GNSS Teknikleri Lisans Ders Notları Aydın ÜSTÜN Kocaeli Üniversitesi Harita Mühendisliği aydin.ustun@kocaeli.edu.tr Kocaeli, 2016 A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 1/18
İçerik 1 Giriş Temel kavramlar GNSS ye giriş 2 GPS Sistemi Kontrol segmenti Kullanıcı segmenti 3 GNSS Sinyalleri GNSS sinyallerinin özellikleri A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 2/18
SV1 SV2 SV3 SV4 GNSS temel esaslar Navigasyon (yönbul): konum ve yön bulma tekniği Radyonavigasyon: Elektromanyetik dalgaları kullanarak yerden veya uzaydan navigasyon Sabit ya da hareketli sinyal alıcının bilinmeyen konum parametre sayısı kadar radyo sinyal kaynağı gerekli Doğruluğu yüksek zaman bilgisi de aranıyorsa bir sinyal kaynağı daha Alıcının üç boyutlu konum ve zaman bilinmeyeni için koordinatları bilinen en az 4 uydudan (geriden kestirme) sinyal alması gerekir P Uzay bazlı ilk örnekler: Birleşik Devletler Transit ve Rusya Tsikada (görevleri sonlandı) A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 3/18
GPS nin öncüleri APL Transit (NNSS) NRL Timation (Time Navigation) U.S. Air Force System 621B A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 4/18
NAVSTAR GPS GPS nin temelleri 1973 yılında ABD Savunma Bakanlığı DoD (Department of Defense) dairesinde atıldı. Daha sonra NAVSTAR (Navigation System Using Timing and Ranging) GPS adını alan sistem, Block I filosu altında ilk uydunun 1978 de fırlatılmasıyla hayata geçti. Block I Block II Block III Fırlatılan uydu Blok Fırlatma dönemi Başarılı Başarısız Hazırlıkta Planlanmış Aktif ve sağlıklı I 1978 1985 10 1 0 0 0 II 1989 1990 9 0 0 0 0 IIA 1990 1997 19 0 0 0 0 IIR 1997 2004 12 1 0 0 12 IIR-M 2005 2009 8 0 0 0 7 IIF 2010 2016 12 0 0 0 12 III 2017 0 0 4 32 0 Toplam 70 2 4 32 31 Kaynak: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 5/18
NAVSTAR GPS (devam) Başlangıç olarak, her yörüngede 6 uydu olmak üzere toplam 24 uydu ile tasarlandı. Sistem yüksek doğruluklu atomik zaman frekansıyla ilişkilendirilmiş L 1 = 1575.42 MHz ve L 2 = 1227.6 MHz frekanslarına modüle edilmiş uzunluk ölçme kodu ve navigasyon mesajı yayınlar. Her uydu sinyal iletim anındaki uydu konum ve saat bilgisini içeren navigasyon mesajını kısa kod C/A (L 1 üzerinde sivil SPS) ve uzun kod P(Y) (L 1 ve L 2 üzerinde korunmuş ya da duyarlı PPS) ile gönderir. Uydu saatine (rubidyum veya sezyum oskülatör) karşılık alıcı saati (kristal oskülatör) uydudan gelen sinyalin geliş anı ile birlikte gelen navigasyon mesajını kaydeder her iki sinyal için faz açılarını ölçer. Bu çalışma esaslarıyla GPS hem askeri hem de sivil kullanıcılara hizmet verir. A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 6/18
GPS Modernizasyonu (devam) 1999 da ABD, GPS sistemi için modernizasyon kararı aldı. Bu kapsamda GPS uydularına iki yeni sivil sinyal L 2 C (Block IIR(M)) ve L 5 = 1176.45 (Block IIF) eklendi. L 1 C tasarım halinde yeni nesil Block III uydularından kullanılacak. Yeni sinyaller sivil kullanım (ticari ve bilimsel) yeteneğinin, dolayısıyla konum doğruluğunun arttırılmasına yönelik. C/A ve P kodlarına ek olarak L 1 ve L 2 üzerinden askeri amaçlı M (Block IIR(M)) kodu yayımlanmaya başlandı. Block III uydularının SA (Selective Availability; Seçimli Doğruluk) özelliği yok. A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 7/18
GLONASS Rusya Uzay Savunma Dairesi tarafından işletilen küresel uydu navigasyon sistemi 1976 da geliştirilmeye başlanan sistem 1982 de ilk uydunun fırlatılmasıyla hayata geçti. 1990 larda kapasitesi azaltılan sistem 2000 li yıllarda yenileme-geliştirme çalışmalarına geri dönüldü. Rusya Federal Uzay Ajansı nın en pahalı projesi haline gelen sistem bugün 24 uydu ile tam kapasiteye çıkarıldı. GPS gibi iki frekanstan sinyal (L 1 = 1602 MHz ve L 2 = 1602+n0.5625 MHz), yayımlanır. GLONASS sistemi GPS nin WGS84 den yaklaşık 40 cm farklı PZ90 koordinat sistemini kullanır. A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 8/18
GLONASS Blok Fırlatılan Çalışan Kullanılamaz Emekli Başarısız Düşünceler Uragan Block I 10 0 0 10 0 Uragan Block IIa 6 0 0 6 0 Uragan Block IIb 12 0 0 6 6 Uragan Block IIv 59 0 0 59 0 Uragan-M 43 24 3 10 6 Fırlatılıyor Uragan-K1 1 0 1 0 0 Fırlatılıyor Toplam 131 24 4 91 12 A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 9/18
GALILEO 1998 de Avrupa Birliği GPS den bağımsız sivil amaçlı navigasyon sistemi oluşturma kararı aldı. 21 Ekim 2011 de ilk iki, 12 Ekim 2012 de diğer iki IOV (In-Orbit Validation) uydularının fırlatılmasıyla konum belirleme (arama ve kurtarma amaçlı) devreye girmiş oldu. 22 Ağustos 2014 te FOC (Full Operational Capability) uydularının fırlatılmasına başlandı (ilk ikisi başarısız). Kullanıcılara, i) 1 m konum doğruluğunda açık erişim navigasyon, ii) cm doğruluklu konum belirleme (ticari), iii) güvenlik amaçlı açık erişim navigasyon ve iv) kamu hizmetlerine yönelik navigasyon ve v) arama-kurtarma hizmetlerini vermeyi amaçlıyor. Blok Fırlatılan Başarısız Çalışan Hazırda GIOVE 2 0 0 0 IOV 4 0 3 0 FOC 8 2 6 4 Toplam 18 2 9 4 Son güncelleştirme: 24.05.2016 A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 10/18
GNSS sistemleri Uydu sistemi/ Yörünge Uydu Kapsam Ülke/Url Yüksekliği Düzlemi Aktif Planlanan GPS 1 MEO 6 31 32 K GLONASS 2 MEO 3 23 28 K Galileo 3 MEO 3 10 30 K BeiDou-2 4 MEO,GEO 5 15 5 GEO, 30 MEO B/K IRNSS 5 GSO,GEO 2 4 3 GEO, 4 GSO B QZSS 6 GSO 3 1 4 GSO B 1 ABD,http://gps.gov 2 Rusya Federasyonu,http://www.gsa.europa.eu 3 Avrupa Birliği,https://glonass-iac.ru 4 Çin,http://en.beidou.gov.cn 5 Hindistan, http://irnss.isro.gov.in 5 Japonya,http://qzss.go.jp A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 11/18
GNSS uydu yörüngeleri Galileo GPS Orbital period 20 hours 15 hours 10 hours Geostationary Earth Orbit COMPASS MEO satellites GLONASS Radius of orbit 40 Mm 30 Mm 20000 miles Iridium 20 Mm 10 Mm 10000 miles 15000 mph 5 hours Hubble ISS 25000 km/h 20000 km/h Height above sea level 10 Mm 20 Mm 30 Mm 10000 miles 20000 miles 10000 mph 15000 km/h Orbital speed A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 12/18
Uydu yörünge dağılımı B2 C1 D1 D1 A2 A2 E1 B2 C1 C2 E1 D2 E2 A1 F2 B3 F4 A3 E4 F3 D4 F1 B1 C2 B3 F3 C4 F4 A3 E4 D4 E3 C4 F1 D2 E2 A1 F2 B1 A4 D3 C3 B4 E3 C3 A4 B4 D3 A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 13/18
GNSS navigasyonu frekans bandları A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 14/18
GNSS sinyalleri A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 15/18
GPS sinyal modülasyonu A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 16/18
Temel gözlem modelleri Zaman denklemleri τ GPS sistem zamanı t i =τ i +δt i i uydu zamanı (3.1) t k =τ k + t k k alıcı zamanı (3.2) t i k = t k t i Sinyalin yolculuk zamanı (hatalı) (3.3) Kod gözlem modeli P i Fk = (τ k τ i )+( t k δt i ) c+ A i k P i Fk =ρi k +( t k δt i )c+ f 2 0 ff 2 I i k + Ti (3.4) k Faz gözlem modeli Φ i Fk =Φi Fk (t k) Φ i F (ti )+N i Fk + Ai k λ F Φ i Fk = ρi k λ F +( t k δt i ) c + N i λ Fk + Ai k F λ F L i Fk = ρi k +( t k δt i )c+λ F N i Fk + f 2 0 f 2 I i k + Ti k F (3.5) A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 17/18
Kaynaklar I A. Üstün (Kocaeli Üniversitesi) GNSS teknikleri (v.11/10/16) 18/18