gps

GPS Çalışma Prensibi ve Tarihçesi

GPS, “Global Positioning System” kelimelerinin baş harflerinden oluşturulmuş olup “Küresel Konumlandırma Sistemi” anlamına gelen, uydu tabanlı bir navigasyon sistemidir.

GPS ve Tarihçesi

GPS, ilk olarak ABD tarafından geliştirilmiş bir navigasyon sistemidir. Sisteminin kuruluş amacı başlarda askeri amaçlar içindi. GPS alıcıları askeri çıkartmalardan tutun da roket atışlarına, kıtalar arası füzelerden tutun da güdümlü füzelerde mesafelerin hassas bir şekilde belirlenmesinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır.

Takvimlerin 1983’ü gösterdiği yıllarda bir tane Kore yolcu uçağı hatalı konum saptaması sebebiyle yasak bir hava sahasına girmiştir. 269 kişinin ölümüyle sonuçlanan uçağın düşürülmesinden sonra GPS sistemleri sivil kullanıma da açılmıştır.

GPS hali hazırda telefonlarımızda ve çeşitli uygulamalarda kullanım sıklığıyla hayatımızın ayrılmaz bir parçası haline geldi. GPS çalışma prensibi ile gerçekten de ilginç bir teknolojidir. Çalışması için gerekli olan ve sürekli olarak dünyanın yörüngesinde dönen 24 adet uydudan oluşan bir sistem kullanır.

Anlık bir şekilde konumunuzu belirlemek ve izlemek için en az 3 uyduya ihtiyaç duyulur. Eğer yükseklik bilgisi de öğrenilecekse ihtiyaç duyulan uydu sayısı 4’e çıkar.

Trilaterasyon: Konumu Belirleme Tekniği

GPS teknolojisinin ardında yatan çalışma mantığını anlamak için adım adım giderek irdeleyelim. Örnek olarak bir arkadaşınızın konumunuzu öğrenmek istediğini ve GPS alıcısı olan bir cep telefonu kullandığınızı varsayalım. GPS sistemlerinde, herhangi bir şeyin konumunu belirlemek için trilaterasyon adı verilen matematiksel bir teknik kullanılır. Öncelikle trilaterasyonu iki boyutlu bir şekilde ele alarak anlatalım.

Trilaterasyon – 2D

İlk uydu, GPS alıcısı olan telefonunuza çarpan bir sinyal yayınlıyor. Mesafeyi tespit etsek de açıyı bilmediğimiz için yarıçapı R1 olan çemberin herhangi bir noktasında olabiliriz. Mesafenin tam olarak bilinmesi görüldüğü üzere konumumuzu saptamak için yeterli olmayacaktır.

Tam da bu noktada yarıçapı R2 olan ikinci bir uydu devreye girecektir. Birinci uydumuz için uyguladığımız yöntemi ikinci uydumuz içinde uyguladığımızda iki tane çemberimizin kesiştiğini göreceğiz. Görüldüğü üzere çemberlerin kesiştiği yerlerde içinde konumumuzun da bulunduğu iki nokta olacaktır.

Peki kesişen bu iki noktadan mevcut konumunuzu veren hangisi? 

Bunun için de bizzat dünyanın kendisini, yani dünyanın yüzeyini üçüncü bir çember olarak olarak kullanırız. Üç çemberin kesişme noktası olan kırmızı ile işaretlenmiş bölgeye bakarak nihai konumumuzu bulabiliriz.

Trilaterasyon – 3D

Üç boyutlu dünyada da benzer metod kullanılmaktadır. Bu sefer 2 uydu yerine 3 uydu kullanılmaktadır. Üç boyutlu bir dünyada uydu, küre üzerinde bir yerde olduğunuzu bilir. Küre olan bu şekil 2. bir uydunun kullanılmasıyla da konumunuzu çember olacak şekilde daraltır. Son olarak üçüncü bir uydunun kullanılmasıyla konumunuz sadece iki noktaya indirgenebilecektir. Dünyayı, yani dünyanın yüzeyi dördüncü bir çember olarak kullanıldığında, doğru nokta olan konumumuz bulunmuş olar.

Konumun Hesaplanması ve Atomik Saatler

Kesin bir doğruluk elde etmek, tabiri caizse hedefi 12’den vurmak için saniyenin milyarda biri olan nanosaniyeleri gösteren atomik saatler kullanır. Tüm uyduların bu atom saatleri ile donatılması sayesinde Einstein’ın “Görelelik teorisi” hayat bulmuş olur.

Uydu, yeryüzüne radyo sinyali gönderir. Bu aralıklı radyo sinyali, sinyalin tam olarak gönderildiği zamanı ve uydunun konumunu içeren bilgiye sahiptir. Yeryüzünde sinyali alan cihazın da çok hassas bir saati olduğunu varsayalım. 

Radyo dalgaları ışık hızında hareket etse de, alıcınız sinyali ancak belirli bir süre sonra alır. Gönderme ve alma süreleri arasındaki farkı bulup bunu da ışığın hızıyla çarpıldığında, cihaz ile uydular arasındaki mesafe bulunmuş olacaktır. Yukarıda gösterilen metotlarla da konumunuzu bulabilirsiniz. 

c= 300000 km
Uzaklık = (t2-t1)* c

Zaman ölçümünün çok doğru olması bilhassa gereklidir. Işık hızı çok büyük bir değer olduğu için, mikrosaniye gibi bir hata bile kilometre aralığında bir hataya dönüşecektir. Yeryüzünde sinyali alan cihazın da çok hassas bir saati olduğunu varsaymıştık. Oysa ki böyle bir şey yüklü maliyeti nedeniyle pratik bir kullanıma sahip olmayacaktır.

Cep telefonları, PC, dizüstü bilgisayarları gibi cihazlar, atomik saatlerle kıyaslandığında doğruluğu hiç de hassas olmayan kristal saatlerle çalışır. Varsayalım ki cep telefonunuz ile bir yerin konumunu öğrenmek istiyorsunuz. Akıllı telefonunuzun saatinin bir atom saatine kıyasla yanlış olduğu aşikar. Atomik saat ile cep telefonunuz tarafından ölçülen zaman arasındaki fark zaman farkı olarak adlandırılmakta. Bu zaman farkı GPS hesaplamalarında oldukça büyük hatalara yol açacaktır. 

Peki böylesi bir sorunu nasıl aşacağız?

O zaman gelelim zurnanın zırt dediği yere; 4. Uydunun kullanıldığı duruma.

Cihazınızın zaman farkı değeri denklemde yeni bilinmeyenimiz olacaktır. Bu yeni bilinmeyeni çözmek için de fazladan bir uydu kullanılmaktadır. 4. Uydunun kullanılmasıyla da mobil cihazlarda atom saati ihtiyacı pratik bir çözümle giderilmiş olur. 

GPS ve Görelilik Teorisi

Şimdi çözmemiz gereken son bir sorun daha kaldı. Tüm bu gelişmiş teknolojilere rağmen, GPS sistemi tam anlamıyla doğru konumu veremeyecektir. Tam da bu noktada devreye Einstein’ın “Görelilik Teorisi” giriyor. Zaman, pek çok faktöre bağlıdır haliyle mutlak bir değer değildir. 

Dünya’dan, yaklaşık 20.000 kilometre yükseklikte bulunan ve 10.000 km/saat hızla hareketlerini gerçekleştiren bu uydular, bahsi geçen bu hareketleri nedeniyle günde 4 mikrosaniyelere varan göreceli zaman genişlemesine sebep olur. Yerçekimi ve nesnelerin hareketinin devreye girmesi ile bu rakam 7 mikrosaniye civarına ulaşır.

Yerden 20.000 km yükseklikte, uydular yerçekiminin dörtte birini yaşarlar. Haliyle, Einstein’ın Genel Görelilik Teorisine göre, saatler böylesi bir durumda biraz daha hızlı işleyecektir: Günlük yaklaşık olarak 45 mikrosaniye. Bu da atomik saatte her gün net bir şekilde 38 mikrosaniye ofset oluşturulduğu anlamına gelir. Bilgisayar, akıllı telefon gibi cihazların çiplerine bir Görelilik Teorisi denklemi entegre edilir ve atomik saatlerin oranı ayarlanmış olur. 

Küçük mü küçük bu sapmaların elbette ki büyük mü büyük etkileri olacaktır: Eğer GPS sistemleri görelilik etkisini hesaba katmasaydı 1 km uzaklıkta olan bir market binasını sadece bir gün sonra 10 km uzakta gösteriyor olacaktı. Yani Görelilik Teorisinin bu formülasyonu uygulanmasaydı, GPS her gün 10 km’lik bir hata üretecekti.

Popüler Navigasyon Sistemleri

ABDGPS
RusyaGLONASS
Avrupa BirliğiGALILEO
ÇİNBeiDou
HİNDİSTANNAVIC

GPS: Özet

Eğer yükseklik de öğrenilecekse, GPS sistemlerinden yararlanabilmek için en az 4 uyduya ihtiyaç duyulur. Atom saati kullanır ve cep telefonunuzdaki zaman hatası da giderilmesi gereken bir konudur. Dahası, Albert Einstein’ın görelilik teorisi GPS teknolojisinde önemli bir rol oynar.

GPS Nedir?

ABD savunma bakanlığı tarafından geliştirilmiş küresel bir uydu tabanlı navigasyon sistemidir.

GPS, ilk olarak ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiş bir navigasyon sistemidir ve halka tamamen ücretsiz olan kullanımları vardır. Ayrıca günümüzde birçok ülkede benzer mantıkta alternatifleri mevcuttur. Modern alıcılar aynı anda en doğru konumu elde etmek için GPS ve diğer navigasyon sistemlerini kullanır.

Benzer içerikte yazılar okumak için tıklayın.

Kaynak ve detaylı bilgi için;

https://www.elprocus.com/

https://www.circuitstoday.com/how-global-positioning-system

Paylaşmak isterseniz;

Bir Cevap Yazın