DPS Konumlandırma Referans Sistemleri (UTM ve Uydu Sistemleri)
DPS KONUMLADIRMA REFERANS SİSTEMLERİ
Bu bölümde sizlere DP sistemi için son derece önemli olan Konumlandırma Referans Sistemleri hakkında önem arz eden noktalar üzerine değinmek istedim. Özellikle bu konu, hem DP sertifika sınavında birçok soru içeriğine sahip olduğu için hem de çalışma hayatımızda birçok yerde karşımıza çıkacağından ötürü, bilinmesi ehemmiyet göstermektedir.
Konumlandırma Referans Sistemleri:
1 UTM koordinat sistemi (The Universal Transverse Mercator)
2 Uydu Sistemleri GPS, DGPS ve Glonass
3 Hidroakustik Pozisyon Referans Sistemi HPR / Hipap
1. Mevki tanımlaması için kullanılan referans koordinat (Datum) sistemi (UTM)
Mevki tanımlaması için kullanılan referans koordinat (Datum) sistemi, araştırma ve diğer açık deniz çalışmaları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha çok DP ile ilgili seyir, UTM sistemine dayanmaktadır, bu nedenle burada bu sistem ile ilgili açıklama yapılacaktır.
UTM metre kuzeye ve doğuya dayalı grid bir sistemdir. Amaç, enlem, boylam ve gerçek kuzeye dayanan geleneksel Mercator projeksiyonunda mevcut olan bozulmayı azaltmaktır. UTM, Mercator gibi silindirik bir projeksiyondur ancak UTM'de silindirin ekseni ekvatorun düzlemi boyunca uzanır; silindir ve Küre arasındaki temas hattındaki bir meridyeni ve onun anti-meridyendir. Açıkçası, bu türün tek bir silindirik projeksiyonu, tüm karasal yüzeyi grafiklemek için kullanılamaz ve temas meridyeni ile çizilen alan arasındaki boylamda fark büyük olsaydı, bozulma da büyük olurdu.
Projeksiyonun önemli kapsamı, merkezi meridyen olarak bilinen temas meridyeni üzerine merkezlenir ve genişliği 6 derece boylam bölgesinden oluşur. Bu bölge içinde bozulmalar minimaldir. Bölgeler 180º meridyenler doğuya doğru numaralandırılmıştır. Böylece bölge 1, 180º ila 174º Batı arasında, 177º Batı üzerinde merkezi meridyen ile dağılır. Kuzey Denizi çoğunlukla bölge 31 (Greenwich-6º E, Orta meridyen 3ºE) içindedir.
Belirli bir bölge içinde, Northings ve Eastings (metre cinsinden), dünya üzerindeki konum ne olursa olsun, sırasıyla kuzeye ve doğuya doğru bir yönde artacak şekilde düzenlenmiştir. Northings için Datum ekvatordur, Kuzey Yarımküre Northings ekvatorda sıfır değerine sahip ve kuzeye doğru artmaktadır. Güney yarımkürede, ekvatorda 10.000.000'luk bir kuzeye kaydırma ( False Northing) değeri oluşur ve kuzeydeki değerler güneye doğru ilerledikçe azalır. Bu kaydırma ile, kuzeye doğru artması gereken pozitif değerler sorunu çözemeye yardımcı olur.
Eastings için, merkezi Meridyende sıfır değeri bulunur, ancak bu, merkezi Meridyenin batısındaki negatif değerlerle sonuçlanır. Bu sorunun üstesinden gelmek için merkez meridyen üzerinde 500.000 m Doğuya Kaydırma (False Easting) değeri oluşur ve Doğu değerleri doğu yönünde artar. Böylece, tüm bölgenin pozitif Doğu değerleri ile kapsanması sağlanır.
UTM grid bir sistem olduğu için meridyenlerin yakınsaması yoktur ve harita gerçek bir 90 derecelik Kare grid oluşturur. Bu nedenle, grid Kuzey ile gerçek Kuzey arasındaki yönde bir fark vardır ve bu farkın kendisi alan boyunca değişir. Merkez Meridyende fark sıfır olacaktır. DP çalışması için bu farkın bilinen bir değer olması ve ayrıca Artemis sabit istasyonlarının True veya Grid yerlerine kalibre edilip edilmemesi önemlidir. Kısa menzilli çalışma veya göreceli uzun menzilli çalışma için sorun yoktur, ancak Artemis referans kökeninden uzun bir mesafede bir DP gemisi tarafından çalişma yeri kuruluyorsa, Artemis koordinatları kullanıldığında, önemli konumsal hata ortaya çıkabilir.
Bir bölgeden (yani belirli bir merkezi meridyene dayanan) UTM koordinatlarının, başka bir merkezi meridyene dayanan aynı konum için koordinatlarla hiçbir şekilde eşleşmeyeceğini fark etmek önemlidir. Bir görevi planlarken, verilen tüm alan diyagramlarının ve planlarının aynı projeksiyon ve merkezi meridyen verilerine çizildiğini kontrol etmek gerekir.
1.1 UTM Koordinat Sistemi İçin Özelliklerin Seçilmesi
UTM koordinat sistemi seçildiğinde yan tarafta yer alan “UTM Properties” komut butonunun kliklenmesi ile açılan iletişim kutusu üzerinden UTM koordinat sistemi kullanımı için gereken parametreler girilebilir (UTM: “Universal Transverse Mercator” projeksiyon sistemi).
Şekil 1.1 UTM Koordinat Sistemi Özellikleri
“False Easting” (Doğu kaydırma): UTM seçildiğinde, koordinatların negatif değer olarak gösterilmesinden kaçınmak için, UTM mevkisinin Doğu/Batı tanımlama noktası için 500.000 metre kaydırma değeri (offset) girilebilir.
“False Northing” (Kuzey kaydırma): UTM mevkisinin Kuzey/Güney tanımlama noktası için 10.000.000 metre kaydırma değeri (offset) girilebilir, bu değer yaklaşık olarak ekvator ile Kuzey kutbu (UTM gridinde) arasındaki mesafeye eşittir. Bu sayede Kuzey yarımküredeki bir mevki için negatif koordinat gösterilmesinden kaçınılabilir. Kuzey kaydırma işlemi (False Northing) normal şartlarda sadece Güney Yarımküre için geçerlidir (uygulanabilir).
“Zone option”: UTM sahasının otomatik olarak coğrafi mevki hesaplamalarına göre tespit edilmesi için “Automatic zone calculation” kutucuğu işaretlenmelidir. Aksi takdirde sistem için gerekli olan UTM sahası “Zone” kısmından seçilmelidir. “Zone offset, mevki bilgisinden UTM sahası hesaplanırken boylam derecesine ilave edilecek sabit kaydırma değeridir. Sistemde UTM sahası için en fazla ±3º sabit kaydırma girilebilir.
K-Pos DP sistemi kontrol işlemcisi daime kendi içerisindeki coğrafi koordinat sistemini ve WGS84 datumu kullanır. Bu yüzden, WGS84 dışında bir datum kullanan tüm uydu mevki sistemlerinden alınan veriler sistem tarafından WGS84’e göre çevrime tabi tutulur. UTM formatında gelen mevki bilgileri de coğrafi koordinatlara çevrilir.
2. Uydu Sistemleri GPS, DGPS ve Glonass
GPS sistemi üç bölümden oluşur:
Uzay segmenti, altı yörünge düzleminde (her düzlemde dört uydu) en az 24 operasyonel uydudan oluşur. Ek aktif yedek uydular normalde herhangi bir zamanda yaklaşık 27-30 operasyonel uyduya ulaşır. Eğim açısı (yörünge düzlemi ve Ekvator düzlemi arasındaki açı) 55 derecedir. Uydular yaklaşık 20200 km yüksekliğe sahiptir (26560 km yörünge yarıçapı). Yörünge hızı yaklaşık 14000km / s ve yörünge süresi yaklaşık 11 saat 58 dakikadır. Dünya uyduların altında döndüğü için, aynı uydu her 23 saat 56 dakikada bir dünya üzerinde aynı noktayı geçecektir. Uydular yörünge düzlemlerinde konumlandırılmıştır, böylece Dünya'daki bir GPS alıcısı normalde iyi bir geometrik ilişkiye sahip en az dört uyduya sahiptir. Uydular güneş enerjisi ile çalışır, ayrıca yedek bataryası vardır ve yaklaşık 10 yıl sürecek şekide inşa edilmiştir. Uydular yüksek hassasiyete sahip dört atom saati ile donatılmıştır. Ayrıca yörünge konumunu ayarlamak için küçük roket güçlendiricileri vardır
Kontrol segmenti şunlardan oluşur:
* Beş Monitör istasyonları (Ascension Island, Colorado Springs, Diego Garcia, Hawaii ve Kwajalein).
* Üç yer antenleri, Yukarı bağlantı istasyonları (Ascension Island, Diego Garcia ve Kwajalein).
* Bir ana kontrol İstasyonu (MCS) (Schriever Hava Kuvvetleri üssü, Colorado Springs bulunur).
İzleme istasyonları, her uydudan değişen verileri toplayarak, tüm uyduları sürekli olarak takip eder. Bu veriler doğrulama ve daha fazla işlem için ana kontrol istasyonuna (MCS) gönderilir. Düzeltilmiş bilgiler daha sonra uydulardan gönderilen navigasyon mesajını düzeltmek için Mcs'nin yer Antenlerinden biri aracılığıyla uydulara iletilebilir. MCS fonksiyonları ayrıca uydu istasyonu tutma manevralarının kontrolünü, yedek uyduların yeniden yapılandırılmasını ve diğer bakım faaliyetlerini de içerir.
Kullanıcı segmenti temel olarak karaya, denize ve havadan gelen kullanıcılara pozisyon, hız ve kesin zamanı hesaplayabilen ve sunabilen antenler ve alıcı işlemcilerden oluşur.
GPS iki hizmet seviyesi, standart konumlandırma hizmeti ve hassas konumlandırma hizmeti sağlar.
Standart konumlandırma hizmeti (SPS)
SPS, tüm GPS kullanıcılarına doğrudan bir ücret ödemeden ve sürekli, dünya çapında sunulacak olan bir konumlandırma ve zamanlama hizmetidir. 1 Mayıs 2000'e kadar, seçici kullanılabilirlik (SA) olarak bilinen hatalar giderilerek, SPS'nin doğruluğu yaklaşık 100 m yatay konumlandırmaya düşürüldü. Bununla birlikte, SA 1 Mayıs 2000'de kapatıldı ve standart konumlandırma servisinin (SPS) konum doğruluğu yaklaşık 10-15 metre, yani ( Dairesel hata olasılığı %95 düşürüldü), (CEP Circular Error Probability).
Hassas konumlandırma hizmeti (PPS)
PPS, ABD tarafından yetkilendirilen kullanıcılara sürekli olarak, dünya çapında hizmet sunacak olan son derece hassas bir askeri konumlandırma, hız ve zamanlama hizmetidir. PPS, yaklaşık 5-10m'lik öngörülebilir bir konumlandırma doğruluğu sağlar (%95 CEP).
Tüm GPS uyduları, L1=1575.42 MHz ve L2=1227.6 MHz olmak üzere iki taşıyıcı frekansta sinyal iletir. Yeni nesil uydular da L5=1176.45 MHz'de iletilecektir. Taşıyıcı frekansı tüm uydular için aynı olduğundan, sinyal, farklı uyduları birbirinden ayırmayı mümkün kılan özellikler içermelidir. Bu, sözde rastgele gürültü kodları (PRN kodları) olarak adlandırılan sinyallerdeki kodlar kullanılarak elde edilir. Bu kodlar her uydu için ayrıdır ve taşıyıcı frekansının üstünde modüle edilmiştir. Görünüşte bu kodlar yanlış, rastgele sesler gibi görünecek, dolayısıyla rastgele bir gürültü olacaktır. Farklı uyduları ayırmanın yanı sıra, mesafe hesaplamalarında PRN kodları da kullanılır. Bu bölümde daha sonra ele alınacaktır. Aşağıda açıklanan farklı türde sahte rastgele gürültü kodları vardır.
C / A-kodu (Coarse Acquisition code) standart konumlandırma hizmeti (SPS), sivil GPS kullanımı için uygundur. C / A-kodu, her 1 milisaniyede kendini tekrarlayan 1.023 MHz frekansına sahiptir. C / A kod dizisinin kısa uzunluğu, bir alıcının uydu sinyallerini hızla almasını sağlamak için tasarlanmıştır. C / A-kodu şifreli değildir ve bu nedenle GPS tüm kullanıcılar tarafından kullanılabilir. C / A-kodu L1 frekansında iletilir.
P-kodu, hassas konumlandırma hizmetinin (PPS) temelidir. P-kodu askeri GPS kullanıcıları için şifreli bir koddur. P-kodu 10.23 MHz PRN kodudur. Ocak 1994'te, sıkışması daha da zor olan yeni bir kodla, Antispoofing modu (A-S) uygulandı. Bu kod y-kodu olarak adlandırılır ve anti-spoofing modu etkinleştirildiğinde P-kodunun yerini alır. Hassas konumlandırma hizmeti için kullanılan kod genellikle P(Y)-kodu olarak adlandırılır. P (Y)-kodu L1 ve L2 frekanslarında iletilir.
Uydudan iletilen veriler, bu benzersiz PRN kodlarından ve temelde uydunun konumunu, zamanını, atmosferik verilerini ve tüm aktif uydular hakkında bilgi veren bir almanak içeren navigasyon mesajından oluşur.
2.4 Konumlandırma Prensibi
Temel konumlandırma prensibi, farklı uydulardan gelen aralıkların üçgenleştirilmesine dayanır. Bir pozisyonu hesaplamak için normalde en az 4 uydu aralığı ölçülmelidir. Mesafeleri hesaplamak için, seyahat süresi bilinmelidir, (GPS alıcısından alınana kadar bir sinyalin bir uydu tarafından gönderildiği zaman). Bir uydudan gelen mesafe daha sonra, ışık hızının, yaklaşık 300.000 km/s olduğu ışık hızı ile (Mesafe = ışık hızı X seyahat süresi) Seyahat süresi çarpılarak hesaplanır. Mesafeleri kullanarak üçgenlemek için, uyduların konumlarının bilinmesi gerekir. Uydu konumu, uydulardan gönderilen navigasyon mesajının bir parçasıdır. Seyahat süresinin nasıl belirlendiği aşağıda açıklanmıştır.
Doğru Seyahat süresini ölçmek çok önemlidir. Örneğin; yalnızca bir milisaniyelik Seyahat süresinde bir hata varsa, bu 300 km aralığında bir hataya neden olur. Bu tür hatalar elbette kabul edilemez. Zaman ölçümü, hem uydu hem de alıcının aynı PRN kodunu tam olarak aynı anda ürettiği varsayımına dayanır. Seyahat süresi, uydu PRN kodunun alıcının koduna kıyasla ne kadar geç göründüğünü karşılaştırarak bulur
Uyduların yüksek hassasiyete sahip hassas dört atomik saati vardır ve tüm uydular bir GPS sistemi zamanıyla senkronize edilir. Alıcı olsa da, aynı doğru saate sahip değildir. Yukarıdaki prensip, prn kodunu tam olarak aynı anda üreten uydu ve alıcıya dayandığından, alıcıda da doğru bir zamana sahip olmamız gerekir. Bu alıcı saat ofseti, ekstra bir uydu aralığı ölçülerek düzeltilir. Bir pozisyonu hesaplamak, enlem, boylam, yükseklik ve alıcı saat ofsetini hesaplamak için en az dört uyduya ihtiyacımız olmasının nedeni budur.
Sinyal doğruluğunu etkileyen çeşitli kaynaklar vardır:
Troposfer dünya atmosferinin alt kısmıdır. Bu, hava değişiklikleriyle ilişkili sıcaklık, basınç ve nem değişikliklerinin meydana geldiği yerdir. Bu faktörler sinyallerde değişen derecelerde gecikmelere neden olur.
İyonosfer, 50 ila 500 km arasında değişen atmosfer tabakasıdır ve büyük ölçüde iyonize parçacıklardan oluşur ve bu da sinyallerde gecikmeye neden olur.
Bunlar, uydudan düz çizgi yolunu takip eden sinyalle etkileşime girebilen veya karıştırılabilen alıcının yakınındaki yüzeylerden yansıyan sinyallerden kaynaklanır. Yansıyan sinyal çok güçlü ise, GPS alıcısı uydudaki kilidi gevşetebilir.
Çok yollu tespit etmek zordur ve bazen kaçınılması zordur.
Temel geometri, diğer hataları, hassas - GDOP'UN geometrik Dilüsyonu olarak adlandırılan bir prensiple büyütebilir.
Kullanıcı uydulardan çizilen çizgilerin birbirine neredeyse dik olduğu bir noktada olduğunda, kesişme noktası iyi tanımlanır.
Açı ya çok büyük ya da çok küçük olduğunda, kesişme noktası bulanıklaşır ve konumlandırma bozulur.
Geometrinin etkileri, günün saatine ve mevcut uyduların sayısına göre değişir. Zayıf geometri, engellerden de kaynaklanabilir. Örneğin; bir gemi platform yapısına yakın olduğunda, düzeltme sinyalleri kolayca engellenebilir.
2.6 Hassas seyreltme (DOP)
Pozisyon hesaplaması temel geometridir. Uydular gözlemciye göre belirli konfigürasyonlarda olduğunda, küçük hataların büyütülmesi mümkündür. Hassaslığın seyreltilmesi (DOP), geometrinin hatayı ne kadar büyüttüğünü gösteren boyutsuz bir sayıdır.
DOP Kategorilere ayrılabilir:
En sık kullanılan DOP değeri, Hdop ve Vdop kombinasyon halinde olan pozisyon DOP (PDOP) olarak adlandırılır.
2.7 Hasas Doğrulama için DP gereksinimleri
Hassas dinamik konumlandırma (DP) için bir geminin pozisyonunun çok hassas ölçümleri gereklidir. Standart GPS genellikle bir DP sistemine giriş olarak yeterince iyi değildir. GPS'in doğruluğunu geliştirmek için diferansiyel GPS (DGPS) kullanılır.
Bir kıyı tabanlı referans istasyonu uydulardan GPS yayınları izleme methodu ile, bilinen bir yerde kurulmuştur. Referans istasyonları, bilinen konumları hesaplanan GPS konumuna karşı sürekli olarak karşılaştırır, her uydunun sinyallerindeki hataları hesaplar ve hata düzeltmelerini GPS kullanıcılarına iletir. Düzeltme mesajı formatı, Denizcilik hizmetleri için radyo teknik Komisyonu (RTCMSC104) tarafından belirlenen standardı takip eder.
Bir GPS sistemine ek olarak, kullanıcı için bir DGPS anteni ve bir DGPS alıcı ünitesi gerekir. Düzeltme sinyalleri farklı yöntemlerle alınabilir. Örneğin; IALA radyo bağlantısı (yaklaşık Aralık. 200 km) veya özel uydu sistemleri, Spotbeam veya Inmarsat (yaklaşık Aralık. 2000 km).
Bu diferansiyel düzeltmeler daha sonra hesaplamalar için kullanmadan önce geminin GPS alıcısı tarafından alınan sözde aralıkları düzeltmek için uygulanır, böylece uydu sinyal hatalarının çoğunu ortadan kaldırır ve doğruluğu arttırır.
Inmarsat kullanırken fugro SeaSTAR tarafından dağıtılan diferansiyel sinyaller için kapsama haritası.
IALA tarafından dağıtılan diferansiyeller sinyalleri için kapsama haritası. Deniz radyo işaret kuleleri kullanılır.
Bağıl konumlandırma-DARP (Differential Absolute & Relative Position Sensor)
Bazı DP fonksiyonları, sabit bir pozisyondan ziyade hareket eden bir teknenin konumlandırılmasını gerektirir. Bunun bir örneği, yüzen bir Shuttle Tankerin kıçından yükleme hortumu aracılığıyla diğer geminin başına doğru yüklenen bir DP Shuttle tankerinin çalışmasıdır. Gerekli ekstra ekipman UHF bağlantı anteni, UHF alıcı-verici istasyonu ve modemdir.
Göreceli bir konumun ölçümleri için, hatalar her iki gemi için de aynı olacağından, diferansiyel düzeltmeler kullanılmaz. Referans noktasına bir transponder yerleştirilir ve bu alınan GPS verilerini Shuttle Tankerdeki UHF alıcı-vericisine yeniden iletir. Shuttle Tankerdeki bir bilgisayar, her iki gemiden de GPS ölçümlerini kullanarak, DP sistemine pozisyon referansı olarak girilebilecek bir mesafe/kerteriz vektörü türetir ve sistem bu şekilde çalışır.
Küresel navigasyon Uydu Sistemi (GLONASS), Amerikan GPS sisteminin Rus muadilidir.
GLONASS uydu takımyıldızı, yörüngeler ve sinyal yapısı açısından NAVSTAR GPS ile çok ortak noktası vardır. GPS etkileyen tüm hatalar da GLONASS için geçerli olacaktır. GLONASS diferansiyel düzeltme sinyalleri ticari olarak ayrıca sunulmaktadır.
2010 yılına kadar GLONASS Rusya topraklarının tamamına ulaşmış ve 2011 yılı Ekim ayında, toplam 24 uydudan oluşan tüm yörünge takımları ile tam küresel kapsama alanına etkinleştirilmiştir. GLONASS uydularının, 2011'de başlayan ve 10 yıllık yaşam süresi olan
sürümü ile tasarımları, bir takım yükseltmeler içermektedir.
2.9 Mevki Konumlandırma Sisteminin (D-GPS) DPS Sistemi İçinde Kullanımı
DKS’nin mevki referans sistemi olarak kullanılan DPS 110, DGPS alıcısı, GPS ve DGPS antenlerinden oluşan yüksek performanslı bir mevki konumlandırma sistemidir. İçerisinde IALA ve DGNSS alıcılarını ihtiva eder. Bir metreden daha düşük hassasiyete sahip ve kullanımı ücretsiz olan IALA referans sistemi (transmitterleri) ve SBAS (WAAS/EGNOS/MSAS/GAGAN) sistemlerini kullanma kabiliyetine sahiptir. Bunların yanında abonelik gerektiren SeaSTAR SGG sistemini de kullanabilir (sabit referans istasyonlarından uzaklaştıkça mevki hassasiyeti düşmez, bu sistem tüm dünya çapında bir metreden daha düşük hassasiyette mevki bilgisi verebilir).
Sistemin genel özellikleri ve kabiliyetleri:
● Yüksek performanslı GPS (L1/L2) alıcısı
● IALA sabit istasyonlarını kullanma kapasitesi
● Bütünleşik L band alıcı ile Fugro SeaSTAR SGG imkanı
● İlave RTCM düzeltme girişi
● Birbirinden bağımsız GPS (GNSS) ve IALA antenleri
● Harici cihazları beslemek üzere kullanılabilecek arayüz
● İki satırlı entegre LCD ekran ve tuş takımı (sistem kurulumu ve durum izlemesi için)
● USB bağlantı noktası üzerinden kolaylıkla yazılım güncellenmesi
● Eternet bağlantısı (arayüz)
DPS 110, GPS ve DGPS sinyallerini gerçek manada paralel işleme tabi tutarak hassas mevki bilgisi üretebilecek gelişmiş bir algoritmaya sahiptir. GPS-DGPS (SBAS, WAAS, EGNOS, MSAS ve GAGAN) sinyallerinin yanında IALA ve SeaSTAR SGG düzeltme sinyallerini de işleme dahil eder.
Pek çok kaynaktan gelen DGSP sinyalleri çok referanslı bir mevki bilgisi için birleştirilir. SeaSTAR düzeltmeleri bölgesel SBAS ve lokal DGPS bilgileri ile desteklenir (SeaSTAR SGG sistemi küresel olarak bir metreden daha düşük hassasiyette mevki bilgisi verebilir). DPS, DKS’nin diğer bileşenlerine de (cJoy Kumanda Sistemi ve HiPAP) mevki bilgisi gönderir.
Yukarda Dinamik Konumlandırma Sistemi için önem arz eden, Pozisyon Referans Sistemleri içinde olan UTM ve Uydu Sistemleri hakkında bilgi verdim. DP sertifikası sınavlarında bu konulardan çok soru geleceğini tekrar hatırlatarak, bu doğrultuda dikkatli okuyup anlamanızı tavsiye ederim.
Sonraki konularımızı başka bir bölümde elimden geldiğince aşağıdaki sırada anlatmaya calışacağım.
3. Hidroakustik Pozisyon Referans Sistemi HPR / Hipap
