İYONOSFERDEKİ TOPLAM ELEKTRON YOĞUNLUĞU HESABINDA KALİTE İRDELEMESİ

Transkript

1 İYONOSFERDEKİ TOPLAM ELEKTRON YOĞUNLUĞU HESABINDA KALİTE İRDELEMESİ Erman ŞENTÜRK Murat Selim ÇEPNİ Kocaeli Üniversitesi Harita Mühendisliği Bölümü Prof.Dr.Ergün Öztürk Kollokyumu

2 İÇERİK 1 KÜRESEL KONUMLAMA SİSTEMİ 2 İYONOSFER 3 TOPLAM ELEKTRON İÇERİĞİ 4 TEİ HESABINDA KALİTE ÖLÇÜTLERİ 5 İRDELEMELER

3 Küresel Konumlama Sistemi Konum Belirleme Sistemleri

4 Küresel Konumlama Sistemi Konum Belirleme

5 Küresel Konumlama Sistemi Konum Belirleme GPS ile konum belirlemede temel işlev uydu ile alıcı arasındaki uzaklığın belirlenmesidir. Bu uzaklığın belirlenmesi sırasında; Uydu efemeris hataları* Uydu ve alıcı saati hataları İyonosferik gecikme etkisi Troposferik gecikme etkisi Multipath etkisi Anten faz merkez kayıklığı gibi hata kaynakları da mevcuttur. Yüksek doğruluk isteyen çalışmalarda bu hataların giderilebilmesi için dikkatli bir çalışma gerekmektedir. * GPS Navigasyon Mesajı içerisinde yayınlanan uydu konum bilgilerinin doğruluğunun düşük olduğu yada kasıtlı olarak yanlış yayınlanması durumunda karşılaşılan hataya efemeris hatası denir.

6 Küresel Konumlama Sistemi Sinyal Yapısı GPS uydularından gönderilen sinyaller f 0 temel frekansından türetilmektedir. Uyduların her biri, iki değişik frekansta ve düşük güçlü, yüksek frekanslı radyo sinyalleri yayınlamaktadır. Bunlar, L1= MHz (λ=0.190m) ve L2= MHz (λ=0.244m) dir. Uydu Sinyallerinin Çarpanlar Frekans (MHz) Dalga Boyu (cm) Bölümleri Temel Frekans f L1 Taşıyıcı Dalga 154f L2 Taşıyıcı Dalga 120f P Kodu (L1 ve L2 üzerinde) f C/A Kodu (L1 üzerinde) f 0 / Navigasyon Verisi f 0 / x10-6

7 Küresel Konumlama Sistemi Ölçüm Yöntemi ve Doğrusal Birleşimler Sözde Menzil Ölçüleri Taşıyıcı Faz Ölçüleri

8 İyonosfer İyonosfer, hava moleküllerinin iyonlaşmış halde bulunduğu ve elektrik iletkenliğini kazandığı, yeryüzünden ortalama 60 ile 1100 km arasında yer alan, dünyayı çevreleyen ve güneş ışınları ile iyonize olmuş gazlardan oluşan atmosfer tabakasıdır. İyonosfer tabakasında bulunan ve atomlardan kopmuş serbest elektronlar elektromanyetik dalgaların yayılmasını etkilemektedir. İyonosferdeki serbest elektron miktarı zaman, konum, jeomanyetik hareketlilik gibi birçok etkene bağlıdır. İyonosfer tabakasında bulunan elektron yoğunluğunu belirten birim TEİ (Toplam elektron içeriği) dir ve 1m 2 tabanlı silindir içerisindeki toplam elektron miktarına denir. Birimi TECU dur. 1 TECU, el/ m 2 dir (Schaer, 1999; Wielgosz vd., 2003).

9 İyonosfer Genel Yapısı İyonosfer, yüksek enlem bölgesi, orta enlem bölgesi ve kutup bölgesi olmak üzere bilimsel çalışmalarda temel alınmak üzere üç ana bölgeye ayrılmıştır.

10 İyonosfer Genel Yapısı İyonosfer, farklı yüksekliklerde farklı dalga boylarına sahip güneş ışınlarının emilmesi ve iyonlaşma farklılıkları nedeniyle D, E, F1 ve F2 olarak nitelendirilen tabakalara ayrılmıştır. Bu tabakalar birbirlerinden belli sınırlar ile ayrılmış tabakalar değillerdir; üst üste geçmişlerdir ve kalınlıkları birkaç kilometre ile yüzlerce kilometre arasında değişim göstermektedir. Tabakaların sayısı, yükseklikleri ve iyonlaşma (elektron) yoğunlukları hem zamanla hem de coğrafik olarak değişmektedir.

11 İyonosfer Düzensiz Değişimler İyonosfer tabakasındaki düzensiz değişimlerin jeomanyetik etkinin artmasıyla birlikte meydana geldiği bilinmektedir. Özellikle güneş kaynaklı manyetik aktiviteler düzensiz değişimlere neden olmaktadır. Fazlarda ilerleme ve kodlarda gecikmeye neden olan iyonosferik gecikme, üretilen elektrik alanından dolayı bir dakika içerisinde büyük ölçüde değişir. Kutup bölgelerinde bu süre birkaç saattir. Bu süre içinde GPS alıcıları sinyal almakta zorlanır ya da sinyal alamaz (Teunissen ve Kleusberg, 1998). İyonosferik değişimleri göstermek amacıyla Kp indisi, Dst indisi, güneş patlaması (solar flare) ve güneş yayılması (solar flux) değerleri GPS verilerinin analizinde yardımcı olarak kullanılmaktadır (Stewart ve Langley, 1998; Jakowski, 2001).

12 Toplam Elektron İçeriği (TEİ) Elektromanyetik Dalgaların İyonosferdeki Yayılımı İyonosferi delip geçebilen en düşük dalga frekansı kritik frekans ya da plazma frekansı olarak adlandırılır. İyonosfer yapısı gereği 30 MHz ve altındaki frekanslardaki dalgaları yansıtmaktadır. 50 MHz in çok üstündeki sinyaller iyonosferden geçebilir fakat iyonosferde zayıflama ve gecikme etkisine uğrarlar. (Schaer, 1999) Aynı durum GPS sinyalleri içinde geçerlidir. GPS gözlemleri için iyonosferik gecikme değeri = İyonosferik gecikme kod gözlemlerine + ve faz gözlemlerine - işaretli olarak eklenir. İyonosferik gecikme günün saatine, mevsimlere, güneşin dönüşüne, alıcının enlem boylamına ve dünyanın manyetik alanına bağlıdır. Gündüz ve geceye bağlı olarak 1-20 m arasında değişiklik gösterilebilir. İki frekanslı alıcılar ile iyonosferik gecikme büyük bir oranda giderilebilir. Tek frekanslı alıcılar için iyonosfer hala büyük bir hata kaynağıdır. Tek frekanslı alıcılardan elde edilen verileri değerlendirirken çeşitli modeller kullanılarak bu etki giderilmeye çalışılır.

13 Toplam Elektron İçeriği (TEİ) TEİ Parametresinin Hesabında Önemli Parametreler Uydu ile alıcının birbirlerine göre konumlarının (Bağıl Konum) TEİ hesabını etkileyen önemli bir değişken olduğu bilinmektedir. Bağıl konumu oluşturan 2 adet parametre bulunmaktadır. 1. Uydu Yükselme Açısı 2. Azimut * Bu ikisinin ideal sınırlarda (alıcının zenitine en yakın) olması TEİ hesabının doğruluğunu ve güvenilirliğini arttıracaktır. İdeal sınırlara yakın olmayan uydu yükselme açısı ve azimut değerine sahip uydulardan belirlenen TEİ ile ideal konumdaki uydulardan elde edilen TEİ değeri arasında bir kalite farkı olmalıdır. Bu durumun çözümü literatürde kullanılan çeşitli ağırlık fonksiyonları ile mümkün olmaktadır. Uydu yükselme açısının bir fonksiyonu olarak belirlenen bu ağırlık fonksiyonları ideal konumdaki uydular için daha yüksek bir ağırlık belirleyerek TEİ hesabını gerçekleştirmektedir. Belirlenen TEİ değerinin kalitesine ilişkin bir parametre tanımlanması gerektiği düşünülmektedir. * Bir gök cisminin gözlemciye göre istikametinin ufuktaki kuzey veya güney noktasından açısal mesafe olarak ifadesi.

14 Toplam Elektron İçeriği (TEİ) TEİ Parametresinin Elde Edilmesi GPS uydularından gelen sinyallerdeki iyonosferden kaynaklanan etkiye bağlı olarak sinyalin uydudan alıcıya iletim zamanındaki değişim TEİ ile doğru orantılıdır. İyonosferin varlığı sinyal gecikmesi nedeniyle GPS sözde menzil ölçüm değerlerini arttırırken, faz ilerlemesi nedeniyle taşıyıcı faz ölçüm değerlerini azaltmaktadır. TEİ artı işaretli bir değerdir; eksi bir değer olursa bunu nedeni alıcı ve uydu hatalarıdır. Ölçümlerin doğrusal birleşimleri oluşturularak taşıyıcı faz ve sözde menzil ile TEİ hesaplanabilmektedir. TEİ hesabında, iyonosferin saçıcı ortam olmasından dolayı iki frekanslı alıcılar kullanılır. GPS ile elde edilen TEİ nin doğruluğu 3x10 14 el/m 2 dir. Bu değeri sinyal yolundaki değişim ile açıklamak gerekirse L 1 sinyal yolu uzunluğunda 5mm, L 2 sinyal yolu uzunluğunda 3mm şeklindedir. Yükseklik açısına bağlı değişim 2 TECU civarındadır. Bu nedenle hesaplamada farklı uydu yükselme açılarının göz önüne alınması gerekir. Hesaplamada iyonosfer yüksekliğinin değişik değerlerde alınması da TECU değerinde 2 birimlik değişime neden olmaktadır. Literatürdeki çeşitli çalışmalarda iyonosfer yüksekliğinin 300 km ile 450 km arasında değişen değerlerde seçildiği görülmüştür. (Schaer, 1999) de 428,8 km lik iyonosfer yüksekliğinin Chapman profiline en iyi uyumu sağladığı gösterilmiştir. TEİ iki şekilde ifade edilebilir. Bunlardan ilki alıcı ile uydu arasındaki eğik hat boyunca hesaplanan toplam serbest elektron miktarı STEC ikincisi de alıcının yerel zeniti doğrultusunda hesaplanan toplam serbest elektron miktarı VTEC tir.

15 Toplam Elektron İçeriği (TEİ) TEİ Parametresinin Elde Edilmesi TEİ değeri sözde menzil kullanılarak, faz kullanılarak ve ikisinin birleşiminden oluşan karma yöntemler kullanılarak olmak üzere üç farklı şekilde hesaplanabilir. Seçilen bir alıcı istasyon için m. uydudan, n. ölçüm zamanında sözde menzil kullanılarak hesaplanan STEC değeri; Sözde menzil verileri kullanılarak hesaplanan TEİ mutlak TEİ, faz verileri kullanılarak hesaplanan TEİ bağıl TEİ olarak isimlendirilir. Sözde menzil ile TEİ hesaplamak basit ve uygun bir yöntemdir. Bu yöntemin dezavantajı ise sözde menzil ölçümlerinin gürültülü olması ve çok-yol etkisinin oluşabilmesidir. Faz ölçümleri ise daha az gürültülüdür ve çok-yol etkisi daha azdır fakat ilk faz belirsizliği ve faz kopmaları nedeniyle TEİ hesaplamak zor olmaktadır.

16 TEİ Hesabında Kalite Ölçütleri Uydu Yükselme Açısının Etkisi Uydu yükselme açısı yalnızca uydunun ufuktaki yüksekliğini değil aynı zamanda uydu ile alıcı arasındaki sinyalin iyonosferi kestiği noktanın (Piercing Point) yeryüzü üzerindeki izdüşümünün alıcıya olan uzaklığını da ifade eder. Yükselme açısı 90 0 olduğunda sinyalin iyonosferi kestiği noktanın izdüşümü alıcının konumuna denk gelmektedir. Düşük yükselme açılı uyduların iyonosfer delme noktasının izdüşümü alıcıdan uzak bir nokta olur. Yükselme açısının çok düşük olduğu durumlar için aynı zamanda çoklu yol (multipath) etkisi görülme ihtimali vardır. Bu durumdaki ölçüler TEİ hesabının güvenilirliğini düşürür.

17 TEİ Hesabında Kalite Ölçütleri Uydu Yükselme Açısının Etkisi Yeryüzündeki bir istasyon için tanımlanan VTEC değeri aslında sinyalin iyonosfer geçiş noktaları arasındaki dikey mesafenin yeryüzündeki izdüşümüne denk gelmektedir. Uydu yükselme açısı zenitten uzaklaştıkça alıcının VTEC değeri aslında alıcıdan daha uzak bir noktada tanımlanmaktadır. İlgili tabloda görüldüğü üzere yaklaşık 80 0 yükselme açısına sahip bir uydunun alıcıya ait VTEC değerini temsil ettiği asıl bölge alıcıdan yaklaşık olarak 80km uzaktadır derece yükselme açılı bir uydunun ise temsil ettiği bölge yaklaşık 1250km dir. Bu izdüşüm noktası ile alıcı arasındaki mesafe; ε m (n) km S PP (n) km 2569, ,31 779,91 536,45 377,65 259,83 163,79 79,35 0 Durumu bir örnekle özetlersek İstanbul da ölçüm yapan bir GPS alıcısına ait VTEC değeri eğer 20 0 derece yükselme açılı bir uydudan hesaplanıyorsa bu uydu tahmini olarak Rize ilinin üzerindeki VTEC değerini verecektir. Çünkü sinyalin iyonosferi kestiği nokta alıcıdan 1250km uzaktadır. Eğer 80 0 yükselme açılı bir uydudan sinyal alınıyorsa bu sinyalin iyonosferi kestiği nokta (Piercing Point ) Kocaeli iline ait bir bölge olacak ve o bölgedeki VTEC değeri alıcıya bildirilecektir. Tabi burada azimut değerlerinin her iki uydu içinde aynı olması gerekmektedir.

18 TEİ Hesabında Kalite Ölçütleri Uydu Yükselme Açısının Etkisi Bir alıcının bulunduğu bölgedeki Toplam Elektron İçeriği (TEİ) nin belirlenebilmesi amacıyla sinyal alabildiği tüm uydulardan STEC değeri hesaplanır. Alıcı ile uydu arasında iyonosfer etkisinin ölçü değeri olarak kabul edilebileceği büyüklükler bu STEC değerleridir. Her bir uydu için hesaplanan STEC değerleri sinyalin kat ettiği dikey yolu ifade eden VTEC değerlerine dönüştürülür. Alıcı ile sinyal alınan uydular arasındaki STEC değerlerinden çevrilen VTEC değerleri ile o istasyon için genel bir TEİ değeri kestirilmektedir. Bu kestirim için ağırlıklı ortalamalar ve/veya belirli süzgeçleme algoritmaları tanımlanmıştır. Ağırlıklandırma algoritmaları çoğunlukla uydu yükselme açısının bir fonksiyonudur. Literatürde uydu yükselme açısının bir fonksiyonu olarak farklı şekillerde kullanılan ağırlık fonksiyonları bulunmaktadır. Çalışmada seçilen 3 adet ağırlık fonksiyonunun çeşitli durumlar için vermiş olduğu sonuçlar ve bu sonuçların hassasiyeti incelenecektir.

19 TEİ Hesabında Kalite Ölçütleri Sayısal Uygulama Harita Genel Komutanlığı; 23 Ekim 2011 tarihli 7.2 şiddetindeki Van depremine yönelik olarak deprem merkezi dahil ortalama 200 km yarıçaplı bölgedeki TUSAGA-Aktif İstasyonlarının statik verilerini, bilimsel amaçlı çalışmalarda kullanılmak üzere ücretsiz olarak tüm kamuoyuna sunmuştur. Bu kapsamda MALZ, MURA, OZAL, TVAN adlı TUSAGA- Aktif istasyonlarının 30 sn zaman çözünürlüklü verileri çalışmada kullanılmaktadır. Tabloda MALZ noktası için 30 zaman çözünürlüğünde hesaplanan VTEC değerlerinin gün içi en yüksek olduğu zaman dilimi gösterilmektedir. 8 uydudan alınan verilere göre en büyük VTEC ortalaması 10:53:30 zamanında TECU dur. Bu verilere göre 10:53:30 zamanında 1.Ağırlık fonksiyonu için ağırlıklı VTEC ortalaması 48.37, 2.Ağırlık fonksiyonu için ağırlıklı VTEC ortalaması ve 3.Ağırlık fonksiyonu için ağırlıklı VTEC ortalaması olarak bulunmuştur. ε m (n) km S PP (n) km 792,6 2272,7 980,5 289,9 548,7 169,1 263,8 1529,3 VTEC TECU 42,81 66,31 54,14 46,35 50,80 50,77 44,17 51,31 1.Ağırlık F. 1,80 0,30 1,33 18,23 5,49 50,77 19,82 0,47 2.Ağırlık F. 10,45 2,53 9,44 32,75 20,44 44,49 32,87 4,11 3.Ağırlık F. 5,16 0,49 3,94 27,54 12,96 41,65 28,36 1,16

20 TEİ Hesabında Kalite Ölçütleri Sayısal Uygulama Çalışmada kullanılan diğer 3 nokta içinde aynı hesaplamalar yapılarak tüm noktalara ilişkin VTEC değerleri kullanılan ağırlık fonksiyonlarına göre grafiksel olarak sergilenmektedir. Grafikler evrensel zamana göre çizdirilmiştir. Noktalar için ölçüm günü yaz saati uygulamasının olduğu zamana denk geldiğinden UTC+3 e ve azimut etkisine ( -15dk) göre yerel zamanda 4 nokta için VTEC değerlerinin genel olarak gece 04:45 gibi en düşük değerlere sahip olduğu ve sonrasında yükselişe geçtiği, saat 12:30-12:45 gibi ise en yüksek değerlere ulaştığı görülmektedir. Bundan sonra saat 18:40 a kadar hızlı bir düşüşe geçtiği ve buradan sonra ufak değişimler meydana geldiği tespit edilmiştir.

21 İrdelemeler Uydu kümeleri geometrisinin etkisi, literatürde Duyarlılığın Bozukluğu Dilution of Precision (DOP) olarak tanımlanır. DOP = σ (Konum Has.) / σ 0 (Ölçü Hassasiyeti) Uygulamada DOP un farklı birleşenleri yaygın olarak kullanılmaktadır (VerticalDOP,HorizontalDOP,Positional3DDOP vd.). Uydu yükselme açısına bağlı olarak uydu dağılımının yani sinyal alınan uyduların alıcıya göre konumlarının TEİ hesabında önemli bir parametre olduğu bilinmektedir. Gelecekte yapılacak analizler sonucu hesaplanan TEİ değerleri için bir kalite ölçütü olabilecek İDOP (Duyarlılığın İyonosfer Bozukluğu İonosphere Dilution of Precision) gibi bir değer bulunabilir mi? Yapmış olduğumuz bu çalışma bunun temelini atmaktadır.

22 İrdelemeler İyonosferin modellenmesinde genelde teorik veya ampirik modeller kullanılmaktadır. Fakat bu modeller kısa dönemli anlık değişimler gösteren iyonosferi hassas bir biçimde modellemek için yetersiz kalmaktadır. Son yıllarda yer ve uydu tabanlı çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Tek frekanslı alıcıların çift frekanslı alıcılara göre oldukça düşük fiyatlı olması onları cazip kılmaktadır. Yapılan birçok çalışmada 20km nin altındaki bazların hesabında tek frekanslı alıcıların kullanılabileceği gösterilmiştir. Ancak yüksek doğruluk gerektiren jeodezik çalışmalarda, 20km den uzun bazlarda iyonosfer etkisinin belirgin bir şekilde görülmeye başlamasından dolayı, bu bazların çift frekanslı alıcılar ile ölçülmesi ve değerlendirilmesi gerekmektedir. Çift Frekanslı Alıcı Tek frekanslı alıcıların jeodezik çalışmalarda kullanılabilmesi için uydu ile alıcı arasındaki sinyale etki edecek iyonosferin çok hassas biçimde belirlenebilmesi gerekmektedir. Alıcılar arasındaki yüksek fiyat farkı iyonosferin modellenmesi probleminin önemini arttırmaktadır. Şu konuyu da vurgulamak gerekirse bu çalışma da anlatılanlar sadece iyonosferin GPS ölçümleri üzerindeki etkilerini tanımlamaya ve çözüm getirmeye yöneliktir. Unutulmamalıdır ki iyonosfer uzay bilimi, elektronik haberleşme bilimi, hava tahmin bilimi ve birçok ortak çalışma disiplini tarafından yakından takip edilen ve üzerinde çalışılan bir konudur. Tek Frekanslı Alıcı 5.000

23 Kaynaklar Aquino, M., Waugh, S., Moore, T., Dodson, A., GPS Based Ionosphere Scintillation Monitoring, Space Weather Workshop: Looking Towards a Future European Space Weather Programme, September 2001 ESTEC, Noordwijk, the Netherlands Arıkan, F., Erol C., ve Arıkan, O., Regularized Estimation of Vertical Total Electron Content from Global Positioning System Data. Journal of Geophysical Research, 108 (A12): Baysal, E., Jeodezik Uygulamalarda Tek Frekanslı GPS Alıcılarının Kullanılabilirliğinin Araştırılması, Y.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul. Calais E., Minster J. B., GPS, Earthquakes, The Ionosphere, and Space Shuttle, Physics of the Earth and Planetary Interiors 105, 1998, Danilov, A. D., Lastovicka, J., Effects of Geomagnetic Storms on the Ionosphere and Atmosphere, International Journal of Geomagnetism and Aeronomy Vol.2 No.3, Pages Davies, K., Hartmann, G.K., Studying the ionosphere with the Global Positioning System, Radio Science, Vol.32 (4), Georgiadou ve Kleusberg, On the Effect of Ionospheric delay on Geodetic relative GPS positining, Manuscripta Geodetica., 13:1-8, Gizawy, L. M., Development of an Ionosphere Monitoring Technique Using GPS Measurements for High Latitude GPS Users, Doktora Tezi, University of Calgary. Hugentobler, U., Schaer, S., Fridezi P., Bernese GPS Software Version 4.2., Astronomical Institute, University of Berne, İsviçre.

24 Kaynaklar Jakowski, N., Wehrenpfenning, A., Heise, S., Schluter, S., Noack, T., Space Weather Effects in the Ionosphere and their Impact on Positioning, Space Weather Workshop: Looking Towards a Future European Space Weather Programme, September 2001 ESTEC, Noordwijk, the Netherlves. Nishino, M., Nozawa, S., Holtet, J.A., Daytime Ionospheric Absorption Features in the Polar Cap Associated with poleward Drifting F-Region Plasma Patches, Earth and Planets Space, 50, , 1998 Ping, J, Kono, Y., Matsumoto, K., Otsuka, Y., Saito, A., Shum, C., Heki, K., and Kawano, N., Regional Ionosphere Map over Japanese Island, Earth Planets Space, 54, e13-e16, 2002 Schaer, S., Mapping and Predicting the Earth s Ionosphere Using the Global Positioning System. Doktora Tezi, Astronomical Institute, University of Berne, İsviçre, 228p. Skone, S., Cannon, M.E., Ionospheric Effects on Differential GPS Apllications during Auroral Substorm Activity, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 54(1999) Stewart, P.J., and Langley, R.B., Ionospheric Modeling for WADGPS at Northern Latitudes, Proceedings of ION- GPS 98, the 11th International Technical Meeting, Nashville, USA, September, 1998 Teunissen, P. J. G., Kleusberg, A., GPS for Geodesy, 2nd Edition. Wielgosz, P., Grejner-Brzezinska1, D., Kashani,I., Regional Ionosphere Mapping with Kriging and Multiquadric Methods, Journal of Global Positioning Systems, Vol. 2, No. 1: Wild, U., Ionosphere and Geodetic Satellite Systems: Permanent GPS Tracking Data for Modeling and Monitoring. Doktora Tezi.

25 TEŞEKKÜRLER