Reklamlar

GPS Nedir ve Koşu Saatlerindeki Hatalar

– Bence Garmin 405 çok hatalı ölçüyor abi, 610 çok daha iyi.
– Garmin mesafe ölçümünde kökten kötü, bence Polar kullanalım.
– iPhone’da kullandığım uygulama koşumu düdük gibi ölçüyor, oysa ben 10 km olduğunu biliyorum.

GPS uydularıBunlar size de çok tanıdık geldi, değil mi? Ben sürekli GPS destekli saatinin/telefonunun doğru ölçüm yapmadığından yakınan koşucular, bisikletçiler duyuyorum. Hepsinin çok net delilleri var. Hepsi de haklılar aslında. Ben de benzer deneyimler yaşıyorum. Özellikle yarışlar sonrasında bu konuda çok titiz oluyoruz. Organizasyonu suçluyoruz, sonucumuzu saatimize göre yeniden hesaplayıp onu doğru kabul ediyoruz veya toptan sonucu reddediyoruz. Teknoloji meraklısı olan koşucular veya bisikletçiler olayın üzerine gidip detaylı analizler ve hesaplamalar yapıyor. Bazı blog yazarları çok sayıda saatle testler gerçekleştiriyorlar. Sonuçlar birbiri ile uyumsuz olsa da tek bir noktada buluşuyorlar: GPS destekli saatler hatalı ölçüm yapıyor.

Tartışma bu kadar yaygınken ben de çözüme, çözüme değilse bile anlamaya katkıda bulunmak için bir şeyler yazmak istedim. Aslında kolumuzdaki saatleri ya da üreticilerini taşa tutmadan önce gelin isterseniz bu GPS denen şey ne ve nasıl çalışıyor, nasıl sorunlarla mücadele ediyor onu biraz inceleyelim. Teknik detaylara pek girmeyeceğim, ama az da olsa konuya giriş yapmamız şart. Bunu yaparken biraz uzun da olsa GPS konusundan bahsetmek istiyorum. Çünkü cevabımızı oradaki detaylarda bulacağız.

GPS nedir?

Öncelikle GPS nedir? GPS, Gloabal Positioning System (Dünya Çapında Konum Belirleme Sistemi) teriminin kısaltması. Bu tanımla bir yanlış anlamadan da kurtulmuş olduk; GPS saatimizdeki bir bileşen veya yazılım değil konum belirleme sisteminin tümüne verilen ad. Ben bu yüzden GPS destekli saat demeyi daha doğru buluyorum. GPS projesi 1973 yılında Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı tarafından başlatıldı. 24 uydu ile yürütülüyordu. 1994 yılında tamamen çalışır hale geldi. Şu anda bu sistem için çalışan, yörüngede ve sağlıklı 32 adet uydu var. Bir başka yanlış bilgi de GPS’in konum belirleme konusundaki tek sistem olduğu bilgisi. Şu anda işlevsel durumda bir de Rusların GLONASS isimli sistemleri var. Çin’in ve Avrupa Birliği’nin de üzerinde çalıştıkları iki ayrı sistem mevcut; COMPASS (Çin) ve Galileo (AB). Konumuz GPS olduğundan bu sistemlere hiç girmeyeceğim.

Başlangıçta GPS yalnızca askeri kullanım için tasarlanmıştı. 1983 yılında Kore Havayollarının bir uçağı rotasından saptı ve Sovyetler Birliği hava sahasına girdi. Bunun neticesinde bir savaş uçağı tarafından vuruldu, 269 yolcu ve tüm mürettebat öldü. Böyle bir facia sonrasında Amerika GPS’i sivil kullanım için herkese açtı. Tabii ki bunu belirli kısıtlamalarla yaptılar. GPS içinde bir sistem sivil alıcılara seçici kullanılabilirlik kapsamında belirli bir hassasiyette yayın yapılmasını sağlıyordu. Amerika’nın savaş sistemleri ise en üst düzey hassasiyet için kodlanmış ikinci bir güvenli sinyal alıyordu. Körfez savaşı sırasında ellerindeki GPS alıcılarının miktarı yetmeyince bu seçici kullanılabilirliği devre dışı bırakıp sivil alıcılar kullandılar. Bu süreç sonunda kısıtlamanın kaldırılmasının kendi güvenliklerini çok tehdit etmediğini görüp bu sistemi tamamen devre dışı bıraktılar. Doğal olarak, gereğinde yeniden kullanılmak üzere bir kenarda duruyor.

GPS’in üç unsuru

GPS üç ana unsurdan oluşuyor; yörüngedeki uydular, dünyadaki izleme istasyonları ve sizin alıcınız. GPS, yaklaşık 20,180 km (12,540 mil) yükseklikte yörüngedeki konumlarından radyo sinyalleri gönderen, her birinde dört adet olacak biçimde altı farklı yörüngede dönen 24 uyduya sahiptir. Çok yüksekte olduklarından her uydunun sinyali yeryüzünde büyük bir alanı kapsar. Yörüngelerin merkezi dünyadır, ama dünya ile birlikte dönmezler. Bunun yerine uzak yıldızlara (takımyıldızlara) göre sabitlenmişlerdir. Yörüngeler birbirleri ile 60 derece açıdadırlar ve uyduların dönüş hızı bir tam dolanımı yarım gün (yıldız günü) olacak şekildedir. Tüm bunlar herhangi bir anda dünya üzerindeki herhangi bir noktanın görüş alanında en az 6 uydu olmasını sağlamak için hesaplanmıştır. Bu düzenli dağılım aslında bir miktar değişmiş durumda. Çünkü şu an 32 adet uydu çalışıyor ve artık dağılımları daha düzensiz. Düzensiz (ama hesaplanmış durağanlıkta) dağılmaları hesaplamaları daha da doğru kılıyor. Bunun detaylarına ileride değineceğim. Son durumda en az altı görünür uydu olma kuralı halen geçerli olmakla birlikte birçok zaman ve birçok konumda yaklaşık 9 uydu görünür olabiliyor.

İkinci unsur olan kontrol grubu dünya üzerindeki sabit bir ana kontrol istasyonu (yedeği de var) ve 4 izleme istasyonundan, ek olarak da 4 yer anteninden oluşan gruptur. Ana istasyon ve mümkün olduğunca ekvatora yakın, uzak konumlarda insansız çalışan 4 insansız istasyon vardır. 4 istasyon verileri uydulardan alır ve onları düzeltip GPS uydularına geri gönderen ana kontrol istasyonuna iletir. Uydular ay, güneş gibi gök cisimlerinden etkilendiklerinden her zaman tamı tamına olmaları gereken yörüngede kalamazlar. Ama tam olarak yörüngelerinde olmaları hassaslık açısından önemlidir. Dolayısı ile sapma yaşayan uydunun belirlenmesi, “sağlıksız” olarak işaretlenmesi ve nihayetinde manevralarla doğru yerine yerleştirilmesi gibi işlemleri için bu kontrol grubuna ihtiyaç vardır.

Son unsur da GPS alıcısı yani sizin saatinizdir. Onun görevi uydulardan faydalanarak sizin konumunuzu en hassas biçimde belirlemek, bunu hızınızı ve hareketlerinizi doğru biçimde hesaplamak için sık sık yapmaktır.

Alıcınız yerinizi nasıl buluyor?

Alıcınız bulunduğunuz yeri “Triliterasyon” denilen bir yöntem ile belirler. İki boyutta bunu kolayca anlayabilirsiniz. Nerede olduğunuzu bilmemenize rağmen farklı 3 noktaya olan uzaklığınızı biliyorsanız çizeceğiniz üç çember ile tam bulunduğunuz yeri bulabilirsiniz. Aynı şey üç boyut için de geçerli. Alıcınız bir uydudan 10 km uzakta olduğunuzu buldu diyelim. Bunun anlamı 10 km yarıçapında hayali bir kürenin yüzeyinde herhangi bir yerde olduğunuzdur. Yine alıcınız ikinci bir uydudan 15 km uzakta olduğunuzu belirlesin. Şimdi birinci küreyi bu yeni kürenin üstüne geçirdiğinizde kesişimleri size iki boyutlu bir daire verir. Son olarak alıcınız üçüncü bir uydudan da 8 km uzakta olduğunuzu belirlerse bu üçüncü küre az önce ortaya çıkan daire ile iki noktada kesişir. Bu iki noktadan sadece biri dünya yüzeyinde olacaktır. O da sizin konumunuzdur.

Sistem nasıl çalışıyor?

Bütün alıcıların içinde “almanak” denilen bir veri grubu yer alır. Bu almanak uzak yıldızların ve uyduların konumları hakkında uzun vadeli genel veriler içerir (anımsarsanız uyduların uzak yıldızlara göre sabitlendiğinden söz etmiştim). Bu veriler alıcının uydu sinyallerini bulmasına yardımcı olur. Bu veriler zamanla değişebileceği için uydular alıcılara normal sinyallerin yanı sıra düzenli olarak güncel almanak bilgilerini de gönderir. Tabii bu uydular bu bilgileri kontrol grubu diye bahsettiğim yerdeki istasyonlardan edinir.

GPS uydularıTamam, alıcımız uyduların yerini biliyor ve açılır açılmaz 4 veya daha fazla uyduyu buldu diyelim; ya sonra? Şimdi alıcının bu uydulara olan mesafesini belirlemesi aşaması başlar. Bunun yolu ise onlardan aldığı radyo dalgalarını kullanmaktır; ama nasıl? Hepimiz ortaokul yıllarından anımsıyoruz: mesafe=hız x zaman. Radyo dalgaları da ışık hızında ilerliyor. O zaman bu iki bilgiyi kullanmak için zamana ihtiyacımız var demektir. Hem de çok hassas, nanosaniye seviyesinde bir zamana. Çünkü uydu tam alıcının tepesinde olsa sinyalin alıcıya gelme süresi 0.06 milisaniye (20 km/300000 km/sn) civarındadır. Alıcıda ve uyduda aynı anda bir müzik çalmaya başladığını düşünün. Uydudan çalınan müzik ile alıcıdaki müziği eşzamanlı duyabilmek için alıcının müziğini kısa bir süre geciktirmek gerekecektir. Aksi takdirde ikisini bir zaman kayması ile duyarsınız ki bu hiç çekilmez. İşte bu geciktirme miktarı uydudan gelen müziğin yolculuğunun süresi kadardır. GPS alıcıları sinyalin arada geçirdiği zamanı bu şekilde hesaplarlar. Tek fark bir müzik yerine rastgele üretilmiş gürültü kullanmalarıdır. Bu gürültü kodu çok karmaşık olmak zorundadır çünkü ancak bu şekilde farklı sinyaller araya karışamaz, ancak bu şekilde her uydunun tamamen tek, kendine özel bir sinyali olur ve ancak bu kadar uzun ve karmaşık bir kod ile zaman çok hassas belirlenebilir.

Burada bahsettiğimiz zaman hassasiyeti şu ölçülerdedir: hesaplanan zamanda binde bir hata olsa konum hesabında 300 km gibi bir sapma olabilir. Dolayısı ile atom saatlerine ihtiyaç vardır. Ama kolunuzdaki alıcıya bir atom saati sığdırılabildiğini varsaysak bile o zaman da koşu saatiniz 100.000 dolar civarında olabilirdi. Alıcılar ucuz olmak zorunda ama uydular değil. Her navigasyon uydusunda bir atom saati vardır. Kolunuzdaki alıcının zamanı mükemmel olsaydı tüm uydu alanları tek noktada kesişirdi. Ama mükemmel olmayan zaman bilgileri nedeniyle, dördüncü uydudan gelen, çapraz kontrol amacıyla yapılan ölçüm ilk üçüyle kesişmez. İşte burada yakalanan farkla alıcı zamanını düzeltir. Bu nedenle konum belirleme için 3 uydu yeterliyken doğru konum için en az 4 uydu gereklidir. Tüm bu hesap kitap neticesinde kolunuzdaki 200-300 dolarlık saat atom saati hassasiyetinde çalışır. Nefis bir şey değil mi sizce de?

Hatalar, hatalar…

Buraya kadar anlattığım sistemi düşündüğünüzde ilk ve en önemli varsayımın sinyallerin tam ışık hızında ilerlediği varsayımı olduğunu fark etmişsinizdir. Oysa bu sinyaller vakum ortamında ilerlemezler. Dünyanın atmosferinde ilerlerler ve değişik katmanlarda değişik hava koşullarında hızları az da olsa farklılaşır. Ayrıca çok yüksek binalar vb. şeyler sinyallerin ilerleyişinde sekmelere, zıplamalara neden olabileceğinden kat ettikleri mesafelerde çok küçük değişiklikler olabilir. Yani iyonosferdeki partiküllerin veya troposferde su buharının oluşturduğu girişim ve yüksek bina ve büyük yapılardan yansımanın oluşturduğu girişim toplanarak olası hatalara neden olur. Bu tip durumlarda sinyalin alıcıya ulaşması normalden daha uzun sürer ve alıcı uydunun gerçekte olduğundan daha uzakta olduğunu sanabilir.

Tüm bunları neden yazdım?

Garmin uydu ekranıBizim 3-5 kmlik koşumuzun mesafesini ve hızını belirlemek için ne kadar çok fizik kuralı ve matematik işlemi gerçekleşiyor değil mi? Ne kadar çok hata olasılığı ve bu hataları toparlamak için ne kadar çok düzeltme gerçekleştiriliyor. Bir de bu yazının ne kadar yüzeysel ve detaydan yoksun olduğunu düşünürseniz karmaşıklığın boyutunu daha net algılayabilirsiniz. İşte tüm bu nedenlerle aynı cihazla bile farklı zamanlarda farklı ölçümler yapmak çok olasıdır. Neyse ki modern alıcılar birçok düzeltme fonksiyonu ile donatılmış durumdalar. Tüm bu karmaşık sistemin varlığında ve Amerika’nın seçici kullanılabilirliği kaldırdığı durumda bile GPS alıcılarının hassasiyetleri 15 metre civarındadır. (Kuzey Amerika’da yaşayanların faydalanabildikleri WAAS isimli bir sistem sayesinde oradaki uygun alıcılar 3 metre hassasiyetine inebilmektedir.) Bu hassasiyet görülen ve kullanılabilen uydu sayısı arttıkça artar. Birçok GPS destekli saatte görülen uyduları ve hassasiyet miktarını gösteren ekran mevcuttur. Yandaki örnekte de görüldüğü gibi normal koşullarda 10 metre civarında hassasiyet yaygındır. Ancak koşularınız öncesinde, sırasında veya hemen sonrasında bu ekrana göz atmak sapma miktarını anlamak anlamında faydalı olabilir.

Alıcının çalışması

Alıcıların veri alma, işleme ve kaydetme sıklığı da bazı sapmaları açıklayabilir. Birçok alıcı veri hesaplama ve kaydetme sıklığına birçok değişkeni göz önünde bulundurarak karar veriyor. Düz ve uzun bir rotada koşarken bunun çok bir önemi olmuyor ama çok dar ve çok sayıda dönüşlerden oluşan bir rotada bu sıklık çok şey değiştirebilir. Bu çalışma sistemine bir örnek Garmin’in bazı modellerinde bulunan “kaydetme modu” ayarı. “Akıllı kaydetme” veya “her saniye kaydetme” seçeneklerinden birini tercih edebiliyorsunuz. Her saniye kaydetme modunda gerçekten her saniye tüm bilgileriniz kaydediliyor. Böylece daha doğru sonuçlar elde edebiliyorsunuz ama bu durumda kaydedilen iz noktası sayısı çok fazla olduğundan (ki bazıları çok gereksiz yere alınmış oluyor) alıcınızın hafızası dolabiliyor.

Alıcıların belirli aralıklarla hesaplama yapıp kayıt tutması dar dönüşler içiren rotalarda veya standart 400m pistler gibi dönen parkurlarda sorun yaratabiliyor. Bu tip dönen parkurlarda hata pozitif veya negatif olabiliyor. Negatif olması uzun aralıklarla alınan verilerden kaynaklanıyor. Pozitif olanlar ise negatif hataları kompanse etmek için alıcının kendi düzeltme mekanizmalarının abartılı hesaplarından kaynaklanabiliyor.

GPS hatalarıAykut‘un maratonlardaki rotanın ölçülmesi üzerine yazdığı bir yazıdan alıntılarsam: “Koşu saatlerindeki GPS alıcısının en ideal şartlarda bir noktayı belirlemedeki hata payı 3-5 metre olarak belirtiliyor ancak bu şartların “sadece” 95% oranında olacağı varsayılıyor. Geri kalan 5%’lik dilimde hatanın 15 metreye kadar çıktığı biliniyor. En popüler koşu saatlerinin başında gelen Garmin’in resmi sitesine bakarsanız, “Garmin® GPS alıcıları ortalama 15 metrelik hata payıyla doğrudurlar” ibaresini görebilirsiniz. Tüm maraton boyunca GPS alıcısının ideal şartlarda çalıştığını düşünsek bile her bir kayıt noktasındaki muhtemel 3-5 metrelik farkın hiç de azımsanacak bir şey olmadığını görebiliriz. Bu noktada bence yapılan en büyük hata GPS alıcısının bizim koştuğumuz yolu birebir aynı olarak kaydettiğini düşünmemiz. Bu tamamen yanlış bir düşüncedir. GPS alıcısı belli aralıklarla bulunduğumuz noktayı kaydediyor, daha sonra bütün bu kaydedilen noktaları bir çizgiyle birleştiriyor. Fakat her bir noktanın kaydı sırasında olabilecek ufak hatalar toplamda yandaki şekilde görüldüğü gibi önemli bir fark yaratabiliyor.”

Sonuç

Neler öğrendik?

– Aslında kolumuza taktığımız 200-300 dolarlık cihazların çalışabilmesi için arka plandan ne kadar büyük, karmaşık ve pahalı sistemlerle desteklendiklerini,
– Bizim koşularımızın verilerini alabilmemiz için çalışan bu büyük sistemde çok sayıda hata kaynağı olduğunu, bu hataların da çok sayıda farklı yöntemle bertaraf edilmeye çalışıldığını, bertaraf edilemeyenler için düzeltici hesaplamalar yapıldığını,
– Alıcılarımızın nasıl çalıştıklarını, mesafeleri ve hızları nasıl hesapladıklarını dolayısı ile bu çalışma ve hesaplama şeklinden doğan hataları,
– Koştuğumuz rotanın özelliklerinin ve rotanın çevresindeki coğrafi ve insan yapısı nesnelerin sonuç verilerimize etki ettiğini,

Ne yapabiliriz?

GPS hataları– Antrenmana başlamadan önce koşu saatimizin yeterli sayıda uyduyu gördüğünden ve doğruluk payının 10m veya altında olduğundan emin olmalıyız.
– Antrenman sonrasında verileri değerlendirirken koştuğumuz parkurun özelliklerini göz önünde bulundurmalıyız. %1-2 hata payını normal kabul etmeli bunun parkur özellikleri dolayısı ile %3-5 gibi yüksek değerlere çıkabileceğini akılda bulundurmalıyız.
– Köprü altı, alt geçit veya büyük ağaçlardan oluşan ormanlık bölgelerden çok geçiyorsak bunun da mesafeye etkisi olacağını aklımızdan çıkarmamalıyız.
– Kullandığımız koşu saatinin firmware (uygulama) güncellemelerini takip etmeli her zaman son versiyonunu kullanmalıyız. Birçok üretici saatlerdeki uydularla çalışma ve verileri hesaplama yöntemlerini (ki ne kadar çok sayıda olduklarını okudunuz) sürekli iyileştirmeye çalışıyor. Bu iyileştirmelerden mahrum kalmamalıyız.
– Hızlı, kısa ve çok dönüşlü/çok dönen parkurlarda GPS alıcısı kullanmak yerine önceden ölçülmüş mesafelere güvenmeli sadece zaman ile çalışmaya alışmalıyız. Buna en güzel örnek 400 metrelik standart pistlerdir. Bu tür pistlerin en iç kulvarının ortasında atılan tam bir tur 400 metredir. Kulvardan ufak sapmalarınız veya kulvarın dış çizgisinden koşmanız bile 1600 metrelik bir intervalde fark yaratacaktır.
– Yine hızlı, kısa ve çok dönüşlü rotalarda varsa saatinizin daha sık kaydetme özelliğini aktive edebiliriz.

Not: Yazıyı hazırlarken ana kaynak olarak Wikipedia‘da ilgili başlıklar kullanılmıştır. Bunun yanısıra TomTom web sitesinden de faydalanılmıştır. Son imaj şu sayfadaki yazıdan alınmıştır.

Reklamlar
Yorum bırakın

3 Yorum

  1. Serkan Keskin

     /  21/04/2013

    Harika bir derleme olmuş eline sağlık hocam. Burhan Felek tartan pistinde dış kulvardan koşuyorum olması gereken “toplam mesafe = tur X 450m” sonucunda negatif yönde ciddi saplamalar oluyor bu durumda da can sıkıcı oluyor. Bu arada android akıllı telefon üzerinden bir uygulama kullanıyorum, mantıklı mıdır bilmiyorum ama aynı uygulamayı ios telefonum ile daha tutarlı kullanıyordum diyebilirim. Tekrar teşekkürler.

    Cevapla
  1. Koşu pistinde antrenman | Ritim
  2. Yükseklik Ölçümü: GPS ve Barometre | Ritim

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s

Reklamlar
%d blogcu bunu beğendi: