Global Positioning System veya kısa adıyla GPS, 1970’li yıllarda A.B.D. Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilen bir sistemdir. Dilimize çevirecek olursak Dünyadaki Konumu Algılama Sistemi’ne benzer bir anlam ortaya çıkar. Kısacası dünyanın neresinde olursanız olun, bu sistem sayesinde hangi enlem, boylam ve yükseklikte olduğunuzu kolayca bulabilirsiniz. 

GPS sistemi dünyadan 17,600 kilometre yukarıda yörüngeye oturtulan 24 uydudan oluşur. Bu uyduların yörüngesi öyle ayarlanmıştır ki, dünyanın üzerindeki herhangi bir nokta herhangi bir zamanda en az üç uyduyu görebilir. Dünya üzerindeki herhangi bir noktanın kesin yerinin belirlenmesi ancak üç uydudan gelen sinyallerin birleştirilmesiyle mümkündür.Bu işleme üçgenleme (triangulation) denir. 4. uydu ile yükseklik bilgisi alınır. 5.uydu ile de diğer uyduların nerelerde olduğu,dolayısıyla ölçüm yapılan uydulardan biri coğrafi yapının zorluğundan veya yörüngesinden dolayı sınırları dışına çıktığında kullanılacak olan uydunun pozisyon bilgisini üretir.GPS uydularının üzerinde 4 adet atomik saat mevcuttur.Ayrıca her bir uyduda diğer bütün uyduların anlık ve muhtemel bulundukları yerlerin pozisyon bilgilerinin bulunduğu veri kütüğü(database) bulunur ve bu veri kütüğünde sık sık yeryüzü istasyonlarından gelen bilgiler güncellenir.

GPS, herhangi bir zamanda, her türlü hava koşulunda, gece ve gündüz bulunduğumuz noktayı kesin olarak belirleyebilir. Ayrıca denizcilik ve havacılıkta navigasyon (yol alma) ve pozisyon belirlemede oldukça kolaylık sağlamaktadır.

GPS’in çalışma prensibi oldukça basittir. Bunu anlatırken, genellikle, benzetmek amacı ile bir detektif hikayesi anlatılır. Olay Londra’da geçmektedir. Zengin bir ailenin kızı fidye için kaçırılır. Kızın gözleri bağlanır ve kaçıranlar tarafından saklayacakları binaya götürülür. Kaçırılan kız binaya girdikten sonra çıktığı katları sayar. Ayrıca, eski bina olduğunu basamakların gıcırdamasından anlar. 10. katta bir odaya götürülür. Canı sıkılmasın diye de yanına bir radyo konur. Londra’da, ünlü Big Ben saat kulesi, her saat başı o anki saate göre çan çalmaktadır. Her vuruş arası 4 saniyedir. Ayrıca, saat 12 vuruşları da radyodan verilir ki uzak olanlar da çan seslerini duysunlar. Radyodan da çan seslerini duymaya başladığında kaçırılan kız saatin kaç olduğunu bilmek için vuruşları saymaya başlar. Ancak, vuruş sayısını 13 olarak sayar. Bunun olması mümkün değildir. Yani, Big Ben şimdiye değin hiç hata yapmamıştır. Bu sırada fidyeciler, kızın ailesine gönderilmek üzere ses kaydı için kızın yanına gelirler. Kıza, söylemesi gerekenleri söylerler. Kız, fidyecilerin istediklerini ve eski 10 katli bir binada 13 Big Ben vuruşu duyduğunu söyler. Rakamın uğursuz olabileceğini, onun için de hemen fidyecilerin isteklerinin yerine getirilmesini söyler. Bu bilgi üzerine, ünlü bir İngiliz dedektif, binayı ve kızı bulur, kurtarır. Hemen akla gelen soru, kimdir bu dedektif?

Gerçekten bu bina nasıl bulunmuştur? Teknik olarak açıklaması: Big Ben’in vuruşlarının ses olarak kıza gelmesi ile radyodan gelmesi arasında ki zaman farkı tam bir vuruş aralığı kadar olmalı ki son vurusun gelmesi ile 13. vuruş gibi yorumlansın. Bu da, Big Ben’den 4 saniyelik sesin alacağı yol mesafesinde, 10 katli eski bir bina demektir. Bu da, 320 m/sn x 4 sn. = 1280 m demektir.

Aslında, bu mantığı çoğaltmak mümkün, 24 tane vuruş  gibi. Veya iki tane Big Ben olsaydı ne olurdu? En güzeli ise üç tane olduğu durumdur. Zira bu, GPS’in çalışma mantığını en basit şekilde açıklar.

3 Big Ben olsaydı  durumu da şu şekilde açıklanabilir: İki boyutlu konu üç boyutlu gerçek ortamda düşünülürse, üç uydudan gelen bilgiler sonucunda, iki noktadan birisi aranılan nokta olmalıdır. Uydudan olan uzaklıklar da, radyo dalgasının hızı ile geçen sürenin çarpılmasından elde edilecektir. Ancak, radyo dalgalarının sürati göz önüne alındığında, bu sürenin 0.06 saniye civarında olduğu anlaşılacaktır. Bu nedenle de, geçen sürenin çok hassas olarak elde edilmesi gerekmektedir. Yine Big Ben hikayesinden benzetimle, çan, ayni anda hem uyduda ve hem de bulunulan noktada çalınabilse, sesler arasındaki fark, geçen zamanı hesaplamakta kullanılabilecektir.

GPS ölçü aleti tarafından ayni zamanda kodun yayınlandığı kabul edilirse, GPS ölçü aleti, bu karmaşık kodun kayan kısmından, gecikmeden, geçen süreyi bulabilmektedir. Her uydunun kodu farklı olduğu için bir karışma söz konusu değildir. Ayrıca, karışık kod yeterince detaylı olduğundan, başkasıyla karışması söz konusu olmamaktadır. Bu arada, gelen sinyalin zayıflığı da bir problem oluşturmamakta ve böylelikle, uydudan gelen sinyaller için çanak anten gerekmemektedir. Bir başka nedeni de iletilecek çok da bilgi olmamasıdır.

Zamanlamanın çok iyi olması, ölçümlere hassasiyet getirecektir. Binde bir saniyelik hata 300 km. demektir. Bu nedenle, uydularda atomik saat bulunmaktadır. Fakat, benzer yaklaşım GPS ölçü aletleri için söz konusu değildir, olamaz da. Zira, bu durumda maliyetler son derece yüksek olurdu. Biraz matematik ve geometri bilgisi ile zamandaki hata oranı azaltılabilmektedir. Yine iki boyutlu düşünülürse, ilk iki uydudan alınan bilgiler ışığında, bulunulması gereken nokta sayısı iki olabilir . Ancak, üçüncü uydudan alınacak bilgi ile bu nokta sayısı bire inmek durumdadır . Bu durumda, GPS ölçü aleti, kendi saatini biraz ileri ve geri alarak tek noktada kesişecek şekilde olana kadar bu işleme devam eder ve uydu saatleri ile senkronizasyona girer. Böylelikle, GPS ölçü aletleri, aslında birer atomik saat hassasiyetinde zaman göstermektedirler. GPS ölçü aleti kapatılsa bile pil ile saati çalışmaya devam eder. Bu senkronizasyon işlemini, GPS ölçü aleti açıldığı zaman ve pil ile ilişkisi kesilmek durumunda kaldığında tekrarlar. Sağlıklı ölçüm için gereken hassas zaman bilgisi, uyduda atomik saat tarafından sağlanmaktadır. GPS ölçü aleti ise üç ölçü ile zaman hassasiyetini elde edebilmekte ve hatta yapacağı fazladan ölçüler (4. uydu ve fazlası) ile de kontrol sağlayabilmektedir 

GPS ELEMANLARI
GPS sistemi üç elemandan oluşur. Bunlar:

Uzay bölümü
Kullanıcı bölümü
Kontrol bölümü

Uzay bölümü: 20000 km yükseklikte bulunan 24 adet uydudan oluşur.Bu uydular senkron zaman (yıl, ay, gün, saat, dakika, saniye) sinyallerini, kendi pozisyon parametrelerini ve diğer  uydularla  ilgili bilgileri içeren iki ayrı frekansta yayın yaparlar.

Kullanıcı bölümü: GPS alıcılarından oluşur. Bu alıcılar uydulardan gelen sinyalleri anteni  vasıtasıyla alır  ve kendi türüne göre çeşitli amaçlı (seyrüsefer, araç takip...) gerçek zaman koordinat bilgisini veya biraz daha uzun süreli ölçüm sonucu jeodezi uygulamaları için statik fakat oldukça hassas (yatay düzlemde min. 1 mm) koordinat bilgisi üretir.

Kontrol bölümü: Uyduların doğru çalışıp çalışmadığını sürekli kontrol eden yer istasyonlarından oluşur. 5 adet  takip istasyonu, 1 adet ana  kumanda  istasyonu ve 3 adet uydulara  veri transmisyonu yapan istasyon vardır. Takip istasyonlarından alınan bilgiler ana  kumanda  merkezine gönderilir, burada uyduların yörüngeleri ve saat düzeltme bilgileri  hesaplanır  ve  ilgili  uydulara  mesaj    olarak  gönderilir.
 

 GPS cihazını kullanırken kullanmamız gereken birkaç terim şunlardır:

 Position fix GPS cihazı tarafından o anda bulunduğumuz noktanın belirlenmesidir. Bu nokta ya enlem/boylam ya da Universal Transverse Mercator sistemiyle iki koordinat olarak cihazda görülür. Bulunduğumuz noktanın koordinatlarını belirledikten sonra ona bir isim verebiliriz. Buna da GPS dilinde waypoint (yol noktası) deniliyor. Bu, kat ettiğimiz yol üzerindeki bir noktadır. Bazı GPS cihazlarında bu noktaları semboller ile belirlemek mümkündür.

Yol noktaları tekneyle seyahat sırasında çok önem taşımaktadır. Seyahate başlamadan önce bulunduğunuz limanın koordinatlarını belirleyip "liman" ismiyle kayıt edebiliriz. Böylece seyahatimizin başlangıç noktasını kaydetmiş oluruz. Seyahat esnasında başka noktaları da kaydedebiliriz. Bu da bulunduğumuz noktaya geri dönerken bize kolaylık sağlar. Zira GPS hareket halindeyken hem gittiğimiz yönü hem de süratimizi

vermektedir. Görüş mesafesinin kısıtlı olduğu gece veya sis şartlarında GPS’in yardımı göz ardı edilemez.

GPS alıcısı dünya üzerindeki yerini belirleyebilmek için uydularla bağlantı kurmak zorundadır. Buna uyduya kilitlenme (satellite lock, fix veya acquisiton) denir. Kilitlenmenin gerçekleşebilmesi için alıcının gökyüzünü rahatça görebilmesi gerekir. Eğer tekneniz yüksek bir dağın yanında demirlemişse, uyduya kilitlenmede problem yaşayabiliriz. Kilitlenmeyle birlikte alıcı uydudan bilgileri almaya başlar. Bu bilgiler sayesinde alıcı konumunu hesaplayabilir. Uydunun gönderdiği her sinyalde zaman da gönderilir. Böylece alıcı uydudan ne kadar uzakta olduğunu sürekli öğrenmektedir. Alıcı ikinci bir uyduya kilitlendiğinde, ondan olan uzaklığını da hesaplar ve böylece konumunu iki dairenin çakıştığı noktalara indirger. Üçüncü uyduya kilitlendiğinde (iyi bir konum tahmini yapabilmek için alıcının en az üç uyduyu görebilmesi gerekir) alıcı konumunu oldukça duyarlı bir biçimde bulabilir.

GPS cihazını ilk açtığımızda uydulara kilitlenmeye çalışarak konumunuzu belirleyecektir. Cihazın bunu gerçekleştirebilmesi için yaklaşık 10-15 dakikalık süreye ihtiyacı olur. Bu işleme initialization (başlama) denir. Başlama süresini kısaltmak için GPS cihazına yardım edebiliriz. Eğer cihaza bulunduğumuz yerin koordinatlarını verebilirsek başlama süresi oldukça kısalacaktır.

GPS bir pusula değildir. Hangi yöne döndüğümüzü göstermez. Eğer hareket halindeysek hangi yöne doğru gittiğimizi gösterir. Yelkenli tekneyle seyahat esnasında GPS’den alacağımız en faydalı bilgiler bulunduğumuz yerin konumu, yön noktaları ile önceden seyahat güzergahını belirleme, seyahat esnasında ortalama süratin ölçümü, bir sonraki yön noktasına ulaşma zamanı, bir sonraki yön noktası için alınması gereken istikamet, yön alınan istikametin bilinmesi, ve en önemlisi dönüş sırasında görüş şartları kötü bile olsa yola çıkılan noktaya geri dönülebilmesidir.

 GPS sistemi, World Geodetic System 1984 (WGS 84) sistemini kullanır ve yer yüzünde bulunduğunuz noktayı 300 feet’e (90 M) yüksekliğe kadar kesin bir şekilde bulabilir. Bu yükseklikten sonra sistem hatayı düzeltmek için hesap yapar, hata en aza indirilerek yeryüzündeki hassasiyet yakalanabilir.Yer yüzünde bulunduğunuz noktayı 300 feet’e (90 M) yüksekliğe kadar kesin bir şekilde bulabilir. Bu yükseklikten sonra sistem hatayı düzeltmek için hesaplar yapar ve hata en aza indirilerek yer yüzündeki hassasiyet yakalanabilir.

Yapılan ölçümlerin hassas olması için uydular çok komplike ve hassas saatler kullanırlar. Bu saatler nanosaniye hassasiyetindedir. Tam olarak 0.000000003 saniyeyi gösterebilirler (Saniyenin milyarda üçü). Sistemin bu kadar hassas olmasının nedeni ise alıcının tam olarak verinin uydudan ne kadar sürede geldiğini hesaplaması gerektiğidir. GPS alıcısı bu süreyi pozisyonunu bulmak için kullanır.

GPS’in en büyük özelliği, uydularla görüşün olduğu her durumda , 24 saat 365 gün, yer yuvarlağı üzerindeki her nokta üzerinde, saniye hatta saniyeden çok daha kısa zamanda, noktaya ait 3 boyutlu mutlak konum bilgisi üretebilmesidir. Bununla beraber konumdan beklenen hassasiyete göre , GPS iki farklı biçimde kullanılabilmektedir

Mutlak Konum Belirleme
Rölatif Konum Belirleme

GPS kullanım amacına uygun olarak tek bir alıcı kullanılması durumunda her zaman mutlak konum belirler. Bu durumda bir nokta için elde edilen  doğruluk  10 metreler mertebesinde olup, bulunan konumun global anlamdaki doğruluğu ± 100 m’lik bir alanın içindedir. Rölatif konumda ise minimum iki alıcı kullanılmak koşuluyla, bu iki alıcının birbirine göre olan konumlarından hareketle konum belirlenir. Bu yolla metre mertebesinden milimetreye  kadar konum belirlemek olasıdır. Hatta mutlak konumu bilinen noktalardan hareket ederek, rölatif konum belirleme yöntemlerinden herhangi birinin uygulanmasıyla da mutlak konum belirlemek olasıdır.

Rölatif konum belirlemede değişik yöntemler kullanılır,
i.             Statik
ii.            Hızlı Statik
iii.           Kinematik
iv.           Farklarla GPS (Differential Gps-Dgps)

Statik yöntemde, en az iki alıcıyla gözlem yapılır. Gözlem süresi uzundur. Gözlem süresi beklenen doğruluğa ve iki alıcı arası uzaklığa bağlı olarak değişir. Genelde bu süreler ½ saat ve üstü olarak belirlenir. Bu yöntemle nirengi ağlarını oluşturan noktaların konumları, deformasyon ölçmeleri ve yüksek doğruluk gerektiren  benzer çalışmalar yapılabilir.

Hızlı Statik yöntem, statik yöntemle aynıdır fakat en önemli fark gözlem süresinin, dolayısıyla alıcılar arasındaki uzaklığın kısa tutulmasıdır(5-20 dakika  ve 20 km’den kısadır). Bu yöntemle sıklaştırma ağına ait noktalar, poligon noktaları ve güvenilirlik beklenen detay noktalarının konumları belirlenebilir.

Kinematik Yöntem, daha çok gerçek zamanda konum belirlemek (Real time kinematic) amacıyla geliştirilmiştir. Bu yöntem, referans noktasında bulunan bir alıcıyla bir gezici alıcıdan oluşan bir donanımla gerçekleştirilir. Referans noktası merkezli 10-15 Km çapı olan bir alanda cm doğrulukla konum belirlemek olasıdır. Aplikasyonda, detay alımında ve hareketli nesnelerin yerlerini belirlemede kullanılabilir.

DGPS’nin kullandığı veriler ve değerlendirilmesi farklıdır. Referans alıcısıyla gezici alıcısı arasında  100 Km hatta 300 Km’ye kadar bir uzaklık olabilir. Yöntem 0.5 m ile 3 m arası bir hassasiyete sahiptir. Genelde navigasyon amaçlı kullanılır.

GPS, kullanıcı hızının üç boyutlu olarak belirlenebilmesini de olanaklı kılmaktadır. Bu amaçla birkaç yöntem kullanılmaktadır. Bazı almaçlarda hız, kullanıcı konumunun yaklaşık bir türevi alınarak saptanmaktadır.

du/dt~[u(t2) - u(t1)]/(t2 -t1 )

Bu yaklaşım kullanıcı hızının seçilen bir zaman aralığında sabit ve u(t2) ve u(t1) konumlarındaki hataların u(t2) - u(t1) farkı ile kıyaslandığında göreli olarak küçük olabildiği koşullarda geçerli ve gerçekçidir.

GPS kontrol noktaları ise uyduları sürekli gözetleyip takip eden yer noktalarından oluşur. Yer kontrol sistemi; Pasifik okyanusunda bulunan  Hawai ve Kwajalein istasyonları, Hint okyanusunda bulunan Diego Garcia istasyonu, Atlantik okyanusunda, Ascension  Adası istasyonu, Colorado’da bulunan Colorado Springs istasyonu ve Ana Merkez olan Colorado Schriever Hava Üssü’nden oluşmaktadır.  Bu istasyonlara ek olarak dört büyük yer anteni de uyduları sürekli takip etmektedir. Uydular tüm bu yer istasyonlarına ve antenlere kesintisiz sinyaller göndererek bulundukları pozisyonları yer istasyonlarına bildirirler.

Koordinat bulmak için kullanılan alıcılar ise çok çeşitlidir. GPS alıcıları elde taşınabilmekte veya uçak, gemi, tank, denizaltı,  araba gibi nesnelere takılabilmektedir.       

Günümüzde kullanımda olan 100’den fazla çeşitte GPS alıcısı bulunmaktadır. Alıcılar farklı olmasına rağmen yaptıkları iş aynıdır. Hepsi GPS uydularından gelen sinyalleri tespit eder, sinyali çözer ve işler. Teknoloji geliştikçe alıcıların boyutları da küçülmektedir. Şu anda GPS alıcılarının boyu yaklaşık bir cep telefonu büyüklüğündedir, ama daha küçük boyutlu olanları da üretilmektedir. Bunlar daha çok askeri amaçlı kullanılmaktadır. Örnek vermek gerekirse; körfez savaşı sırasında Amerikan ordusunun askerlere dağıttığı GPS alıcısı yalnızca 400 gram ağırlığındaydı. Günümüzde ise çok daha hafif olanları bulunmaktadır.