GPS-TEC YÖNTEMİNDE KALİTE ÖLÇÜTÜ QUALITY CRITERIA FOR GPS/TEC METHOD

Transkript

1 GPS-TEC YÖNTEMİNDE KALİTE ÖLÇÜTÜ E. ŞENTÜRK 1, M.S. ÇEPNİ 2 1 Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Kocaeli, erman.senturk@kocaeli.edu.tr 2 Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Kocaeli, muratselim.cepni@kocaeli.edu.tr Özet GNSS sistemleri için de temel hata kaynaklarından biri olan iyonosferik etkinin doğru bir şekilde belirlenmesi birçok bilim alanını yakından ilgilendirmektedir. İyonosferin bozucu etkisinin kaynağı olan serbest elektron yoğunluğunu ifade eden parametre Toplam Elektron İçeriği (TEİ) 'dir. Serbest elektronlar GNSS sinyali üzerinde sinyal frekansına bağlı olarak etki gösterdiğinden, iyonosferik etki elemine edilebilmekte veya TEİ hesaplanabilmektedir. TEİ belirleme için global, bölgesel ve istasyon bazlı modeller kullanılmakta olup, en duyarlı olması beklenen istasyon bazlı TEİ belirlemede alıcı ve uyduların oluşturduğu geometri önem kazanmaktadır. Çalışmada, uydu ile alıcı arasındaki bağıl konumun elde edilen TEİ değerini etkileyeceği düşüncesiyle, TEİ hesabına ilişkin bir kalite ölçütü tanımlanmıştır. Anahtar kelimeler: GPS/GNSS, İyonosfer, Kalite Ölçütü, Toplam Elektron İçeriği Abstract QUALITY CRITERIA FOR GPS/TEC METHOD Many disciplines are concerned with determination of ionospheric effect which also one of the main error source for GNSS systems. Total Electron Content (TEC) represents to density of free electrons which causes the signal propagation delay in ionosphere. Owing to delaying effect on the GNSS signals is depend on signal frequency, ionospheric effect can be eliminated or TEC can be computed. Global, regional and station-based models are used for ionosphere estimation. Station based model that expected to be most accurate are related to geometry between satellites and receiver. In this study, with the assumption of relative geometry affect ionosphere estimation, a quality criterion has been defined for TEC computation. Keywords: GPS/GNSS, Ionosphere, Quality Criteria, Total Electron Content 1. Giriş İyonosferdeki elektron yoğunluğunun nicel büyüklüğü Toplam Elektron İçeriği, iyonosfer tabakasında 1 m 2 kesitli bir silindir boyunca toplam serbest elektron miktarı olup TECU biriminde ifade edilir (Karia vd., 2011). 1 TECU, el/m 2 dir (Schaer, 1999; Wielgosz vd., 2003). İyonosfer TEİ değerinin belirlenmesinde GNSS ölçüleri, anlık ölçü ve yüksek doğruluk sağladığından yaygın kullanıma sahiptir

2 2 (Bergeot vd., 2014). Farklı frekansa sahip GNSS sinyallerinin iyonosferde uğradığı gecikme farklıdır. Bu farklılık ele alınarak GNSS sinyalleri yardımıyla TEİ belirlenir (Saito vd., 1998; Ogunsua vd., 2014). Çalışmanın ana hareket noktası; uydu ile alıcı arasındaki bağıl konumun hesaplanan TEİ değerinin kalitesini etkilediğidir. Uygun ya da uygun olmayan bağıl konumlar için TEİ değerinin alıcı atmosferik koşullarını temsiline ilişkin bir parametre tanımlanması amaçlanmıştır. Bu parametre çalışma da R-TEC (TEİ Değerinin Güvenirliliği) olarak isimlendirilmiştir. 2. GPS-TEC Yönteminde Kalite Ölçütü GPS-TEC yöntemiyle sinyal yolu boyunca iyonosferdeki toplam elektron yoğunluğu, geometriden bağımsız doğrusal kombinasyon (L 4=L 1-L 2) yardımıyla belirlenmektedir (Ciraolo vd., 2007). Sinyal yolu boyunca hesaplanan STEC (Slant TEC) değerleri bir izdüşüm fonksiyonu yardımıyla VTEC değerlerine dönüştürülür ve VTEC (Vertical TEC) değerlerinin ağırlıklı ortalaması ile TEİ değeri elde edilir. Ağırlıklandırma algoritması uydu ve alıcı konumlarının bir fonksiyonudur. Bu bağıl geometriyi oluşturan parametreler ise uydu yükselme ve azimut açısıdır. Uydu ile alıcı arasındaki sinyal yolunun alıcı zenitine yakın olması alıcı konumundaki iyonosferin daha iyi belirlenmesini sağlar. Dolayısıyla, TEİ değerinin kestirim gücü alıcı ile uydu arasındaki bağıl geometri ile doğrudan ilgilidir. Her bir uydu için hesaplanan VTEC, sinyalin iyonosfer geçiş noktaları arasındaki dikey mesafesinin yeryüzündeki izdüşümü olan nokta için iyonosferik etkiyi belirler. Bu izdüşüm noktası literatürde İyonosfer Alt Noktası (İAN) olarak tanımlanır. İAN ile alıcı arasında uydu yükselme açısına bağlı oluşan mesafe, d (i) 2R arcsin H cot ε n (i) (1) 2R şeklindedir. Eşitlik (1) de ε uydu yükselme açısını, n ölçüm anını, i uydu sayısını, R dünyanın ekvatoral yarıçapını, H ise iyonosfer yüksekliğini ( 450 km) ifade etmektedir. Tablo 1 de Eşitlik (1) den hesaplanan, uydu yükselme açısına göre İAN ile alıcı arasındaki mesafe değişimi gösterilmektedir. Tablo 1. Uydu yükselme açısına göre alıcı ile İAN arasındaki mesafeler

3 3 ε d km Uydu-alıcı bağıl geometrisinde yükselme açısı İAN ile alıcı arasındaki mesafeyi, azimut açısı ise İAN ile alıcı arasındaki boylam farkını temsil etmektedir. İAN ile alıcı arasında ne kadar fazla boylam farkı bulunuyorsa o kadar farklı yerel zamanlar söz konusudur. Günlük TEİ değişimi güneşin hareketi doğrultusunda (doğu-batı) yerel zamana bağlı olarak değiştiğinden, boylam farkının en az olduğu durum günlük zaman parametresi açısından daha uygun durumu ifade eder. Bağıl geometrinin bir fonksiyonu olarak deneysel yöntemle; GQP (i) = (sin ε n (i) ) π e - (π tn(i) / ε n (i) ) (2) ifadesi tanımlanmıştır. Burada i uydu numarasını, n ölçüm anını göstermektedir. ε n, uydu ile alıcı arasındaki yükselme açısıdır ve alıcı konumu ile iyonosfer alt noktası arası uzaklığa bağlıdır. t n ise, alıcı ile İAN arasındaki boylam farkıdır. GQP ölçütü [0-1] aralığında değerler almaktadır. Ölçüt 1 e yaklaştığında istenen ya da ideal durumu, tersi durumda ise alıcının konumundaki iyonosferik koşulları yeterince temsil etmeyen bir uydu konumunu ifade eder. TEİ, VTEC değerlerinin ağırlıklı ortalamasından elde edildiğine göre, TEİ için kalite ölçütü bu uyduların bağıl geometri koşullarının tanımladığı GQP (i) değerlerinin istatistiksel ortalamasından elde edilebilir. Bu istatistiksel ortalama alıcı için R-TEC değerini tanımlar. Bu yaklaşımla herhangi bir alıcıda belirli bir epok için R-TEC değerinin hesabında; R-TEC= GQP (1)2 +GQP (2)2 + +GQP (i)2 (3) eşitliği geçerlidir. Burada i, herhangi epokta alıcının sinyal aldığı uydu sayısıdır. Bu bağıntı, TEİ kestiriminin alıcının zenitindeki iyonosferik koşulları temsil etme hassasiyetini belirler. Şekil 1 de R-TEC dağılımının sola çarpık normal dağılıma uyduğu ve 0,7 den düşük 1,3 den büyük değerlerin uç değerler olduğu gözlenmektedir. İstatiksel verilere göre, 1 değeri eşik değer seçimine uygun olup, R-TEC değerinin 1 in altında kalması uydu-alıcı geometrisinin hassas bir TEİ değeri elde edilmesi için yetersiz olduğu şeklinde yorumlanabilir.

4 4 Ortalama Ortanca 1 Tepe Değer 1 Varyans Şekil 1. R-TEC değerlerinin dağılımı 3. Sayısal Uygulama Çalışmada, MALZ (CORS-TR) istasyonunun 23 Ekim 2011 tarihli, 30 saniye zaman çözünürlüklü verileri kullanılmıştır. Gün içi tüm epoklar da gözlenen uydular için GQP değerleri hesaplanmıştır. Şekil 2 de SVN1 uydusu için hesaplanan günlük VTEC, uydu yükselme ve azimut açıları ile onların fonksiyonu olan GQP değerleri gösterilmektedir. Şekil 2. SVN1 uydusunda günlük VTEC, uydu yükselme açısı, uydu azimut açısı ve GQP değerleri Şekil 2 ye göre SVN1 uydusuna ve UT saatlerinde gözlem vardır UT arasında TEİ kalitesinin (GQP), uyduların bağıl konumlarının kötü denilebilecek seviyelerde olması

5 5 nedeniyle çok düşük olduğu görülmektedir. Uydulara ait yükselme açılarının , azimut açılarının değerler alması, ilgili saatlerde elde edilen VTEC değerlerinin güvenilirliğinin çok düşük olduğuna işaret eder. 18:00-19:00 UT arası incelendiğinde ise uydu yükselme açılarının alıcı zenitine yakın değerlerde olması ve uydu azimut açısı değerlerinin istenilen durum olan ye yakın olması (uydu güneyde ve alıcı zenitiyle yaklaşık aynı boylamda), VTEC ölçümlerinin istasyonun zenitindeki iyonosferik koşulları daha iyi temsil edebileceği anlamına gelmektedir. Bunu ortaya koyan bir parametre olarak GQP parametresinin bu saatlerde yüksek değerler aldığı izlenmektedir. Şekil 3 de ilgili gün için R-TEC değerlerinin en düşük ve en yüksek olduğu durumlar ve uydu dağılımı gösterilmiştir. Şekil 3. Uydu dağılımına göre günlük en düşük ve en yüksek R-TEC değerleri Şekil 4 de MALZ istasyonunda ilgili gün için R-TEC değerinin değişimi gösterilmektedir. Grafik incelendiğinde R-TEC > 1 durumunda yeterli kalitede bir TEİ değerinin elde edildiği söylenebilir.

6 6 Şekil 4. MALZ istasyonu günlük R-TEC grafiği 4. Sonuç ve Öneriler VTEC değerlerinden ağırlıklı ortalama ile TEİ elde edilmesi uydu dağılımına göre yapılan basit bir modellemedir. R-TEC ölçütü ise modele dahil edilen uyduların bağıl geometri bilgisini vermektedir. R- TEC değeri yeterince yüksek olduğunda alıcı zenitine görece yakın uydulardan hesaplama yapıldığını ve modellemenin daha küçük ve yerel bir alanda kaldığını, R-TEC alt sınıra yaklaştığında uyduların alıcıdan oldukça uzakta bulunduğunu, R-TEC oldukça küçüldüğünde ise istasyon bazlı TEİ hesabının küresel modele yakınsadığı düşünülmelidir. Uydu dağılımı sürekli değiştiği için R-TEC değerinin uzun bir süre düşük kalması beklenmez. Bununla birlikte çalışmada bu sürenin 1 saatin üzerine çıkabildiği gözlenmiştir. Böyle durumlarda istasyon bazlı TEİ hesabından bölgesel bir ortalamaya geçişin söz konusu olduğunun farkında olmak yararlı olacaktır. IGS gibi küresel iyonosfer modellerinin bu tür zaman dilimlerinde daha fazla dikkate alınması da çalışma kapsamında tavsiye edilmektedir. Kaynaklar Bergeot, N., Chevalier, J.M., Bruyninx, C., Pottiaux, E., Aerts, W., Baire, Q., Legrand, J., Defraigne, P. ve Huang, W., (2014). Near real-time ionospheric monitoring over Europe at the Royal Observatory of Belgium using GNSS data, Journal of Space Weather and Space Climate, 4, doi: /swsc/ Ciraolo, L., Azpilicueta, F., Brunini, C., Meza, A. ve Radicella, S.M., (2007). Calibration errors on experimental Slant Total Electron Content (TEC) determined with GPS, Journal of Geodesy, 81, , doi: /s

7 7 Hugentobler, U., Schaer, S. ve Fridezi, P., (2001). Bernese GPS Software Version 4.2., Astronomical Institute, University of Berne, Sweden. Karia, S.P. ve Pathak, K.N., (2011). GPS based TEC measurements for a period August 2008-December 2009 near the northern crest of Indian equatorial ionospheric anomaly region, Journal of Earth System Science, 120, Ogunsua, B. O., Laoye, J. A., Fuwape, I. A. ve Rabiu, A. B., (2014). The comparative study of chaoticity and dynamical complexity of the low-latitude ionosphere, over Nigeria, during quiet and disturbed days, Nonlin. Processes Geophys., 21, , doi: /npg Saito, A., Fukao, S. ve Mayazaki, S., (1998). High resolution mapping of TEC perturbations with the GSI GPS network over Japan, Geophys. Res. Lett., 25, , doi: /98gl Schaer, S., (1999). Mapping and Predicting the Earth s Ionosphere Using the Global Positioning System. Doktora Tezi, Astronomical Institute, University of Berne, İsviçre, 228p. Sharma, K., Dabas, R.S. ve Ravindran, S., (2012). Study of total electron content variations over equatorial and low latitude ionosphere during extreme solar minimum, Astrophysics and Space Science, 341, , doi: /s Weber, E.J., Klobuchar, J.A., Buchau, J., Carlson, H.C., Livingston, R.C., de la Beaujardiere, O., McCready, M., Moore, J.G. ve Bishop, G.J., (1986). Polar cap F layer patches: structure and dynamics, J. Geophys. Res. Space Phys., 91, , doi: /ja091ia11p Wielgosz, P., Grejner-Brzezinska1, D. ve Kashani,I., (2003). Regional Ionosphere Mapping with Kriging and Multiquadric Methods, Journal of Global Positioning Systems, 2,