GNSS UYDU TABANLI DÜZELTME SİSTEMİ

GNSS UYDU TABANLI DÜZELTME SİSTEMİ

Küresel Seyrüsefer Uydu Sistemleri (GNSS-Global Navigation Satellite Systems), sabit veya hareketli nesnelerin konumlarını ve zaman bilgisini belirlemelerini sağlayan sistemlerdir. 1995 yılında ABD Küresel Konumlandırma Sisteminin (GPS) devreye alınması ile hayatımıza giren GNSS, zamanla günlük yaşantımızın vazgeçilmez bir parçası haline geldi. Askeri amaçla başlayan GPS programı yoğun talep sayesinde sivil alanda da oldukça geniş bir pazara sahip oldu. Bu yüksek talebin sebebi GNSS alıcılarının maliyetlerinin azalmasına ve boyutlarının küçülmesine ek olarak konum verisine ihtiyaç duyan uygulama sayısındaki artış olmuştur.

GPS sistemi, 20.200 km yükseklikte altı farklı yörünge düzleminde dönen en az yirmi dört operasyonel uydudan oluşacak biçimde planlanmıştır.

Yörüngeler ve uydu dizilimleri dünya üzerindeki herhangi bir noktadan herhangi bir anda en az altı uydu ile radyo haberleşmesi sağlanmasına olanak tanımaktadır. Uydular düzenli olarak kodlanmış bilgi yollarken GNSS alıcıları bu sinyalleri alıp uydularla arasındaki mesafeyi ölçerek konumlarını tespit edebilmektedir.

Konum ve zaman ölçümünde temel olarak bilinmeyen dört adet değişken bulunmaktadır. Bunlar yatay konum (x), düşey konum (y), yükseklik (z) ve zamandır (t). Bu değişkenleri hesaplamak için en az dört adet uydudan alınacak sinyaller ile türetilecek dört adet denkleme ihtiyaç bulunmaktadır. Bir başka ifade ile konum ve zaman hesaplayabilmek için en az dört adet uydudan yeterli seviyede sinyal alınması gerekmektedir.

Uydular navigasyon mesajının içinde kendi konumlarıyla birlikte, sinyalin uydudan çıktığı zamanın bilgisini de hassas saatleri sayesinde iletmektedir. Uydu ve GNSS alıcısı arasındaki uzaklık uydudan yayınlanan sinyalin alıcıya ulaşması için geçen zamanın ışık hızı ile çarpılması ile bulunmaktadır. Bu uzaklık bilgisini kullanarak kullanıcı kendi konumu ile birlikte zamanını da yaklaşık olarak hesaplayabilmektedir. Fakat bu hesap bazı hata kaynaklarını da içerdiğinden, daha doğru konum hesaplaması için ek düzeltmelere ihtiyaç bulunmaktadır.

TEMEL HATA KAYNAKLARI

GNSS ile konum tespiti esnasında diğer tüm sistemlerde olduğu gibi elde edilen sonuçları etkileyen bazı hatalar oluşmakta ve bu hatalar değerlendirme esnasında giderilmeye çalışılmaktadır. GNSS ile konum belirlemede, uydu ve alıcı arasındaki mesafenin belirlenmesi konusunda etkili olan temel hata kaynakları, uydu kaynaklı hatalar, atmosfer kaynaklı hatalar ve kullanıcı kaynaklı hatalar olarak sınıflandırılabilmektedir. Bir diğer hata kaynağı olan seçimli doğruluk erişimi (Selective Availability-SA) yani yetkisiz kullanıcıların GPS’in sağladığı doğruluklara ulaşmasını engellemek amacıyla sistemin kasıtlı olarak kötüleştirilmesi de 2000 yılında sonlandırılmıştır.

Uydu Kaynaklı Hatalar

Uydu kaynaklı hatalar uyduya ait yörünge hataları ve uydu saat hataları olarak iki başlıkta incelenebilir.

Navigasyon mesajı içeriğinde GNSS uydularına ait yörünge bilgisi yani başka bir ifade ile uydu konumları yer almaktadır. Uyduların tahmini yörünge bilgileri, yayın öncesinde yer kontrol merkezleri tarafından tahmin edilerek GNSS uydularına gönderilerek kullanıcılara yayınlanır. Bu yaklaşım uydu yörüngelerinin belli varsayımlar içeren modeller kullanılarak ve tahmini olarak hesaplanması nedeniyle belirli hatalara neden olmaktadır. Bu sebeple kullanıcıya yayınlanan uydu konum hatası zamana bağlı olarak değişmektedir. Bu hataların giderilmesi için IGS (International GNSS Service) tarafından GNSS uydularına ait hassas yörünge bilgileri üretilmektedir ve günlük olarak yayınlanmaktadır.

Saat kaynaklı hatalar genel olarak GNSS uydularından yayınlanan saat ile yerdeki kullanıcının hesapladığı saat arasındaki farktan kaynaklanmaktadır. GNSS uyduları, saat hataları nano saniye mertebelerinde olan çok hassas atomik saatlere sahiptir. Buna ek olarak GNSS kontrol istasyonlarında daha düşük hatalara sahip olan atomik saatler kullanıldığı için GNSS uydu saatlerinin düzeltmesi yüksek hassasiyetlerle yapılabilmektedir.

Yerdeki alıcılarda ise daha düşük maliyetli ancak hata oranları daha yüksek saatler kullanılmaktadır. Alıcı zamanı konum hesaplama öncesi GNSS uydu zamanı ile veya herhangi bir uydu ile senkronize değildir. Alıcı kendi zamanını farklı uydulardan gözlem yaparak çok yüksek doğruluğa sahip olan GNSS zamanına senkronize etmektedir. Ancak uydu hareketi ve yer çekimi etkisi nedeniyle bu GNSS zamanına senkronizasyon düzgün şekilde yapılamamakta ve hatalar oluşmaktadır. GNSS navigasyon mesajında saat bozukluğu, saat sapması ve saat sapma oranı hata giderilmesi amacıyla yayınlanmaktadır.

Atmosfer Kaynaklı Hatalar

Atmosfer kaynaklı hatalar iyonosfer ve troposfer hataları olarak iki başlıkta incelenebilir.

GNSS uydularından yayınlanan sinyaller atmosfere girmeden önce uzaydaki boşlukta ilerlerler. Bu sinyaller atmosfere girdiğinde maruz kaldıkları ilk tabaka iyonosferdir. İyonosferin uydulardan yayınlanan sinyallerin yayılmasındaki etkisi toplam elektron içeriği (TEC) ile orantılı olarak ifade edilmektedir ve bu etki sinyalde gecikmeye sebep olmaktadır. İyonosferdeki TEC dağılımının değişmesi sebebiyle GNSS uydusu ile kullanıcı arasındaki mesafe ölçümünde hatalar oluşmaktadır. İyonosferdeki elektron yoğunluğunu ifade eden TEC zamana ve konuma bağlı olarak değişim göstermektedir. Bu sebeple günün farklı zamanlarında ve dünyanın farklı yerlerinde iyonosfer kaynaklı GNSS konum hatası farklıdır. Bu hataların giderilmesi için GPS navigasyon mesajlarında Klobuchar iyonosfer modeli yayınlanmaktadır. Bu model ile en iyi durumda iyonosferik hatanın yaklaşık yarıya yakınının giderilebilmesi mümkündür.

Atmosfer kaynaklı bir diğer hata ise troposfer kaynaklı hatalardır. Troposfer iyonosfere göre daha aşağıda yer alan ve tüm hava olaylarının meydana geldiği katmandır. Atmosferdeki su buharının tamamına yakını troposferde yer aldığı için GNSS uydularından yayınlanan sinyallere etkisi gecikme olarak yansımaktadır. Bu gecikme sebebiyle iyonosferdekine benzer şekilde GNSS uydusu ile kullanıcı arasındaki mesafe ölçümünde hatalar oluşmaktadır. Hata miktarı havadaki sıcaklık, basınç ve bağıl nem miktarına göre değişiklik göstermektedir.

Kullanıcı Kaynaklı Hatalar

Kullanıcı kaynaklı hatalar çoklu yansıma ve alıcı kaynaklı hatalar olarak incelenebilir. Çoklu yansıma, sinyallerin alıcıya ulaşmadan önce yansıması ve yayılması kaynaklı oluşan hatalardır. Normalde gitmesi gereken yoldan alıcıya ulaşan sinyallerle birlikte çoklu yansıma sebebiyle sapmış sinyaller de alıcıya ulaşır. Bu sinyaller GNSS uydusu ile kullanıcı arasındaki mesafe ölçümünde hataya yol açabilir. Çoklu yansımaların olası kaynakları ise binalar, araçlar, su yüzeyleri ve diğer yansıtıcı yüzeylerdir.

Alıcı gürültüsü ve alıcı donanımı kaynaklı gecikmeler konum belirlemede bazı hatalara yol açmaktadır. Bu hataların etkisini azaltmak için bazı donanımsal önlemler alınabilir ancak bu hataları tamamen gidermek mümkün değildir.

UYDU TABANLI DÜZELTME SİSTEMİ (SBAS)

Uydu Tabanlı Düzeltme Sistemi (SBAS), yer sabit yörüngeli (GEO) uydulardan yapılan yayınla GNSS’e ait hataların düzeltilmesi için hizmet sunan sistemdir. Temel hata kaynaklarından yörünge, saat, iyonosfer ve troposfer kaynaklı olanlar SBAS yardımı ile düzeltilerek konum hatası azaltılabilir. Aşağıdaki tabloda GPS kaynaklı ve SBAS kaynaklı yatay konum hatası karşılaştırmalı olarak verilmektedir.

Tabloda verilen hatalardan çoklu yansıma kullanıcının bulunduğu ortamla, alıcı kaynaklı hatalar alıcı donanımıyla ilişkili olduğundan, bunlar SBAS ile düzeltilebilir hatalar değildir.

Konum doğruluğunun iyileştirilmesinin yanında, GNSS sistemlerinin doğruluk, bütünlük, süreklilik ve elverişlilik değerlerinin belirlenen kapsama alanında sağlanması da SBAS sayesinde mümkün olmaktadır.

Doğruluk, alıcıda ölçülen konum ile alıcının gerçek konumu arasındaki farktır. Bütünlük, pozisyon ölçümünün doğruluğuna tanımlanacak güven ölçümüdür. Yatay ve düşey eksenlerde hata limit değerleri belirlenmekte ve limitin aşılması durumunda önceden belirlenmiş uyarı zamanı içinde alarm verilmesi beklenmektedir. Süreklilik, sistemin kesintisiz bir şekilde işlevini yerine getirme yeteneğidir. Elverişlilik ise sistemin doğruluk, bütünlük ve süreklilik kriterlerini zamanın yüzde kaçında karşıladığıdır.

Uydu Tabanlı Düzeltme Sistemi (SBAS) temel olarak aşağıdaki alt sistemlerden oluşmaktadır:

• İzleme istasyonu

• Düzeltme merkezi

• Uydu erişim istasyonu

• Düzeltme uydusu görev yükü

Konumları çok iyi bilinen izleme istasyonları tarafından toplanan GNSS verileri düzeltme merkezine aktarılır. Düzeltme merkezinde hesaplanan düzeltme bilgileri uydu erişim istasyonu aracılığıyla düzeltme uydusu görev yükü üzerinden kullanıcılara dağıtılır. Düzeltme uydusu görev yükü yer sabit yörüngeli (GEO) bir uydu üzerinde yer almaktadır ve bu görev yükü sinyali alarak ilgili kullanıcılara dağıtmaktan sorumludur. Kullanıcı mevcut GNSS alıcısını kullanarak uydu tabanlı düzeltme sinyalini alabilir. SBAS’ın en büyük avantajı mevcut GNSS sinyal bandının kullanılıyor olması ve alıcıda donanım değişikliği gerektirmemesidir.

Dünyadaki Mevcut SBAS Sistemleri

Dünyada birkaç ülke kendi uydu tabanlı düzeltme sistemlerini uygulamaya almıştır.Bunlar;

WAAS (Wide Area Augmentation System): Dünyadaki ilk uydu tabanlı düzeltme sistemi olup Amerika Birleşik Devletleri tarafından geliştirilmiştir. GPS düzeltmesi sağlayan sistem Kuzey Amerika’da kapsama alanı sağlamaktadır.

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service): Avrupa kıtasında kapsama alanına sahip olup GPS’e düzeltme sağlamak için geliştirilmiştir. EGNOS, Açık Servis (OS) ve Can Güvenliği (SOL) olarak iki hizmet servisine sahiptir ve Avrupa’nın ilk GNSS düzeltme hizmetini kullanıcılarına sunmaktadır.

SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring): Rusya tarafından geliştirilen uydu tabanlı düzeltme sistemidir. Rusya ve komşu ülkelerde kapsama alanı sağlamaktadır. SDCM’nin diğer SBAS sistemlerine göre temel farkı hem GPS hem de Rusya Küresel Konumlandırma Sistemine (GLONASS) düzeltme sağlamasıdır.

BDSBAS (BeiDou Satellite Based Augmentation System): Çin tarafından geliştirilen uydu tabanlı düzeltme sistemidir. Çin ve çevre bölgesindeki kullanıcılara hizmet sağlamaktadır.

GAGAN (GPS Aided GEO Augmented Navigation): Hindistan tarafından geliştirilen, GPS’i düzelterek daha iyi konum doğruluğu sağlayan uydu tabanlı bir düzeltme sistemidir.

Uydu Tabanlı Düzeltme Sistemi İçin ASELSAN’da Yapılan Çalışmalar

Türkiye’nin kritik jeopolitik konumu nedeniyle ülkemize ait konumlama ve zamanlama sistemi ve ilgili düzeltme verisinin yerli imkânlar ile sağlanması gerekmektedir. Bu da ancak kendine ait konumlama ve zamanlama verisinin milli kabiliyetler ile karşılanmasıyla mümkün olabilecektir. Bu amaçla Milli Konumlama ve Zamanlama Sistemine yönelik ilk adım olan GNSS Düzeltme Sistemi ve Uydu Görev Yükü kapsamındaki çalışmalar Türkiye’de ilk defa gerçekleştirilmek üzere Özkaynaklı Ar-Ge Projesi olarak başlatılmıştır. Hedeflenen nihai amacın büyüklüğü düşünüldüğünde projenin aşamalı olarak gerçekleştirilmesi ve her bir fazda kademeli yetenek kazanımı planlanmıştır. Bu fazlı yapının ilk ayağı olan ve gerekli literatür çalışmalarının yapılarak sistem mimarisinin ortaya konduğu Faz-0 aşaması, 2022 yılının Ocak ayında başarılı bir şekilde tamamlanmıştır. Faz-1 kapsamında da çalışmalar hızla devam etmektedir.

GNSS Düzeltme Sistemi ve Uydu Görev Yükü Geliştirme Faz-1 aşaması kapsamında ortaya bir masaüstü doğrulama modeli konulacaktır. Bu masaüstü model, izleme istasyonu verilerinin alındığı ve düzeltme mesajının oluşturulduğu bir merkez ve fonksiyonel doğrulamaların yapıldığı alt sistemleri içerecektir. Masaüstü modelinin en kritik parçalarından olan ASELSAN’a ait algoritmalar ile düzeltme mesajının oluşturulması hedeflenmiştir. Donanım geliştirme kapsamında da görev yükü içerisinde kullanılacak ekipmanlar ASELSAN kabiliyetleri ile tasarlanacak üretilecek ve doğrulanacaktır. Tüm bu çalışmaların 2025 yılında tamamlanması hedeflenmektedir. Ülkemiz, Faz-1 aşamasının başarılı bir şekilde tamamlanmasıyla kendi konumlama ve zamanlama verisini üretebilen ve dışa bağımlı olmayan sayılı ülkeler arasına girmesi yolunda oldukça önemli bir aşama kaydetmiş olacaktır.