GPS nasıl çalışır?

GPS hangi parçalardan oluşur?

GPS (Global Positioning System), üç bölümden oluşan bir sistemdir. Uzay bölümünde Dünya’nın etrafında dönen uydular bulunur. Kontrol bölümü, yeryüzündeki istasyonlardan uyduları izleyen, saatlerini ve yörünge bilgilerini düzelten yer ağıdır. Kullanıcı bölümü ise telefonlarda, araçlarda, uçaklarda ve gemilerde bulunan GPS alıcılarıdır.

ABD, en az 24 GPS uydusunun zamanın yüzde 95’inde çalışır durumda olmasını taahhüt eder; pratikte uzun süredir 31 civarında aktif uydu kullanılmaktadır. Uydular yaklaşık 20.200 km yükseklikte, orta Dünya yörüngesinde bulunur ve her biri Dünya’nın etrafını günde iki kez dolanır. Uydular eşit aralıklı altı yörünge düzlemine yerleştirilmiştir; bu düzen, yeryüzünün neredeyse her noktasından aynı anda en az dört uydunun görülebilmesini sağlar.

Konum nasıl hesaplanır?

Her GPS uydusu sürekli olarak bir sinyal yayınlar. Bu sinyal, uydunun kimliğini, konumunu ve sinyalin gönderildiği anı içerir. Alıcı, sinyalin kendisine ne zaman ulaştığını ölçer. Radyo dalgaları ışık hızıyla yol aldığı için gönderim ve varış anları arasındaki fark, uydunun ne kadar uzakta olduğunu verir.

1. Alıcı bir uydunun uzaklığını öğrendiğinde, o uydunun merkezde olduğu bir kürenin yüzeyinde bir yerde bulunduğunu bilir.
2. İkinci uydunun uzaklığı eklenince olası konumlar iki kürenin kesiştiği bir çembere iner.
3. Üçüncü uydu bu çemberi iki noktaya indirir; bunlardan biri genellikle uzayda kaldığı için elenir.
4. Dördüncü uydu, alıcının kendi saatindeki hatayı hesaplamak için kullanılır.

Bu yönteme üç boyutlu “trilaterasyon” denir. Telefon ya da araç navigasyon cihazındaki saat, uydulardaki hassas saatler kadar doğru değildir. Saniyenin milyonda biri kadar küçük bir zaman hatası bile yüzlerce metrelik konum hatasına yol açabileceği için dördüncü uydu kritik önem taşır.

Uydu sinyalleri yeryüzüne ulaştığında son derece zayıftır. Avrupa Uzay Ajansı bu zayıflığı, Avrupa’nın bir ucundan diğerine tutulan bir araba farının ışığına benzetir. Alıcılar, her uyduya özgü karmaşık sayı dizilerinden oluşan kodları önceden bilir; zayıf sinyali bu kodlarla eşleştirerek gürültünün içinden ayıklar. Alıcı ayrıca uyduların beklenen konumlarını içeren “almanak” bilgisini saklayarak sinyali bulma süresini dakikalardan saniyelere indirir.

Atom saatleri ve görelilik neden önemli?

GPS uyduları son derece hassas atom saatleri taşır. Ancak uydular hem hızla hareket ettikleri hem de Dünya’nın çekim alanının daha zayıf olduğu yükseklikte bulundukları için saatleri yerdeki saatlerden farklı işler. Einstein’ın görelilik kuramına göre bu iki etkinin toplamı, uydu saatlerinin yerdeki saatlere göre günde yaklaşık 38 mikrosaniye ileri gitmesine neden olur. Bu fark düzeltilmeseydi konum hataları günde kilometrelerce birikirdi. Sistem bu düzeltmeyi tasarım aşamasından itibaren hesaba katar.

GPS’in tarihçesi nedir?

GPS askerî amaçlarla geliştirildi, ancak sivil kullanıma açıldıktan sonra harita uygulamalarından tarıma, haritacılıktan bankacılık sistemlerindeki zaman eşitlemesine kadar pek çok alanda vazgeçilmez hâle geldi. 2000’de kasıtlı hassasiyet düşürmenin kaldırılması sivil kullanıcıların doğruluğunu belirgin biçimde artırdı.

Takımyıldızın düzeni zaman içinde de geliştirildi. Haziran 2011’de “Genişletilebilir 24” adı verilen bir düzenlemeyle 24 yerden üçü genişletildi ve bazı uydular yeniden konumlandırıldı; böylece fazladan uydular da temel takımyıldızın parçası hâline geldi. Eski uydular yerini daha güçlü sinyaller ve ek sivil frekanslar sunan yeni kuşak uydulara bırakmaktadır. GPS’in hassas zaman sinyalleri, konum belirlemenin yanı sıra telekomünikasyon ağlarının ve elektrik şebekelerinin eşzamanlı çalışmasında da kullanılır.

GPS dışında başka uydu navigasyon sistemleri var mı?

GPS, küresel uydu navigasyon sistemlerinin (GNSS) yalnızca biridir. Rusya’nın GLONASS, Avrupa Birliği’nin Galileo ve Çin’in BeiDou sistemleri de küresel hizmet verir. Günümüzdeki pek çok alıcı birden fazla sistemin sinyalini aynı anda kullanarak daha hızlı ve daha doğru konum bulur.

GPS’in doğruluğunu etkileyen başka etkenler de vardır. Atmosferin elektrik yüklü üst katmanı olan iyonosfer sinyalleri geciktirerek birkaç metrelik hatalara yol açabilir. Yüksek binaların arasında sinyallerin yüzeylerden yansıması da hatalı ölçümlere neden olur; şehir merkezlerinde konumun zaman zaman kaymasının bir nedeni budur. Çift frekanslı alıcılar ve yerdeki referans istasyonlarından gelen düzeltme bilgileri bu hataları büyük ölçüde azaltır.

Sık yapılan yanılgılar

En yaygın yanılgı, GPS uydularının telefonları takip ettiğidir. GPS alıcısı yalnızca sinyal alır, uyduya hiçbir şey göndermez; uydu, sizin nerede olduğunuzu bilmez. Konum bilgisinin başkalarıyla paylaşılması, cihazdaki uygulamaların bu bilgiyi internet üzerinden iletmesiyle olur. İkinci yanılgı, GPS’in internet bağlantısı gerektirdiğidir; konum hesabı internetsiz yapılabilir, ancak haritaların indirilmesi ve ilk konum bulma sürecinin hızlandırılması için internet kullanılabilir.