İYONOSFER İLE GPS SİNYALLERİNİN ETKİLEŞİMİ *

Transkript

1 İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Yıl:8 Sayı:15 Bahar 9/1 s İYONOSFER İLE GPS SİNYALLERİNİN ETKİLEŞİMİ * Zehra CAN, Olcay GÜMRÜKÇÜ Geliş: Kabul: ÖZET Yüksek doğruluklu konum belirleme sistemi olan GPS(Küresel Konm Belirleme Sistemi) başlangıçta askeri amaçlı kullanım için geliştirilmesine rağmen, teknolojideki gelişmeler sayesinde günlük hayatta da pek çok uygulama olanağı bulmuştur. Uydulardan yayınlanan bu elektromanyetik dalgalar, iyonoseri geçerek yer yüzeyindeki GPS alıcılarına erişmektedir. GPS sinyalleri, iyonoser iziği çalışmaları açısından aydalı bilgiler içermektedir.gps uydularından gelen sinyaller kullanılarak; bölgesel ve küresel toplam elektron miktarı tahmin edilebilmekte, elektron yoğunluğu proilleri çıkarılabilmekte, iyonoserin toplam elektron içeriği incelenebilmektedir. Güneşin aktivitesine bağlı olarak iyonoserin elektron yoğunluğundaki sürekli değişim, iyonoserden geçen GPS sinyallerinin gecikmesine neden olmaktadır. Bu çalışmada, GPS tekniğinden aydalanarak GPS sinyalleri üzerindeki iyonoser etkileri araştırılıp, arklı iyonoser modelleri incelenmiş ve IRI iyonoser modeli kullanılarak elektron yoğunluğunun yükseklikle değişimi ve TEC değeri elde edilmiştir * Bu araştırma Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü nce desteklenmiştir. Proje No: , 7-9. Anahtar kelimeler: İyonoserin elektron yoğunluğu değişimi, iyonoserik modeller, GPS, TEC INTERACTION OF GPS SIGNALS WITH IONOSPHERE ABSTRACT Although GPS that is a location determining system in high accuracy, has been developed or military purpose usage at the beginning, thanks to the developments in technology has ound implementation possibility in daily lie as ell. When the GPS signals are transmitted rom the GPS satellites to receivers in earth surace, they pass through the ionosphere. GPS signals, hich play an important role in deining the position. GPS signals give some inormation in the ionosphere physics studies. They have not aected rom the conditions hen they ere passing through the ionosphere layer. By using the signals hich are coming rom the GPS satellites, the regional and the global total electron amount can be estimated, electron density proiles can be derived, Total Electron Content (TEC) o ionosphere can be examined. Depending on the activity o the Sun, continuous changing at the electron density o ionosphere can cause delay o the GPS signals that passing through the ionosphere. In this study, by deriving beneit rom GPS technique, the eects o ionosphere upon the GPS signals ere researched; dierent ionosphere models ere examined and, the changing o the electron density ith altitude and TEC value ere obtained by using IRI ionosphere model. This study has been supported by research oundation o Yıldız Technical University through Project No: , 7-9. Key Words: Changing o the ionosphere electron density, ionospheric models, GPS, TEC Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, zehcan@yildiz.edu.tr, olcaygmrkc@yahoo.com

2 Zehra CAN, Olcay GÜMRÜKÇÜ 1. GİRİŞ GPS uydularından yayınlanan sinyaller, uzay boşluğunu geçtikten sonra, dünya atmoserinde önce iyonoserden daha sonrada troposerden geçerek yeryüzeyinde konumlanmış olan GPS alıcılarına ulaşmaktadır. Bu nedenle de troposerin yanı sıra, iyonoserin neden olacağı iyonoserik gecikmenin çok iyi bir şekilde tayin edilmesi gerekmektedir. Yer yüzeyinden itibaren yaklaşık olarak km yörünge yüksekliğinde dağılmış olarak bulunan GPS uyduları (4 adet), iki arklı L1(1575,4 MHz) ve L (17,6MHz) taşıyıcı rekansında sinyaller yaymaktadır. Bassiri ve Hajj, iyonoser elektron yoğunluğunu modellemede, dipol moment yaklaşımını kullandılar. İyonoserin sinyal üzerindeki geciktirici etkisi rekansın tersinin karesi ile orantılı olarak, TEC değerine bağlıdır. İyonoseri modellemede Chapman tabaka modelini ve yerin manyetik alanının dipol moment yaklaşımını kullanarak, arklı coğrai konumlarda elektron yoğunuluğunu hesapladılar (Bassiri ve Hajj,199). İyonoserde TEC hesaplanırken, az ölçümlerinde karşılaşılan önemli problemlerden birisi, ordiner ve ekstra ordiner dalga vektörünün dönme açısıdır. Davies ve Hartman da, iyonosere 35-4 km arasında thin-shell modelini uygulayıp, Faraday tekniği ile TEC i hesapladılar (Davies ve Hartman,1997). Orta ve yüksek enlemlerde iyonoserin yapısını inceleyerek matematiksel bir model de R.W.Shunk taraından geliştirilmiştir (Schunk,1998).. İYONİZE ORTAMDA YAYILAN ELEKTROMANYETİK DALGALAR.1. İyonoserin Elektromanyetik Dalga Yayılımına Etkisi: İyonoser yeryüzeyinden itibaren yaklaşık 5 km yükseklikten başlayıp, 11 km ye kadar uzanan, iyonize gazlardan oluşmuş bir atmoser tabakasıdır. Bu tabaka kendi içerisinde iyonlaşma miktarına bağlı olarak D,E ve F bölgelerine ayrılır. Şekil 1. de iyonoser tabakaları yüksekliğe bağlı olarak; güneşin maksimum ve minimum olduğu zaman içerisinde gündüz ve gece zamanları için gösterilmektedir. 7

3 İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Bahar 9/1 Şekil 1. İyonoserin tabakaları (Tascione, 1988). Homojen ve izotrop bir ortamda yayılan elektromanyetik dalganın elektrik alan bileşeni r r E E µε = t dalga denklemin uyar. n kompleks kırılma indisi (i = -1) n =µ i χ () olmak üzere ck n = ( ) (3) olarak iade edilmektedir. k kompleks dalga yayılma sabiti, c elektromanyetik dalganın boşluktaki hızı, dalganın açısal rekansıdır. Kırılma indisi elektrik alan ve polarizasyona bağlı olarak P n = 1 + (4) ε E yazılabilir. İzotropik ortamın özelliklerini içeren kırılma indisi bağıntısı ; ortamın açısal plazma rekansının karesi bağlı olarak N (1) ve dalganın açısal rekansının karesi ne 71

4 Zehra CAN, Olcay GÜMRÜKÇÜ Ne (5) N µ = 1 = 1 εm elde edilmektedir (Davies, 1968)... Manyetoiyonik Teori: B r İyonize ortamda dış manyetik alan ve soğurulmanın olduğu düşünülürse, kırılma indisi bağıntısı daha karmaşık olacaktır. q elektronun yükü, m elektronun B kütlesi, dış manyetik alanı ve θ yayılma doğrultusu arasındaki açı, ν elektron ve diğer parçacıklar arasındaki çarpışma rekansı, N ortamın açısal plazma rekansı, dalganın açısal rekansı, N X = ( ) r q r,y = ( )B m,y L = Ycosθ,Y T = Y sinθ, Z = ν olmak B r üzere, uniorm bir dış manyetik alanı ın bulunduğu ve ν çarpışma rekansının elektronun enerjisinden bağımsız olduğu düşünülerek, elektronun hareket denklemi r du r r r r m = q(e + u B ) mν u dt (6) şeklinde iade edilir. Elektronun üzerine etki eden kuvvetler; elektrostatik kuvvet r r qu B qe, manyetik kuvvet ve çarpışmalardan kaynaklanan sürtünme kuvveti mν u r dur. Bu denklemden kompleks kırılma indisi bağıntısı olan Appletion bağıntısı n X = 1 Y 1 i Z ( m ( 1 X iz) 4 T T +Y L Y ( X i Z ) 4 1 elde edilir (i = -1). Manyetik alan ve çarpışmalar ihmal edilerek reel kırılma indisi ortamın plazma rekansına N e bağlı olarak N µ = 1 ( ) (8) bulunur (Davies, 1968). ) (7) 7

5 İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Bahar 9/1 3. İYONOSFER MODELLERİ İyonoserin modellenmesinde kullanılan genel modeller IRI (International Reerence Ionosphere) ve Incohorent Scatter Radar Modelleri, elektron yoğunluğu modelleri; Pim model, Faim Model ve Slim Model olarak iade edilmektedir ( PIM 1995 (Parametrized Ionospheric Model), elektron yoğunluk proilini kritik rekansa bağlı olarak vermektedir. Elektron yoğunluğunun çıkarımında katsayı veri tabanına sahiptir ve bu proillerin yeniden yapılandırılmasında kendine has algoritması vardır ( Faim Model (Fully Analytical Ionospheric Model), Chui modeli ile Slim Model sabitlerinin uyumlu bir şekilde kullanılmasıyla elde edilen teorik bir modeldir. Slim Modelinde, elektron yoğunluğu proili 18 km den 18 km ye kadar, arklı enlemler için belirlenmiştir. Modiied Chapman onksiyonları ile birlikte kullanılan bir modeldir. F. Arıkan ve grubu taraından geliştirilen ionolab tekniği ile, yüksek çözünürlüklü Toplam Elektron İçeriği Kestirimi yapılabilmektedir. Düzgünleştirilmiş Toplam Elektron İçeriği Kestirimi yöntemi ile alıcı ve uydu yanlılıkları uygun biçimde kullanılarak IGS analiz merkezlerinde elde edilen sonuçlarla uyumlu kestirimler yapılabilmektedir (Nayır vd., 7). URSI (International Union o Radio Science(Uluslararası Radyo Bilimleri Birliği)) ve COSPAR (Committee on Space Research (Uzay Araştırma Komitesi)) taraından geliştirilen IRI, İyonoserin sıcaklık ve yoğunluğunun belirlenmesinde uluslararası standartlara sahip olan bir programdır. IRI, yerden ve uzaydan alınan dataların aylık ortalaması alınarak geliştirilen 5 km den 1 km ye kadar olan yüksekliklerde elektron yoğunluğu, elektron sıcaklığı, iyon sıcaklığı ve iyon kompozisyonunun elde edileceği bir programdır. 4. FARADAY DÖNMESİ Doğal bir plazma olan iyonoserde yayılan elektromanyetik dalga, iyonoserde ilerlerken ordiner ve ekstra ordiner dalgaya ayrılır. İyonoser içerisinde ilerleyen emd nın polarizasyon düzleminin dönme açısı 1 Ω = ( Ω+ Ω ) (9) dir. Bu bağıntıda Ω +, ordiner dalga vektörünün dönme açısı ve ordiner dalga vektörünün dönme açısıdır. Ω bağıntısını λ+ ekstraordiner dalgaların dalgaboyu, s yol uzunluğu, ekstra ordinary dalgaların kırılma indisi olmak üzere, ve ve Ω de ekstra λ ordiner ve µ + µ de ordinary ve 73

6 Zehra CAN, Olcay GÜMRÜKÇÜ Ω =π s ( 1 1 ) λ+ λ veya π s Ω = (µ + µ ) λ (1) şeklinde iade edilmektedir (Davies, 1968). Magnetoiyonik teoriden µ + µ 1 X Y 4 T + 4( 1 X) ( 1 X)( 1 Y L ) YL YT bağıntısı elde edilir. Dalga rekansı gyrorekansından çok büyük olduğu durumlarda ( >>L) (11) Ω πs c N L olarak iade edilir. Elektromanyetik dalganın, iyonoseri katettikten sonra mesaeye bağlı olarak kutuplanma doğrultusunun dönmesi Faraday Dönmesi olarak iade edilmektedir. Faraday dönmesi, az hızı sabit kabul edilerek hesaplanmaktadır. Oysa iyonoser anizotrop bir ortam olduğundan, iyonosere gelen elektromanyetik dalganın az hızı değişir. Bu durumda da dalganın ilerledği yol boyunca bir az değişimi ortaya çıkar. Çok yüksek rekanslı bir radyo sinyali, zenithle küçük bir χ açısı yaparak iyonosere girdiğinde, θ yayılma açısı yükseklikten bağımsız kabul edilerek, sinyalin katettiği s yolu boyunca, az değişimini veren iade 4 (13),365.1 Ω = NB θds cos olarak bulunmaktadır. N; iyonoserde s yolu boyunca elektron yoğunluğunu iade eder. Bu yol boyunca elektron yoğunluğunun çizgisel integrali Nds (1) ; toplam elektron içeriği (TEC) olarak tanımlanmaktadır. Bu Faraday dönmesi bağıntısını kullanarak TEC hesabı yapılabilmektedir (Davies, 1968). 5. DATA COSPAR ve URSI taraından geliştirilen ve uluslararası standart bir model olan IRI programı, iyonoserin elektron yoğunluğu, elektron ve iyon sıcaklığı ile iyon bileşimi hakkında bilgi veren bir paket programdır. Ayrıca IRI modeli kullanılarak iyonoserin toplam elektron içerik değeri de belirlenebilmektedir. IRI programı 74

7 İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Bahar 9/1 çeşitli teknikler kullanılarak arklı istasyonlardan elde edilen datalarla birkaç yılda bir güncellenmekte böylece iyonoserin gerçek değişimi en yakın doğrulukta belirlenebilmektedir.iri programında kullanılan gözleme dayalı iyonoser verileri, iyonoserin aylık ortalama yoğunluk ve sıcaklık parametreleri kullanılarak elde edilmektedir (Gümrükçü, 9), ( (Bilitza, 199). IRI model programını kullanarak elde ettiğimiz elektron yoğunluğunun yükseklikle değişimini ve TEC değişim değerlerini Şekil. ve Şekil 3. de gösterdik. Şekil. de 4 Eylül 6 (sakin gün) tarihi için yerel iyonoser elektron yoğunluğunun yükseklikle değişimi gösterilmektedir. Elde edilen elektron yoğunluğu değişiminin yükseklikle eksponansiyel olarak arttığı görülmektedir. Bu ise Chapman tabaka modeli ile uyum içindedir. Şekil 3. de de 4 Eylül 6 sakin günü için IRI model programı kullanılarak elde edilen TEC değişim graiği gösterilmektedir. Bu graik incelendiğinde TEC değişiminin iki pik değerine sahip olduğu belirlenmiştir. Şekil tarihinde iyonoser elektron yoğunluğunun yükseklikle değişimi. 75

8 Zehra CAN, Olcay GÜMRÜKÇÜ Şekil sakin gün için m 9 enlemleri için TEC değişimi 6. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Bu çalışmamızda; iyonoserin, GPS sinyal yayılımına etkilerini araştırarak, iyonoserin modellenmesinde kullanılan genel programlarından IRI model programını kullanarak, yerel iyonoser elektron yoğunluğu değişimini elde ettik. Elde ettiğimiz elektron yoğunluğu proilini incelediğimizde, elektron yoğunluğunun yükseklikle değişiminin Chapman Tabaka modeli ile uyum içinde olduğunu gözlemledik. Ayrıca aynı sakin gün için TEC değişim değerini IRI paket programı ile belirledik. 7. KAYNAKÇA Bassiri, S ve Hajj G.A., (199), Modeling the Global Positioning System Signal Propagation Through the Ionosphere, TDA Progress Report 4-11, August. Bilitza D.,(199), ''Introduction Reerence Ionosphere 199'', NSSDC, 9-, Greenbelt, Maryland. Davies, K., ve Hartman G:K., (1997),''Studying the Ionosphere ith the Global Positioning System, Radio Sci., 3,4, Davies, K., (1968), Ionospheric Radio Waves., Colarado. 76

9 İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Bahar 9/1 Gümrükçü, O., (9), GPS Sinyalleri ile Konum Belirleme de İyonoserik Etkilerin İncelenmesi., Yüksek Lisans Tezi., YTÜ. Nayir, H., Arikan, F., Arikan, O ve Erol, C.B., (7), GPS/TEC Estimation ith Ionolab Method Proceedings o RAST-7., Recent Advances in Space Research., Harbiye Askeri Müze., Hava Harp Okulu., İstanbul., Schunk, R.W.,(1998)., A Mathematical Model o the Middle and High Latitude Ionosphere., Pageoph., Vol.17., Nos. /3. Tascione, T.F., (1988), Introduction to the Space Environment., Orbit Book Company, Florida. 77