CeBIT - Eurasia 2010 Coğrafi Bilgi Teknolojileri Çalıştayı Akademik Perspektif 8 Ekim 2010, Istanbul Global Uydu Navigasyon Sistemleri ve Uydu Bazlı Alan Büyütme Sistemleri Özet Çetin Mekik Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Bölümü, Zonguldak, E-posta: cmekik@hotmail.com Bu bildiride günümüzde insan yaşamının neredeyse ayrılmaz bir parçası haline gelmeye başlayan konumlama ihtiyacını karşılayan sistemler olan Global Uydu Navigasyon Sistemleri ile Uydu Bazlı Alan Büyütme Sistemleri kısaca tanıtılmaktadır. Ayrıca bu sistemlerin gelişmiş ve gelişmekte olan kullanım alanları navigasyon, haritacılık ve diğer kullanım alanları olarak sunulmaktadır. 1 GİRİŞ Global Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS) uydulardan, yer kontrol istasyonlarından ve kullanıcı ekipmanından oluşmaktadır ve modern toplumlarda bir çok faaliyeti desteklemekte ve hatta gerçekleşmesini sağlamaktadırlar. GNSS sistemleri için en iyi bilinen ve tam olarak çalışanı ABD nin GPS idir. Rusya nın işlettiği ve henüz öngörülen uydu dağılımı tamamlanmayan GLONAS da 2011 yılında tam faal olacaktır. Avrupa nın Galileo sisteminin tamamlanması 2015 yılını bulması bekleniyor. Öte yandan Çinlilerin Compass-Beidou2 sistemi 2015-2020 yılları arasında tamamlanacağı düşünülmektedir. 2 GLOBAL NAVİGASYON UYDU SİSTEMLERİ (GNSS) Global Navigasyon Uydu Sistemleri temel olarak üç bileşenden oluşur: 1) Uzay Bölümü, 2) Kontrol Bölümü ve 3) Kullanıcı Bölümü. GNSS leri SBASlardan ayıran en önemli özelliği kendi başlarına birer sistem olmalarıdır. Uzay bölümünde tam global kapsama alanı sunacak biçimde yeryuvarı etrafında yörünge düzlemlerinde dolanan uydular bulunmaktadır. Kontrol bölümü ise bu uyduları izleme ve çeşitli nedenlerden ötürü oluşan bozulmaları hesaplayıp düzeltme görevini görmektedir. Kullanıcı bölümünde de alıcı ekipmanları bulunmaktadır. (Kahveci ve Yıldız, 2005) Bunlara ilaveten çok sayıda Uydu Bazlı Alan Büyütme Sistemleri (SBAS) bulunmaktadır. Örneğin ABD nin Geniş Alan Büyütme Sistemi (WAAS), AB nin Avrupa Yersabit Navigasyon Kapsama Servisi (EGNOS) ve Japonların MTSAT Uydu Büyütmeli Navigasyon Sistemi (MSAS). Bu çalışmada Global Uydu Navigasyon Sistemleri (GNSS) tanıtılmakta ve kısaca da Uydu Bazlı Alan Büyütmeli Sistemleri ve GNSS in kullanım alanları anlatılacaktır. Şekil 1. GNSS Bileşenleri 1
Farklı gelişme aşamalarında olan halihazırda dört ana GNSS sistemi bulunmaktadır. Bunlardan sadece GPS tam olarak çalışmaktadır. Bunlardan Galileo nun uyduları diğerlerinin uydularından daha yüksekte bulunmaktadır. (URL 1) Uydu Sayısı Yörünge sayısı Büyük yarıeksen Yörünge dönüş GPS GLONASS Galileo Compass 24 24 27 + 3 6 3 3? 26600 km 25440 km 29600 km 30+ 5 GEO? 21500 km 11:58 H 11:15 H 14:07 H? 12:35 H Eğiklik 55 deg 64 deg 56 deg? 55 deg Uydu kütlesi Güneş paneli alanı 1100 kg (IIR) 1400 kg 700 kg? 2200 kg 14 m 2 23 m 2 13 m 2??? Şekil 2. GNSS sistemlerinin uzay bölümleri hakkında genel bilgiler GNSS uyduları birbirlerine göre konumlarını sabit tutmak zorundadır. Böylelikle yörünge düzlemleri arasında mesafe de aynı kalmak zorundadır. GPS te bu uydulara bir günde yapacakları döngü tekrarı vererek sağlanır. Bunun anlamı her yıldız gününde uydu yeryüzündeki aynı noktadan üzerinden geçer. Bu da uyduların yer gravite alanıyla aynı salınım yapmasına yol açar. Bu salınım yüzünden GPS uyduları önemli yörünge bozunumları yaşarlar. Bu uydular düzenli olarak izlenerek normal yörünge konumlarına getirilmeleri gerekmektedir. GLONAS ta ise uydular bir diğerinin yerini alarak döngü yaparlar. Bir yörünge düzlemi içinde uydular birbirinden 15 dakika ile ayrılırlar. 11:15 saatlik yörünge peryodu göz önüne alındığında bir yörünge düzlemindeki bir uydu bir gün önce aynı yörünge düzlemindeki önceki uydunun üzerinden geçtiği aynı noktadan geçmektedir. Böylelikle uydu dağılımı sabit kalmakta ve salınım etkilerinden etkilenmemektedir. GLONASS uydularının döngü süreleri 8 gündür. Galileo da temel tasarım kriterlerinden biri her uydunun, yörünge düzlemindeki nominal konumunda tutmak için ömürleri boyunca sadece maksimum bir manevraya ihtiyaçlarının olmasıydı. Böylelikle GPS uydularının yaşadığı salınım oluşmayacaktı. Galileo için seçilen yörünge dağılımı Galileo uydu yörüngelerinin 10 günlük bir tekrar döngüsü sağlamaktadır. 10 gün sonra her hangi bir Galileo uydusu kendisini tekrar eder. Galileo yörünge seçimiyle, tüm Galileo uydu dağılımının her Galileo uydusu başına maksimum bir manevralık ömrü için mükemmel biçimde kalmasını sağlanır. (Mekik, 2008) Tamamen yeni GNSS sistemlerinin yanı sıra GNSS alan büyütme (augmentation) sistemleri de bulunmaktadır. Bunların çoğu GPS ten elde edilen performansı geliştirmeyi amaçlamaktadır, ancak bazılarına GLONASS da dahil edilmektedir. ABD de GPS büyütme sistemine WAAS (Geniş Alan Büyütme Sistemi) denilmektedir. Benzer sisteme Avrupa da EGNOS (Avrupa Yersabit Navigasyon KaplamaServisi) denilmektedir. Japonların sisteminin adı ise MSAS (MTSAT Uydu Büyütme Sistemi) ve Hintlilerin ki ise GAGAN (GPS Destekli Yer Büyütmeli Navigasyon) dır. 2.1 GPS 1973 te yeni bir navigasyon (yön bulum) ve konumlama sistemi geliştirmek üzere ABD Silahlı Kuvvetlerinden ve Savunma Haritalama Ajansından temsilcilerle bir proje grubu kuruldu. Bu yeni sistem eski DOPPLER ya da TRANSIT navigasyon sisteminin yerini alacaktı ve adı NAVSTAR GPS olacaktı. NAVSTAR ın açılımı Uydularla Zaman ve Mesafe Ölçümüyle Navigasyon ve GPS in ki Global Konumlama Sistemiydi. Sistem ABD Savunma Bakanlığı tarafından askeri uygulamalar için yürürlüğe kondu. Sivil kullanıcılara bazı kısıtlamalarla erişim sağlandı. Günümüzde ise en çok kullanılan biçimi GPS tir. GPS in gelişimi bir gereklilikten doğdu. Teknoloji geliştikçe GPS günümüzde kullandığımız hale geldi. Roketler ve uydulardaki ilerlemeler olmadan Küresel Konumlama Sistemi de olmayacaktı. Aslında bu gelişmeyi biz ilk uyduyu fırlatan Sovyetler Birliğine ve soğuk savaşla birlikte Sovyetler Birliğinin hava sahasına yanlışlıkla giren sivil havayolu şirketinin KAL 007 uçağının 1983 te düşürülmesine borçluyuz. Bu olay ABD nin Global Konumlama Sistemini geliştirme programını hızlandırdı ve ilk defa sivil kullanımına açılmasına yol açtı. Günümüzde GPS hayatın her aşamasında karşımıza çıkmaktadır. (URL 2) Aslında konumlama ihtiyacının ortaya çıkması 2. Dünya Savaşına kadar gitmektedir. Askeriye yön bulmak için yıldızlar ve radyo kulelerinden yayılan zayıf radyo 2
sinyallerinden başka daha iyi bir yol bulma ihtiyacı hissetti. Pilotlar uçuş görevlerindeyken merkeze dönerken radyo sinyallerinden yararlanmaktaydılar. Pilot ya da navigatör planlanmış dönüş rotalarının civarındayken sorun olmuyordu, fakat rotalarından uzaklaştıklarında eve dönüş radyo sinyalini almakta zorlanıyorlardı. Sinyalin gücüyle belirlenen belirli bir mesafe içinde olmaları gerekiyordu. 1940 ların başlarında LORAN sistemi askeri amaçlı olarak hem kara hem de deniz için geliştirildi. Sputnik 1957 de fırlatıldığında bir grup ABD li bilim adamı onun radyo sinyallerini izliyorlardı. Hemen fark ettiler ki Doppler etkisinden ötürü uydu yaklaşırken Sputnik in sinyali daha yüksekken uydu geçtikten ve onlardan uzaklaşırken daha düşük oluyordu. Kendilerinin yeryüzündeki sabit konumunu bildikleri takdirde Doppler bozunumunu/ötelemesini ölçerek uydunun kesin konumunu bulabileceklerini formülüze ettiler. ABD Donanması ilk olarak 1960 yılında bir uydu navigasyon sistemini başarılı bir şekilde test etti (Transit). Bu sistem dünya etrafında yörüngede dolanan beş uydudan oluşmaktaydı. Sistemin kusuru bir saatten önce navigasyon konumu vermiyor olmasıydı. GPS in işe yaraması için uzayda güvenilir doğruluklu saatlere ihtiyaçları vardı. ABD Donanması Timation uydusunu 1967 fırlatarak bunu başardı ve uzay yarışında bir adım öne geçti. İlk dünya çapında yer bazlı navigasyon sistemi 1970 lerde çalışmaya başladı. Adı Omega NAvigasyon Sistemiydi ve tek fazlı karşılaştırma esasına dayanmaktaydı. 1978 te Blok I adı verilen deneysel GPS uyduları fırlatıldı ve 1985 e kadar on uydu daha bunu takip etti. Modern Blok II uyduları 1989 da fırlatılmaya başlandı. 1994 Ocak ayında tam operasyonel kapasitede 24 uydu yörüngelerinde dolanmaktaydı. Sovyetlerin 1983 te Kore ye ait KAL 007 uçağını düşürdükten sonra Başkan Ronald Reagan sistem tamamlandıktan sonra sivil halkın da GPS navigasyon sisteminden yararlanabileceğini duyurdu. Bill Clinton yönetimi sırasında GPS sisteminin askeriyenin olduğu kadar sivillerin kullanımının önemini fark etti. Clinton GPS Yönetim Kurulu adında bir komisyon kurdurup GPS in yönetim ve gelecek planlarını hazırlanmasını sağladı. Bu noktada GPS gerçekten hem askerler hem de siviller için kullanılan bir sistem haline geldi. 1998 te Başkan Yardımcısı Al Gore sivil kullanım için iki yeni sinyal eklenerek güvenirlik ve doğruluğunu artırılarak GPS in geliştirilmesine yönelik gelecek planlarını anons etti. 2004 te güncelleştirilmiş bir Ulusal politikayla Başkan George W. Bush GPS sistemin bizlerin günlük yaşamımızdaki öneminden dolayı GPS Yönetim Kurulunun yerine Ulusal Uzay Esaslı Konumla, Navigasyon ve Zamanlama Yönetim Komitesinin kurulduğunu duyurdu. Günümüz dünyasındaki hızlı teknolojik ilerlemelerle GPS sektöründe bir çok değişiklikler olacaktır ve gelişmeler arttıkça GPS in yaşamlarımıza daha fazla gireceği kaçınılmaz bir gerçektir. GPS, 1970 lerde ABD tarafından savunma programının bir parçası olarak geliştirilen bir uydu ağıdır. Yaklaşık 20200 km yüksekte ve ekvatorla 55 derece eğikliği olan altı yörünge üzerinde dolanan 24 asıl ve 3 yedek uydusuyla kesin konum bilgisi (enlem, boylam ve yükseklik) sağlayarak nesneleri ya da araçları izlemenize ve konumlamanıza olanak sağlayan bir sistemdir. GPS uydularının tam döngüleri 11 saat 58 dakika olup aynı noktada aynı uydu dağılımına her gün 4 dakika önce gelmektedir. Uydudan gönderilen tüm sinyaller uydu osilatörünün temel frekansından (F o ) türetilmektedir. F1 ve F2 taşıyıcı sinyalleri (dalga boyları sırasıyla 19 ve 24 cm) üzerine modüle edilmiş kodlar ve navigasyon mesajıyla uydu saati bilgileri, yörünge parametreleri gibi bilgiler gönderilmektedir. C/A kod (Kaba Alım ya da Kesintisiz Erişim ya da Sivil Erişim) F1 taşıyıcı sinyalin üzerine modüle edilirken, P kodu (Presizyonlu ya da Korumalı) her iki taşıyıcıya modüle edilmiştir/bindirilmiştir. (Mekik ve Arslanoğlu, 2003) Şekil 3. Standart bir GPS uydusu 3
hangi bir yerde en az 5 uydu görünümde olacak biçimde düzenlenmiştir. Her uydunun bir dilim numarası olup bulunduğu yörünge düzlemini ve düzlemdeki yerini belirtir. Birinci düzlemde 1-8 numaraları, ikinci düzlemde 9-16 ve üçüncü düzlemde 17-24 numaraları tahsis edilmiştir. Şekil 4. GPS uydu yörüngeleri Sinyal ve kod ölçümleriyle yeryüzü üzerindeki noktaların konumları en az dört uyduyla kestirilmektedir. Mevcut sinyal ve kodlara ilaveten M-kod, L2C ve L5 sinyalleri de eklenerek modernize edilmektedir. (URL 3) 2.2 GLONASS (Global Navigasyon Uydu Sistemi) GLONASS (Rusçası: ГЛОНАСС: ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; çevirisi.: GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema; İngilizcesi: GLObal NAvigation Satellite System) geliştirilmesine 1976 da başlandı ve 1991 yılına kadar global kapsama amaçlandı. Ekim 1982 de çok sayıda uydu yüklü roketler fırlatıldı. GLONASS ilk olarak Sovyet ordusu tarafından navigasyon ve balistik füze hedefleme amacıyla kullanılmak üzere gerçek zamanlı konum ve hız belirleme amacıyla geliştirildi. 24 uyduluk dağılıma 1996 yılında ulaşıldı. Ancak, Rus ekonomisin çöküşüyle ve temel itibariyle kısa ömürlü tasarlanan uydular nedeniyle GLONASS hızlı bir biçimde gerileme yaşamaya başladı. 2002 yılında birkaç uyduya kadar düştü. Rus hiyerarşisinden aldığı destekle GLONASS tekrar doğdu ve yılda altı fırlatmaya kadar varan daha uzun ömürlü uyduların fırlatılmasıyla uydu sayısı 21 e yükseldi (yörüngede 2 tane de yedek olarak). (URL 4). Tam çalışır haldeki GLONASS uydu dağılımı 24 uydudan oluşmaktadır. Üç yörünge düzlemi birbirinden rektazansiyonu 120 derece olacak biçimde oluşturulmuştur. Yörüngeler yaklaşık dairesel olup eğikliği yaklaşık 64,8 o ve yüksekliği 19.100km. dir. Uydular döngülerini 11 saat 15 dk da tamamlarlar. Düzlemlerin birbirlerinden 15 o lik enlem ötelemeleri vardır ve bu da uyduların ekvatordan üç yerine bir kere geçmelerini sağlar. Uydu dağılımı, her hangi bir anda her Şekil 5. GLONASS uydu yörüngeleri GPS ile GLONASS arasındaki temel fark, GLONASS ta her uydunun aynı koda sahip olup kendine ait bir frekansı olurken GPS te tüm uydular aynı frekansı kullanılır ama farklı kodları vardır. GLONASS frekans bölüşümlü çoklu erişim (FDMA) kullanırken GPS ve Galileo kod bölüşümlü çoklu erişim (CDMA) kullanmaktadır. Uyduların gönderdiği tüm sinyaller temel frekanstan (F o ) türetilmiştir ve her uydu L1 band olarak adlandırılan 1602,5625 MHz ile 1615 MHz arasında bulunan 25 kanallı FDMA tekniğini kullanan farklı frekansta sinyal gönderir. (Hu vd. 2010) 2.3 Galileo Galileo Avrupa nın kendine ait global navigasyon uydu sistemi olup yüksek doğruluklu, sivillerin denetiminde garantili global konumlama sistemidir. GPS, GLONASS ve diğer iki global uydu navigasyon sistemiyle birlikte çalışma özelliğinde olacaktır. Yeryüzündeki kullanıcı aynı uyduyla her hangi bir kombinasyonla uydulardan konumunu hesaplayabilecektir. İki frekansı standart olarak sağlayan Galileo sivillere açık bir sistemden beklenmeyen biçimde metre doğrulukla gerçek zamanlı konumlama olanağı sunacaktır. Her türlü zorlu koşullarda servis sağlamayı garantileyen sistem kullanıcıları her hangi bir uydu sorununda saniyeler içinde kullanıcıları bilgilendirecektir. Tren ve arabaları yönlendirme ve uçakları indirme gibi güvenliğin çok önemli olduğu uygulamalarda rahatlıkla kullanılabilecektir. 4
İlk deneysel uydu, GIOVE-A 28 Aralık 2005 te fırlatıldı. Bu uydunun amacı Avrupa Uzay Ajansı kontratlarıyla geliştirilen kritik teknolojilerin özelliklerini ortaya koymaktı. İkinci deneysel uydu GIOVE-B 27 Nisan 2008 te fırlatıldı. Bu uydu öngörülen Galileo uydularına yakından benziyordu ve bunun da amacı kritik teknolojileri test etmekti. GIOVE-B de gelecek GNSS sistemleri ve özellikle de Galileo için oldukça çok umut vaat eden ultra-dengeli saat olan pasif hidrojen maser (PHM) bulunmaktadır. Diğer deneysel uydu GIOVE-A2 ise hazırlık aşamasındadır. Tamamlanmış Galileo sisteminde 30 uydu bulunacaktır (27 faal ve 3 yedek). Galileo uyduları yerden 23.222 km yüksekte üç dairesel Orta Yersabit Yörüngede dolanacaklar. Buradan Galileo uydularının GPS ve GLONASS uydularından daha yüksekte olduğu anlaşılmaktadır. Galileo uydu yörüngelerinin tekrar döngüsü 10 gün olup yörüngedeki dolanım 14 saat 7 dk sürecektir. Yörüngelerin ekvatorla olan eğikliği 56 o dir. Tamamlanmış uydu dağılımında Galileo navigasyon sinyalleri 75 o kuzey enlemlerinde bile iyi kapsama sunacaktır. (Cordara vd., 2003) Şekil 6. Galileo sisteminin bileşenleri GPS ve GLONASS ta olduğu gibi uydulardan gönderilen tüm Galileo sinyalleri bir temel frekanstan türetilmektedir. Ancak, Galileo sinyalleri üç farklı frekansta (F1, F2 ve F5) 10 navigasyon sinyali gönderecektir. Bu sinyallerin frekans aralıkları 1164-1215 MHz (E5a ve E5b), 1215-1300 Mhz (E6) ve 1559-1592 MHz (E2-L1-E1). Bu sinyaller değişik kullanıcı gruplarına açıktır; örneğin E5a, E5b ve L1 taşıyıcı frekansları üzerinden gönderilen 6 sinyal Açık Servisler (OS) ve Yaşam Güvenliği Servisleri (SOL) kullanıcılarına açıktır.e6 taşıyıcı frekansı üzerinde bulunan ve şifrelenmiş uzunluk belirleme kodları içeren iki sinyal Ticari Servis (CS) sağlayıcısı aracılığıyla erişim hakkı kazanan kullanıcılar açıktır. 10 sinyalin şifreli uzunluk belirleme kodu ve bir E6 bandında diğeri L1 bandında veri içeren son ikisi de Genel Düzenleme Servisi (PRS) tarafından yetki verilmiş kullanıcılara açıktır. (Gökalp ve Boz, 2006), Şekil 7. Galileo sisteminin sinyal tahsisleri GPS ve GLONASS tan farklı yeni bir özellik de Galileo nun sağlayacağı küresel anlamda bir Arama ve Kurtarma (SAR) fonksiyonu olup faal durumdaki CORPAS-SARSAT sistemine dayanmaktadır. Her Galileo uydusunda kullanıcıdan Arama ve Kurtarma Koordinasyon Merkezine acil durum sinyallerini transfer edebilen bir aktarıcı bulunacaktır. Aynı zamanda sistem, kullanıcıya durumun dikkate alındığını ve yardımın yolda olduğunu bildiren bir sinyal gönderecektir. Bu yeni özellik mevcut sistemlerle karşılaştırıldığında önemli bir üstünlük sayılmaktadır. 2.4 導 航 系 斗 导 航 系 统 Compass/BeiDou 2 北 斗 衛 卫 星 導 导 航 系 統 统 BeiDou Navigasyon Sistemi (Geleneksel Çince: ; pinyin: běidǒu dǎoháng xìtǒng) veya BeiDou (COMPASS) Navigasyon Uydu Sistemi (Geleneksel Çince: ; Basitleştirilmiş Çince: ; pinyin: běidǒu wèixīng dǎoháng xìtǒng) Çin in bağımsız bir uydu navigasyon sistemi 統 北 ; Basitleştirilmiş Çince: projesidir. Mevcut Beidou-1 sistemi (dört uydudan oluşur) deneysel olup kısıtlı kapsama ve uygulama alanına sahiptir. Ancak, COMPASS sistemiyle Çin 35 uydudan oluşan gerçek bir global uydu navigasyon sistemi geliştirmeyi planlamaktadır. (URL5) Yeni sistemde 5 tanesi yersabit yörünge (GEO) uydusu ve 30 tane de orta yer yörüngesi (MEO) uydusu bulunmakta ve global kapsama sağlayacaklardır. COMPASS, 10 servis sunacaktır; bunlardan beşi açık servisler olup diğer beşi de kısıtlı yetkili servisler olacaktır. Bu servislerin sekiz farklı taşıyıcı frekansla verilmesi öngörülmektedir. Açık servislerin 10 metrelik anlık konumlama doğruluğu sunarken yetkili (lisanslı) servisler açık servislerden daha doğruluklu olacak ve kullanıcıya sistem durumu hakkında bilgiler de sunacak. 5
2007 de 2 tane COMPASS Beidou uydusu fırlatıldı. 2012 yılına kadar Asya-Pasifik bölgesinde 2020 yılına kadar da global kapsamda kullanıcılara hizmet vermesi düşünülmektedir. Aslında 2000 yılında ilk Beidou 1 uydusu fırlatılırken yerel olması planlanan konumlama sistemi 2007 yılında Çin Devletinin politika değiştirmesiyle global ölçeğe çıkarılmıştır. Bunda ABD nin GPS sisteminin askeri hedefleri ve askeri operasyonlarda GPS kullanımının öne çıkması ve ABD nin zor (gerekli) durumlarda GPS kullanımını sınırlandıracağına dair söylemlerin etkili olduğu düşünülmektedir. hesaplanır. Bu bilgiler sonradan kullanıcıya bir SBAS uydusuyla gönderilir kullanıcı bu değerleri kendi hassas konumunu hesaplamada kullanır. Gününüzde mevcut SBAS sistemleri WAAS, EGNS ve MSAS tır. Bunlar farklı ülkeler tarafından işletilmektedir. Bunların yanı sıra ticari amaçlı işletilen OmniSTAR, Globalstar ve Starfire sistemleri de bulunmaktadır. (M. Kahveci, 2009, Kinematik GNSS ve RTK CORS Agları, Zerpa Turiz Yayıncılık) 3.1 Geniş Alan Büyütmeli Sistem (WAAS) WAAS uydu bazlı bir DGPS sistemi olup ABD tarafından işletilmektedir. WAAS, GPS sinyallerini kontrol eden yaklaşık 25 yer istasyonu ve bu istasyonlardan gelen verileri toplayıp düzelten iki referans istasyonundan oluşur. Hesaplanan düzeltmeler yer sabit (geostationary) uydulara aktarılır. Bu düzeltme bilgileri GPS benzeri sinyaller biçiminde yayınlanır. Sinyalleri alacak biçimde tasarlanmış bir GPS/WAAS alıcıyla bu düzeltmeler alınır ve konum hesabında kullanılır. Şekil 8. Compass-M1 uydusu Avrupa nın Galileo test uyduları gibi (Gİove-A ve Giove- B), Çinliler de Compass sistemi için Compass-M1 adı verilen deneysel bir uyduyu 14 Nisan 2007 de fırlattılar. Giove uyduları gibi bu uyduyu fırlatmanın ana amacı frekans tahsisi içindi. Bununla birlikte uydu sinyal testi ve geçerlilik uygulamaları için kusursuz bir test altlığı sundu. Compass sinyal yapısı hakkında çok fazla bilgi bulunmamasına rağmen bağımsız araştırmalar bir çok sırrını ortay çıkardı. Compass 4 bantta sinyal yayınlayacak: E1, E2, E5B ve E6. Compass-M1 in yörüngesi yaklaşık dairesel olup 21.150 km yüksekliğe sahiptir ve ekvatorla 55.5 o lik eğikliği vardır. 3 UYDU BAZLI ALAN BÜYÜTME SİSTEMLERİ (SBAS) Uydu Bazlı Alan Büyütme Sistemlerinde (SBAS) yeryüzünde geniş bir alana yayılmış çok sayıda referans istasyonu bir iletişim kanalıyla (internet, uydu vb.) kontrol merkezine bağlanarak izlenen uydulara ilişkin veriler ve işlemler sonucu yüksek doğrulukla koordinatlarını gönderir. Kontrol merkezinde tüm referans istasyonlardan gelen bilgilerle uydulara ait düzeltme verileri ve iyonosferik gecikme miktarları Şekil 9. WAAS Uydularının kapsama alanları 3.2 Avrupa Yersabit Navigasyon Kapsama Servisi (EGNOS) EGNOS Avrupa Birliği ne ait bir servis olup amacı GPS ve GLONASS sistemlerinin hizmet kalitesini (doğruluk, güvenirlik ve süreklilik) artırarak uçakların ve gemilerin güvenli bir biçimde rota izlemelerini sağlamaktır. EGNOS da uzay, yer kontrol ve kullanıcı birimlerinden oluşur. Uzay biriminde üç yersabit (geostationary) uydu olan AORE-E (Doğu Atlantik üzerinde), IOR-W (Hint Okyanusu üzerinde) ve Artemis (Afrika üzerinde) bulunmaktadır. Bu uydular düzeltmelerini GPS L1 frekansı üzerinden yayınlamaktadır. Sistemin yer kontrol biriminde 4 ana kontrol istasyonu (MCC) ve bir merkezi hesaplama birimi (CPF), bir merkezi kontrol birimi (CCF) ve 34 RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations) istasyonundan oluşmaktadır. 6
uydusu GSAT-4 olup 2011 yılında hizmete girmesi hedeflenmektedir. 3.5 QZSS (Kuazi Zenit Uydu Sistemi) Şekil 10. EGNOS sisteminin bileşenleri 3.3 MSAS Sistemi Japonların sivil havacılık trafiğini daha güvenilir hale getirmek ve meteorolojik gözlemler yapmak için geliştirdikleri bir sistemdir. Önce MSAT (Multifonksiyonel Ulaştırma Uyduları) olarak sistem kapsama alanı sorunlarını gidermek ve elde edilen navigasyon doğruluğunu artırmak için genişletilerek MSAS (MTSAT Uydu Bazlı Alan Büyütme Sistemi) adını almıştır. MSAS, WAAS ve EGNOS sistemlerine benzemektedir ve özellikle hava navigasyonunda GPS in Pasifik bölgesinde doğruluğunu, güvenirliğini ve sürekliliğini sağlayan bir sitemdir. MSAS uyduları yerden yaklaşık 36.000 km yüksekte yersabit uydular olup bunlar MTSAT-1R ve MTSAT-2 uydularıdır. QZSS (lakabı ve ilk uydusunun adı olan Michibiki ile de anılır), Japonların bölgesel uydu navigasyon sistemi olup halen geliştirilmektedir. Navigasyon sisteminin amacı, orijinal Japon (QZSS) sistemi sinyalleriyle birlikte GPS ile birlikte çalışan ve GPS büyütmeli sinyaller göndermektir. Üç uydu eliptik yerle senkronize yörüngede dolanmaktadır. Bu sistem konseptiyle Japonya ve Okyanusyadaki ve civarındaki kullanıcılar şehir içlerinde ve dağlık arazilerde bile kesintisiz konumlama ve navigasyon yapabilecekler. (Kogure ve Yasuda, 2009) Şekil 12 (üst) QZSS uydularının üç yersabit düzlemde gösterimi (alt) uydularının yeryüzündeki izinin genişletilmiş görüntüsü Şekil 11. MSAS sistemin çalışma şeması 3.4 GPS Destekli Yer Büyütmeli Navigasyon (GAGAN) Sistemi Hindistan hava sahasındaki uçuşlarda kesintisiz navigasyon hizmeti sağlamak amacıyla Hintliler tarafından geliştirilmiş bir sistemdir. Sistem GPS uydularını izleyip bunlara ilişkin düzelmeleri hesaplayıp doğruluk konum belirlemesi sağlamaktadır. Sistemde 8 yer referans istasyonu, bir ana kontrol merkezi ve uydulara navigasyon verisi yükleyen bir istasyondan oluşur. Sistem WAAS, EGNOS ve MSAS ile uyumlu çalışacak biçimde tasarlanmaktadır ve sistemin tek QZSS, başka bir navigasyon sisteminin (burada GPS) kullanım hacmini büyütmek amacıyla tasarlanmış olması özelliğiyle uydu navigasyon sistemleri alanında eşsiz bir yer tutmaktadır, ancak sadece yama görevi görmek kısıtlı değildir. Aksine, QZSS uyduları kapsama alanlarından optimal görüş için eliptik yerle senkronize yörüngelere yerleştirilecektir. Tamamlanmış QZSS uydu dağılımı nispeten bağımsız işleyecek; SBAS larda olduğu gibi yer kontrol göreviyle kısıtlanmak yerine GPS ve Galileo navigasyon uydularını işletecek. QZSS sistemi GPS servislerini iki şekilde artıracaktır: ilki GPS sinyallerine erişim iyileşecek ve ikincisi GPS ten elde edilen navigasyon çözümünün doğruluğu ve güvenilirliği artacak. Kuazi Zenit Uydularından gönderilen sinyaller modernize edilmiş GPS sinyallerine benzemektedir ve 7
bu nedenle GPS ile birlikte çalışması sağlanmaktadır. QZSS L1C/A, L2C ve L5 sinyalleri yayınlacaktır. Bu da alıcı tasarımlarında sinyal işleme metodolojisinde minimum değişikliğe neden olacaktır. 4. GNSS UYGULAMA ALANLARI Navigasyon: - Otomobiller/Taşıtlar: Gabrika çıkışlı ya da sonradan takılabilen navigasyon cihazlarıyla yön ve adres bulunması; taşımacılık firmalarının filo takibi amaçlı olarak araçların hızları, konumları, güzergahları gibi bilgileri edinmeleri - Uçaklar: Navigasyon sistemleri genellikle hareketli harita görüntülemekte ve çoğunlukla da otopilotla bağlantılı olarak yön ve rota tayini amaçlıdır. Kokpite monte edilen GNNS alıcıları ve dijital göstergeler artık her boyuttaki sivil uçaklarda kullanılmaya başlamış ve WASS ya da LAAS teknolojilerini kullanarak doğruluğu artırmaktadırlar. Bu sistemlerin çoğu aletli uçuş kuralları navigasyonu olarak lisanslandırılabilmekte ve son yaklaşma ve iniş için kullanılabilmektedir. Planör pilotları planör yarışlarında dönüş noktalarına varışlarını teyit eden GNSS verilerini kaydetmede GNSS Uçuş Kaydedici kullanmaktadırlar. Uçuş bilgisayarı kurulan bir çok planörler havadayken rüzgar hızını ve uçuş rotalarını, alternatif rotaları, dağ geçişlerini hesaplamada GNSS kullanmaktadırlar - Gemi ve Tekneler: Göller, denizler ve okyanuslarda yön bulmada GNSS kullanabilmektedirler. Denizcilik GNSS ünitelerinde anında konum işaretlemeye olanak veren adam denize düştü (MOB) gibi sularda kullanıma elverişli fonksiyonlar bulunmaktadır. GNSS geminin otomatik dümenine bağlanabilmekte ve NMEA 0183 arayüzü kullanarak harita çizimi yapabilmektedir. GNSS ayrıca AIS (Otomatik Tanımlama Sistemini) etkin hale getirerek gemi trafiğinin güvenliğini artırabilmektedir. - Ağır Makineler: İnşaat, madencilik ve hassas tarımda kullanılabilmektedir. GNSS tabanlı makine güdüm sistemlerinde inşaat ekipmanın bıçakları ve kepçeleri otomatik olarak kontrol edilmektedir. Tarım makineleri otomatik sürüş ya da sürücü için ekranda görsel olarak görünteleme amacıyla GNSS kullanılabilmektedir. Kontrollü trafik, ham ürün işlemleri ve ilaçlama için çok yararlı olmaktadır. Mahsül monitör destekli biçer döverler GNSS i kullanarak hasat edilen tarlanın mahsül haritasını oluşturabilmektedir. - Bisiklet : Genellikle yarışlarda ve gezilerde kulanılmaktadır. GNSS ile navigasyonla biniciler daha tenha, dar caddeleri kendi rotalarını önceden çekleyebilmekte ve bu rotayı sürekli haritaya bakma zorunluluğu olmadan izleyebilmekteler. Bazı GNSS alıcıları bisikletler için özel montaj ekipmanıyla birlikte satılmaktadır. - Dağ yürüyüşçüleri ve tırmanıcıları : Hatta yayalar şehirde ve kırsalda kendi konumlarını belirlemede ayrı haritalara başvurmadan GNSS kullanmaktadırlar. Issız bölgelerde GNSS in sunduğu hassas konum bilgileri dağcıların, dağ yürüyüşçülerinin kaza geçirmeleri ya da kaybolmaları durumunda kurtarılmalarını hızlandırmaktadır (elbette yanlarında bir iletişim cihazıyla birlikte). - Görme engelliler: Görme engelliler ya da görme yeteneği kuvvetli olmayanlar için sesli GNSS aletleri bulunmaktadır. Bunlar köpeklere de takılarak yön tayininde kullanılabilmektedir. - Uzay araçları : Günümüze uzay araçları GNSS i bir navigasyon aracı olarak kullanmaya başlamışlardır. Bir uzay aracına eklenen bir GNSS alıcısı yer kontrol ünitesi olmadan hassas yörünge belirlemeye olanak vermektedir. Bu da otomatik uzay aracı navigasyonunu, düzenli uçuş ve otomatik buluşmaya katkı vermektedir. MEO, GEO, HEO ve yüksek derecede eliptik yörüngeler için GNSS in kullanımı zayıf sinyal (15-20dB) izleme yeteneği olan alıcılarla birlikte mümkün olmaktadır. Alçak yer yörüngeli (LEO) uydular (örneğin Orbcomm) GPS alıcıları kullanmakadurlar. Ölçme ve Haritacılık: - Ölçme : Ölçü noktalarında (poligon, nirengi), binaların ve yolların inşaatında konumlama amacıyla jeodezik GNSS alıcıları kullanılmaktadır. Bu alıcılar her iki L1 ve L2 GPS frekanslarını kullanmaktadırlar. L2 kod verisi şifreli olmasına karşın taşıyıcı sinyaller iyonosferik hataların düzeltilmesinde kullanılmaktadır. Bu çift frekanslı GPS alıcıları diğer sivillerin kullandığın alıcılardan çok daha pahalıdırlar ancak cm hatta mm düzeyinde konumlama hatasıyla konumlama yapma olanağı sunmaktadırlar. - Haritacılık ve CBS: Çoğu ölçmecilik düzeyindeki GNSS alıcıları sadece L1 frekansında veriyi kullanmaktadır, fakat alıcı saati hatalarını azaltan hassas kristal osilatöre sahiptirler. Bu da 8
diferansiyel GNSS sinyaliyle gerçek zamanlı konumlama doğruluğunun bir metre ya da altında olmasına olanak tanımaktadır. Taşıyıcı faz ölçüleriyle ve büroda hesaplamayla bu alıcılarla desimetre düzeyinde doğrulukla konumlama yapmak mümkün olabilmektedir. - Jeofizik ve jeoloji : Kabuk hareketlerinin yüksek hassasiyette ölçülmesinde diferansiyel GNSS kullanılabilmektedir. Aktif olarak deforme olan alanlarda (örn. Volkan ya da fay hatlarında) çok sayıda istasyonda ölçüler yaparak gerilme ve yer hareketlerinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Bu ölçümler daha sonra deformasyonun nedenini yorumlamada kullanılabilmektedir. - Arkeoloji: Arkeologlar bir bölgede kazı yaparlarken buluntuların yerlerini ayrıntılı biçimde göstermek için genellikle kazı alanının üç boyutlu haritasını yaparlar. Diğer Kullanımlar: - Hassas zaman referansı (senkronizyon için referans saati, sismoloji amaçlı NTP, RF üreten ekipman ve ağlar için zaman doğruluklu TDMA Zaman bölüşümlü çoklu erişim) - Mobil uydu iletişimi (hareketli platformdaki antenlerin uyduya yönlendirilmesi) - Acil ve lokasyon esaslı servisler (cep telefonların konumları, rota tayini) - Lokasyon esaslı oyunlar (geocaching, geodashing oyunlarında yön ve konum tayini) - Yönlendirme bilgisi (GNSS pusulası) - İzleme (araç, insan, hayvan, gemi vb izlenmesi) - Suçluların izlenmesi (cinsel suçluların ayak bileklerini takılarak izlenmesi) - Yol ücretlendirme (kullanılan yolun tespiti ve ücretlendirilmesi) - Hava tahmini (hava yoğunluğu, sıcaklık, nem ve elektron yoğunluğu belirleme) - Fotoğrafik Jeokodlama (fotoğraflara konum ekleyerek harita ve lokasyonlara ilişkin bültenlerde yayınlama) - Paraşütle atlama (iniş noktalarının belirlenmesi) - Pazarlama (CBS ile birleştirerek yeni yerlerin açılması ve hedef kitlenin yollarının belirlenmesi) - Enkaz dalışları ( gemi enkazlarının konumları) Sosyal ağlar (arkadaşların yerleri, uyarı veren kişiye özel haritalar, krokiler (Gleason ve Gebre-Egziabher, 2009) Lokasyon Bazlı Servis (LBS) LBS bilgi ve eğlence servisi olup mobil ağlar aracılığıyla ulaşılabilen ve mobil aygıtın coğrafi konumundan yararlanmaktadır. LBS servisleri sağlık, iş, kişisel yaşam vb gibi çeşitli amaçlarla kullanılabilmektedir ve en yakın ATM nin bulunması ya da bir arkadaş veya çalışanın yeri gibi bir kişini ya da nesnenin yerini (lokasyonunu) belirlemede kullanılır. LBS ten kargo takibi, araç takibi servislerinde de yararlanılmaktadır. Kişilerin o an bulundukları yere göre doğrudan müşteri hedefli reklamların ya da kuponların sağlanmasını amaçlayan mobil ticarette de kullanılabilmektedir. Kişisel hava tahmini servisleri ve hatta lokasyon bazlı oyunlarda da kullanılabilmektedir. 5. SONUÇ Önce askeri ve savunma amacıyla gelişen global navigasyon uydu sistemleri konum ihtiyacının yaşamın her aşamasında hissedilmesinden dolayı sivil kullanıma da sunulmuştur. Nerede ya da neredeyim sorularının modern insanın hayatın önemli bir yer tutmasıyla ABD nin GPS i ve Rusya nın GLONASS sistemlerini diğer ülke ve ülkeler topluluklarının sistemleri izlemeye başlamıştır. Tamamen sivil kullanıma yönelik AB nin Galileo su ile Çin in Compass sistemleri önümüzdeki yıllarda tam kapasite çalışmaya başlayınca global uydu konumlaması alanında önemli atılımlar da gerçekleşecektir. GNSS lerin yanı sıra gücünü ve altyapısını GNSS lerden alan bunların eksik ya da yeterli olmadığı bölge ve durumlar için uydu bazlı alan büyütme sistemleri olan SBAS lar da gelişmiştir. Burada bunlarla ilgili bilgiler de sunulmuştur. GNSS lerin sunduğu konum, zaman ve hız bilgilerinden her an her yerde yararlanmak isteyen kişi ve kurumların geliştirdikleri çeşitli uygulamalar kısaca anlatılmıştır. Bu uygulamalara bakıldığında artık bu uydu bazlı konumlama sistemlerinin insan yaşamına ne denli girdiğini görmek bu sistemlerin hızla gelişmelerinin ardındaki itici gücü göstermektedir. REFERANSLAR Cordara, F., Costa, R.; Lorini, L.; Orgiazzi, D.; Pettiti, V.; Tavella, P.; Graglia, G.; Detoma, E.; Hahn, J. The generation of the experimental Galileo system time in the Galileo System Test Bed V1, Proceedings of the 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition, (2003) 9
Hu, H., Fang, L., Fu, J. Acquisition and Tracking Algorithms of GLONASS Sotfware Receiver, Key Engineering Materials, Vol. 439-440, 1415-1420, (2010) Gleason, S. ve Gebre-Egziabher, D. GNSS Applications and Methods (Eds), Artech House Publishers ISBN 978-1-59693-329-3 (2009). Gökalp, E. ve Boz, Y. Avrupanın Global Navigasyon Uydu Sistemi: GALILEO, HKMO jeodezi, jeoinformasyon ve arazi yönetimi dergisi, sayı 94, pp.3-8, (2006). Kahveci, M. Kinematik GNSS ve RTK CORS Ağları, Zerpa Turiz Yayıncılık), (2009) Kahveci, M. ve Yıldız, F. GPS: Teori Uygulama, 2. Baskı, Nobel Yayın Dağıtım, Istanbul, (2005) Kogure, S. Ve Yasuda, A. Status and Future Plans for QZSS, ENC-GNSS, Napoli, İtalya (2009) Mekik, Ç. Küresel Konumlama Teknikleri, Dersnotu, Z. Karaelmas Üniversitesi, (2008). Mekik, Ç. ve Arslanoğlu, M. Gerçek Zamanlı Kinematik GPS Konumlarının Duyarlık Analizi ve Bir Örnek Uygulama, 9. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı, 437-445, Ankara, (2003). URL1 : http://www.positim.com/others.html, High Accuracy GNSS Solutions and Services, 2010 URL 2: http://www.buzzle.com/articles/ development-gps.html, The Development of GPS, 2010. URL 3: http://www.spirent.com/planet- Spirent/Media_Room/Press-Releases/09-21- 09.aspx, Spirent Showcases New Developments in GPS/GNSS Testing, 2010 URL 4: http://en.wikipedia.org/wiki/glonass, GLONASS, 2010. URL 5: http://www.sinodefence.com/space/ spacecraft/beidou2.asp, Compass (Beidou 2) Satellite Navigation System, (2010) 10