KÜRESEL KONUMLAMA SİSTEMİ: GPS

Askeri amaçla icat edilen ama bugün günlük hayatımızın bir parçası olan internet gibi, GPS sistemi de bireysel kullanıcılar arasında yaygınlık gösteriyor. “Neredeyim” sorusunun yanı sıra, “nasıl giderim?” sorusuna da yanıt veren GPS’i artık neredeyse her telefon ve her otomobilde görmek mümkün.

Küresel Yer Belirleme Sistemi ya da Küresel Konumlandırma Sistemi’nin (İng: Global Positionin System) temel çalışma prensibi düzenli olarak kodlandırılmış bilgilerin yollandığı bir uydular sistemi ile bu uydular arasındaki mesafeyi ölçmektir. Üç çemberin bir noktada ya da dört kürenin bir noktada kesişmesi prensibince uydular ile aradaki mesafelerin ölçülmesi ile Dünya üzerinde kesin yer tesbiti yapabilen sistem bireyler için askeri araçlarda olduğu kadar hassas olmasa da bu işlemi neredeyse hatasız gerçekleştiriyor.

GPS’in öncelikli olarak ortaya çıkış sebebi roket ve füze atışlarının yön bulması, hedef belirleme ve hedefe asker çıkarma gibi askeri ve savunma sistemlerinde duyulan ihtiyaçlardı. GPS sistemi askeri alanda o kadar başarılı oldu ki, zamanla ticari kullanıma açılabileceği düşünüldü ve 1980’li yıllarda sivil hayata da uyarlanarak kullanılmaya başlandı.

Sistemin temel çalışma prensibi en basit anlatımı ile şu şekildedir:: ABD Savunma Bakanlığı’na ait olan ve yörüngede sürekli olarak dönen 21’i aktif, 3’ü yedek 24 adet uydudan oluşur. Uyduların yaydığı radyo sinyalleri ile Dünya üzerinde bulunan bir noktadaki GPS alıcısı arasındaki haberleşmenin süresi ölçülerek, aradaki mesafe belirlenir ve böylece konum belirlemesi mümkün olur.

GPS ‘in askeri alandaki kullanımına o kadar gelişmiştir ki kıtalarası menzile sahip seyir füzeleri ve balistik ya da güdümlü füzeler hem fırlatma hem de hedef konumunun belirlenmesi amacı ile GPS’i kullanır.  Ayrıca savunma ve saldırı amaçlı Amerikan Nükleer Patlama Gözlemleme Sisteminin büyük bir parçası olarak GPS uyduları nükleer patlama dedektörleri içerir. Yolcu uçaklarının tamamında GPS etkin bir şekilde kullanılır ve uçuşun emniyetle gerçekleştirilmesi için de büyük önem taşır.

Askeri alanda çokça faydalanılan bu sistemi Türk Silahlı Kuvvetleri de komando birliklerinin intikal, travers, arazide yön bulma gibi birçok alanda kullanmaktadır.

1980’li yıllarda sivil alanda kullanımı artan GPS sistemlerinin, sağlık alanında da Görme Engelliler için “Mobic, Drishti, Brunel Navigation System for the Blind, Noppa, BrailleNote GPS ve Trekker” gibi projeler doğmuş ve yürütülmeye başlanarak geliştirilmektedir. Ayrıca dünya üzerinde sivil amaç için kullanılan en gelişmiş ve pahalı GPS alıcılarının haritacılar tarafından sınırların belirlenmesi, yapılan harita işaretlerinin, konum tespiti ve yol yapım çalışmalarında kullanılmaktadır.

GPS sistemi UTC ve GMT’den farklı olarak kendi uyduları üzerindeki atomik saatleri kullanmaktadır. Bunlar 6 Haziran 1980’de sıfırlanmış ve artık saniyelerin düzeltilmesi yapılmadığı için UTC’den 14 saniye ileridedir.Bu nedenle periyodik olarak GPS alıcılarına UTC saat bilgisi gönderilir.

GPS sistemini temel olarak dört ana bölümden oluşur. GPS sinyallerinin üretilmesini sağlayan NAVSTAR sistemi, uzay bölümü (uydular), kontrol bölümü (yer istasyonları) ve kullanıcı bölümüdür. (GPS alıcısı)

GPS projesi ilk uydunun 1978’de ABD’den ateşlenmesiyle başlamıştır. 24 uyduluk ağ 1994’de tamamlanmıştır. Projenin devamlılığı ve geliştirilmesi ile ilgili bütçe ABD Savunma Bakanlığı’na aittir.

Uzay bölümü, GPS sisteminin oluşumunda en az 24 uydu (21 aktif uydu ve 3 yedek) yer alır ve sistemin merkezidir. Uydular, “Yüksek Yörünge” adı verilen ve dünya yüzeyinin 20.200 km üzerindeki yörüngede bulunurlar. Bu kadar yüksek irtifada bulunan uydular oldukça geniş bir görüş alanına sahiptirler ve dünya üzerindeki bir GPS alıcısının her zaman en az 4 adet uyduyu görebileceği şekilde (kotrol mekanizmasının çalışabilmesi için) yerleştirilmişlerdir.

Uydular saatte 7.000 mil hızla (yaklaşık 11.200 km) hareket ederler ve 12 saatte, dünya çevresinde bir tur atarlar. Güneş enerjisi kullanılarak çalışırlar ve en az 10 yıl kullanılmak üzere tasarlanmışlardır. Ayrıca güneş enerjisi kesintilerine karşı (güneş tutulması vs.) yedek bataryaları ve yörünge düzeltmeleri için de küçük ateşleyici roketleri vardır. Bu roketler kullanımdan çıkartılacak uyduyu yörüngeden almak için de tasarlanmışlardır.

Uyduların her biri, iki değişik frekansta ve düşük güçlü radyo sinyalleri yayınlamaktadır. (L1, L2) Sivil GPS alıcıları L1 frekansını (UHF bandında 1575,42 Mhz), ABD Savunma bölümü alıcıları L2 (1227,60 Mhz) frekansını dinlemektedirler. Bu sinyal “Görüş Hattında” Line of Sight ilerler. Yani bulutlardan, camdan ve plastikten geçebilir ancak duvar ve dağ gibi katı cisimlerden geçemez.

GPS sinyalleri binalardan yansıdığı için şehir içlerinde araziye oranla hassasiyeti azalır. Yeraltına kazılan tünellerde ise sinyal elde edilemez. Hatalı sinyallerin elde edilebileceği ya da hiç sinyal elde edilemeyen bölgelerde kullanılmak üzere geliştirilen Diferansiyel GPS’ler tarafından bu hatalar en aza indirilerek daha hassas bir yer ölçümü yapılabilir ama başarı %100 değildir.

Basit bir ifadeyle GPS sisteminin, bildiğimiz radyo istasyonu sinyalleri ile L1 frekansını kıyaslamak istersek; FM radyo istasyonları 88 ile 108 Mhz arasında yayın yaparlar, L1 ise 1575,42 Mhz’i kullanır. Ayrıca GPS’in uydu sinyalleri çok düşük güçtedirler. FM radyo sinyalleri 100.000 watt gücünde iken L1 sinyali 20-50 watt arasındadır. Bu yüzden GPS uydularından temiz sinyal alabilmek için açık bir görüş alanı gereklidir.

GPS uyduları tarafından gönderilen elektromanyetik dalgalar atmosferden geçerken bükülmeye uğrarlar. L1 ve L2 bantları farklı dalga boylarına sahip olduğundan farklı oranda bükülmeye uğradığından aradaki farklılık hesaplanarak atmosferik bozulma engellenerek çok daha hassas bir yer bilgisi hesaplanabilir. Sadece L1 bandı kullanılarak (diferansiyel GPS ile dahi) 98 m. hassasiyet elde edilebilirken, L1 ve L2 bantlarının ortak kullanımı ile 1 m.’nin altında hassasiyete ulaşmak mümkün olmaktadır.

Her uydu yerdeki alıcının sinyalleri tanımlamasını sağlayan iki adet özel pseudo-random (şifrelenmiş rastgele kod) kodu yayınlar. Bunlar Korumalı (Protected P code) kod ve Coarse/Acquisition (C/A code) kodudur. P kodu karıştırılarak sivil izinsiz kullanımı engellenir, bu olaya Anti-Spoofing adı verilir. P koduna verilen başka bir isimde “P (Y)” ya da sadece “Y” kodudur.

Bu sinyallerin ana amacı yerdeki alıcının, sinyalin geliş süresini ölçerek, uyduya olan mesafesini hesaplamayı mümkün kılmasıdır. Uyduya olan mesafe, sinyalin geliş süresi ile hızının çarpımına eşittir. Sinyallerin kabul edilen hızı ışık hızıdır. Gelen bu sinyal, uydunun yörünge bilgileri ve saat bilgisi, genel sistem durum bilgisi ve iyonosferik gecikme bilgisini içerir. Uydu sinyalleri çok güvenilir atom saatleri kullanılarak zamanlanır.

Adından anlaşılacağı gibi, Kontrol Bölümü, GPS uydularını sürekli izleyerek, doğru yörünge ve zaman bilgilerini sağlar. Dünya üzerinde 5 adet kontrol istasyonu bulunmaktadır:Hawai, Kwajalein, Colorado Spring (Ana merkez), Ascension adaları ve Diego Garcia. Bunlardan dördü insansız, biri insanlıdır (ana kontrol merkezi). İnsansız kontrol merkezleri, topladıkları bilgileri ana merkeze yollarlar. Ana merkezde bu bilgiler değerlendirilerek gerekli düzeltmeler uydulara bildirilir.

Kullanıcı bölümü ise yerdeki alıcılardır. Çeşitli amaçlarla GPS kullanarak yerini belirlemek isteyen herhangi bir kişi, sistemin kullanıcı bölümüne dahil olur.

GPS Sisteminin alternatifi olarak geliştirilmiş diğer sistemler de mevcuttur. Amerikalı GPS’e karşılık Almanya, Fransa, İtalya ve İngiltere’nin AB ülkeleri olarak geliştirdiği Galileo projesi 1999 yılında hayata geçmiş ve 2003 yılında ise Avrupa Birliği ve Avrupa Uzay Ajansı tasarımı resmi olarak üstlenmiştir. Galileo projesi aynı yıl sınırlarını aşarak Çin’i de bünyesine dahil ederek bu yolda sınır kapılarını açmıştır. Proje kapsamında AB üyesi olmayan ülkelerden sadece Çin ile yetinmeyerek 2004 yılında İsrail, 2005 yılında Ukrayna ve Hindistan ve Fas son olarak da 2006 yılında Güney Kore ve Norveç projeye dahil olmuşlardır. Bununla birlikte AB üyesi 27 ülke ise bu projeye dahil olup olmama yönündeki tartışmalara 2007 yılında bir son vererek projeye dahil olmuşlardır.

Galileo’nun GPS’ten en büyük farkı Sivil ve Endüstriyel alanlarda da kullanıma hitap etmesidir. GPS ise öncelikli olarak askeri kullanımın sonrasında sivilleştirilmiştir.

Bunların haricinde Çin 2000 yılında Beidou 1 ve Beidou 2 sistemi ile benzer bir projeyi kendi başına oluşturmaya başlamıştır. Rus Glonass projesi ise yine aynı amaçla tüm dünyada kullanıma başlanmıştır ve kendi imkanları ile geliştirmiş oldukları bu sistem tamamen askeri alt yapı üzerinde hizmete devam etmektedir. Hindistan ise bölgesel olarak “Hindistan Bölgesel Konum Belirleme Sistemi (İng.Indian Regional Navigation Satellite System)” (IRNSS)’i geliştirmektedir. IRNSS GPS sisteminin yerel bir Hindistan versiyonu olarak değerlendirilebilir.

Dünya üzerinde çeşitli konum belirleme sistemleri her geçen gün geliştirilmekte ve bu sistemler ile gerek askeri gerekse sivil hayatta ihtiyaç duyulan kullanım amaçlarına göre sınıflandırılarak kullanılmaya devam edilmektedir. Bu sistemler içerisindeki ilk proje GPS olduğundan dolayı mevcut sistemlerin tamamı halk arasında GPS olarak adlandırılmaktadır. Kullanım alanları ise hayal gücü ile sınırlıdır.

Galileo sisteminin çalışması, uydular ve atomik saatler hakkında açıklayıcı bir videoyu aşağıdan izleyebilirsiniz:

Kaynaklar:
* http://tr.wikipedia.org/wiki/GPS
* (İngilizce) GPS dispatch systems
* MAPIST – Magellan GPS/Türkiye
* http://bilimveteknik.com/konumuz/glonass.html
* SavunmaSanayi.NET

Konuk Yazar: Onur Göktepe

İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri fakültesi mezunu olan Uçak Mühendisi Onur Göktepe, uzun yıllardır havayolu ve özel jet işletmelerinde kalite ve emniyet alanında çalışmaktadır.[/box]