU yönteminin uygulanması Arazi verilerinin merkeze aktarılması GPS verilerinin değerlendirilmesi GPSSİT/TSK yöntemi için TS verilerinin değerlendirilmesi GPSSİT/TSU yöntemi için TS verilerinin değerlendirilmesi Uygulama Sonuçları Ve Değerlendirilmesi...80 Yöntemler Yöntemlerin Karşılaştırılması Doğruluk ölçütleri analizi Maliyet analizi SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR...10 EK-I Uygulamada Kullanılan Testler vii

9 KISALTMALAR LİSTESİ A.B.D. B.Ö.H.Y.Y. C/A DA DOP DoD EU FARA GDOP GLONASS GPS GPSSİN GPSSİT : Amerika Birleşik Devletleri : Büyük Ölçekli Haritaların Yapım Yönetmeliği : Coarse Acguistion Code : Düşey açı : Dilution Of Precision : Department of Defence : Eğik Uzunluk : Fast Ambiguity Resolution Aproach : Geometric Dilution Of Precision : Global Navigation Satallite System : Global Positioning System : GPS Serbest İstasyon Noktası : GPS Serbest İstasyon Tekniği GPSSİT/TSK : GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station ile Kutupsal Alım Yöntemi GPSSİT/TSU : GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station ile Uzunluk Kestirme Yöntemi HDOP IGS NAVSTAR P Code PDOP PRN TeT : Horizontal Dilution Of Precision : International Geodetic System : Navigation Satellite Timing And Ranging : Precision Code : Positioning Dilution Of Precision : Pseudo Random Noise : Tek Tribrach Tekniği viii

10 TRANSIT TS UKES VDOP YA : Time Ranging And Sequential : Total Station : Uzunluk Kestirme Yazılımı :Vertical Dilution Of Precision : Yatay açı WGS-84 : World Geodetic System 84 ix

11 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 1.1 : GPS Total Station sistemleri 3 Şekil 1. : GPS alıcısı ile Total Station arasında veri iletimi 3 Şekil 1.3 : GPS ve Laser Tabanca sistemleri 3 Şekil.1 : Uzay Bölümü 9 Şekil. : Ana kontrol ve gözlem istasyonları 10 Şekil.3: GPS sisteminin kullanıcı bölümü 11 Şekil.4: Bir GPS alıcısının işlevsel yapısı 1 Şekil.5 : Alıcılar arasında tekli fark gözlemleri 17 Şekil.6 : Alıcı uydu ikili fark gözlemi 18 Şekil.7 : Uydu alıcı üçlü fark gözlemi 19 Şekil.8: Mutlak konum belirleme 0 Şekil.9 : Bağıl konum belirleme 1 Şekil.10: Statik ölçü yöntemi Şekil.11 : Hızlı statik ölçü yöntemi 4 Şekil.1: Dur-git ölçü yöntemi 5 Şekil.13: Kinematik ölçü yöntemi 7 Şekil 3.1: Bağlama Yöntemine göre bir parselin ölçülmesi 30 Şekil 3.: Bağlama Yöntemine göre bir binanın uzatılarak ölçülmesi 31 Şekil 3.3: Dik koordinat yöntemine göre parsel köşegeninin ölçü doğrusu olarak alınması 31 Şekil 3.4: Binaların dik koordinat yöntemiyle alımı 3 x

12 Şekil 3.5: Açı kestirme yöntemi 34 Şekil 3.6: Uzunluk kestirme yöntemi ile detay alımı 36 Şekil 3.7: Total station (TS) 37 Şekil 3.8 : Total stationların okuduğu veya hesapladığı değerler 38 Şekil 3.9 : Kutupsal alım yöntemi 39 Şekil 4.1 : Serbest istasyon noktası hesabı ve yerel koordinat sistemi 43 Şekil 5.1: TS nin düzeçlenmiş durumu ve üç ayaktan çıkarılması 51 Şekil 5.: GPS anteninin düzeçlenmiş üç ayağa yerleştirilmesi 51 Şekil 5.3: TS nin optik merkezinin üç ayak yüzeyine uzaklığı 53 Şekil 5.4: GPS anteni referans yüzeyinden Üç ayak yüzeyine olan uzaklık 53 Şekil 5.5 : GPSSİT/TSK Yönteminde GPS alıcılarının durumu 55 Şekil 5.6: GPSSİT/TSK Yöntemi çalışma prensibi 56 Şekil 5.7: GPSSİT/TSU Yöntemi çalışma prensibi 59 Şekil 5.8: Klasik/TSK Yöntemi için elde edilen detay noktası konum hatası 61 Şekil 5.9 : GPSSİT/TSU Yöntemi ile detay noktasının elde edilmesi 64 Şekil 6.1 : Kampüs Test Alanı 67 Şekil 6. : Referans GPS alıcısının sabit istasyona kurulması 70 Şekil 6.3: GPS anteninin GPSSİN na taşınması 71 Şekil 6.4: TS nın yatay açısının sıfıra bağlanması 71 Şekil 6.5: GPS verilerinin bilgisayar ortamına aktarılması 75 Şekil 6.6: SKI.3 GPS değerlendirme yazılımı ara yüzü 75 Şekil 6.7 : TS verilerin bilgisayar ortamına aktarılması 77 Şekil 6.8: Oluşturulan dosyaların yazılıma girilmesi 77 Şekil 6.9: Koordinatları bilinen iki noktadan uzunluk kestirme (UKES) yazılımı 78 xi

13 TABLO LİSTESİ Sayfa Tablo.1: GPS Ölçü yöntemlerine elde edilebilecek doğruluklar 8 Tablo.. WGS-84 Elipsoidinin Parametreleri 9 Tablo 4.1 : Yerel Koordinatların Hesabı 44 Tablo 5.1: Seçilen uzunluklara bağlı detay konum hataları 66 Tablo 6.1. GPS ile doğrudan alımı yapılan detaylara ait karşılaştırma sonuçları 79 Tablo 6.. GPS ile doğrudan alımı yapılamayan detaylara ait karşılaştırma Sonuçları 80 Tablo 6.3 : GPS İle doğrudan alımı yapılan detaylar için F testi sonuçları 91 Tablo 6.4 : GPS ile doğrudan alımı yapılamayan detaylar için F testi sonuçları 9 Tablo 7.1 : GPS ile doğrudan alımı yapılabilen detay alımı sonuçları 98 Tablo 7.: GPS ile doğrudan alımı yapılamayan detay alımı sonuçları 98 xii

14 1 1.GİRİŞ Günümüz teknolojisi, konumsal verilerin kullanılmasını gerektiren pek çok değişik uygulama alanının da doğmasına neden olmuştur. Bu bağlamda ise sayısal haritalar, günümüzün en önemli altlıklardan birisi haline gelmiştir. Bu haritalar, kullanım amaçlarına ve istenilen doğruluklara göre değişik amaçlarla üretilmektedir. Bunlar arasında, Coğrafi Bilgi Sistemi amaçlı haritalar, araç takibi amaçlı şehir haritaları, fotogrametrik haritalar, uydu görüntüleri ile elde edilen haritalar ve jeodezik amaçlı haritalar sayılabilir. İstenilen doğrulukta konumsal veri sağlayan sayısal bir haritanın üretiminde en önemli faktörlerden biri de detay noktalarının alımında uygulanan alım yöntemidir. Detay alımında, özellikle total stationların geliştirilmesi ile yüksek doğrulukta, yatay açı, düşey açı ve uzunluk gözlemleri yapabilen otomatik kayıt üniteli total stationlar kullanılarak detay noktalarına ait dik veya kutupsal koordinatlar ölçülmek suretiyle detay alımı gerçekleştirilebilmektedir. Total stationların kullanımı ile detay alımı ölçmelerinde doğruluk yönüyle önemli bir ilerleme sağlanmış olmasına rağmen, klasik detay alımında olduğu gibi arazide önceden tesis edilmiş ve konumlandırılmış sabit noktalara gereksinim duyulması yöntemin üretim hızını düşürmenin yanı sıra proje maliyetini de önemli ölçüde arttırmaktadır. Son on yıldır ciddi anlamda ve yaygın olarak Türkiye de de kullanılmaya başlanan uydu bazlı konumsal veri üreten ölçme tekniği olarak GPS, mesleğimiz açısından devrim sayılabilecek değişim ve gelişmelerin kaynağı olmuştur. GPS destekli detay alımının tarihçesine baktığımızda çok yeni uygulamalar olduğunu görmekteyiz. Daha çok GPS ile doğrudan alımı yapılabilen detayların alımı üzerine çalışmalar yapılmış ve Gerçek Zamanlı Kinematik (Real-Time Kinematic) ve Dur-git (Stop and Go) uygulamaları başlatılmıştır (Sumpter ve Asher 1994). Günümüzde de halen bu uygulamalar kullanılmaktadır. GPS ile doğrudan alımı yapılamayan detay alımları için ise, daha çok kombine sistemler (GPS+Total Station) geliştirilmeye çalışılmış ve bu tür detayların bu sistemlerle alımı yapılmaya çalışılmıştır ( Ancak bu

15 sistemler, çok pahalı sistemler olduğu için pratikte fazla uygulanma şansı bulamamıştır (Şekil 1.1). Ayrıca GPS alıcısı ile Total Station arasında radyo modem vasıtası ile veri iletimi gerçekleştirilerek GPS verilerinin Total Station tarafından kullanılması sağlanmış ve detay alım işlemlerine pratiklik kazandırılmaya çalışılmıştır (Şekil 1.). Yine GPS ile entegre olarak Laser Rangefinder (Laser Tabancası) adı verilen sistemlerle detay alımı yapılabilmektedir. Bu sistemde Laser Tabancası ile reflektörsüz 1,54m.-609,570m., reflektörlü olarak 1,54m.-9753,14m. arası uzunluk ölçümü ± 15,3 cm, düşey açı ± 0,5 o ve manyetik kuzeyden elde ettiği yatay açıyı ± 0, o doğrulukla belirleyebilmektedir ( Bu sistemin detay noktası koordinatlarını belirleme doğruluğu, jeodezik doğruluk sınırlarını aştığı için daha çok Coğrafi Bilgi Sistemi amaçlı çalışmalarda kullanılmaktadır (Şekil 1.3). GPS ile doğrudan alımı yapılamayan detayların alımında, zemine nokta tesis edilip, bu noktaların konumlarını Gerçek Zamanlı Kinematik veya Dur-git tekniği ile belirleyerek buradan Total Station yardımıyla detay alımı yöntemi yaygınlaşmıştır (Yang ve Kim 1998). Bu yöntemler dünya ile birlikte ülkemizde de kullanılmaya başlanmıştır. Ülkemizde yapılan çalışmalara birkaç örnek verecek olursak, Gerçek Zamanlı Kinematik GPS Konumlarının Statik GPS İle Test Edilmesi konulu çalışmada, gerçek zamanlı kinematik GPS ile nokta konumları belirlenerek statik GPS ile bulunan nokta konumları ile karşılaştırma yapılmış ve -3 cm farklılıklar bulunmuştur. Bu karşılaştırma sonucunda; gerçek zamanlı kinematik GPS ölçülerinin birkaç cm duyarlık gerektiren konum belirleme çalışmalarında, duyarlık, zaman ve insan emeği açısından, uzun ölçme işlemi olan statik GPS ölçmeleri yerine kullanılabileceği görülmüştür (Gökalp 1999). Yine başka bir çalışmada, 46 parsele ait 81 parsel köşesi GPS (dur-git) ile ölçülmüş ve Total Station ile elde edilen klasik koordinatlarla karşılaştırma yapılmıştır. Klasik yöntemde kullanılan poligon noktalarının konumları Hızlı Statik GPS gözlem tekniği ile belirlenmiştir. dy = 3,9cm standart sapmalar elde edilmiştir (İnal ve Azkın 00).,0cm, dx =,44cm ve ds =

16 3 Şekil 1.1 : GPS Total Station sistemleri Şekil 1. : GPS alıcısı ile Total Station arasında veri iletimi Şekil 1.3 : GPS ve Laser Tabanca sistemleri

17 4 Günümüzde gelişen GPS teknolojisi ile birlikte detay alımında detay noktalarının konum doğruluklarını ve üretim hızını artırmak, aynı zamanda üretim maliyetini düşürebilmek amacıyla GPS destekli yeni detay alım yöntemlerinin araştırılmasına gereksinim duyulmuştur. GPS teknolojisinin gelişme trendine paralel olarak detay alımında detay noktalarının konum doğruluğunu ve üretim hızını artırırken, üretim maliyetini düşüren ve hatta karşılaştığı problemlere çözümler üreten GPS destekli yeni detay alım yöntemlerinin araştırılması bilimsel bir gereksinim olarak karşımızda durmaktadır. GPS in yersel yöntemlere göre daha hızlı ve duyarlı olması ve yöntemin büyük oranda ölçü kolaylığı sağlaması, sistemin haritacılık alanındaki kullanımında son yıllarda gözle görülür bir artış sağlamıştır. Fakat GPS in kullanım alanları sadece nirengi ve poligon noktalarının konumlarının belirlenmesiyle sınırlı kalmış, GPS ten detay alımı veya aplikasyon amaçlı uygulamalarda istenilen oranda faydalanılamamıştır (Gökalp ve Güngör 001). Son zamanlarda GPS in, aplikasyon ve imar uygulamalarında Gerçek Zamanlı Kinematik ve Dur-git tekniği şeklindeki kullanımı yaygınlaşmakla birlikte, bina, duvar gibi yüksek yerlerin detay alımı söz konusu olduğunda bu tekniklerde doğrudan uygulanamamaktadır. GPS in veya GPS+GLONASS ın devre dışı kaldığı bu gibi durumlarda tercih edilen yöntem ise, ölçülere Total Station (TS) ile yersel olarak devam edilip, elde edilen verilerin GPS verileri ile birleştirilmesi şeklinde olmaktadır. Bu sayede GPS in kullanılamadığı çok sık ağaçlık bölgelerde veya yüksek binalarla kaplı kent merkezlerinde yine GPS ten faydalanmak mümkün olabilmektedir (Gökalp ve Güngör 001). Bu tür detayların alımında, zeminde tespit edilen noktaya Gerçek Zamanlı Kinematik GPS gözlem tekniği veya Dur-git ile konumlandırma yapılıp, bu noktadan detay alımına geçilebilmektedir (Wilgallis ve ark. 00). Açık arazideki detay noktalarının konumunun belirlenmesinde ise, Gerçek Zamanlı Kinematik GPS gözlem tekniği veya Dur-git gözlem tekniğinin kullanılması önerilmektedir (Curry ve Griffioen 1993).

18 5 Yukarıda verildiği gibi GPS ile doğrudan alımın yapılamadığı durumlarda karşımıza çıkan problem, GPS in en önemli problemlerinden biri olan uydularla alıcılar arasında bir engelin bulunmasıdır. Bu gibi durumlarda günümüzde geçerli görüş; bina, duvar, ağaç gibi gökyüzü görüşünü engelleyen durumlarda, klasik ölçülere olan gereksinim ortadan kalkmış değildir şeklindedir (Ersoy 1998). Halbuki, bina gibi GPS ile doğrudan alımı yapılamayan bir detayın alımında, zeminde nokta bağımlılığı olmayan bir tekniğin devreye sokulması ve bu tür detayların bu tekniğin kullanılması ile bu tür gereksinimleri ortadan kaldırmak mümkündür. Bu amaçla bu çalışma kapsamında böyle bir tekniği kullanan iki yeni detay alım yöntemi geliştirilmiştir. Bu çalışmada geliştirilen GPSSİT (GPS Serbest İstasyon Tekniği) ni kullanan ve bu tekniğin detay alımına (doğrudan alım yapılamayan noktalarda) uygulanmasını sağlamak amacıyla GPSSİT/TSK (GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station ile Kutupsal Alım) ve GPSSİT/TSU (GPS Serbest İstasyon Tekniği Total Station ile Uzunluk Kestirme) detay alım yöntemlerinde Dur-git GPS gözlem tekniği kullanılarak zeminde nokta bağımlılığı ortadan kaldırılmakta ve GPS ile doğrudan alımı yapılamayan ağaç, bina, duvar gibi yüksek yapılar gibi detayların alım işlemleri çok pratik hale getirilmektedir. GPSSİT/TSK ve GPSSİT/TSU Yöntemleri bina veya GPS ile doğrudan alımı yapılamayacak detayların alımındaki bazı problemlerin çözümüne yönelik alternatif yöntemler olarak geliştirilmiştir. GPSSİT/TSK ve GPSSİT/TSU Yöntemleri, GPS ile doğrudan alımı yapılamayan detayların alımında, Gerçek Zamanlı Kinematik GPS gözlem tekniği veya Dur-git gözlem tekniği de açık arazilerdeki detay noktalarının alımında kullanılmak üzere birlikte uygulanabilmektedir. Yapılan çalışma ile, geliştirilen yöntem ve tekniklerle günümüzdeki geçerli GPS destekli detay alım tekniğinin karşılaştığı problemlerin ortadan kaldırılması ve bu teknik ve yöntemlerin, doğrudan alımı yapılabilen detaylar için geçerli GPS destekli detay alım yöntemi ile birlikte çalışılarak, sayısal bir haritanın üretilebilirliğinin araştırılması amaçlanmaktadır. GPS sistemlerinin genel olarak en büyük dezavantajı, özellikle yapılaşma yoğunluğunun yüksek olduğu bölgelerde konum doğruluğunun düşmesi veya yeterli

19 6 uydu görüşünün sağlanmadığı durumlarda konum bilgilerini hesaplayamamasıdır. Faz başlangıç belirsizliği çözümünün uzamama koşulunun gereksinimi olan en az 5 uyduya bağlanma şartı ağaçlık alanlarda ve yüksek binaların bulunduğu kent merkezlerinde sağlanamayabilir. Fakat son yıllarda üretimine başlanan bazı tip alıcıların Rusların GPS e alternatif olarak uzaya yerleştirdikleri ve GLONASS (GLObal Navigation Satellite System) adını verdikleri sisteme ait uydulardan da sinyal alabilmesi ve bu ölçüleri GPS ölçüleri ile birlikte kullanılabilmesi bu problemin büyük oranda aşılmasına olanak vermektedir (Crocetto ve ark. 000). Çünkü bu tip alıcılar sayesinde GPS uydularının yetersiz kaldığı çoğu durumlarda bile GLONASS uydularının devreye girmesiyle birlikte minimum 5 uydu şartının çok üzerinde uydudan sinyal alınabilmektedir (Lewandowski ve Azoubib 1998). Bu dezavantajın giderilebilmesi için değişik alternatif çalışmalar da yürütülmektedir. Bu gibi bölgelerde pseudolite denilen yapay uydular devreye sokulup, GPS in göremediği uydular tamamlanarak konum doğruluğunun iyileştirilmesi çalışmaları devam etmektedir. Yakın zamanda bu sistemlerin de devreye girmesiyle GPS sistemlerinin detay alımı veya aplikasyon amaçlı uygulamalar için de yaygın olarak kullanılmaları gündeme gelecektir.

20 7. GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) İnsanoğlunun evrimsel gelişim süreci içerisindeki en önemli olgularından birinin, antropolojik gelişmelerine paralel olarak, bulunduğu yerin konumunu belirlemek olduğunu görmekteyiz. Yapılan arkeolojik çalışmalarda, ilk insanların avlanmaya çıktıklarında çeşitli yerlere işaretler koyarak yaşadıkları mağaralara geri dönebildiklerine ilişkin bilgiler edinilmiştir. Daha sonraki yüzyıllarda insanların konumlarını, yıldızlara ve güneşe göre belirlediklerini görmekteyiz. Son yüzyılın ortalarında yapılan konum ve zamanın belirlenmesine yönelik çalışmalar, haberleşme, meteoroloji, uzaktan algılama ve son olarak da askeri amaçlar için geliştirilmiş, ancak günümüzde hem askeri hem de sivil amaçlı kullanımı olan GPS teknolojisi ile gelişimini sürdürmüştür (Akçın 1998). Uzay tabanlı konumlama, A.B.D. Savunma Bakanlığı ve NASA tarafından 1960 lara doğru çalışılmaya başlanmıştır. Uzay tabanlı sistemlerden birisi TRANSIT tir. TRANSIT ticari amaçlar için dünya çapında bir ağ kurmak ve geniş bölgelerde ölçümlerde bulunmak için 1967 de kullanılmaya başlanmıştır. Bu uydu sistemi parsel ve nirengi ölçümleri için gerekli doğruluğu sağlayamamaktadır ve bir günden fazla ölçüm yaparak ulaşılabilecek doğruluk 1 m. nin altındadır. Burada kullanılan uyduların yüksekliği 1100 km. dir. Bu sebeple yerel yerçekiminden çok etkilenmektedir. Bu gibi dezavantajlar nedeniyle 1974 yılında A.B.D. Savunma Bakanlığı navigasyon amaçlarını karşılamak amacıyla bir antlaşma imzalamış ve böylece NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) in temelleri atılmıştır. A.B.D. Savunma Bakanlığı 8 Haziran 1983 tarihinden itibaren de GPS in kullanımını sivillere açmıştır (Arslan 1997). GPS; Uydu tabanlı, Doğruluğu son derece yüksek, Kapsama sorunu olmayan (tüm dünyanın kapsama alanı içinde olduğu), 3 boyutlu (Enlem, Boylam ve Elipsoid Yüksekliği) bilgi üreten, Kesintisiz konum belirleme imkanı sağlayan,

21 8 Kullanımı ücretsiz olan Loran ve Transit sistemlerine alternatif bir sistemdir. GPS üç ana bölümden oluşmaktadır. 1) Uzay bölümü ) Kontrol bölümü 3) Kullanıcı bölümü.1. Uzay Bölümü Uzay bölümünü oluşturan uydular üç seri uydu bloğundan oluşmaktadır. Birinci seri uydu bloğunu oluşturan Blok I uyduları yılları arasında 11 uydu olarak uzaya fırlatılmış ve yörüngelerine yerleştirilmiştir. Bu uyduların ortalama ömrü 7.1 yıldır. Blok I uyduları test amaçlı uydular olup bu uydularla sistemin kullanılabilirliği ispatlanmıştır. İkinci seri uydu bloğunu oluşturan Blok II IIA uyduları yılları arasında toplam 8 uydu olarak yörüngelerine yerleştirilmiştir. Bu uyduların ortalama ömrü 8 yıldır. Blok II uydularının yörünge düzlemleri ekvator ile 55 o lik açı yapmakta ve yörüngeler 60 o aralıklarladır (Agrotis 1984). Üçüncü seri uydu bloğunu oluşturan Blok IIR uyduları, yılları arasında toplam 5 uydu olarak fırlatılmıştır. Blok III uyduları navigasyon amaçlı olup L bandında MHz ve 17.6 MHz, S bandında 7.5 MHz frekanslarında yayın yapması planlanmıştır. Blok III uydularının ilki 009 yılında fırlatılacak ve 030 yılına kadar işletilecektir. Temel olarak, L1 ve L bandı üzerinden askeri amaçlı sinyaller yayınlamak üzere tasarlanmıştır. Ayrıca Blok III uydularında yerel, bölgesel (ulusal) sivil kullanıcılara yönelik, askeri sinyallerden ayrı iki kanal daha desteklenecektir ( GPS uydularının ortalama dönüş zamanları h 58 m 11 dır. Bu uyduların dünyaya uzaklıkları 000 km. dir ve bir noktanın ufuk düzlemi üzerinde yaklaşık 5 saat kalırlar (Dana 001). İçinde sinyal gönderici, sinyal kaydedici, anten, osilator ve

22 9 mikroişlemci bulunan uydular ortalama 430 kg. ağırlığındadır. Dünyanın her yerinden en az 4, en çok 10 uydu gözleme imkanı verecek şekilde 6 ayrı yörünge düzleminde hareket etmektedir (Şekil.1). Uydular 4 Uydu 55 eğikle 6 yörünge Her yörüngede 4-5 uydu 000 km Çok yüksek yörünge sistemi Yaklaşık olarak 1 saatte bir tur Yüksek doğruluk 4 saat Küresel kapsam 000 S.Ü. Müh.Mim.Fak. Jeo. ve Fotog.Müh.Böl. L.Ü. Y.Pre.GPS Tek. T Ders Notları (Y.Doç.Dr.Özşen Çorumluoğlu) 17 Şekil.1 : Uzay Bölümü Uydu, her biri 7. m lik iki adet güneş kollektörü ile elektrik enerjisini sağlar. Güneş enerjisi panellerinin yüzeyi güneşe dik gelecek şekilde tutulmaktadır. Uydunun güneşi görmemesi durumunda enerji sağlamak için uyduda 3 adet nikelkadmium pil bulunmaktadır. Zaman ise adet ribidyum, adet sezyum atomik saatten üretilmektedir (Leick 1990). Bütün uydu sinyalleri temel frekans olan 10.3 MHz den üretilmiştir. Temel frekans ise atomik saatlerden üretilir. Temel frekans 154 ile çarpıldığında L1 taşıyıcı dalga frekansı olan L1=1575,4 MHz, 10 ile çarpıldığında L taşıyıcı dalga frekansı olan L= 17,60 MHz elde edilir. P kodu temel frekans olan 10.3 MHz. tir. C/A kodu ise temel frekansın 1/10 u yani 1.03 MHz. tir. L1 taşıyıcı dalga boyu cm, L taşıyıcı dalga boyu 4.45 cm, P kodunun dalga boyu 9.31 m. ve C/A kodunun dalga boyu ise 93.1 m. dir (Wellenhof ve ark, 199).

23 10 L1 sinyali hem P hem de C/A kodu ile modüle edilmiştir. L sinyali ise sadece P kodu ile modüle edilmiştir. L1 ve L sinyalleri sürekli olarak navigasyon verileri (uydu mesajları) ile modüle edilmiştir... Kontrol Bölümü Kontrol bölümü, ana kontrol ve gözlem istasyonlarından oluşmaktadır. Ana ve yer kontrol istasyonları ile gözlem istasyonları, sürekli olarak GPS uydularını gözleyerek, uydu yörüngelerinin belirlenmesini, uydu saat düzeltmelerinin hesaplanmasını ve her saat bu bilgileri içeren mesajların güncellenmesini sağlarlar (Şekil.). Ana Kontrol ve Gözlem İstasyonları (OCS): COLORADO SPRINGS COLORADO SPRINGS HAW AII HAW AII VANDENBERG CAPE CANAVERAL CAPE CANAVERAL ASCENSION ASCENSION DIEG O DIEG GARCIA O GARCIA KW AJALEIN KW AJALEIN Ana Kontrol İstasyonu (MCS): Uydu kontrolü, Sistemin işletilmesi Alternatif Ana Kontrol İstasyonu: Deneme, Back-up İzleme İstasyonları (MS): L-band; Uzunluk datalarının toplanması, Navigasyon sinyallerinin izlenmesi? Yer Anteni (GA): S-band; Data/komut yayını, telemetri datalarını toplama 000 S.Ü. Müh.Mim.Fak. Jeo. ve Fotog.Müh.Böl. L.Ü. Y.Pre.GPS Tek. T Ders Notları (Y.Doç.Dr.Özşen Çorumluoğlu) 4 Şekil. : Ana kontrol ve gözlem istasyonları

24 11 Ana Kontrol İstasyonu ( Colorado), gözlem istasyonlarından aldığı bilgi ile uydu yörünge ve saat parametrelerini hesaplar, daha sonra bu bilgileri mesaj halinde uydulara yüklemek üzere yer kontrol istasyonlarına gönderir. Gözlem İstasyonları, presizyonlu cesium saatler ve P kod alıcılar ile yaptıkları gözlemleri uydu yörüngelerini belirlemede kullanırlar. Yer Kontrol İstasyonları, gözlem istasyonları ile aynı yerde konuşlandırılmışlardır. Uydulara yükleme yapacak şekilde yer antenleri ve haberleşme hatları ile donatılmışlardır (Çorumluoğlu 000)..3. Kullanıcı Bölümü GPS uydularından yayılan sinyaller üzerinden bilgileri alarak yeryüzündeki bir noktanın konumlanmasını sağlayan alıcılar, GPS sisteminin kullanıcı bölümünü oluştururlar. Böyle bir gözlem seti şu bölümlerden oluşur (Şekil.3); GPS alıcısı ve yazılımı GPS anteni ve anten kablosu Alet sehpası Batarya Üç ayak düzeç (üç ayak) Güneş panelleri Şekil.3: GPS sisteminin kullanıcı bölümü

25 1 Alıcılar, günümüzde GPS alıcıları tek frekanslı ve çift frekanslı olmak üzere iki tip üretilmektedir. Alıcının işlevi osilatörde üretilen sinyali, anten aracılığıyla alınan GPS sinyali ile Sinyal işlemcide karşılaştırarak sonucu mikro işlemciye gönderir ve burada kod ve faz ölçüleri oluşturur. Bu ölçüler kayıt ünitesine gönderilerek kaydedilir. Bir GPS alıcısının işlevsel yapısı şekil.4 de gösterilmiştir. Tek Frekanslı : L1 ve C/A-Kod Çift Frekanslı : L1, L ve C/A ayrıca P(Y)-Kod Bir GPS Alıcısının İşlevsel Yapısı: Ön Yükseltici Anten mikro-şerit RF-IF Sinyal Sinyal İşlemci Osilatör Alıcı Mikro İşlemci Veri Kayıt Ünitesi Veri Güç Kaynağı Kontrol Ünitesi 000 S.Ü. Müh.Mim.Fak. Jeo. ve Fotog.Müh.Böl. L.Ü. Y.Pre.GPS Tek. T Ders Notları (Y.Doç.Dr.Özşen Çorumluoğlu) 7 Şekil.4: Bir GPS alıcısının işlevsel yapısı Alıcı antenlerinin kullanılan çok çeşitli tipleri vardır. En çok kullanılan anten tipleri arasında, manapole, helix, spiral helix, microstrip, choke ring sayılabilir. Anten uydudan gelen elektromanyetik dalgaları alır ve bunu elektrik enerjisine çevirir. Sinyalin gücünü yükselterek alıcının elektronik devresine gönderir.alet Sehpası, GPS sinyallerinin alıcı antenine ulaşmasına mani engellerden alıcı antenini

26 13 korumak ve anteni sabit nokta üzerine sabitlemek için kullanılır. Üç ayak düzeç (üç ayak), anten ile sehpanın birbiriyle irtibatını ve antenin düzeçlenmesini sağlayan bir donanımdır. Optik çekül ve küresel düzeç ile donatılmıştır.batarya sistemin çalışabilmesi için gerekli olan enerjiyi sağlayan donanımdır. Ayrıca, uydular zamanla bozucu etkenler nedeniyle az da olsa yörüngelerinden sapmaktadırlar. Bu durumda uydular kontrol bölümü tarafından gerekli manevralarla tekrar yörüngelerine oturtulurlar. Bu işlemleri yapmak için gerekli enerjiyi de uyduların güneş panellerinden sağlamaktadırlar (Wells 1987)..4. GPS Ölçüleri GPS ölçülerinin iki önemli tipi vardır. Bunlar pseudorange uzaklıkları (kod ölçüleri) ve taşıyıcı faz ölçüleridir. Kod ölçü teknikleri genellikle navigasyon amaçlı kullanılır. Yüksek doğruluk gerektiren ölçmelerde taşıyıcı faz ölçüleri kullanılır. Uygulamada, orijinal faz gözlemlerinin yalın olarak işlenmelerinden çok belirli kombinasyonlarının işlemden geçirilmesi yaygın olarak tercih edilen teknik olmuştur. Bu kombinasyonlar tekli, ikili ve üçlü farklardır. Bu kombinasyonların yapılması, uydu kaynaklı hataların, alıcı kaynaklı hataların ve bunların yanı sıra atmosferik hatalarla tam sayı faz bilinmeyenlerinin elemine edilmeleri veya çözümlerinin kolaylaştırılması amacını gütmektedir Pseudorange uzaklıklar (kod ölçüleri) Pseudorange uzaklık, uydu ile alıcı anteni arasında ölçülen uzunluktur. Sinyallerin alıcıya ulaşım zamanı, uydular tarafından ve alıcı tarafından üretilen belirleyici yapay kodlar olan PRN (Pseudo Random Noise) kodlarının korelasyonuyla ölçülür. Alıcıdaki kod izleme devresi maksimum korelasyon oluncaya kadar PRN kodunun içteki kopyasını değiştirir. Korelasyon oluştuğunda zaman ötelemesi yani zaman farkı belirlenir. Bu zaman farkı ışık hızıyla çarpılarak pseudorange uzaklık bulunur. Uydu ve alıcı saatinde kaçınılmayan saat hataları ve sinyaldeki gecikmeler ölçülen uzaklığın hatalı olmasına sebep olmaktadır. Pseudorange uzaklık ölçümü P veya C/A kodu ile yapılabilir. Troposferik ve iyonosferik yayılım gecikmesi, ölçülen pseudorange uzaklığını doğrudan etkileyen büyüklüklerdir( Bisnath ve Langley, 001).

27 14 Pseudorange uzaklık ölçümünün genel ifadesi; c. p p p t k t k t t k I T p (.1) k p k Gerçek pseudorange uzaklığı ise; P k p p (t t ).c (.) k olarak elde edilir. Burada; c : Işık hızı ( m/sn) t k : k alıcısı tarafından üretilen zaman p t : Uydu tarafından gönderilen nominal zaman t k : Alıcı saati zamanı ile GPS zamanı arasındaki fark (receiver clock offset) t P : Uydu saati zamanı ile GPS zamanı arasındaki fark (satellite clock offset) I p : İyonosferik gecikme k T p : Troposferik gecikme k p k : Uydu ile alıcı arasındaki toposentrik uzunluk DOP (Dilution Of Precision )Etkeni DOP uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Geometrik uydu dağılımının navigasyon çözümünde elde edilen doğruluğu nasıl etkilediğini

28 15 açıklayan kavram DOP (duyarlılığın ölçütü) dur. DOP etkenleri dengelenmiş parametrelerin kovaryans matrisindeki köşegen elemanlarının basit fonksiyonlarıdır. DOP. (.3) o : Konumsal standart sapma o : Gözlenmiş pseudorange uzaklığının standart sapması DOP değerlerinin mümkün olduğunca küçük olması istenir. Uygulamalarda DOP un farklı bileşenleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar; VDOP h : Duyarlılığın düşey bozukluğu 1/ HDOP ( n e ) : Duyarlılığın yatay bozukluğu 1/ n e h ) PDOP ( : Duyarlılığın konum bozukluğu TDOP t : Duyarlılığın zaman bozukluğu GDOP ( :Duyarlılığın geometrik-konum ve zaman bozukluğudur. 1/ n e h t.c ) 4 uydudan fazla uyduya gözlem yapıldığında dengeleme yapılır ve en iyi geometrik konfigrasyonu oluşturan 4 uydu DOP kriteri ile belirlenir (Spilker 1978). DOP, uydu geometrisinin değişmesiyle epoktan epoka (veri paketi) değişiklik gösterir ve uyduların konumları önceden tahmin edilebildiğinden çok çabuk hesap edilebilir (Leick 1990). 4 uydunun en iyi konumlarında HDOP ve VDOP için ortalama değer civarındadır (Arslan 1997)..4.. Taşıyıcı dalga faz ölçüleri Faz gözlemleri GPS ölçmelerinde en çok kullanılan gözlemlerdir. Taşıyıcı dalga fazı da pseudorange gözlemlerinde olduğu gibi aynı şekilde elde edilmektedir. Yani uydudan yayınlanan fazın benzeri alıcı içerisinde de üretilmekte ve bunlar

29 16 arasında korelasyon sağlanmaktadır. Başka bir deyişle, faz gözlemi, t s zamanında uydudan yayınlanan sinyalin (L 1, L ) taşıyıcı fazı ile t R zamanında alıcı tarafından üretilen referans sinyalin fazı arasındaki fark olarak tanımlanabilir (Hesper 1991). Taşıyıcı dalga fazının dalga boyu P ve C/A kodlara göre daha kısa olduğundan, faz farkı ölçü duyarlılığı pseudorange ölçü duyarlılığından daha yüksektir. İki ayrı frekansta taşıyıcı dalga kullanılmasının nedeni iyonosfer tabakasının sebep olduğu kırılmayı elemine etmektir (Wellenhof 1985). Pseudorange gözlemi ile faz gözlemi arasındaki temel farklılıklar aşağıdaki şekilde sıralanabilir(kahveci ve Yıldız 001) ; Pseudorange tam olarak ölçülürken, faz gözlemlerinde faz başlangıç belirsizliği (initial phase ambiguity ya da kısaca ambiguity) söz konusudur. Taşıyıcı dalga fazı iyonosferden geçerken hızlandığından iyonosferden dolayı faz gözlemlerine getirilecek olan düzeltme (-) işaretlidir. Oysa kod ölçüleri yavaşladığı için iyonosfer düzeltmesi kod gözlemleri için (+) işaretlidir. Faz ölçüm doğruluğu kod ölçüm doğruluğundan daha yüksektir. GPS ölçmelerinde bu bölümün başında da ifade edildiği gibi pek çok hata etken olduğu için, GPS gözlemleri genellikle doğrudan kullanılamazlar. Bunun yerine birleştirilmiş gözlemlerden oluşan fark gözlemleri tercih edilirler Temel GPS gözlemlerine dayalı olarak türetilen fark gözlemleri GPS ile iki temel büyüklük olan kod ve faz gözlemleri ölçülmektedir. Bu temel gözlemlere sıfır farklar (zero differences) adı da verilmektedir. Ancak, özellikle GPS gözlemlerinin değerlendirilmesi aşamasında bu temel gözlemlerin lineer kombinasyonlarının oluşturulması bir çok fayda sağlamaktadır.

30 17 Kod ve faz gözlemlerinden yararlanarak oluşturulan farklar yardımıyla alıcı saati hataları, uydu saati hataları ve faz başlangıç belirsizliği gibi bir çok ortak hata kaynağı giderilmektedir. Gözlem fark kombinasyonları farklı şekillerde oluşturulabilmektedir. Bunlar genel olarak; Alıcılar arasında Uydular arasında Ölçü epokları arasında ya da L 1 ve L frekansları arasında yapılmaktadır (Kahveci ve Yıldız 001) Tekli farklar (single differences) Tekli farklar denince, iki farklı alıcı noktasında aynı uyduya eş zamanlı olarak yapılan faz gözlemleri arasındaki farklar anlaşılmaktadır (Şekil.5). U1 A1 U1 A Şekil.5 : Alıcılar arasında tekli fark gözlemleri Tekli farklar için,

31 18 U1 U1 U1 ( t) (t) (t) (.4) A1A A A1 eşitliği yazılabilir. Burada operatörü fark gözlemleri anlamında kullanılmıştır. Bu yöntemde temel olarak uydu saatlerindeki hatalar giderilmektedir. Tekli fark, uydular arasında aynı bir alıcı için oluşturulursa bu durumda alıcı saati hataları giderilmiş olur İkili farklar (double differences) İkili farklar, iki tekli farkın farkı olarak tanımlanabilir. Başka bir deyişle, aynı epokta iki farklı uydu için oluşturulan tekli farklar arasındaki farktır (Şekil.6). U1 A1 U1 U A A1 U A Şekil.6 : Alıcı uydu ikili fark gözlemi İkili fark gözlemleri, U1U U1 U ( t) (t) (t) (.5) A1A A1A A1A eşitliği ile ifade edilmektedir.

32 19 Bu yöntemle uydu ve alıcı saati hatalarının her ikisi birden giderilmektedir. Genellikle, GPS ölçülerini değerlendirme yazılımlarında temel gözlem eşitliği olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemde ayrıca kısa baz uzunluklarında troposferik ve iyonosferik etkiler de giderilmekte veya en aza indirilebilmektedir Üçlü farklar (triple differences) Üçlü fark, iki farklı epokta oluşturulan iki ikili fark arasındaki fark olarak tanımlanmaktadır (Şekil.7). Şekil.7 : Uydu alıcı üçlü fark gözlemi Üçlü fark gözlemleri için genel eşitlik, U1U A1A ( i U1U U1U t i, t i 1) A1A (t i1 ) A1A (t ) (.6) yazılır. Üçlü fark gözlemlerinin oluşturulmasındaki temel amaç taşıyıcı dalga faz başlangıcı belirsizliğinin (ambiguity) giderilmesidir (Remondi 1984).

33 0.5. GPS İle Konum Belirleme Yöntemleri GPS ile iki ana konum belirleme yöntemi kullanılmakta olup, bunlar mutlak konum belirleme ve bağıl (göreli) konum belirlemedir Mutlak konum belirleme Mutlak konum belirlemede tek bir alıcı ile normal olarak dört ya da daha fazla uydudan kod gözlemleri yapılarak üzerinde alıcı kurulu olan noktanın koordinatları belirlenmektedir (Şekil.8). Şekil.8: Mutlak konum belirleme Yöntem, sinyalin uydu çıkışından alıcıya varışına kadar geçen zaman ile ışık hızı çarpılarak hesaplanan uydu-alıcı uzaklıkları ve uyduların bilinen koordinatları ile uzaydan geriden kestirme esasına dayanmaktadır. Alıcı koordinatları, kullanılan kod bilgisine (P kod, C/A kod) ve uydu geometrisine bağlı olarak anında ve mutlak

34 1 anlamda belirlenebilmektedir. Bu yöntem alıcının sabit olması durumunda statik, hareketli olması durumunda ise kinematik konum belirleme olarak tanımlanır. Mutlak konum belirleme işleminde sadece tekli fark gözlemleri kullanılarak, alıcı bazlı hataların giderilmesi mümkün olabilmektedir..5.. Bağıl (göreli) konum belirleme Bağıl konum belirlemede koordinatları bilinen bir noktaya göre diğer nokta ya da noktaların koordinatlarının belirlenmesi söz konusudur. Başka bir deyişle, bağıl konum belirleme ile iki nokta arasındaki baz vektörü belirlenmektedir (Şekil.9). Şekil.9 : Bağıl konum belirleme Şekil.9 da görüldüğü gibi A noktası koordinatları bilinen bir referans (sabit) noktasını, B ise koordinatları hesaplanacak olan diğer noktayı ifade etmektedir. Bağıl konum belirleme için iki ayrı noktada kurulmuş olan iki alıcı ile aynı uydulara eş zamanlı kod ya da faz gözlemleri söz konusudur. Bağıl konum belirleme ile elde edilen doğruluk, mutlak konum belirlemeden çok daha iyi olup, alıcı tipi (P kodlu, P kodsuz), ölçü süresi, gözlenen uydu geometrisi, uydu sayısı ve kullanılan efemeris bilgisine (yayın ya da hassas) bağlı olarak elde edilen doğruluk ile 100 ppm arasında değişmektedir. Bağıl konum belirlemede fark gözlemlerinin her birinin

35 uygulaması mümkün olup, jeodezik çalışmalarda sonuç gözlemi olarak ikili fark yöntemi tercih edilmektedir. Kod gözlemleri ile anında konum belirleme amacı için yeterli doğruluk sağlanmakta ve pratik olarak büyük önem taşımaktadır. Ancak, mühendislik hizmetleri için çok daha duyarlı sonuçlara gereksinim vardır. Bu amaç için faz gözlemleri kullanılmaktadır. Faz gözlemleri kullanılarak yapılan bağıl konum belirlemede genel olarak beş farklı yöntem mevcuttur Statik ölçü yöntemi Statik ölçü yöntemi klasik GPS ölçü tekniği olup, çok yüksek doğruluk istendiğinde uzun bazlar söz konusu olduğunda mevcut uydu geometrisi başka bir ölçüm tekniğine olanak vermediğinde sistematik etkilerin dikkate alınması durumunda (iyonosfer, troposfer) en iyi yöntemdir. Statik ölçü yönteminde iki ya da daha fazla sayıda alıcı ile en az bir saat eş zamanlı ölçü yapılmaktadır (Şekil.10).

36 3 Şekil.10: Statik ölçü yöntemi Yerkabuğu hareketlerinin belirlenmesi gibi bilimsel amaçlı çalışmalarda ve çok uzun bazların söz konusu olduğu yüksek doğruluk gerektiren durumlarda ölçü süreleri en az birkaç saat olmak üzere 4 saate kadar belirlenebilmektedir. Statik yöntemle toplanmış olan ölçüler, büroda uygun GPS yazılımları (post-processing) ile değerlendirilmektedir (Kahveci ve Yıldız 001) Hızlı statik ölçü yöntemi Hızlı statik yöntem de bir çeşit statik ölçü yöntemi olup, çok daha kısa süreli ölçülerle duyarlı sonuçların alınmasına imkan sağladığı için ekonomik bakımdan büyük önem taşımaktadır. Genel olarak alıcılardan birisi referans noktası üzerinde sabit bırakılarak sürekli gözlem yaparken başka alıcı veya alıcılar tüm diğer noktalara çok kısa süreler için kurularak eş zamanlı gözlemler yapılır (Şekil.11).

37 4 Şekil.11 : Hızlı statik ölçü yöntemi Hızlı statik yöntemin uygulanmasında, konumu belirlenecek olan yeni noktalar arasında alıcı taşınırken açık olma zorunluluğu yoktur. Bu da büyük kolaylık sağlamaktadır. Bu yöntemde ölçü süresi noktalar arası uzaklığa ve uydu geometrisine bağlı olup, uydu sayısı arttıkça aynı uzunluktaki bazda ölçü süresi azaltılabilir. Bu yöntem kısa sürede çok sayıda noktanın doğru ve ekonomik olarak ölçülmesi gerektiği durumlarda en iyi yöntemdir. Hızlı statik yönteminde ölçü süreleri çok kısa olduğu için özel algoritmalar (fara vb.) kullanılmaktadır Tekrarlı ölçü yöntemi Tekrarlı ölçü yöntemi, statik ile kinematik arasında bir yöntemdir. Kinematik yönteme göre daha az, statik yönteme göre ise daha fazla sayıda nokta üretilebilmektedir. Bu yöntem, bir ya da iki saatlik ölçü süresinin başlangıç ve sonunda, değişen uydu geometrisinden yararlanmak için, bir noktanın birkaç dakika süre ile iki defa ölçülmesi esasına dayanmaktadır. Bir noktadan diğerine giderken alıcıların uydu izlemeye devam etme zorunluluğu yoktur. Ölçü zamanı olarak PDOP değerlerinin en küçük olduğu periyotlar seçilmelidir. Tekrarlı yöntemde en iyi sonuçlar değişen uydu geometrisine bağlı olarak kısa baz uzunluklarında (10 km ye kadar) alınmaktadır. Bu yöntemde her bir nokta en az 10 ar dakikalık sürelerle iki defa ölçülmeli ve bu iki ölçü arasında en az bir saat fark

38 5 olmalıdır. İki ölçü en fazla dört saat içinde tekrar edilmelidir. Ölçüler değerlendirilirken bu iki bağımsız ölçü kümesi sanki her noktada tek bir gözlem kümesi varmış gibi ele alınmakta ve her iki ölçüde mevcut tüm uydular kullanılmaktadır. Tekrarlı ölçü yöntemi, merkezsel baz ve travers yöntemi olarak değişik şekillerde uygulanmaktadır Dur-git (stop and go) yöntemi Dur-git gözlem tekniğinde bir alıcı konumu bilinen bir nokta üzerinde sürekli olarak gözlem yapmaktadır. İkinci alıcı (gezici) ise mümkünse konumu bilinen bir noktaya, değilse herhangi bir noktaya kurulur. Bu noktalara faz başlangıç belirsizliği çözüm noktası (initialistation point) adı verilmektedir. Eğer konumu bilinen bir noktaya kurulursa faz başlangıç belirsizliği çözüm süresi kısaltılmış olur. Bu süre genellikle dakika kadardır. Gezici alıcı konumu bilinmeyen bir nokta üzerine kurulursa faz başlangıç belirsizliği çözümü için yaklaşık 60 epok ( 5 dakika ) kadar beklemek gerekir. Faz başlangıç belirsizliği çözümü gerçekleştirildikten sonra alıcı anteni dikkatli bir şekilde uyduları izlemesi devam ettirilerek diğer noktalara taşınır (Çorumluoğlu ve ark. 003). Bu noktalar birkaç epok (10-0 saniye) veri alınarak gezilir (Şekil.1). Şekil.1: Dur-git ölçü yöntemi

39 6 Burada gezici alıcının bir noktadan diğerine giderken uyduları izlemeyi devam ettirmesinin nedeni, ilk faz başlangıç belirsizliği çözüm noktasındaki başlangıç belirsizliği değerinin diğer noktalara da aynı şekilde taşınması zorunluluğudur. Eğer izleme devam ederken kesilme olursa ya da uydu sayısı 4 ün altına düşerse bu durumda faz başlangıç belirsizliği çözümü kesileceği için diğer noktalarda birkaç epok ölçü yapmak yeterli olmayacaktır. Bu durumda faz başlangıç belirsizliği çözümünün tekrarlanması gerekir. Bu yöntem özellikle ölçü noktaları birbirine çok yakınsa iyi sonuçlar vermektedir. Bu teknik hareket halinde iken uyduları izlemeye devam ettiği için gerçek kinematik ölçüm tekniğini kullanmasına rağmen Dur-git şeklinde ifade edilen yarı kinematik bir teknik olarak da bilinir. Bunun sebebi, alıcı sabit (hareketsiz) olduğunda nokta koordinatı üretilebilmekte ki bu tekniğin stop kısmını oluşturur, sabit noktadan diğerine hareket ettiği zaman da alıcı işlevine devam eder, bu da tekniğin go kısmını oluşturur (Rizos 1999). Yapmış olduğumuz bu çalışmada, yeterli doğruluğu vermesi, hızlı olması, ekonomik olması ve işlem kolaylılığı olması gibi kriterler göz önüne alınarak, GPS gözlem tekniği olarak Dur-git gözlem tekniği tercih edilmiştir. Bu teknikle elde edilen duyarlık 1- cm +1ppm olarak verilmiştir ( Schwarz ve Schubernigg 199) Kinematik ölçü yöntemi Kinematik ölçü yöntemi, Dur-git ölçü yönteminin daha genel bir şeklidir. Bu yöntemde amaç tek tek noktaların ölçülmesi olmayıp hareket eden bir antenin gezi yolunun belirlenmesidir (Şekil.13).

40 7 Şekil.13: Kinematik ölçü yöntemi Kinematik yöntemde de faz belirsizliği bilinmeyeninin (ambiguity) çözülmesi esastır. Dolayısıyla ikinci alıcı gezdirilmeye başlanmadan önce faz başlangıç belirsizliği çözümü için yine alıcılardan biri konumu bilinen bir noktaya, ikinci alıcı ise herhangi bir noktaya kurulur ve başarılı bir çözüm için gerekli veri (yaklaşık 60 epok) toplanana kadar ölçüye statik durumda devam edilir. Daha sonra diğer noktalarda uygun veri aralığında (1,, 5 saniye gibi) ölçüye devam edilerek alıcının hareket halindeki konumu belirlenmiş olur. İkinci alıcı, hareket halinde en az 4 uyduyu sürekli izlemesi gerekir. Uydu sayısı 4 ün altına düştüğü anda faz başlangıç belirsizliği çözümü kesileceğinden faz başlangıç belirsizliği çözüm işleminin tekrarlanması gerekir. Bu yöntem hızlı ve ekonomik bir ölçü tekniği olup, özellikle hareket halinde ve hidrografik amaçlı ölçmelerde uydundur. Buraya kadar açıklanan yöntemlere bakılınca görülmektedir ki klasik GPS tekniği olarak isimlendirilen statik ölçü yönteminde saatleri bulan uzun ölçüm süreleri gerekmektedir. Diğer taraftan günümüzde zaman ve ekonomi kriteri çok önemli bir faktör haline gelmiştir. Güncel mühendislik uygulamalarında en az ölçü süresi ile maksimum doğruluk elde etme düşüncesi ön plana çıkmıştır. Bugüne kadar

41 8 yapılan çalışmalar uygun uydu geometrisi ve en az 4 uydu ile yalnızca birkaç dakikalık ölçünün faz başlangıç belirsizliğini çözmeye ve sonuç olarak kısa bazlar (0 km ye kadar) için beklenen jeodezik duyarlıkları elde etmeye yeterli olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak bu yöntemlerle ideal şartlarla elde edilebilecek doğruluklar Tablo.1 de verilmektedir (Kahveci ve Yıldız 001). Tablo.1: GPS Ölçü yöntemlerine elde edilebilecek doğruluklar Ölçü Yöntemi Elde Edilebilecek Oransal Doğruluk Ölçüm Doğruluğu Sınırları Statik 5mm+1 ppm 1/ / Hızlı-Statik 5-10 mm + 1 ppm 1/ / Dur-git 10-0 mm + 1 ppm 1/ / Tekrarlı Ölçü 5-10 cm + 1 ppm 1/ / Kinematik 10-0 mm + 1 ppm 1/ / Dünya Jeodezik Koordinat Sistemi-1984 (WGS-84) GPS ile konum belirlemede yersel referans sistemi olarak WGS-84 (World Geodetic System 84) sistemi kullanılmaktadır. WGS-84 sistemi NIMA (National Imagery and Mapping Agency) tarafından pratik jeodezik referans sistemi olarak geliştirilmiştir. NIMA 1987 yılında TRANSIT uyduları için hassas efemeris hesaplarında bu sistemi kullanmaya başlamıştır. WGS-84 sistemi ile ITRF (International Terrestrial Reference Frame) sistemi arasındaki ilişkiyi belirlemek ve WGS-84 sisteminin doğruluğunu artırmak için 4 IGS ( International Geodetic System) ve 10 DoD (Department of Defence) noktasında yapılan eş zamanlı GPS ölçüleri ile 8 IGS noktasının ITRF91 koordinatları sabit alınarak DoD noktalarının

42 9 koordinatları yeniden hesaplanmıştır. Nokta koordinatlarını ortak bir epoka getirmek için NUVEL NNR-1 plaka hareketi modeli kullanılmıştır. Böylece ITRF e göre hesaplanmış WGS-84 koordinatları yaklaşık 10 cm doğrulukla belirlenmiştir. Bu şekilde iyileştirilmiş sisteme WGS-84 (G730) ismi verilmiştir. Burada G GPS i, 730 ise GPS haftasını ifade etmektedir. GPS ana kontrol istasyonu bu koordinat değişikliklerini Ağustos 1994 den itibaren kullanmaya başlamıştır (Kahveci ve Yıldız 001). Daha sonra WGS-84 sistemini iyileştirmek için aynı işlemler tekrarlanmış ve 11 IGS noktasının ITRF94 koordinatları sabit alınarak elde edilen çözümler ile belirlenen referans sistemine WGS-84 (G873) ismi verilmiştir. Bu şekilde elde edilen doğruluk tüm koordinat bileşenlerinde ±5 cm. dir. WGS-84 elipsoidinin parametreleri Tablo. de verilmiştir. Tablo.. WGS-84 Elipsoidinin Parametreleri Parametre Adı Sembolü Büyüklüğü Dönel Elipsoidin Büyük Yarı Ekseni a ,0 m Yerçekimi sabiti GM ,418x10 8 m 3 sn - Yerin Ortalama Açısal Hızı ω 79115,0x10-11 rad sn -1 Basıklık f 1/98,573563