GPS Nedir? GPS Nasıl Çalışır?

Birçoğumuz her gün GPS’i aktif şekilde kullanıyoruz: Telefonumuzdaki harita uygulamalarıyla yön bulurken, yemek siparişimizin nerede olduğunu takip ederken ya da koşu rotamızı kaydederken. Peki hiç düşündünüz mü, GPS nedir ve aslında nasıl bir mantığa sahiptir?

Neredeyse tüm akıllı telefonlarda GPS teknolojisi bulunuyor. Öyleyse GPS’in ne olduğunu ve neden bir GPS alıcısıyla gökyüzüne net bir görüş açısına sahip olmanın sizi kaybolmaktan kurtardığını beraber inceleyelim.

GPS Nedir?

Çoğu insan “GPS” dediğinde aslında bir GPS alıcısını kasteder. Oysa Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS), dünya yörüngesinde dönen çok sayıda uydudan oluşan bir sistemdir. (gps.gov’un paylaştığı verilere göre şu an 31 aktif uydu görevde, 4 tanesi ise yedek veya kullanılamaz durumda.)

Bu uydu ağı, başlangıçta ABD ordusu tarafından askeri amaçlı bir navigasyon sistemi olarak geliştirildi ancak daha sonra sivil kullanıma da açıldı. Her biri 1.361 ila 1.814 kg ağırlığında ve güneş enerjisiyle çalışan bu uydular, yeryüzünden yaklaşık 20.000 km yüksekte günde iki tur atacak şekilde dönerler. Uyduların yörüngeleri öyle planlanmıştır ki, dünyanın herhangi bir noktasında aynı anda en az dört uydu görülebilir durumda olur.

Bir GPS alıcısı, bu uyduları kullanarak kullanıcının tam konumunu belirler.

GPS Nasıl Çalışır?

GPS alıcıları, gökyüzündeki en az dört uyduyu tespit eder, her birine olan uzaklığı hesaplar ve bu verileri kullanarak bulunduğunuz konum belirlenir. Bu süreç, trilaterasyon adı verilen basit bir matematik ilkesine dayanır. 3 boyutlu trilaterasyon biraz karmaşık olabilir, bu yüzden önce iki boyutlu örnekle başlayalım.

• 2 Boyutlu Trilaterasyon

Diyelim ki Amerika’da bir yerdesiniz ve tamamen kayboldunuz. Nerede olduğunuz hakkında hiçbir fikriniz yok. Birine soruyorsunuz: “Burası neresi?” Size cevap olarak diyor ki: “Boise, Idaho’dan 625 mil uzaktasınız.” Bu bilgi faydalı ancak tek başına pek işe yaramaz. Bu, Boise etrafında 625 mil yarıçaplı bir dairenin herhangi bir yerinde olabileceğiniz anlamına gelmekte.

Sonra başka birine daha soruyorsunuz ve o da diyor ki: “Minneapolis, Minnesota’dan 690 mil uzaktasınız.” Şimdi işler netleşmeye başlıyor: Elinizde iki daire var ve bu dairelerin kesiştiği iki olası nokta var. Üçüncü bir kişi, Tucson, Arizona’dan 615 mil uzakta olduğunuzu söylediğinde, artık bu iki noktadan yalnızca biri geçerli olur. Ve böylece bulunduğunuz yeri kesin olarak belirlersiniz: Denver, Colorado.

Bu işleme iki boyutlu trilaterasyon denir çünkü hesaplamalar düz bir yüzeyde (düzlemde) yapılır. Ancak konum belirlemede yükseklik/irtifa da devreye girdiğinde iş üç boyutlu hale gelir.

• 3 Boyutlu Trilaterasyon

3B trilaterasyon, mantık olarak 2B’den çok farklı değil ancak görselleştirmesi biraz daha zordur. Örneğin, bir uydudan 10 mil uzaklıkta olduğunuzu biliyorsanız, bu uzaklıkta olabileceğiniz her nokta dev bir kürenin yüzeyinde yer alır. İkinci bir uydudan 15 mil uzaklıktaysanız, ikinci bir küre daha elde edersiniz. Bu iki küre bir çemberde kesişir.

Üçüncü bir küre (üçüncü uydu) bu çemberi iki noktada keser. Dördüncü bir uydu (veya yeryüzü) bu iki noktadan yalnızca birinin geçerli olmasını sağlar. Bu sayede kesin konumunuz belirlenir. GPS cihazları genelde en az dört uyduyu izleyerek hem konum hem de irtifa bilgisi sağlar.

GPS Cihazları Konumunuzu Nasıl Hesaplar?

Bir GPS cihazının çalışabilmesi için iki bilgiye ihtiyacı vardır: Üzerinizdeki en az üç uydunun konumu ve her bir uyduya olan uzaklığınız. GPS alıcıları bu bilgileri, uydulardan gelen yüksek frekanslı ama düşük güçlü radyo sinyallerini analiz ederek belirler.

Kaliteli cihazlar aynı anda birden fazla uydu sinyalini alabilecek şekilde donatılmıştır. Radyo sinyalleri, ışık hızıyla (yaklaşık 300.000 km/saniye) yol alabilir. GPS alıcısı, sinyalin ne kadar sürede ulaştığını ölçerek, sinyalin ne kadar mesafe kat ettiğini hesaplar.

Burada önemli bir soru doğar: GPS cihazı, uydulara olan mesafeyi nasıl ölçer? Cevap, zamanlamadadır.

Belirli bir anda (örneğin gece yarısı), uydu, “sözde-rastgele kod” denilen uzun bir dijital desen yaymaya başlar. Alıcı da aynı deseni aynı anda oluşturmaya başlar. Uydu sinyali alıcıya ulaştığında, gönderilen desen, alıcının çalıştırdığı desenin biraz gerisindedir.

Bu gecikme süresi, sinyalin ulaşma süresidir. Alıcı, bu süreyi ışık hızıyla çarparak uyduya olan uzaklığı hesaplar.

Bu hesaplamaların işe yaraması için hem GPS uydularının hem de alıcının saatlerinin nanonsaniye düzeyinde senkronize olması gerekir. Bu hassasiyet ancak atom saatleriyle mümkündür ve bu saatler oldukça pahalıdır (50.000 – 100.000 dolar arası). Peki sıradan GPS cihazlarında nasıl bu kadar hassasiyet elde edilebiliyor?

Cevap oldukça basit: Uydular zaten atom saatleriyle donatılmıştır. Ancak GPS alıcınızda bu bulunmaz. Bunun yerine, cihazda sıradan bir kuvars saat bulunur. Bu saat, uydulardan gelen sinyallerle sürekli olarak kendini düzeltir. Sonuç olarak: Telefonunuz, dört veya daha fazla uyduyu izleyerek kendi saatindeki hataları hesaplar ve sürekli olarak düzeltir.

Böylece atom saati hassasiyetine yakın doğruluk sağlanmış olur ve bu da tamamen ücretsizdir.

Diferansiyel GPS (DGPS)

GPS çoğu zaman iyi çalışır ancak zaman zaman hatalar oluşabilir. Örneğin, hesaplamalar radyo sinyalinin atmosferden ışık hızında geçeceğini varsayar. Oysa atmosfer, sinyalleri yavaşlatabilir. Büyük binalar da sinyallerin yolunu etkileyebilir.

Diferansiyel GPS (DGPS) bu tür hataları düzeltmek için geliştirilmiştir. Temel prensip, sabit bir konumda bulunan GPS alıcısının kendi konumunu zaten bildiği için aldığı sinyallerdeki sapmayı hesaplamasıdır. Bu sabit alıcı, çevresindeki DGPS uyumlu cihazlara düzeltme bilgisi içeren radyo sinyalleri gönderir. Bu sayede, DGPS alıcısı olan cihazlar çok daha hassas konum belirlemesi yapabilir.

İlginizi Çekebilir: Wi-Fi mı Daha Çok Şarj Yer Mobil Veri mi?

Sıkça Sorulan Sorular

• GPS ne anlama geliyor?: GPS, İngilizce “Global Positioning System” yani “Küresel Konumlandırma Sistemi” anlamına gelir. Bu nedenle “GPS sistemi” demek teknik olarak tekrar içerir.
• Telefonlarda GPS nasıl çalışır?: Telefonlardaki GPS, klasik GPS cihazlarıyla aynı şekilde çalışır. Günümüzde birçok akıllı telefon, araç ve akıllı cihazda GPS donanımı bulunduğundan, çoğumuzun cebinde sürekli bir GPS cihazı vardır.
• GPS ve CBS farkı nedir?: GPS (Küresel Konumlandırma Sistemi), uydu temelli bir konumlama sistemidir. CBS (Coğrafi Bilgi Sistemi) ise konumsal verilerin toplanması, saklanması, analiz edilmesi ve görselleştirilmesi için kullanılan bir bilgi sistemidir.
• GNSS nedir?: GNSS, “Global Navigation Satellite System” yani “Küresel Uydu Navigasyon Sistemi”nin kısaltmasıdır. GPS, GNSS sistemlerinden biridir. Diğer örnekler arasında Avrupa Birliği’nin Galileo’su ve Çin’in BeiDou sistemi yer alır.