Kimin Aklına Geldi Uzaydan Sapık Gibi Takip Etmek: GPS Nedir, Nasıl Çalışır, Açılımı Ne Anlama Geliyor?

Basitçe tanımlamak gerekirse arabanızdan akıllı telefonunuza ve saatinize kadar her yerde olan GPS veya Küresel Yer Belirleme Sistemi; konum, hız ve zaman senkronizasyonu sağlayarak A noktasından B noktasına gitmenizi sağlayan küresel bir navigasyon uydu sistemidir.  

“GPS’in ne olduğu, nasıl çalıştığı, geçmişi ve gelecekteki gelişmeleri hakkında daha detaylı bilgi edinmek istiyorum,” diyorsanız sizi yazımızı okumaya davet ediyoruz. 

GPS nedir ve nasıl çalışır? 

Küresel Yer Belirleme Sistemi ya da daha yaygın olarak bilinen adıyla GPS; uydular, bir alıcı ve algoritmalar aracılığıyla hava, deniz ve kara yolculuğu için konum, hız ve zaman verilerini senkronize eden bir navigasyon sistemidir aslında. 

Uydu sistemi, her biri dört uyduya sahip altı Dünya merkezli yörünge düzleminde, Dünya'nın 13.000 mil (20.000 km) üzerinde yörüngede dönen ve 8.700 mil (14.000 km / s) hızla hareket eden 24 uydudan oluşan bir takımyıldızdan oluşur. Dünya yüzeyinde bir konum belirlemek için yalnızca üç uyduya ihtiyacımız vardır; ancak diğer üçünden gelen bilgileri doğrulamak için genellikle dördüncü bir uydu da kullanılır. Dördüncü uydu da bizi üçüncü boyuta taşıyarak bir cihazın rakımını hesaplamamızı sağlar. Bu şekilde de daha net bir konum elde etmiş oluruz. 

Kısaca GPS tarihi 

Şöyle bir düşününce aslında insanlar zaten Güneş'i, Ay'ı, yıldızları ve ardından da sekstantı kullanarak binlerce yıl boyunca navigasyon pratiği yapmışlar. GPS ise uzay çağı teknolojisinin mümkün kıldığı bir 20. yüzyıl gelişmesi. 

Tarih boyunca global olarak kullanılan GPS’in konum belirleme yetenekleri olasılığı, 1957’de Rusya’nın Sputnik I uydusunun lansmanı esnasında ortaya çıktı ve bundan kısa bir süre sonra da denizaltı navigasyonu için ABD Savunma Bakanlığı tarafından kullanılmaya başladı. 1983’te ABD, her ne kadar mevcut verilerin kontrolünü elinde tutsa da, GPS’i herkese açık hale getirdi. 2000 yılında şirketlerin ve genel halkın GPS kullanımına tam erişim kazanmasıyla da sonunda GPS’in ilerlemesinin önü açılmış oldu.

Peki, GPS'in ardındaki geliştirici güç kimdi? Aslında bu durumda geliştirici güç değil de güçler dememiz daha doğru olacaktır sanırım.

GPS'in arkasındaki isimler

Roger L. Easton

Bir soğuk savaş bilim insanı olan Roger L. Easton, GPS'in geliştirilmesinin ardındaki beyindi. Easton; pasif menzil, dairesel yörüngeler ve bir ana saatle senkronize edilmiş uzay kaynaklı yüksek hassasiyetli saatler kullanan zamana dayalı navigasyon konsepti TIMATION'ı geliştirmeden önce, Sovyetler Birliğini'nin Sputnik'i gibi uyduları izlemek üstüne çalışmalar yapıyordu.

2004'te Easton, dönemin başkanı George W. Bush'un elinden Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Teknoloji ve Gelişim Madalyası aldı. Onur, Easton'ın “NAVSTAR-Global Konumlandırma Sisteminin geliştirilmesine yol açan uzay aracı izleme, navigasyon ve zamanlama teknolojisindeki kapsamlı öncü başarıların”a ithafen verildi.

Ivan Getting

Mucitler Onur Listesi'ne göre Ivan Getting, "Arabalardan füzelere kadar hızla hareket eden araçlar için son derece hassas konumlandırma verilerinin hesaplanması için gelişmiş bir uydu sistemi kullanma konsepti"nin ardındaki kişi. Getting, navigasyon için üç boyutlu, varış-zaman-fark şeklinde bir konum bulma sistemi önerdi ve bu öneri, şu an esasen GPS olan şeydi. Bu öneri Savunma Bakanlığına sunulduğunda Donanma zaten çok iyi bir uzay navigasyon sistemi geliştirmişti; ancak Savunma Araştırma ve Mühendisliği Direktörü (DDRE)'nün vardığı sonuç, tek bir sistem olması ve GPS adı verilen, Hava Kuvvetleri tarafından üç servisin de işbirliğiyle geliştirilen Hava Kuvvetleri/Havacılık konseptine dayanması gerektiğiydi.

Getting ayrıca 2003 yılında, "GPS'in tasarımı, operasyonel değeri, planlama, müzakere ve sistemin tüm paydaşları ile anlaşmalara varma konusundaki çalışmaları" için kendisine teşekkür eden Amerikan Ulusal Mühendislik Akademisi tarafından Charles Stark Draper Mühendislik Ödülü'ne layık görüldü.

Brad Parkinson

Parkinson, 1972'den 1978'e kadar NAVSTAR GPS Ortak Program Ofisi'nde ön saflarda görev aldı. Mucitler Onur Listesi'ne göre “Programın ilk yöneticisi olarak sistemin tasarımı, mühendislik geliştirmesi ve uygulanması boyunca GPS'in baş mimarı” olan Parkinson, aynı zamanda "GPS'in Babası" unvanının da sahibi.

Dönemin Hava Kuvvetleri albaylarından olan Parkinson, 621B adlı bir Uzay ve Füze Sistemleri Organizasyonu programını tekrar hayata döndürmekle görevlendirilmişti ve Savunma Bakanlığı, tüm askeri hizmetlerin işbirliği ile geliştirilen ortak bir program istediğine karar verince, böyle bir programı bir araya getirmek için de projenin başına Parkinson atandı.

Parkinson, bu yeni programın saatlerini Easton'un TIMATION'ından, 621B'nin sinyal yapısından ve Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı'nda geliştirilen TRANSIT adlı başka bir Donanma navigasyon sisteminin yörünge tahmin yönteminden aldığını söylüyor. Bunların hepsinin bir araya gelmesiyle de NAVSTAR-Küresel Yer Belirleme Sistemini doğmuş oldu.

Glady West

Dr. West için GPS'in icadının ardındaki kilit figürlerden biri olarak kabul edilmesi diğerlerine göre biraz daha zordu; ancak 1950'lerde yaşamış siyahi bir kadın olduğu gerçeğini göz önünde bulundururduğumzda nedenini anlamak pek de zor değil. 1956'da West, Birleşik Devletler Donanma Silahları Laboratuvarı'nda çalışmaya başladı ki burası, Soğuk Savaş dönemi sonrası uzay yarışının ön saflarında yer aldı ve Hava Kuvvetleri'nin uzay dizginlerini devraldığı 2004 yılına kadar Deniz Uzay Gözetleme Merkezi'ne ev sahipliği yaptı. Eğitimli bir matematikçi olan West, uyduların tam konumlarını belirlemeye yardımcı olmak için sayıları karıştırır ve uydulardan gelen verileri işlerdi.

Aralık 2018'de, Dr. West nihayet Hava Kuvvetleri Uzay Komutanlığı En Yüksek Onurlarından biri olan Hava Kuvvetleri Uzay ve Füze Öncüleri Onur Listesi'ne alındı.

GPS’i oluşturan üç eleman nelerdir? 

GPS, segment adı verilen ve konum bilgisi sağlamak için birlikte çalışan üç farklı bileşenden oluşur. Bu bileşenler şunlardır: 

• Uzay (Uydular):  Dünya'yı çevreleyen uydular, coğrafi konum ve günün saatine göre kullanıcılara sinyaller iletir. 

• Zemin kontrol: Kumanda merkezi, houston, ana kumanda, kontrol kulesi. Kontrol Segmenti; Dünya tabanlı izleme istasyonları, ana kontrol istasyonları ve zemin anteninden oluşur. Kontrol faaliyetleri, uyduların uzayda izlenmesini, işletilmesini ve yayınların izlenmesini içerir. Kuzey ve Güney Amerika, Afrika, Avrupa, Asya ve Avustralya dahil olmak üzere dünyanın hemen hemen her kıtasında izleme istasyonları bulunmaktadır. 

• Kullanıcı ekipmanı: Saatler, akıllı telefonlar ve telematik cihazlar gibi öğeler dahil olmak üzere tüm GPS alıcı-verici cihazlar. 

GPS teknolojisi nasıl çalışır? 

GPS; konum, hız ve yüksekliği hesaplamak için kullanılan, trilaterasyon adı verilen bir tekniğin konum bilgilerini çıkarmak için uydulardan sinyaller toplaması prensibiyle çalışır. Trilaterasyon; sıksık mesafeleri değil de açıları ölçmek için kullanılan triangülasyon ile karıştırılır. Dünya yüzeyinde veya yakınında bulunan bir GPS cihazı tarafından algılanmak ve yorumlanmak üzere Dünya yörüngesindeki uydulardan sinyaller gönderilir. Bir GPS cihazının konumu en net şekilde hesaplayabilmesi için en az dört uydudan gelen bu sinyalleri algılayabilmesi mümkün olur.

Ağdaki her uydu günde iki kez dünyayı tam tur dolaşır ve her uydu benzerisiz bir sinyal, yörünge parametreleri ve zaman gönderir. Bir GPS cihazı altı veya daha fazla uydudan gelen sinyalleri ne zaman olduğu fark etmeksizin algılayabilir. 

Tek bir uydu, bir GPS cihazı tarafından alınan ve GPS cihazından uyduya olan mesafeyi hesaplamak için kullanılan mikrodalga sinyali yayar. Bir GPS cihazı sadece bir uyduya olan uzaklığı hakkında bilgi verdiği için tek bir uydu çok detaylı bir konum bilgisi sağlayamaz; yani tek bir uydu net bir konum belirlemekte yetersiz kalır. Uydular açılar hakkında bilgi vermez, bu nedenle bir GPS cihazının konumu, Dünya’nın herhangi bir yerinde olabilir. 

İlk uydu bir sinyal gönderdiğinde, bu GPS cihazından uyduya ölçülen yarıçaplı bir daire oluşturur. İkinci uydunun da yardımıyla ikinci bir daire oluşur ve konum, dairelerin kesiştiği iki noktadan birine daralır. Üçüncü uydunun da eklenmesiyle birlikte, cihaz üç dairenin kesiştiği noktada olduğu içim nihayet cihazın konumu belirlenebilir. 

Bütün bunlarla birlikte, üç boyutlu bir dünyada yaşıyoruz ve bu da her uydunun bir daire değil de bir küre ürettiği anlamına geliyor. Üç kürenin kesişimiyle birlikte iki kesişme noktası oluşur ve böylece en olası nokta belirlenebilir. Biraz daha açıklamak gerekirse; cihaz hareket ettikçe dolayısıyla yarıçap yani uyduya olan uzaklık da değişir. Bu yarıçap değiştiğinde ise bize yeni bir konum veren yeni küreler üretilir. Bu verileri uydudan gelen zamanla birleştirerek hızı, hedefimize olan mesafeyi ve ETA yani tahmini varış zamanını hesaplamak için kullanabiliriz. 

GPS’in ne gibi faydaları vardır? 

Birçok farklı sektörden işletmeler ve kuruluşlar için GPS vazgeçilmez bir araçtır. Haritacılar, bilim insanları, pilotlar, tekne kaptanları, ilk müdahale ekipleri, maden ve tarım işçileri, tüm bu saydıklarımız anketler ve haritalar hazırlamak, hassas zaman ölçümleri yapmak konum veya konum takibi yapmak ve navigasyon gibi şeyler için her zaman ve neredeyse her hava koşulunda çalışan GPS’in sunduğu kolaylıklardan günlük olarak yararlanan insanlardan sadece birkaçı. 

GPS'în beş ana kullanımı vardır Bunlar;

• Konum: Bir konumu belirleme. 

• Navigasyon: Bir konumdan diğerine ulaşım. 

• Takip: Bir nesneyi ya da kişisel hareketi izleme/takip etme. 

• Haritalama: Dünya haritaları oluşturma. 

• Zamanlama: Kesin zaman ölçümleri almayı mümkün kılmak. 

GPS kullanımı gerektiren durumlardan bazıları şunlardır: 

Acil Müdahale:

Bir acil durum veya doğal afet esnasında ilk müdahale ekipleri harita çıkarmak, hava durumu takip/tahmin etmek ve acil durum personelini takip etmek için GPS kullanır. AB ve Rusya’da Ecall yönetmeliği, bir araç kazası olması durumunda acil servislere veri göndermek için bir GPS alternatifi olan GLONASS teknolojisini ve telematikleri kullanarak yanıt süresini kısaltır.  

Eğlence:

​

GPS, Pokemon Go ve Geocaching gibi oyun ve etkinliklere dahil edilebilir. 

Sağlık ve Fitness:

Akıllı saatler ve giyilebilir teknoloji, koşma mesafesi gibi fitness etkinliklerini izleyebilir ve benzer bir demografiyle karşılaştırabilir. 

İnşaat, madencilik ve arazi taşımacılığı:

GPS, ekipmanın bulunmasından varlık tahsisinin ölçülmesine ve iyileştirilmesine kadar, şirketlerin varlıklarının getirisini artırmalarını sağlar.  

Taşımacılık:

​

Lojistik şirketleri, sürücü üretkenliğini ve güvenliğini arttırmak için lojistik şirketleri de telematik sistemlerden faydalanır. Rota optimizasyonun, yakıt verimliliğinin, sürücü güvenliğinin ve uyumluluğunun desteklenmesi için de kamyon takip cihazları kullanılır. 

Tarım, otonom araçlar, satış ve hizmetler, askeriye, mobil iletişim, güvenlik ve balıkçılık da GPS’in sunduğu hizmetlerden yararlanan sektörlerden bazılarıdır. 

Peki, GPS ne kadar doğru? 

GPS cihazının doğruluğu; mevcut uydu sayısı, iyonosfer, kentsel ortam ve diğer birçok değişkene bağlıdır. GPS doğruluğunu etkileyecek faktörlerden bazıları şu şekildedir: 

Fiziksel engeller

GPS; varış süresi ölçümleri, dağlar, binalar, ağaçlar ve benzeri büyük kütleler tarafından çarpıtılabilir. 

Atmosferik etkiler:

İyonosferik gecikmeler, yoğun fırtına örtüsü ve güneş fırtınalaranın hepsi GPS cihazlarını etkileyip doğruluğunun sapmasına sebebiyet verebilir. 

Efemeris

Günümüzde bu duruma giderek daha nadiren rastlansa da bir uydudaki yörünge modeli yanlış veya güncelliğini yitirmiş olabilir. 

Sayısal yanlış hesaplamalar

Aygıt donanımının spesifikasyonlara göre tasarlanmadığı durumlarda bu bir faktör olabilir. 

Yapay parazit

Bunlara GPS karıştırma cihazları veya sahtekarlıklar da diyebiliriz.  

Sinyalleri engelleyebilecek bitişik yüksek binaların olmadığı açık alanlarda doğruluk payı daha yüksektir. Bu etki kentsel kanyon olarak da bilinir. Manhattan veya Toronto şehir merkezinde olduğu gibi, bir cihaz büyük binalarla çevrili olduğunda uydu sinyali önce engellenir ve ardından bir bina tarafından yansıtılarak cihaz tarafından okunur. Bu da uydu mesafesinin yanlış algılanmasına yol açar. 

Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS) 

GPS, Küresel Navigasyon Uydu Sistemi olarak kabul edilir ki bu da GPS’in küresel kapsama sahip bir uydu navigasyon sistemi olduğu anlamına gelir. ABD yapımı NAVSTAR ve Rus yapımı GLONASS olmak üzere önde gelen iki küresel navigasyon uydu sistemi mevcut. ABD’nin 32 uydudan oluşan NAVSTAR GPS’si en iyi bilinen ve en çok kullanılan uydu sistemidir. Rusya’nın GLONASS’ı ise üçü yedek veya test aşamasında olmak üzere 24 operasyonel uydudan oluşmaktadır. 

Diğer ülkeler de GPS teknolojisine ABD ve Rusya'ya yetişmek için birbirleriyle yarışıyor. AB; Galileo isimli sistemiyle, Çin ise 35 uydulu BeiDou Navigasyon Uydu Sistemi’yle yarışa katılanlardan. Ayrıca Japonya ve Hindistan da kendi bölgesel sistemleri olan Quasi-Zenith Uydu Sistemi (QZSS) ve Hindistan Bölgesel Navigasyon Uydu Sistemi (IRNSS) ile GPS teknolojisine el atmış bulunmakta. 

GPS ve GNSS cihazları 

GPS, GNSS'nin bir alt kümesi olmasına rağmen, alıcılar GPS ve GNSS olarak ikiye ayrılır. Bir GPS alıcısı yalnızca GPS uydu ağındaki uydulardan gelen bilgileri algılayabiliyorken, tipik GNSS cihazı aynı anda hem GPS'ten hem de GLONASS'tan (veya bu iki sistemden daha fazlasından) veri elde edebilir. 

Bir GNSS alıcısında görüntülenebilecek 60 uydu bulunur. Bir cihazın konumunu belirlemek için yalnızca üç uyduya ihtiyaç olsa da daha fazla sayıda uydu, daha net belirlenmiş bir konum anlamına gelir. Aşağıdaki çizelge, bir GPS alıcısının sinyal gücü (sütun yüksekliği) ile birlikte yeşil renkle gösterilen mevcut uydu sayısının örneğini göstermektedir. Bu durumda 12 uydu mevcuttur. 

Bir GNSS cihazı daha fazla uydu görebilir, bu da cihazın doğruluk payını artırmaya yardımcı olur. Aşağıdaki çizelgede yeşil sütunların GPS’i, mavi sütunlarınsa GLONASS’ı temsil ettiği 17 adet kullanılabilir uydu bulunmaktadır.  

Bununla birlikte, GNSS’in beraberinde getirdiği bazı dezavantajlar vardır: 

• GNSS çiplerinin maliyeti, GPS cihazlarına göre daha pahalıdır. 
• GNSS (1559-1610 MHz), GPS'ten (1559-1591 MHz) daha geniş bir bant genişliği kullanır. Bu da antenler, filtreler ve yükselticiler gibi standart GPS radyo frekansı bileşenlerinin GNSS alıcıları için kullanılamayacağı ve daha büyük bir maliyet etkisi ile sonuçlanacağı anlamına gelir. 
• GNSS daha fazla uyduya bağlandığı ve konumu belirlemek için hesaplamalar yaptığı için GPS alıcılarından biraz daha yüksek güç tüketimine sahiptir. 

GPS’i gelecekte neler bekliyor? 

Ülkeler, doğruluk ve güvenirlik payını artırmak adına GPS sistemlerini geliştirmek ve daha iyi hale getirmek için çaba sarf etmeye devam ediyor.  

İşte GPS teknolojisi için planlanan yeniliklerden bazıları: 

• GNSS alıcılarının daha küçük, daha verimli ve doğruluk payının da daha yüksek; GNSS teknolojisinin ise en maliyete duyarlı GPS uygulamalarına bile nüfuz edecek şekilde olması olması bekleniyor. 
• Bilim insanları ve kurtarma ekipleri deprem, volkanik patlama, düden veya çığ durumunda doğal afet önleme ve analizinde GPS teknolojisini kullanmanın yeni yollarını buluyor. COVID-19 pandemisi için araştırmacılar, virüsün yayılmasını yavaşlatmak amacıyla temas takibine yardımcı olmak için cep telefonu konum verilerinden yararlanıyor. 
• Yeni GPS III uydularının piyasaya sürülmesiyle, diğer uydu sistemleriyle birlikte çalışılabilirlik için L1C sivil sinyali yayınlanarak, 2023 yılına kadar GPS doğruluğu 1 ila 3 metreye daraltılacak ve navigasyon yetenekleri ile daha uzun ömürlü bileşenler geliştirilecek.  
• Yeni nesil GPS uyduları; daha iyi sinyal koruması, sinyal sıkışmasına karşı azaltılmış duyarlılık ve ölü bölgeleri kapsamak için daha fazla manevra kabiliyeti içerecek. 
• Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi'nin (NASA) Derin Uzay Atom Saati, derin uzay yolculuklarına çıkacak olan gelecekteki astronotlar için zamanında daha iyi tutarlılık sağlamaya yardımcı güçlü bir yerleşik GPS uydusu kullanmaya ayarlandı.  

Bütün bunlarla birlikte rahatlıkla söyleyebiliriz ki GPS’in geleceği, hem kişisel hem de iş kullanımında muhtemelen çok daha doğru ve etkili olacaktır.