navigasyon_gps_uyg_1_

SELÇUK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK-MİMARLIK FAKÜLTESİ JEODEZİ VE FOTOGRAMETRİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

NAVİGASYON AMAÇLI GPS UYGULAMALARI (1) (SEÇMELİ DERS)

Yrd.Doç.Dr. İbrahim KALAYCI

DERS ĠÇERĠĞĠ •GĠRĠġ

•KONUMSAL BĠLGĠ TEKNOLOJĠLERĠNE GENEL BAKIġ GPS Uzaktan Algılama Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS)

•GPS HAKKINDA GENEL BĠLGĠLER NAVĠGASYON AMAÇLI UYGULAMALARDA CBS’NĠN YERĠ •NAVĠGASYON AMAÇLI UYGULAMALARDA UZAKTAN ALGILAMANIN YERĠ

 GPS UYGULAMALARININ GELECEKTEKĠ TRENDĠ

 GPS GÖZLEM TEKNĠKLERĠ

ARAÇ TAKĠP SĠSTEMLERĠ a)Online Sistemler b) Offline Sistemler Donanım Araç Kiti GPS Veri İletişim Modülü Merkez Kiti Yazılım Sayısal Altlık Maliyet Uygulamalar

PERSONEL TAKĠP SĠSTEMLERĠ Donanım  GPS Entegreli Cep Telefonu GPS Entegreli Pocket PC Veri İletişim Modülü Merkez Kiti Yazılım Sayısal Altlık Maliyet Uygulamalar

HAYVAN TAKĠP SĠSTEMLERĠ (Animal Tracking) Donanım  GPS ve Modem Entegreli Tasma (Boyunluk) Merkez Kiti Yazılım Sayısal Altlık Maliyet Uygulamalar

MOBĠL HARĠTALAMA TEKNĠKLERĠ • GPS+Total Station Uygulamalar • GPS+Laser Scaning+Digital Kamera • GPS+LİDAR

INDOOR GPS Uygulamalar覺

Hassas Tar覺m Uygulamalar覺

GPS Global Positioning System (GPS)

GPS‘in Tarihsel Gelişimi-1  

 





Ġlk çalıĢmalar 1960’lı yıllarda baĢladı.

1973 : TRANSĠT sisteminin üzerine uydu navigasyon sistemi geliĢtirilmesine karar verildi.

1974-1979: Sistem test edildi.

1977: Ġlk GPS uyduları yörüngeye yerleĢtirilmeden önce ilk alıcı testleri yapıldı. Yeryüzüne Pseudo Satellites (Pseudolites) olarak isimlendirilen yapay sinyal göndericiler yerleĢtirildi.

1978-1985: Bu peryotta Blok-I uydularından toplam 11 adet uydu fırlatıldı.

1979: GPS Sisteminin geniĢletilmesine karar verildi.

Fakat finansal kaynaklar oldukça kısıtlıydı ve program yeniden inĢaa edildi. Önce yalnızca 18 uydu iĢletilebildi.

Fonksiyonel olarak 18 uydu yeterli olmadığı için 1988’de uydu sayısı planlandığı gibi 24’e yükseltildi.

GPS‘in Tarihsel Gelişimi-2 1980 : Atomik patlamaları belirlemek için sensörler taĢıyan ilk Blok-I uyduları fırlatıldı. Bu uydular A.B.D. Ve Sovyet Rusya arasında 1963 yılında imzalanan denizaltı ve havadaki nükleer testlerin kontrolünü içeren antlaĢmanın denetlenmesi anlamına gelmektedir. 1980-1982 : Sponsorlar tarafından sistemin getirisi ( faydası ) defalarca sorgulandığı için finansal (parasal) durum kritikleĢti. 1983 : Kore havayollarına ait bir sivil uçak Sovyet hava sahasında kaybolmasının ardından yere çakılmasından sonra, sivillerin de GPS sistemini kullanmalarına karar verildi. 1986 : Blok-II GPS uydularını yörüngelerine taĢıması planlanan uzay mekiği “Challenger” da yaĢanan kaza, GPS sistemi programını geriye götürdü. Sonunda GPS uydularının taĢınması iĢi Delta roketleriyle planlandı ve GPS sistemi programı eski haline geri döndürüldü.

GPS‘in Tarihsel Gelişimi-3 1989 : İlk Blok-II uyduları kuruldu ve aktive edildi. 1990-1991 : Körfez savaşı sırasında Selective Availability (SA) geçici olarak kaldırıldı. Bu peryotta askeri alıcıların yeterli olmaması nedeniyle sivil alıcılar da kullanıldı.

(SA) 1 Temmuz 1991 de yeniden aktive edildi. 08.12.1993 : Dünyada yaygın sivil kullanıcılara yetki verilmesi kararlaştırıldı. Mart 1994 : Son Blok-II uyduları da gönderilerek uydu yapısı tamamlandı.

GPS‘in Tarihsel Gelişimi-4  17.07.1995 : Full Operational Capability (FOC) kamuoyuna duyuruldu.  01.05.2000 : Sonunda (SA) tamamıyla kaldırıldı ve böylece sivil kullanıcılar için doğruluk 100m den 20m‘ye kadar iyileştirildi.  2004 : 20.03.2004‘de 50. GPS uydusu fırlatıldı.

A.B.D. Hükümeti Avrupa Birliğinde kurulan GPS ve Galileo sistemleriyle ilgili ortak çalışma grubuyla tarihi bir sözleşme imzaladı.  Ekim 2004 : Qualcomm (A.B.D.‘de önde gelen mobil iletişim şirketi) mobil telefonlar için ―AssistedGPS‖ testlerinin başarıyla gerçekleştirildiğini duyurdu.

GPS‘in Tarihsel Gelişimi-5  25.09.2005 : İlk modernize edilmiş (Blok-IIRM) GPS uyduları fırlatıldı. Bu yeni tip uydular yeni askeri (M) sinyalini ve ikinci sivil sinyal olan ve kullanıcı performansını arttıran (L2C)‘yi desteklemektedir. 14.09.2007 : Eskimiş olan Yer Ana Kontrol sistemi mimarisinin yenilenmesi planlandı.  15.03.2008 : Mevcut son uydu gönderildi.

2009 Mar 24 : GPS Block IIRM-7/IIR-20M fırlatılması pl 2009 Aug 17 : GPS Block IIRM-8/IIR-21M fırlatılması (Güncel son fırlatılan uydu)

2009 Oct 22 :

possible launch of GPS Block IIF-1, which is scheduled to be the first GPS SV with L5 capability.

2010 feb : possible launches of GPS Block IIF-2 — IIF-9 2012 sonuna kadar Blok IIF uydularının fırlatılmasının tamamlanacağı planlanmaktadır.

2014 de ilk Blok IIIA uydularının fırlatılmasına başlanacak 2009 ağustos ayı sonu itibariyle toplamda iĢletilen 31 GPS uydusu mevcuttur.

GPS‘in Temel Esasları

• GPS nedir?

• GPS nasıl çalışır?

GPS Nedir?

• NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging System) 1970‘li yılların başında A.B.D.nin askeri ihtiyaçları • İlk uydu 1978 yılında fırlatılmış • Tam kapasiteli ilk uydu Nisan 1995 • 24 Uydu+4 yedek uydu • Konumlama, Navigation, zaman • Tüm hava şartlarında 24 saat hizmet • Konum bilgisi gereken tüm uygulamalarda kullanılabilir

GPS Nasıl Çalışır?

(Konum hesaplama)

• GPS alıcısı kendi konumunu uydulara olan uzaklığını ölçerek hesaplar.

Uydulara olan Uzaklığın Ölçülmesi(1) • 1. Sinyalin uydu ile GPS alıcısı arasında seyahatindeki zamanı ölçme

• 2. Işık hızı x seyehat süresi = Uzunluk • 3D konumlama (latitude, longitude and altitude) için en az 4 uyduya ait uzunluk ölçüsüne gereksinim vardır.

Uydulara olan Uzaklığın Ölçülmesi (2) • Uzaklık Ölçümü başlama: 0.00 s

bitiş: 0.06 s

Ölçülenler ( Değişkenler) • • • •

Latitude (Enlem) Longitude (Boylam) Altitude (Yükseklik) Time (Zaman)

GPS‘in Bölümleri UZAY

KULLANICI

KONTROL

Uzay Bölümü: GPS Uyduları • 5 m genişliğinde 900 kg ağırlığında 28 uydu • Güç – Güneş paneli – Nicad piller

• Zamanlama – 4 atomic saat

Block I

Date

Rocket

Type

Serial-No.

Launch site

Satellite

SVN

PRN

Outcome

1978-02-22

Atlas F

VAFB SLC-3E

NAVSTAR 1 [1]

01

Success

1978-05-13

Atlas F

VAFB SLC-3E

NAVSTAR 2 [2]

02

Success

1978-10-06

Atlas F

VAFB SLC-3E

NAVSTAR 3 [3]

03

Success

1978-12-10

Atlas F

VAFB SLC-3E

NAVSTAR 4 [4]

04

Success

1980-02-09

Atlas F

VAFB SLC-3E

NAVSTAR 5 [5]

05

Success

1980-04-26

Atlas F

VAFB SLC-3E

NAVSTAR 6 [6]

06

Success

1981-12-18

Atlas F

VAFB SLC-3E

NAVSTAR 7

07

Failure

1983-07-14

Atlas F

VAFB SLC-3W

NAVSTAR 8 [7]

08

Success

1984-06-13

Atlas E

VAFB SLC-3W

NAVSTAR 9 [8]

09

Success

1984-09-08

Atlas F

VAFB SLC-3W

NAVSTAR 10 [9]

10

Success

1985-10-09

Atlas E

VAFB SLC-3W

NAVSTAR 11 [10]

11

Success

NAVSTAR 12

12

Never launched

Remarks First GPS launch

Block II

Date

SerialNo.

Launch site

Satellite

SV N

PR N

Outcom e

Rocket

Type

1989-0214

Delta II

6925

184

CCAFS LC-17A [11]

NAVSTAR II-1 [12]

14

Success

1989-0610

Delta II

6925

185

CCAFS LC-17A

NAVSTAR II-2 [13]

13

Success

1989-0818

Delta II

6925

186

CCAFS LC-17A

NAVSTAR II-3 [14]

16

Success

1989-1021

Delta II

6925

188

CCAFS LC-17A

NAVSTAR II-4 [15]

19

Success

1989-1211

Delta II

6925

190

CCAFS LC-17B

NAVSTAR II-5 [16]

17

Success

1990-0124

Delta II

6925

191

CCAFS LC-17A

NAVSTAR II-6 [17]

18

Success

1990-0326

Delta II

6925

193

CCAFS LC-17A

NAVSTAR II-7 [18]

20

Success

1990-0802

Delta II

6925

197

CCAFS LC-17A

NAVSTAR II-8 [19]

21

Success

1990-1001

Delta II

6925

199

CCAFS LC-17A

NAVSTAR II-9 [20]

15

Success

Remarks

First Delta II launch

Block IIA

Date

Rocket

Type

Serial-No.

Launch site

Satellite

SVN

PRN

Outcome

1990-11-26

Delta II

7925

201

CCAFS LC-17

GPS IIA-1 [21]

23

32

Success

1991-07-04

Delta II

7925

206

CCAFS LC-17

GPS IIA-2 [22]

24

24

Success

1992-02-23

Delta II

7925

207

CCAFS LC-17

GPS IIA-3 [23]

25

25

Success

1992-04-10

Delta II

7925

208

CCAFS LC-17

GPS IIA-4 [24]

28

1992-07-07

Delta II

7925

211

CCAFS LC-17

GPS IIA-5 [25]

26

26

Success

1992-09-09

Delta II

7925

214

CCAFS LC-17

GPS IIA-6 [26]

27

27

Success

1992-11-22

Delta II

7925

216

CCAFS LC-17

GPS IIA-7 [27]

32

Success

1992-12-18

Delta II

7925

217

CCAFS LC-17

GPS IIA-8 [28]

29

Success

1993-02-03

Delta II

7925

218

CCAFS LC-17

GPS IIA-9 [29]

22

Success

1993-03-29

Delta II

7925

219

CCAFS LC-17

GPS IIA-10 [30]

31

Success

1993-05-13

Delta II

7925

220

CCAFS LC-17

GPS IIA-11 [31]

37

Success

Success

Remarks

1993-06-26

Delta II

7925

221

CCAFS LC-17

GPS IIA-12 [32]

39

09

Success

1993-08-30

Delta II

7925

222

CCAFS LC-17

GPS IIA-13 [33]

35

05

Success

1993-10-28

Delta II

7925

223

CCAFS LC-17

GPS IIA-14 [34]

34

04

Success

1994-03-10

Delta II

7925

226

CCAFS LC-17

GPS IIA-15 [35]

36

06

Success

1996-03-28

Delta II

7925

234

CCAFS LC-17

GPS IIA-16 [36]

33

03

Success

1996-07-16

Delta II

7925A

237

CCAFS LC-17

GPS IIA-17 [37]

40

10

Success

1996-09-12

Delta II

7925A

238

CCAFS LC-17

GPS IIA-18 [38]

30

30

Success

Block IIR

Date

Rocket

Type

Serial-No.

Launch site

Satellite

SVN

PRN

Outcome

1997-01-17

Delta II

7925-9.5

241

CCAFS LC-17

GPS IIR-1

42

Destroyed 13 s after liftoff

1997-07-23

Delta II

7925-9.5

245

CCAFS LC-17

GPS IIR-2 [39]

43

13

Success

1999-10-07

Delta II

7925-9.5

275

CCAFS LC-17

GPS IIR-3 [40]

46

11

Success

2000-05-11

Delta II

7925-9.5

278

CCAFS LC-17

GPS IIR-4 [41]

51

20

Success

2000-07-16

Delta II

7925-9.5

279

CCAFS LC-17

GPS IIR-5 [42]

44

28

Success

2000-11-10

Delta II

7925-9.5

281

CCAFS LC-17

GPS IIR-6 [43]

41

14

Success

2001-01-30

Delta II

7925-9.5

283

CCAFS LC-17

GPS IIR-7 [44]

54

18

Success

2003-01-29

Delta II

7925-9.5

295

CCAFS LC-17

GPS IIR-8 [45]

56

16

Success

2003-03-31

Delta II

7925-9.5

297

CCAFS LC-17

GPS IIR-9 [46]

45

21

Success

2003-12-21

Delta II

7925-9.5

302

CCAFS LC-17

GPS IIR-10 [47]

47

22

Success

2004-03-20

Delta II

7925-9.5

303

CCAFS LC-17

GPS IIR-11 [48]

59

19

Success

2004-06-23

Delta II

7925-9.5

305

CCAFS LC-17

GPS IIR-12 [49]

60

23

Success

2004-11-06

Delta II

7925-9.5

308

CCAFS LC-17

GPS IIR-13 [50]

61

02

Success

Remarks

Block IIR-M

Date

Rocket

Type

Serial -No.

SVN

PRN

Outcom e

Launch site

Satellite GPS IIR-M-1 [52]

53

17

Success

2005-0926

Delta II

79259.5

313

CCAFS SLC17

2006-0925

Delta II

79259.5

318

CCAFS SLC17

GPS IIR-M-2 [53]

52

31

Success

2006-1117

Delta II

79259.5

321

CCAFS SLC17

GPS IIR-M-3 [54]

58

12

Success

2007-1017

Delta II

79259.5

328

CCAFS SLC17

GPS IIR-M-4 [55]

55

15

Success

2007-1220

Delta II

79259.5

331

CCAFS SLC17

GPS IIR-M-5 [56]

57

29

Success

2008-0315

Delta II

79259.5

332

CCAFS SLC17

GPS IIR-M-6 [57]

48

07

Success

2009-0324

2009-0817

Delta II

Delta II

79259.5

79259.5

340

343

CCAFS SLC17

CCAFS SLC17

GPS IIR-M-7 [58]

GPS IIR-M-8

49

50

01

05

Remarks First to broadcast GPS modernization L2C signal.

Success

Will broadcast demonstration GPS modernization L5 signal.

Success

L5 services disconnected from J2 port before launch.

Final Delta II launch with an Air Force payload.

Block IIF

Date

Rocket

Type

Serial-No.

Launch site

Satellite

2009-10-22 Delta IV

Medium

CCAFS SLC-37B GPS IIF-1

2010-02

Atlas V

401

CCAFS SLC-41

GPS IIF-2

2010

Atlas V

401

CCAFS SLC-41

GPS IIF-3

2010

Atlas V

401

CCAFS SLC-41

GPS IIF-4

2010

Delta IV

Medium

CCAFS SLC-37B GPS IIF-5

2010

Atlas V

401

CCAFS SLC-41

GPS IIF-6

2010

Atlas V

401

CCAFS SLC-41

GPS IIF-7

2010

Atlas V

401

CCAFS SLC-41

GPS IIF-8

2011

Delta IV

Medium

CCAFS SLC-37B GPS IIF-9

2011

Delta IV

Medium

CCAFS SLC-37B GPS IIF-10

2011

TBD

TBD

TBD

GPS IIF-11

2012

TBD

TBD

TBD

GPS IIF-12

Remarks

Block IIIA

Date

Rocket

Type

2014

TBD

TBD

Serial-No.

Launch site

Satellite

CCAFS (TBR)

GPS IIIA-1

Remarks

GPS Uydular覺n覺n Son Durumu

Block

Launch Period

Satellites launched

Currently in service

I

1978–1985

10+11

0

II

1985–1990

9

0

IIA

1990–1997

19

11

IIR

1997–2004

12+11

12

IIR-M

2005–2009

6+2

8

IIF

2009–2011

0+102

0

IIIA

2014–?

0+123

0

IIIB

0+83

0

IIIC

0+163

0

58+21+102+363

31

Total 1Failed 2In

preparation (HAZIRLIK AŞAMASI) 3Planned.

(Last update: 26 Aug 2009)

Uydu Yörüngeleri • 6 Yörünge düzlemi • Yörüngeler yeryüzüne yaklaşık 20,200 km uzakta • Uydular yörünge üzerindeki turlarını yaklaşık 12 saatte (11 saat 58 dk.) tamamlar • Uydular hergün yaklaşık olarak 4 dakika daha erken doğar

Uydu Sinyalleri (1) • GPS uyduları 2 frekansta radyo sinyali yayınlar – L1: 1575.42 Mhz (C/A (Coarse/Acquisition ) ve P(Korumalı Protected code) kod /Y code) – L2: 1227.60 Mhz (P/Y code)

• 2 Servis Sağlayıcı – Standard Positioning Service (SPS) – Precise Positioning Service (PPS)

Uydu Sinyalleri (2) • Radyo sinyalleri; – Birbirine benzemeyen pseudorandom kod – Ephemeris bilgisi – Saat ve saat düzeltme bilgisi – Sistem zamanı – Durum mesajı – Almanac bilgisi

Uydu Sinyalleri (3) • Uydu sinyallerinin GPS alıcısına doğrudan ulaşması gerekir.

• Sinyaller su, toprak, duvar ve diğer engellerden geçemezler.

Uydu Almanac • Konumlama ve zaman mesajı bilgileri birlikte gönderilir.

• Tüm uydu yörüngelerinin kestirimi • Satellite availability software yazılımı • Mission Plannning (Görev Planlaması) • Yaklaşık 30 gün geçerlidir.

Uydu Konumlama 1 Uydu

2 Uydu

3 Uydu

Latitude Longitude

Latitude Longitude Height

Uydu Konumlama 4 uydu

Latitude Longitude Height

Time

veya X, Y, Z, t

Kontrol Bölümü: US DoD (Department of Defence) İzleme İstasyonları

Colorado Springs Hawaii

Kwajalein Ascension Diego Garcia

U.S. DoD İzleme İstasyonları • Yörüngeler hassas olarak ölçülür • Kestirilen yörünge bilgileri (almanac) ile gerçek yörünge bilgileri arasındaki farklılıklar uyduya geri gönderilir.

Dilution of precision (DOP) • Daha geniş yayılmış uydular daha iyi duyarlılık verir

Dilution of precision (DOP) Duyarlılık bozukluğu • En güzel uydu dağılımı en güzel geometriyi oluşturur.

• DOP‘un düşük olmasını isteriz.

• DOP: – HDOP: Duyarlılığın Yatay Bozukluğu – VDOP: Duyarlılığın Düşey Bozukluğu – PDOP: Duyarlılığın Konum Bozukluğu (HDOP+VDOP) – TDOP: Duyarlılığın Zaman Bozukluğu – GDOP: Duyarlılığın Geometrik-Konum-Zaman Bozukluğu ( PDOP + TDOP)

Atmosferik Etkiler • Boşluktaki ışık hızı 299,792,458 m/s • Iyonosferik etkiler: ışığın iyonlaşması • Troposferik etkiler: su buharı • Işık kırılır veya yansır

Saat Hataları • Alıcı saat hatası çoğunlukla alıcıdaki yazılımla düzeltilir.

• Uydu saat hataları –Uydu saat hataları izleme istasyonları tarafından sürekli izlenir ve düzeltme verileri gönderilerek düzeltilir.

Basic Civil Positioning: Before May 2000

100 m

GPS I, GPS II A, &GPS II R • C/A Code on L1 • Selective Availability On

Basic Civil Positioning: (2000-2005)

6-11 m

GPS II R • C/A Code on L1 • Selective Availability Off

Basic Civil Positioning: By 2008

3-5 m

GPS II R(M) • C/A Code on L1 • Civil Code on L2

Basic Civil Positioning: By 2014

1-3 m

GPS II F • C/A Code on L1 • Civil Code on L2 • New Code on L5

Basic Civil Positioning: 2018

?

GPS III Full Operational Capability

Modernized Signal Evolution C/A

Present Signal

P(Y)

P(Y)

(Block II/IIA/IIR)

2nd

M

Civil; M-Code

P(Y)

Block IIR-M

M

C/A

C/A

P(Y)

(IOC: 2008; FOC: 2010)

3rd

M

Civil

C/A

P(Y)

Block IIF

M

C/A

P(Y)

(IOC: 2012; FOC 2014)

1176 MHz (L5)

1227 MHz (L2)

1575 MHz (L1)

GPS’in Modernizasyonu

Modernization Block IIA/IIR

IIA / IIR: Basic GPS • C/A civil signal (L1C/A) • Std Service, 16-24m SEP • Precise Service, 16m SEP • L1 & L2 P(Y) nav

Block IIR-M, IIF

IIR-M: IIA/IIR capabilities & • 2nd civil signal (L2C) • New military code • Flex A/J power (+7dB)

Block III

III: IIF capabilities & • Improved civil signal (L1C) • Increased accuracy (4.8-1.2m) • Navigation surety  Increased A/J power (+20 dB)

IIF: IIR-M capability plus • 3rd civil signal (L5)

GPS modernization balances military and civil needs

2. Sivil Sinyal (L2C) L2C

1227.6 MHz

• Aralık 2005 den buyana ücretsiz olarak hizmet vermektedir.

• ġu anda 2 (Blok IIR-M) uydu bu hizmeti vermektedir.

• Bu tarihten sonra fırlatılacak bütün GPS uyduları bu hizmeti verecektir.

• L1 frekansı üzerindeki C/A nın bazı sınırlamalarını ortadan kaldıracaktır.

• Ticari ihtiyaçları karşılamak için tasarlanmıştır.

• İonosferik düzeltmelere imkan sağladığı için yüksek doğruluk sağlanacaktır.

• Indoor kullanıma imkan sağlamaktadır.

• Alıcıların boyutlarının küçültülmesine ve daha hızlı sinyal alımına imkan sağlamaktadır.

• Daha etkin güç ve iyileştirilmiş veri yapısı, diğer radyo sinyalleriyle karışımı azaltmaktadır.

• L2 frekanslı (çift frekanslı) ucuz alıcılar bu sinyalden yararlanmaktadır.

• 5 milyar $ ‗ın üzerinde bir Pazar genişlemesi beklenmektedir.

• Yer kontrol Sisteminin güncellenmesi ve Blok IIR-M uydularının atılmaya devam edilmesiyle daha fazla fayda sağlanacaktır.

• Tracking (izleme) kapasitesini arttıracaktır (yaklaşık 3dB veya daha fazla).

3. Sivil Sinyal (L5) L5

1176.45 MHz

• Blok IIF uydularıyla birlikte hizmet verecek.

• UlaĢım güvenliğinin artan ihtiyaçlarını karĢılamak için tasarlanmıĢtır.

• Diğer sivil GPS sinyallerinden daha güçlüdür (L1’e göre 6dB daha güçlü).

• Radyo bant genişliğinin fazla olması sinyal karışımına karşı direnci artırmaktadır.

• En az 20MHz broadcast genişliğe sahiptir.

• Havacılık Radyo Navigasyon Servisinin (ARNS) yüksek derecede korunmuş bandını kullanmaktadır.

• Yeni sinyal yapısı performansı arttırmaktadır.

• Global olarak (multi-signal) tekniğiyle santimetre (cm) seviyesinde doğruluk elde edilebilmektedir.

• GALILEO‘nun E5-A sinyali ile birlikte işletilebilmektedir.

4. Sivil Sinyal (L1C) L1C

1575.42 MHz

• Bu hizmet GPS Blok III uydularıyla verilmeye baĢlanacaktır.

• Farklı Uluslar arası GNSS sistemlerinin birlikte çalıĢtırılabilirliğinin sağlamak için tasarlanmıĢtır.(Galileo’nun Open Service, Japonya’nın QZSS ve muhtemelen GLONASS)

• L1 frekansının modernizasyonuyla gerçekleşecektir (ARNS bandı, İyileştirilmiş kod ve taşıyıcı dalga, yeni mesaj yapısı).

• L1 (C/A), geçmişle uyuşumu sağlamak amacıyla devam ettirilecektir.

GPS III • GPS sisteminin modernizasyonu kapsamında en son geleceği noktadır.

• İlk uydusu 2013 de fırlatılması düşünülmektedir.

• Sivil kullanıcılar GPS IIR-M ve GPS IIF uydularının kombinasyonuyla L2C ve L5 ve L1C sinyallerini bu uydulardan alabileceklerdir.

• Bu uyduların göndereceği L1C sinyalini GALILEO ve QZSS de kullanabilecektir.

• GPS sisteminin doğruluğunda önemli bir artış sağlanacaktır.

• Sinyal karışımına karşı direnç artacaktır.

• Günümüzdeki mevcut alıcılar sistemle uyuşumlu olacaktır.

• GALILEO nun Open Service ile birleşme imkanı olacaktır.

• Gelecek 30 yılda GPS kullanıcılarına en iyi GPS sistemini sağlayacaktır.

• Askeri ve sivil ihtiyaçları en iyi şekilde karşılayacaktır.

• Sistemin performans doğruluğu, erişilebilirliği, bütünlüğü ve güvenirliği artacaktır.

• Sivil ve askeri kullanıcılar için farklı spektral bölgeler kullanılacaktır.

• Askeri harekat (savaş) bölgesi dışındaki bölgelerde sivil kullanıcılar korunacaktır.

• Yeni ticari fırsatlar sağlayacaktır.

• Diğer GNSS sistemleriyle birleşme imkanı sağlayacaktır.

Uydu Almanac • Konumlama ve zaman mesajı bilgileriyle birlikte gönderilir.

• Tüm uydu yörüngelerinin kestirimi • Satellite availability software yazılımı • Yaklaşık 30 gün geçerlidir.

Kontrol Bölümü Kontrol bölümü, Ana Kontrol ve Gözlem Ġstasyonlarından oluĢmaktadır. 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. Ana Kontrol Ġstasyonu ( 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 Ġstasyonları, presizyonlu cesium saatler ve P kod alıcılar ile yaptıkları gözlemleri uydu yörüngelerini belirlemede kullanırlar. Yer Kontrol Ġstasyonları, gözlem istasyonları ile aynı yerde konuĢlandırılmıĢlardır. Uydulara yükleme yapacak Ģekilde yer antenleri ve haberleĢme hatları ile donatılmıĢlardır.

USAF & NGA Monitor Stations Legacy - Accuracy Improvement Initiative

GPS Monitor Stations USAF Site (5)

NGA Site, AII (6) NGA Site, future-AII (5)

ď Ž

The National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) (GPS monitoring stations)

U.S. DoD İzleme İstasyonları • Yörüngeler hassas olarak ölçülür • Kestirilen yörünge bilgileri (almanac) ile gerçek yörünge bilgileri arasındaki farklılıklar uyduya geri gönderilir.

Kullanıcı Bölümü GPS uydularından yayılan sinyaller üzerinden bilgileri alarak yeryüzündeki bir noktanın konumlanmasını sağlayan alıcılar, GPS sisteminin kullanıcı bölümünü oluĢtururlar. Böyle bir gözlem seti Ģu bölümlerden oluĢur ; GPS alıcısı ve yazılımı GPS anteni ve anten kablosu Alet sehpası Batarya Üç ayak düzeç (tribrach) GüneĢ panelleri

GPS sisteminin kullanıcı bölümü

Alıcılar, günümüzde GPS alıcıları tek frekanslı ve çift frekanslı olmak üzere iki tip üretilmektedir. Alıcının iĢlevi osilatörde üretilen sinyali, anten aracılığıyla alınan GPS sinyali ile Sinyal iĢlemcide karĢılaĢtırarak sonucu mikro iĢlemciye gönderir ve burada kod ve faz ölçüleri oluĢturur. Bu ölçüler kayıt ünitesine gönderilerek kaydedilir. Bir GPS alıcısının iĢlevsel yapısı Ģekil ’de gösterilmiĢtir.

Tek Frekanslı : L1 ve C/A-Kod Çift Frekanslı : L1, L2 ve C/A ayrıca P(Y)-Kod

Alıcı antenlerinin kullanılan çok çeĢitli 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 ulaĢmasına mani engellerden alıcı antenini korumak ve anteni sabit nokta üzerine sabitlemek için kullanılır. Üç ayak düzeç (tribrach), anten ile sehpanın birbiriyle irtibatını ve antenin düzeçlenmesini sağlayan bir donanımdır. Optik çekül ve küresel düzeç ile donatılmıĢtır.Batarya sistemin çalıĢabilmesi için gerekli olan enerjiyi sağlayan donanımdır. GüneĢ panelleri ise sistemin kullandığı bataryaları gün ıĢığında Ģarj etmek için kullanılırlar. 24 saat veri toplanmasını gerektiren yüksek doğruluklu konum belirleme çalıĢmalarında önemli bir yeri vardır.

GPS Accuracy SIS Psuedo Range Error (meters 1-σ)

3,5

3,0

2,5

1996 Today With AII (2005) IIF (2010) GPS III (2018)

2,0

1,5

1,0

0,5

110,0 May 99

92

GPS‘in Modernizasyonu Increasing System Capabilities Increasing Civil/Defense Benefit L2C on L2 Basic GPS

Full Civil Rqmts Add’l Capabilities

New Civil Signal – L5

SA Set to 0

GPS III GPS IIR-M, IIF GPS IIA/IIR • Standard Service (~100 m) • Precise Service (~16 m) • Two Nav frequencies L1: Civil (C/A) & Precise code, Navigation L-2: P-code Nav

IIR-M: Improved on all IIA capabilities and added • 2nd Civil Signal on L2 • New L1 & L2 M-Code IIF: IIR-M capability and: • Add 3rd Civil Signal on L5

GPS-III: • Increased power (+20dB) • Increased Accuracy • Greater Availability • Controlled Integrity • Greater Survivability

Kullanıcı Ünitesi

GPS Uygulamalar覺 GPS in a golf ball?

In Field Set-Up GPS Satellites

GSM medium

Data Display Operation

GPS Market 1% 1%

Car Navigation

4% 19 %

30 %

Consumer Tracking/MC OEM Survay/Mapping

4%

Aviation 18 %

23 %

Marine Military

European GNSS (Global Navigation Satellite System) Market 2005 Surveying 1%

Augmentation 1% Fleet Mgt Leisure 1% 1%

Aviation 1%

Car Navigation 23% Mobile Phones 73%

Market Size â‚Ź6Bn

Other Global Navigation Satellite Systems (GNSS) • GLONASS – Rusya

• GALILEO – Avrupa Birliği

GLONASS Hemen hemen GPS'le eşzamanlı olarak o zamanki adıyla SSCB'nin geliştirdiği benzer amaçlı diğer bir sistem de GLONASS'tır.

Mali imkansızlıklar yüzünden GPS kadar sağlıklı işletilemese de halen kullanılan bir sistemdir. Aktif olarak çalışması amaçlanan 21+3 yedek uydudan, 2007 sonu ile ancak 18 adedi hizmet verebilmektedir.

Global Navigation Satellite Systems

GPS

GLONASS

Characteristic of GPS and GLONASS Systems.

System

GPS (American)

GLONASS (Russian)

Constellation Number of satellite Number of orbital planes Orbital inclination (deg) Orbital radius (km) Period (hr:min) Ground track repeat

24 6 55 26,560 11:58 sidereal day

24 3 65.8 25,510 11:16 8 sidereal days

Signal Characteristics Carrier signal (MHz)

L1:1575.42 L2:1227.60

Code

CDMA C/A code on L1 P code on L1 and L2 C/A code:1.023 P code:10.23

Code frequency (MHz)

L1:(1602+0.5625n), L2:(1246+0.4375n), n=1,2,‌..,24 FDMA C/A code on L1 P code on L1 and L2 C/A code: 0.511 P code: 5.11

Reference standards Co-ordinate System Time

WGS84 UTC(USNO)

PZ90 UTC(SU)

Accuracy specification (95%) Horizontal (m) Vertical (m)

100 140

100 250

GALILEO Henüz tamamlanmayan, ancak karar verilirse 2008 yılında bitmesi amaçlanan ve 3 milyar €‗ ya mal olacağı tahmin edilen Avrupa'nın küresel yer bulum sistemi de Galileo'dur. Bu değerdeki bir yatırımın yaratacağı pazarın oluşturması umulan vergi gelirinin bundan kat kat fazla olacağına kesin gözüyle bakılmaktadır.

GALILEO is not expensive.

The price is equivalent to that of some 150 kilometres of semi-urban motorway or the cost of just one track of the main tunnel for the future high-speed rail link between Lyon and Turin.

GNSS availability • Today – 31 GPS satellites – 18 GLONASS satellites

• In 5+ years – 37 GPS satellites – 24 GLONASS satellites – 30 GALILEO satellites

Comparison of GNSS systems

GPS • • • •

GALILEO

6 orbital planes – 3 orbital planes 31 satellites – 27 satellites + 3 55° inclination angle spare altitude 20200 km – 56 ° inclination angle – altitude 23616 km

GLONASS • • • •

3 orbital planes 21 satellites + 3 spare 64.8° inclination angle altitude 19100 km

Other Systems • • • • • • •

BEDIOU WAAS LAAS EGNOS MSAS JPALS LORAN

WAAS • Wide Area Augmentation System (WAAS) – Covers North America – South America could be covered later

• Utilizes GPS but augments it with additional satellite information – Use geostationary satellites • International Maritime Satellite (Inmarsat)

– Provides additional reliability and accuracy

• Used for aircraft navigation – Not necessarily for takeoff and landing

WAAS SYSTEM

EGNOS • European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS) • European version of WAAS – Covers all of Europe and North Africa – Could be extended to cover all of Africa and Middle East

• Will eventually be superceded by Galileo

MİSSİON PLANNING

Mission planning • SV Availability

Diferansiyel GPS (DGPS)

• Birçok jeodezik çalışma için GPS‘in anlık konumsal doğruluğu yeterli olmamaktadır. GPS hata kaynaklarının çoğunun uydu alıcı konumlarına bağlı olması ve yakın bazlar için bu hata miktarlarının birbirine çok yakın olması, Diferansiyel GPS (DGPS) kavramını doğurmuş ve sadece kod ölçüleri yapabilen ucuz alıcılarla dahi bir çok amacı karşılayabilecek konum hassasiyetinin elde edilmesi, DGPS‘in kısa zamanda yaygınlaşmasını sağlamıştır.

• DGPS konsepti temel olarak koordinatları bilinen bir noktada konuşlandırılmış sabit alıcı ile anlık konumu istenen gezici alıcı ve veri aktarma sisteminden oluşmaktadır (Şekil 1). Bu sistemde konumu belirli referans noktası üzerinde ölçüm yapılmakta ve temel olarak ölçülerin olması gereken değerleri ölçülerle karşılaştırılmaktadır. Sabit alıcı da toplanan ölçüler ve referans noktasının hassas koordinatları daha sonra ölçü veya koordinat düzeltmesi hesabında kullanılmaktadır.

ġekil 1. Temel DGPS İşleyişi

• DGPS, sistem olarak alıcı ve alıcını o anki konumuna bağlı yansıma ve sinyal gürültüsü gibi hataları elimine edememekte ancak birçok uygulama bu hataların ihmal edilebilir mertebe olacak şekilde hazırlanması nedeniyle etkin biçimde kullanılmaktadır. Bu tür hataları elimine etmek için taşıyıcı dalga faz ölçüleri ile kod ölçülerini filtreleme gibi diğer yöntemler kullanılmaktadır.

• Anlık konumun gerekli olmadığı durumlarda, gezici alıcı ölçüleri ile gezici alıcının ölçü yaptığı süreyi kapsayan sabit alıcı ölçüleri kullanılarak müteakip bir zamanda da düzeltmeler elde edilebilir (post-processing). Bu tür sistemler özellikle ucuz olmaları sebebiyle detay alımlarında tercih edilmekte olup, bu amaçla hazırlanmış yazılım gerektirmektedir. Faz ölçülerinin hassas konum belirlenmesinde kullanılmasının yanında, faz ölçülerinin elde edilmesi ve değerlendirilmesinde kullanılan yazılım ve donanımların nispeten pahalı olması nedeniyle sadece kod ölçümü yapan alıcılarla yapılan DGPS çalışmaları navigasyon uygulamalarında sıkça kullanılmaktadır

DGPS Nasıl ÇalıĢır?

• Basit GPS otonom olarak çalışır. Başka bir deyişle, tek bir alıcı ile dünyanın herhangi bir yerinde iyi sonuçlar alınabilir. Ancak, DGPS iki alıcının birlikte kullanımından oluşur. Biri sabit diğeri hareketli olarak çalışır.

Burada sabit alıcı DGPS sisteminin hassasiyetinin anahtarıdır. Bu sabit istasyon uydulardan alınan ölçüm değerlerini referans değerleri olarak kullanır.

Bizim dünya üzerindeki hareketimiz, uyduların dünyaya olan mesafesinin yanında, ihmal edilecek kadar küçüktür.

Eğer iki alıcı birbirine yeterince yakın ise, ki bu mesafe birkaç yüz km olabilir, bu iki alıcıya gelen sinyaller atmosferin aynı diliminden geçer ve aynı hataların etkisinde kalır. Böylece ikisinde de aynı gecikmeler meydana gelir. Bu prensipten yararlanarak düzeltmeler yapılabilir.

Referans Alıcısı Hataları Ölçer • Referans Alıcısı, sabit ve koordinatları kesin olarak bilinen bir noktaya yerleştirilir. Bu referans alıcısı, hareketli GPS alıcısı ile aynı sinyalleri alır ancak normal bir GPS‘ den farklı olarak, hesaplamaları tersten yapar.

Zamanlama sinyalleriyle pozisyon hesaplamak yerine, bilinen pozisyondan zamanı hesaplar.

• Referans istasyonu, kendi konumunu ve uyduların olması gereken konumu da bildiğinden, bulunduğu noktayla her bir uyduya olan teorik mesafesini hesaplar. Bu mesafeyi ışık hızına bölerek zamanı bulur. Bu süre, uydudan belirtilen noktaya sinyallerin gelmesi gereken süredir.

Teorik süre ile eldeki süreyi karşılaştırır. Aradaki fark sinyalin hatası veya gecikmesidir.

Hata Düzeltmeleri Hareketli Alıcıya Gönderilir • Bundan sonraki basamak ise, bu hata düzeltmelerinin hareketli alıcılara gönderilmesidir.

• Böylece alıcı hesaplarını bu hatalara göre düzeltir. Referans istasyonu, hareketli alıcının hangi uyduların kullanıldığını bilmediğinden, tüm uydulardan gelen sinyallerin hatalarını hesaplar ve hareketli alıcılara gönderir.

• Bu hata bilgilerinin aktarımında standart bir format kullanılmaktadır.

Düzeltme Faktörlerinin Gönderilmesi • Bunun için birkaç yöntem mevcuttur ancak kullanılan temel yöntem radyo bağlantısıdır. Buradaki asıl sorun bilgi transferindeki hızdır. Referans istasyonu düzeltme bilgilerini göndermekle zaman kaybetmemelidir. Eğer bilgiler geç gönderilirse, düzeltmeler güncelliğini kaybedebilir çünkü atmosfer ve uydu durumları sürekli olarak değişmektedir.

Buna ilave olarak referans istasyonu hesaplama yaparken de biraz vakit kaybedecektir. Referans istasyonunda yapılan hesaplamalar ve bilginin gönderilmesi sırasında geçen süreye referans istasyonunun gecikme süresi denir.

(Latency)

Gerçek Zamanlı Kinematik DGPS • Bu yöntem kod ölçülerini kullanır. İki adet GPS alıcısından birisi referans olarak seçilen noktanın üzerine kurulur.

Referans noktasının koordinatlarının daha önceden hassas bir şekilde belirlenmiş olması gerekmektedir. Bu alıcı, üzerine kurulduğu nokta ile sinyal aldığı uydular arasındaki psoudo uzunlukları kullanarak mutlak konum belirler. Bulduğu konum bilgilerini daha önceden bilinen konum bilgileriyle karşılaştırır ve bu sayede hesapladığı düzeltmeleri bir radyo vericisi yardımıyla gezici olan ikinci alıcıya gönderir. Gezici GPS alıcısı bu düzeltmeleri bir radyo alıcısı yardımıyla alır. Bu sayede hassas psoudo uzunluk ve dolayısıyla da hassas konum bilgisine ulaşılmış olur. Arazide anlık olarak konum bilgisine ulaşılabildiği için bu metot gerçek zamanlı DGPS olarak ta bilinir. Bu yöntemde konum duyarlığı ortalama 1 metre civarındadır

Post-Processed DGPS • Bazı DGPS uygulamaları için, radyo bağlantısına gerek olmayabilir. Çünkü bazı projeler ―Gerçek Zamanlı‖ hesaplama gerektirmez. Buna örnek olarak, deniz tabanında bir noktada yapılacak sondaj işleminde gerçek zamanlı konum verisine ihtiyaç duyulurken, karada yeni yapılmış bir yolun haritasının çıkartılması için gerçek zamanlı hesaplamaya gerek olmayabilir. Bu gibi uygulamalarda, hareketli GPS alıcısı sadece ölçtüğü pozisyonları ve ölçüm zamanlarını kaydeder. Daha sonra, bu değerler referans istasyonu tarafından, aynı zaman aralığında kaydedilmiş düzeltme değerleri ile birleştirilerek hatalar giderilir. Bu sisteme ―Post-Processed DGPS‖ adı verilir.

• Bu sistemin bir başka varyasyonu da ―Inverted DGPS‖ dir. Bunu örnekle açıklamak istersek, periyodik olarak yerlerini ana istasyona bildiren bir kamyon filosunu ele alalım. Kamyonların her birine DGPS düzeltmeleri gönderilmesi yerine, gönderilen sinyaller ana istasyonda düzeltilebilir. Kamyonlar yerlerini standart GPS hassasiyetinde bileceklerdir fakat ana istasyon, her bir kamyonun yolun hangi tarafında bulunduğunu dahi izleyebilir.

DGPS temel olarak koordinatların düzeltmesi ve ölçülerin düzeltilmesi şeklinde iki şekilde uygulanmaktadır. Her iki sistemde de düzeltmeler gezici alıcılar tarafından otomatik olarak anlık konumlara tatbik edilmekte yada toplanan verilere sonradan yazılımlar vasıtasıyla uygulanmaktadır.

Koordinat Düzeltmeleriyle Yapılan DGPS Uygulamaları Koordinatlarla yapılan DGPS çalışmalarında, sabit istasyonun ölçüleriyle yeniden konumlama yapılmakta ve elde edilen yeni konum ile eski konum arasındaki fark, gezici olan alıcıya koordinat düzeltmesi olarak uygulanmaktadır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta sabit alıcının koordinatları hesaplanırken kullanılan uydular ile, gezici alıcının kendi konumunu hesaplamak için kullandığı uydularla aynı uydular olması gerektiğidir. Bu yöntemin avantajı düzeltmelerin doğrudan koordinat cinsinden (WGS Kartezyen sistemde X,Y,Z) olması sebebiyle post-processing yazılımlarında daha kolay uygulanabilir olmasıdır.

Ölçü Düzeltmeleriyle Yapılan DGPS Uygulamaları Referans istasyonunun hassas koordinatları uydular ile alıcı arasındaki gerçek mesafeyi elde etmekte kullanılır.

Elde edilen hassas uydu alıcı mesafeleri ile referans alıcısındaki kod ölçüleri karşılaştırılarak kod ölçülerine getirilecek düzeltmeler hesaplanır. Bu yöntemin bir öncekine göre avantajı, kullanılacak uyduların aynı uydular olmasının gerekmemesidir. Ancak bu yöntemde elde edilen uydu-alıcı mesafe(pseudorange) düzeltmelerinin gezici alıcıda elde edilen kod ölçülerine uygulanması ve gezici alıcının konumunun yeni kod ölçüleri ile hesaplanması gerekmektedir. Navigasyon çalışmalarında kullanılan alıcıların neredeyse tamamı RTCM 104 Message I‘i desteklediğinden, veri aktarım sorunları giderildiğinde kolay bir şekilde uygulanabilmektedir.