Düşük-Maliyetli Bir GPS Alıcısının Statik ve Dinamik Testi. Static and Dynamic Tests of a Low-Cost GPS Receiver

Transkript

1 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 26, Çanakkale 277 Düşük-Maliyetli Bir GPS Alıcısının Statik ve Dinamik Testi Ali Bülent Koç (1) Caner Koç (2) Yeşim Benal Yurtlu (3) Mustafa Vatandaş (2) (1) Harran Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Şanlıurfa (2) Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Ankara (3) T.C. Tarım ve Köyişleri Bakanlığı Tarım Alet ve Makinaları Test Merkezi Müdürlüğü, Ankara ÖZET Bu çalışmanın amacı, düşük maliyetli elle taşınabilen küresel konum belirleme (GPS) alıcılarının bilgisayar kontrollü bazı hassas tarım faaliyetlerinde kullanılmasına yönelik bir bilgisayar programının geliştirilmesidir. Geliştirilen program elle taşınabilen düşük maliyetli bir GSP alıcısının statik ve dinamik testinde kullanılmıştır. Statik testler üç farklı noktada, dinamik testler ise üç farklı hızda, 11.2 m yarıçapındaki tarım arabası test parkurunda gerçekleştirilmiştir. GPS alıcısı ile ölçülen konum değerlerinin hassasiyeti, cihazı üreten firma tarafından belirtilen hassasiyet değeri (< 3 m) ile uyum göstermesine karşın cihaz ile ölçülen hız değeri gerçek hızdan ortalama 1.2 km/h daha düşük ölçülmüştür. Anahtar Kelimeler: GPS, hassas tarım, statik ve dinamik test. Static and Dynamic Tests of a Low-Cost GPS Receiver ABSTRACT The purpose of this research was to develop a computer program to acquire data from low-cost handheld GPS receivers which can be used for some computer controlled precision farming applications. The program was used to conduct the static and dynamic evaluation of a handheld GPS receiver. Static tests were conducted at three different points and dynamic tests were conducted on a 11.2 m-radius circular track at three speeds. The precision of the GPS position data was within the precision range (< 3 m) reported by the manufacturer. However, the speeds measured with the GPS receiver was about 1.2 km/h less than the true speed values. Keywords: GPS, precision agriculture, static and dynamic test. GİRİŞ Özellikle son 1-1 yıllık dönemde, tarımsal faaliyetlerde girdilerin ekonomik ve çevreye duyarlı bir şekilde optimum düzeyde kullanılarak üretim yapılmasının gerekliliği, hassas tarıma olan ilgiyi artırmıştır. Üretim faaliyetinin yapıldığı alan üzerinde gübreleme, ilaçlama veya tohum ekme gibi işlemlerde, atılan gübre, ilaç veya tohum miktarının bütün alana yeknesak miktarda uygulanması yerine, alan üzerinde bulunulan konumun gereksinim duyduğu miktara göre değişken düzeylerde uygulanması hassas tarım faaliyeti olarak tanımlanabilir. Değişken düzeyli tarımsal faaliyetlerde veya hassas tarımda üç temel bileşen söz konusudur. Bunlar; tarımsal faaliyetin yapıldığı alana ilişkin alan bilgilerini veren sistem (coğrafi bilgi sistemi-gis), anlık olarak küresel koordinat sisteminde konum belirleyen küresel konum belirleme sistemi (GPS) ve tarımsal faaliyetin yapıldığı alanda bulunulan konumun istediği tohum, ilaç veya gübre miktarını ayarlayan ve uygulayan sistemlerdir (traktör ve kontrol sistemi ile donatılmış ekim, gübreleme veya ilaçlama makinası). Hassas tarım faaliyetinde alan bilgileri havadan veya yerden gerçek zamanlı olarak elde edilebilmektedir. Değişken düzeyli tarımsal faaliyetlerde GPS cihazının verdiği konum bilgisi coğrafi bilgi sistemi ve uygulama sistemi arasında temel referans kaynağını oluşturmaktadır (Smith ve Thomson, 2). Günümüzde santimetre hassasiyetinde ancak pahalı konum bilgisi veren gerçek zamanlı kinematik (RTK) GPS cihazları ile hassasiyeti RTK-GPS e göre daha düşük olan diferansiyel küresel konum belirleme (DGPS) cihazları vardır. DGPS konumu bilinen bir noktada ölçülen konumlama hataları aynı bölgede bulunan GPS algılayıcılarına iletilerek bu cihazların daha doğru ölçüm yapmalarına olanak veren bir yöntemdir. RTK-GPS sistemlerinde DGPS den farklı olarak radyo-modem iletişim birimlerine ve bir kontrol ünitesine gereksinim duyulur. RTK sistemleri ile atmosferik gecikmeler, uydu yörüngelerinde meydana gelen değişiklikler, sinyal gürültüleri gibi çeşitli sebeplerden ortaya çıkan hatalar düzeltilerek yüksek hassasiyette ölçümler yapılmasına olanak verilir. WAAS (Wide Area Augmentation System), EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), ve MSAS (Multi-functional Satellite

2 278 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 26, Çanakkale Augmentation System) uydu destekli DGPS sistemleridir. WAAS Amerika Birleşik Devletleri, EGNOS Avrupa ve MSAS ise Asya kıtalarında kullanılan GPS cihazlarına uydu aracılığı ile düzeltme sinyalleri göndermektedir. Hassasiyeti 3- metreden az ve maliyeti göreceli olarak düşük olan GPS cihazları bazı değişken düzeyli tarım faaliyetlerinde kullanılabilir. Hassasiyeti 3 m den düşük GPS cihazlarının fiyatı 1 ile 6 dolar arasında değişebilmektedir. Düşük maliyetli bu cihazlar, Bluetooth veya USB (Universal Serial Bus) gibi standart bağlantı metotları ile bilgisayar ile haberleşebildikleri gibi kendi üzerlerinde bulunan kayıt diskine, zaman, konum, hız ve yön gibi bilgileri kayıt edebilmektedir. Ancak bu bilgilerin kayıt edilme sıklığı ve bilgi miktarı kayıt diskinin kapasitesine bağlı olmaktadır. Bu nedenle konum, hız vb bilgilerin GPS cihazından istenilen sıklıkla alınarak kullanılabilir veriler haline getirilmesi ve gerçek zamanlı hassas tarım faaliyetlerinde kullanılabilmesi için bilgisayar programlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Düşük maliyetli konum belirleme cihazlarının tarımsal faaliyetlerde kullanılmadan önce doğruluk ve hassasiyet testlerinin yapılması gereklidir. Çünkü bu cihazların doğruluğunu ve hassasiyetini etkileyen bir çok parametre söz konusudur. Bu parametreler arasında uyduların yörüngelerinde olabilecek değişimler, alınan sinyallerin doğruluğu, sinyalin iletimindeki hatalar, sinyal alıcı cihazın hassasiyeti ve kullanılan yazılımdan kaynaklanan hatalar olarak sıralanabilir (Stombaugh ve ark., 22). Birçok düşük maliyetli GPS üreticisi, cihazın hassasiyetini statik test sonucuna göre vermektedir (örneğin <3 m gibi) (Ehsani ve ark., 23; Stombaugh ve ark., 22). Statik test sonuçları, hemen hemen tamamı dinamik faaliyetleri içeren tarımsal faaliyetlerde kullanılabilecek cihazlar için temel ölçüt olamamaktadır. Bu nedenle statik testlerin yanında GPS alıcılarının dinamik olarak test edilmeleri de gerekmektedir. Statik testte, GPS cihazı bir noktaya bırakılarak ve bu noktada okuduğu konum bilgileri kayıt edilmekte ve elde edilen değerlerin ortalaması ve standart sapması hesaplanmaktadır. Statik testte amaç, cihazın bir pozisyonu bulma ve bulduğu bu pozisyonu belli bir zaman diliminde tekrarlayabilme kabiliyetinin belirlenmesidir. Dinamik testte ise, GPS cihazının belli bir hat üzerinde bu hattı yansıtacak konum bilgilerinin yanında, verdiği hız bilgilerinin doğruluğu da test edilmektedir. Test doğrusal bir hat üzerinde yapılabileceği gibi dairesel bir hat veya hem doğrusal hem de dairesel hatları içeren doğrultusu ve yönü değişken, bilinen bir hat üzerinde de gerçekleştirilebilmektedir. Bu çalışmanın amacı, düşük maliyetli bir konum belirleme cihazının statik ve dinamik olarak hassasiyetinin test edilmesidir. MATERYAL ve YÖNTEM Bu çalışmada elle taşınabilen Magellan marka Explorist-3 GPS cihazı kullanılmıştır. Kullanılan cihaz WAAS ve EGNOS uyumlu, 14 kanallı, veri okuma frekansı 1 Hz dir. Küresel konum belirleme cihazı USB bağlantısı ile bir dizüstü bilgisayara bağlanmıştır. Labview grafiksel programlama dilinde geliştirilen bir program kullanılarak GPS cihazının verdiği NMEA-183 (Amerikan Ulusal Denizcilik Elektroniği Derneği) kodu çözümlenerek istenilen küresel konum ve hız bilgisi verileri 1 s aralıklarla hem bilgisayar ekranında gerçek zamanlı olarak görüntülenmiş hem de bir metin dosyasına kaydedilmiştir. Ölçümler esnasında hava açık ve sıcaklık 18 ºC dir. Statik test: Dünya üzerindeki bir noktanın gerçek yerinin tam ve doğru bir şekilde belirlenmesi için standart bir metot bulunmamaktadır. Ayrıca testin yapıldığı yerlerin hassas haritalarının da elde bulunmaması durumunda cihazın doğruluğundan ziyade, hassasiyeti ölçülebilmektedir. Yani mutlak referans noktası yerine, kendi ölçtüğü değerler referans alınarak cihazın hassasiyeti test edilmiştir. Testlere cihaz açıldıktan 3 dakika sonra başlanmıştır. Böylece cihazın ısınması, görebildiği uydulara kilitlenmesi gibi işlemlerin gerçekleştirilmesine olanak sağlanmıştır. Dinamik test: GPS cihazının dinamik testi T.C. Tarım ve Köyişleri Bakanlığı na bağlı Tarım Alet ve Makinaları Test Merkezi Müdürlüğü Kampüsü nde (Ankara) bulunan tarım arabası ve su tankeri deney pistinde gerçekleştirilmiştir. Deney pisti, tarım arabası ya da su tankerinin tarlada çalışma ortamını karakterize etmek üzere oluşturulmuştur. Deney pisti daire şeklinde olup, aralarında sıra üzerleri en az 2.6 m uzaklık olacak biçimde yerleştirilmiş engeller bulunmaktadır. Deney pistinde, çekilen tarım arabası ya da su tankeri engeller üzerinden, çekici traktör (güç ünitesi) ise engellerden geçmeyecek biçimdedir. GPS cihazı ve diz üstü bilgisayar çekici traktör üzerine monte edilmiştir. Cihazın traktör üzerine sabitlendiği yer ile dönme merkezi arasındaki mesafe (dönme pistinin yarıçapı) 11,2 m dir. Elektrik enerjisi ile çalışan traktör üzerinde hızı değiştirmek için 3 vites kademesi bulunmaktadır. Testler 3., 4,7 ve 7, km/h sabit hızlarını verecek kademelerde gerçekleştirilmiştir. Traktörün bir turu tamamlama süresinin bir kronometre ile ölçülmesinden elde edilen bilgiyle, traktörün gerçek hızı hesaplanmıştır. BULGULAR ve TARTIŞMA Veri algılama programı: GPS cihazı USB bağlantısı ile diz üstü bir bilgisayara bağlanmıştır. Cihazın verdiği konum ve hız bilgileri Amerikan Ulusal Denizcilik Elektroniği Derneği (National Marine Electronics Association NMEA) tarafından denizcilikte kullanılan cihazların bilgisayar veya diğer

3 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 26, Çanakkale 279 denizcilik cihazları ile iletişimine yönelik olarak geliştirilmiştir. NMEA-183 standardı elektriksel sinyal gereksinimleri, veri iletim protokolü ve zaman ile 48 bps veri iletim hızında iletilen özel cümlelerden oluşmaktadır. NMEA-183 standardında her cümle $GP*** ile başlamaktadır ve her bir bilgi virgül ile ayrılmıştır. Örneğin cihazın verdiği konum, hız ve zaman bilgilerini içeren özel cümle aşağıdaki gibidir. $GPRMC,12319,A,322.18,N,397.86,E,22.4,8 4.4,2336,3.1,W*6A Burada; RMC : önerilen minimum spesifik GPS verisi 12319: zaman bilgisi 12:3:19 A: GPS uyarı bilgisi A: geçerli konum, V: uyarı : enlem bilgisi 32 derece 2.18 dakika N: kuzey : boylam bilgisi 39 derece7,86 dakika E: doğu 22.4: yere göre hız (knot) 84.4: manyetik değişim derecesi 2336: 23 Mart 26, tarih 3.1: manyetik değişim 3.1 derece W: batı *6A: zorunlu cümle sonu indikatörü Kullanılan konum belirleme cihazının veri iletim verilerini güncelleme frekansı 1 Hz dir. Bu nedenle cihazdan bilgisayara verilerin aktarımı saniyede 1 kez yapılmıştır. Geliştirilen program konum ve hız bilgilerini kullanarak bilgisayar kontrollü yapılabilecek her türlü hassas tarım faaliyeti için kullanılmaya uygundur. Statik test sonuçları: Statik testler küresel konum belirleme cihazının performansını ölçmek üzere yapılmıştır. Bu testler üç farklı noktada ve Çizelge 1 de belirtilen konum ve sürelerde gözlemlenmiştir. ddmm.mmmm (d: derece, m: dakika) formatında kaydedilen enlem ve boylam değerleri, Excel ortamında dd.dddd (d: derece) formatına dönüştürülmüştür. Enlem ve boylamdaki değişim oranları ise aşağıdaki formül kullanılarak metre ile ifade edilebilecek formata dönüştürülmüştür. Elde edilen değerlerin ortalamaları ile standart sapmaları hesaplanmış ve Çizelge 1 de verilmiştir. Enlem/Boylam (m) = dd.dddd * 6 * 182 Statik testlerde elde edilen konum bilgilerine ait enlem ve boylam dereceleri uzunluk birimi (m) olarak ifade edildikten sonra, ortalama değerleri ; noktasına getirilerek grafikleri çizilmiştir (Şekil 1). Her üç denemede de elde edilen standart sapma değerleri üretici firmanın verdiği (<3 m) değerden küçük çıkmıştır. İki denemede standart sapma 1 metrenin de altında bulunmuştur. Dinamik test sonuçları: Dinamik testler küresel konum belirleme cihazı ve bilgisayar römork ve su tankeri test pistinde kullanılan traktör üzerine monte edilerek dairesel pistte üç farklı hızda yapılmıştır. Testler esnasında kronometre ile ölçülen zaman ve yarıçap bilgisinden traktörün gerçek hızları 3,6 km/h, 4,66 km/h ve 7,2 km/h olarak hesaplanmıştır. Test traktörü elektrik motoru ile hareket ettirildiğinden, traktör ayarlanan kademede sabit hızda hareket etmiştir. Dinamik testler esnasında konum bilgilerinin dışında GPS cihazının verdiği hızlarda saniyede bir kayıt edilmiştir. Her bir hız kademesinde, traktör pistte 1 tur dönmüştür. Pist merkezinin konumu statik olarak yapılan ölçümlerle elde edilen konum değerlerinin ortalaması alınarak belirlenmiştir. Pistin merkezi ile cihazın traktöre bağlandığı nokta arasındaki mesafe 11.2 m dir. Çizelge 1. Statik testlerin yapıldığı konum, ölçüm süresi, enlem ve boylam ortalamaları ile standart sapma değerleri. Deneme no (başlangıç saati) Ölçüm süresi (dakika) Ortalama enlem (derece) Ortalama boylam (derece) Enlem maksimum Boylam maksimum Enlem standart Boylam standart 1 (11:am) (18:pm) (18:3pm) (a) (b) (c) Şekil 1. Statik test sonuçlarından alınan konum verileri ve dağılımları. (a) deneme 1, (b) deneme 2 ve (c) deneme 3 e ait konum değerleri. Grafikler konum verilerinin ortalaması ; noktası kabul edilerek elde edilmiş ve birimleri metredir. GPS cihazı ile hareket halinde ölçülen her bir konum değerinin 11.2 m yarıçapında ve merkez konumu statik olarak belirlenen çembere olan en kısa mesafesi hesap edilerek standart sapmaları her bir hız için hesaplanmış ve Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2 de ayrıca traktör gerçek hızları ile konum belirleme cihazının ölçtüğü ortalama hızlarda görülmektedir. Dinamik testler esnasında sabit hızla hareket eden traktörün izlediği yörüngede ölçülen konum değerleri ve traktörün izlemesi beklenen dairesel yörünge değerleri her bir hız kademesi için grafiksel olarak Şekil 2 de görülmektedir. Birinci ve ikinci hız kademelerinde GPS ile ölçülen konum değerlerinin dağılımı daireselden elips

4 28 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 26, Çanakkale şekline doğru bir dağılım göstermesine karşın, üçüncü hız kademesinde ölçülen konum değerleri beklenen yörünge çevresinde dağılım göstermiştir. Şekil 2 de ayrıca bütün hız kademelerinde ölçülen konum değerleri ile beklenen konum değerlerinin dağılımları görülmektedir. Çizelge 2. Dinamik testlerin yapıldığı gerçek ve ölçülen hız değerleri ile konum değerlerinin standart sapması. Deneme no Traktör gerçek hızı (km/h) GPS ile ölçülen hız (km/h) Konum verilerinin standart sapması (m)

5 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 26, Çanakkale hızda ölçülen konumlar (a) Beklenen konum 2. hızda ölçülen konumlar Beklenen konumlar (b) hızda ölçülen konumlar Beklenen konumlar hız 2. hız 3. hız Bekelenen konumlar (c) (d) Şekil 2. Dinamik testler esnasında dairesel ölçüm parkurunda farklı hız kademelerinde kaydedilen konum verileri ile beklenen konum değerlerinin dağılımı (grafik birimleri metredir). (a) 1. hız kademesi, (b) 2. hız kademesi, (c) 3. hız kademesi ve (d) bütün hız kademeleri. Düşük hız kademesinde GPS cihazının ölçtüğü hız ile gerçek hız arasında 1,21 km/h lik bir fark var iken, en yüksek hız kademesinde bu fark 1,42 km/h olmuştur. Her üç hız kademesinde de GPS cihazı ile ölçülen hız değerleri gerçek hız değerlerinden düşük çıkmıştır. GPS cihazı ile ölçülen hız değerlerinin zamanla değişimi Şekil 3 de görülmektedir. sapma, üretici firmanın belirttiği sınırlar içerisinde olmasına karşın dinamik halde yapılan ölçümlerde ölçülen konum değerlerindeki sapma belirtilen sınırlara yakın ancak statik denemelerde elde edilen standart sapma değerlerinden daha büyük çıkmıştır. SONUÇ Elle taşınabilen düşük maliyetli GPS alıcılarından gerçek zamanlı konum ve hız bilgilerinin bilgisayar ortamına aktarılması için Labview grafiksel programlama dilinde bir program geliştirilmiştir. Geliştirilen program bir GPS alıcısının statik ve dinamik testinde kullanılmıştır. Test sonuçlarına göre statik halde ölçülen konum bilgilerindeki standart

6 282 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 26, Çanakkale Ölçülen Hız (km/h hız 2.hız 3.hız Zaman (s) Şekil 3. GPS cihazı ile dinamik test esnasında ölçülen hız değerlerinin zamanla değişimi. Ayrıca dairesel bir yörüngede sabit hızda hareket halinde iken GPS cihazı ile ölçülen hız değerleri, düşük hızda stabil sonuçlar verirken, hız arttıkça cihaz ile ölçülen hızlardaki sapmalar da artmıştır. Bunun nedeninin dinamik ölçümler esnasında dairesel hareketteki yön değişimlerinden dolayı GPS cihazının konum ölçümünde kullandığı uydulardaki ve konum verilerindeki değişimler olduğu düşünülmektedir. GPS cihazı hız değerlerini konum değerlerini kullanarak hesapladığından, konum verilerindeki sapmalar hesaplanan hız değerlerinde de sapmalara neden olmaktadır. Düşük maliyetli elle taşınabilen GPS cihazları bir bilgisayar programı ile entegre edildiğinde bilgisayar kontrollü bazı hassas tarım uygulamalarında kullanılabilir. Ancak bu cihazların statik ve dinamik testlerinin yapılarak ve doğru bilgilerin elde edilmesine yönelik yöntemlerin geliştirilmesi gerekmektedir. GPS cihazının hangi hassas tarım faaliyetinde kullanılacağı, satın alınacak olan cihaz özelliklerinin belirlenmesinde faydalı olacaktır. Düşük maliyetli değişik firmalarca üretilen GPS cihazlarının birbirleri ile karşılaştırmalı olarak statik ve dinamik testlerinin yapılmasının yanında bilgisayara bağlantı şekillerine göre de (Bluetooth, USB) doğruluk ve hassasiyet testlerinin yapılması ve geliştirilen programının hassas tarım faaliyetlerinde kullanımı ileride yapılması planlanan konular arasındadır. KAYNAKLAR Ehsani, M.R., M. Sullivan, T. L. Zimmerman ve T. Stombaugh. 23. Evaluating the dynamic accuracy of low-cost gps receivers. ASAE paper number: Las Vegas, Nevada.: ASAE. Smith, L.A. ve S.J. Thomson. 2. GPS position latency determination and ground speed calibration for the SATLOC Airstar M3. Applied Engineering in Agriculture. Vol. 21(): Stombaugh, T., S. Shearer, J. Fulton ve M.R. Ehsani. 22. Elements of a Dynamic GPS Test Standard. ASAE paper number: 211. St. Joseph, Mich.:ASAE.