İyonosfer TEİ Hesabında Yeni Bir Ağırlık Fonksiyonu Yaklaşımı *Araş. Gör. Erman Şentürk Yrd. Doç.Dr. Murat Selim Çepni Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Harita Mühendisliği Bölümü 5-7 Kasım 2014 Aktif Tektonik Araştırma Grubu ATAG18
İÇERİK I. Giriş II. İyonosfer ve GNSS Sinyallerine Etkisi III. Yeni Bir Ağırlık Fonksiyonu - W GEO IV. Sayısal Uygulama V. Sonuçlar ve Öneriler VI. Katkı 2
GİRİŞ İyonosfer kaynaklı hatalar, uydu sistemleri için düzeltilmesi gereken önemli hata kaynaklarındandır. İyonosferik etki temel olarak iyonosferdeki elektron içeriğine bağlıdır. İyonosferdeki elektron içeriğini ifade eden parametre Toplam Elektron İçeriği TEİ dir. TEİ pratikte 1 m 2 kesitli bir silindir boyunca toplam serbest elektron miktarı olup TECU biriminde ifade edilir. Bu ifade iyonosferdeki elektron aktivitesinin nicel değeridir. Günümüzde iyonosferik aktivitenin Küresel Uydu Seyrüsefer Sistemi (GNSS - Global Navigation Satellite System) ölçüleri yardımıyla belirlenmesi tercih edilen bir yöntemdir. 3
GİRİŞ İyonosferik etkinin büyüklüğü sinyalin iyonosferde aldığı eğik yol boyunca hesaplanan STEC (Slant Total Electron Content) değerlerinin büyüklüğü ile ilgilidir. Herhangi epokta bir GNSS alıcısı için tanımlanmak istenen TEİ (Toplam Elektron İçeriği), alıcının ilgili epokta sinyal alabildiği tüm uydulardan hesaplanan VTEC değerlerinin belirli bir ağırlıklandırma algoritması yardımıyla ağırlıklı ortalaması alınarak hesaplanır. STEC değerleri iyonosferdeki toplam elektron yoğunluğunun belirlenebilmesi amacıyla dikey yöndeki elektron aktivitesini tanımlayan VTEC (Vertical Total Electron Content) değerlerine dönüştürülür. Bu çalışmada, uydu ile alıcı arasındaki geometriyi tam olarak temsil edebilecek bir ağırlıklandırma fonksiyonu tanımlanmıştır. İyonosfer çalışmalarında kullanılan tüm ağırlıklandırma fonksiyonları uydu yükselme açısının bir fonksiyonudur. Uydunun konumuna bağlı olarak uydu yükselme açısının alıcının zenitine yakın olması durumunda, ilgili uydunun ağırlığı zenitten uzak olanlara göre daha büyük seçilir. 4
İYONOSFER VE GNSS SİNYALLERİNE ETKİSİ İyonosfer, yeryüzünden ortalama 60 km - 1100 km arasında yer alan, dünyayı çevreleyen ve güneş ışınları nedeniyle iyonize olmuş gazlardan oluşan atmosfer tabakasıdır. İyonosfer tabakasındaki serbest elektronlar elektromanyetik dalgaların yayılmasını etkilemektedir. İyonosferdeki serbest elektron miktarı zaman, konum, jeomanyetik hareketlilik gibi birçok etkene bağlıdır. İyonosfer, yüksek enlem bölgesi, orta enlem bölgesi ve kutup bölgesi olmak üzere bilimsel çalışmalarda temel alınmak üzere üç ana bölgeye ayrılmıştır. Auroral ve kutup bölgelerinden oluşan yüksek enlem bölgesinde, ekvatora oranla daha düşük elektron yoğunluğu ve daha fazla kısa dönemli iyonosferik değişimler gözlenmektedir. Orta enlem bölgesi, iyonosferdeki değişimlerin en az olduğu bölgedir. Ülkemiz orta enlem bölgesi içinde yer almaktadır. Ekvator bölgesi, güçlü güneş radyasyonu ve yoğun iyonlaşma nedeniyle elektron yoğunluğunun en yüksek olduğu bölgedir. 5
İYONOSFER VE GNSS SİNYALLERİNE ETKİSİ 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 değildir. Tabakaların sayısı, yükseklikleri ve iyonlaşma (elektron) yoğunlukları hem zamanla hem de coğrafik olarak değişmektedir. İyonosfer Tabakalarında Elektron Yoğunluğu Açıklama D E F 1 F 2 Yükseklik (km) 60-85 85-140 140-200 200-1000 Elektron Yoğunluğu (cm -3 ) Gündüz 10 2-10 4 10 5 3x10 5 5x10 5 Elektron Yoğunluğu (cm -3 ) Gece - 2x10 3 10 3 3x10 5 Nötr Gazların Yoğunluğu (cm -3 ) 10 15 2x10 12 10 10 10 6-10 10 İyonosfer Tabakaları 6
İYONOSFER VE GNSS SİNYALLERİNE ETKİSİ İyonosferi delip geçebilen en düşük dalga frekansı kritik frekans ya da plazma frekansı olarak adlandırılır. Elektromanyetik dalganın bir ortamdaki yayılımını gösteren kırılma indisi, n = c v c, ışığın boşluktaki hızı, v, elektromanyetik dalganın ortamdaki hızı GNSS kod ve faz ölçülerinin hızları birbirinden farklıdır. Faz ölçüleri için sinyal hızı v p ve kod ölçüleri için sinyal hızı v g olarak kabul edilir. Bunlara karşılık n p ve n g kırılma indisleri birbirinden ayrılmaktadır. İyonosfer yapısı gereği 30 MHz ve altında frekanslardaki dalgaları yansıtmaktadır. 50 MHz in çok üstündeki sinyaller iyonosferden geçebilir fakat iyonosferde zayıflama ve gecikme etkisine uğrarlar. Bant L1 1575.42 L2 1227.60 L3 1381.05 Frekans (MHz) L4 1379.913 L5 1176.45 Atmosferik Gecikme İyonosferdeki kırılma indisi n, frekans bağımlıdır. İyonosfer, saçıcı bir ortam olduğundan iki frekansın birleşimi ile iyonosferik etki giderilebilmektedir. 7
İYONOSFER VE GNSS SİNYALLERİNE ETKİSİ Appleton-Hartree tarafından türetilen iyonosferik kırılma indisi n, n 2 = 1 1 iz Faz ölçüleri için kırılma indisi, Kod ölçüleri kırılma indisi, n p = 1 40.3 f 2 n g = 1 + 40.3 GNSS gözlemleri için iyonosferik gecikme değeri ise, X Y 2 T 2 1 X iz ± Y 4 T 4 1 X iz 2+Y L 2 f 2 N e N e İyonosferin kırılma indisi bilindiğinde iyonosferden kaynaklanan grup gecikmesi, faz ilerlemesi, Doppler kayması gibi etkiler hesaplanabilir. i I Fk = αe f F 2 İyonosferik gecikme kod gözlemlerine + ve faz gözlemlerine - işaretli olarak eklenir. 8
İYONOSFER VE GNSS SİNYALLERİNE ETKİSİ Tek Tabaka Modeli (İstasyon Bazlı TEİ Hesabı) İyonosfer tabakası geniş bir aralığı kapsadığından, bu aralığın tanımı için maksimum yoğunluğa sahip serbest elektronların sonsuz incelikte bir alan içinde olduğu kabul edildiği tek-tabaka (single-layer) modeli Tek Tabaka Modeli Bölgesel İyonosfer Modeli Küresel İyonosfer Modeli Küresel İyonosfer Modeli (14 Ocak 2013) Düşey elektron içeriğinin Taylor serisine göre açılımı Küresel harmonik açılım yaklaşımı CODE (Orbit Belirleme Merkezi, İsviçre) DLR (Fernerkundungstation Neustrelitz, Almanya) ESOC (Avrupa Uzay Operasyon Merkezi, Almanya) JPL (Jet Propulsion Laboratuvarı, Kaliforniya) NOAA (Ulusal Okyanus ve Atmosfer Dairesi, Amerika) NRCan (Doğal Kaynaklar, Kanada) ROB (Belçika Kraliyet Gözlemevi, Belçika) UNB (New Brunswick Üniversitesi, Kanada) UPC (Katalonya Politeknik Üniversitesi, İspanya) WUT (Warsaw Teknoloji Üniversitesi, Polonya) 9
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Uydular için tanımlanan VTEC değerleri, sinyalin iyonosfer geçiş noktasında (IPP - ionospheric pierce point) yeryüzüne dikey yöndeki iyonosferik etkisini ifade eder. Sinyalin iyonosferi kestiği noktanın yeryüzündeki izdüşümü iyonosfer alt noktası (İAN) olarak isimlendirilir. İAN, sinyal alınan uyduya ait uydu yükselme açısının alıcının zenitinden uzaklaşması durumunda daha uzak bir noktayı temsil etmektedir. İyonosfer Böyle bir durumda sinyalin iyonosfer de aldığı yol boyunca maruz kaldığı bozucu etki, alıcının zenitindeki iyonosferik etkiyi tam olarak ifade edemez. Özellikle iyonosferik aktivitenin yoğun olduğu bölgelerde bu durum giderek karmaşık bir hal almaktadır. İAN ile alıcı arasında uydu yükselme açısına bağlı oluşan mesafe, ξ PP (i) 2R E arcsin h m cot εn (i) 2R E Alıcı (P) ε uydu yükselme açısı, n ölçüm anı, i uydu sayısı, R, dünyanın ekvatoral yarıçapı (6.378,137 m) H, iyonosfer yüksekliğini (~450 km) P, alıcının konumu P, hesaplanan VTEC değerinin yeryüzündeki izdüşümü yani uydu iyonosfer alt noktasıdır. İyonosfer Alt Noktası (P ) Uydu Sinyali ile İyonosfer Arasındaki Geometrik İlişki 10
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Tabloda ξ PP (i) eşitliğinden hesaplanan, uydu yükselme açısına göre alıcı ile iyonosfer alt noktası arasındaki mesafe değişimi gösterilmektedir. ε 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ξ PP km 2569 1238 779 536 377 259 163 79 0 Alıcı TEİ hesabında farklı uydulardan elde edilen VTEC değerlerinin ağırlıklı ortalamaları alınırken ağırlıkların uydu yükselme açılarından elde edilmesinin nedeni yukarıdaki tablo incelendiğinde daha iyi anlaşılmaktadır. Uydu yükselme açısı zenit ile ufuk hattı arasında değişirken iyonosfer alt noktası ile alıcı arasındaki mesafe değişmektedir. Tabloda görüldüğü gibi bu mesafe düşük yükselme açılı durumlarda 1000 km nin üzerine çıkabilmekte, en sık rastlanılan değerler olarak 200 km ile 800 km arasında uzaklıklar görülmektedir. 11
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Uydu ile alıcı arasındaki bağıl geometride, uydu yükselme açısı İAN ile alıcı arasındaki mesafeyi, uydu azimut açısı ise bu mesafenin yönünü ve İAN ile alıcı arasındaki boylam farkını, temsil etmektedir. TEİ değeri solar aktiviteye bağlı olarak değişir ve gün ışığının dünya üzerinde ilerleyişine benzer şekilde yerel maksimum TEİ değerleri de doğudan batıya doğru kayan bir akış gösterir. Yeryüzündeki bir istasyon noktasının kuzey-güney yönünde aynı yerel zamanlar söz konusuyken doğu-batı yönünde farklı yerel saatler yani farklı bir güneş aktivitesi olmaktadır. Uydu azimut açısı, İAN ile alıcı arasındaki mesafenin hangi yerel zamanda yer aldığını ifade etmesi açısından önemlidir. İAN ile alıcı arasında ne kadar fazla boylam farkı bulunuyorsa o kadar farklı yerel zamanlar söz konusudur. 12
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Alıcının belirli bir epoğunda sinyal aldığı uydular için çalışmada tanımlanan ağırlık fonksiyonu, uydu yükselme açısı ve uydu azimut değerine bağlı boylam farkının bir fonksiyonu, i uydu numarası, n ölçüm anı W Geo (i) =F ε n (i), tn (i) εn (i), uydu ile alıcı arasındaki yükselme açısı, İAN ile alıcı konumu arası uzaklığın değişkeni tn (i), uydu ile alıcı arasındaki boylam farkı olarak uydu yükselme ve uydu azimut açılarının bir fonksiyonu Uydu azimut açısından kaynaklanan boylam farkı, uydu azimut açısı değeri ve ξ PP mesafesinin bir fonksiyonu; t (i) = F α n (i), ξ PP n (i) t boylam farkının hesaplanabilmesi için öncelikle ξ PP mesafesi, küresel yeryüzündeki dx ve dy birleşenlerine ayrılır. 13
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Küresel yeryüzünde tanımlanan ξ PP mesafesinin, ξ PP x yay uzunluğunun meridyen üzerindeki ve ξ PP y yay uzunluğunun paralel dairesi üzerindeki birleşeni olarak tanımlanır. ξ PP y (i) = ξpp n (i) sin α n (i) ξ PP x (i) = ξpp n (i) cos α n (i) Küresel yeryüzünde tanımlanan ξ PP yay uzunluğu ve birleşenleri 14
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Uydu azimut açısının W Geo üzerindeki etkisi ξ PP mesafesinden kaynaklanan boylam farkı nedeniyle oluşan zaman farkıdır. Ekvator düzlemi üzerinde iki meridyen arasındaki konumsal farkın 111 km olduğu bilinmektedir. Bu değerler ekvatordan kutuplara gidildikçe azalma gösterir. Tüm bu durumlar dikkate alınarak t boylam farkı, t (i) = ξ PP y yay uzunluğunun enlem üzerindeki birleşeni ϕ ort ortalama enlem ξ PP y (i) R cos φ ort Ortalama enlem, alıcı enlemi ϕ 0 ile yay uzunluğunun meridyen üzerindeki birleşeni ξ PP x in derece cinsinden değeri ξ PP x 0 enlem farkının alıcı enlemine eklenerek aritmetik ortalamasının alınması ile bulunur. Buna göre ϕ ort hesabında, ξ PP x 0 = 180 ξ PP x 2πR φ ort = φ 0 + (φ 0 + ξ PP x 0 ) 2 π 180 15
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO W Geo fonksiyonunu oluşturan parametreler tanımlandıktan sonra denklem son halini almaktadır. W Geo (i) = (sin ε n (i) ) π e (π tn (i) / εn (i) ) W Geo 0-1 arasında değişen değerler alan bu ölçüt 1 e yaklaştığında istenen ya da ideal durumu, tersi durumda ise alıcının konumundaki iyonosferik koşulları yeterince temsil etmeyen bir uydu konumunu tanımlar. W Geo, alıcının herhangi bir epokta sağlıklı veri aldığı tüm uydular için hesaplanır. Her uydu alıcı ile bağıl konumuna göre TEİ kestirimine esas olmak üzere W Geo büyüklüğü ile ölçütlendirilmiştir. W Geo Fonksiyonunun Uydu Yükselme ve Azimut Açılarına Göre Değişimi 16
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Uydu yükselme açısı ve uydu azimut açısı arasındaki ilişki tabanı elips şeklinde olan bir huni gibi düşünülebilir. Uydu yükselme açısı değeri alıcının zenitine yakınlaştıkça huninin tabanı daralmaya başlar. Böylece uç noktalar arasındaki mesafe giderek azalır. Şekil incelendiğinde uydu azimut açısı etkisinin uydu yükselme açısına bağlı olmasının nedeni daha iyi anlaşılmaktadır. ell 50 0 ell 80 0 Uydu Yükselme Açısı ve Uydu Azimut Açısı Durumu - Huni Benzetimi 17
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Uydu bağıl geometrisinin TEİ hesabına etkisini belirlemek amacıyla uydu yükselme ve azimut açılarından elde edilen W Geo değeri ağırlık fonksiyonu olarak kullanılmaya uygun niteliktedir. Önerilen ağırlık fonksiyonu ile birlikte karşılaştırabilme amaçlı üç ağırlık fonksiyonu çalışmada incelenmektedir. 1. Ağırlık Fonksiyonu 1, 60 0 ε m n 90 0 W m n = exp 90 ε m n 2 /2σ 2, 10 0 < ε m n < 60 0 0, ε m n < 10 0 2. Ağırlık Fonksiyonu W m n = sin 3 ε m n 3. Ağırlık Fonksiyonu W m n = (sin ε m (n)) π e (π tm (n)/ ε m(n)) 18
YENİ BİR AĞIRLIK FONKSİYONU - W GEO Ağırlık Fonksiyonlarının Uydu Yükselme Açısına Göre Değişimleri 19
SAYISAL 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 istasyonlarının statik verilerini, bilimsel amaçlı çalışmalarda kullanılmak üzere TUSAGA-Aktif Yürütme Kurulu nda alınan bir karar ile ücretsiz olarak tüm kamuoyuna sunmuştur. Bu kapsamda MALZ ve MURA adlı TUSAGA- Aktif istasyonlarının 30 sn zaman çözünürlüklü verileri çalışmada kullanılmaktadır. Çalışmada Kullanılan TUSAGA-AKTİF Noktaları 20
En küçük VTEC ortalaması Epok: 01:58:30 ε m n o 27 35 59 9 13 21 12 50 83 α m n o 109 280 312 163 44 192 320 48 108 i=1 n VTEC i P i i=1 n P i SAYISAL UYGULAMA ξ PP n km 882,8 648,7 275,4 2826,8 1923,1 1180,7 2168,5 375,5 55,8 - VTEC(TECU) 15,46 16,66 12,40 6,04 11,38 14,69 6,94 13,79 14,85-1. Ağırlık 0,49 1,18 5,25 0,00 0,07 0,23 0,03 3,48 14,85 14.18 2. Ağırlık 1,45 3,09 7,70 0,02 0,14 0,67 0,06 6,24 14,52 14.12 Ağırlık fonksiyonları için, MALZ noktasında hesaplanan VTEC değerlerinin gün içi en yüksek ve en düşük olduğu zaman dilimleri 3. Ağırlık 0,40 1,41 6,58 0,00 0,00 0,38 0,00 4,85 14,15 14,08 En büyük VTEC ortalaması Epok: 10:53:30 ε m n o 30 11 25 57 39 69 60 16 i=1 n VTEC i P i i=1 n P i α m n o 309 204 176 103 189 310 92 100 ξ PP n km 792,6 2272,7 980,5 289,9 548,7 169,1 263,8 1529,3 - MALZ noktasında VTEC Değerlerinin Ağırlık Fonksiyonlarına Göre Değişimi VTEC(TECU) 1. Ağırlık 2. Ağırlık 3. Ağırlık 42,81 66,31 54,14 46,35 50,80 50,77 44,17 51,31-1,80 0,30 1,33 18,23 5,49 50,77 19,82 0,47 48.37 5,16 0,49 3,94 27,54 12,96 41,65 28,36 1,16 47.83 2,07 0,02 3,11 22,25 11,19 38,42 23,45 0,03 21 48.00
SAYISAL UYGULAMA MALZ noktası için 2011 yılında 17 günlük ve 2012 yılında 19 günlük periyotta ve MURA noktası için 2011 yılında 28 günlük ve 2012 yılında 19 günlük periyotta hesaplanan VTEC değerlerinin IGS verileriyle olan karekök ortalama değerleri hesaplanmıştır. Belirlenen zaman aralıklarındaki VTEC değerleri İGS verileriyle karşılaştırılarak şekilde gösterilmiştir. MALZ Noktası Karekök Ortalama Değerleri 22
SAYISAL UYGULAMA MURA Noktası Karekök Ortalama Değerleri 23
SONUÇLAR VE ÖNERİLER Çalışmada sadece uydu yükselme açısını değil, yerel zaman bağlı etkiyi ortaya koyabilmek adına uydu azimut açısını da içinde barındıran bir ağırlıklandırma fonksiyonu önerilmiştir. W Geo ağırlık fonksiyonu kullanılarak yapılan hesaplamalarda, niceliksel olarak az da olsa, IGS küresel modelinden farklılaşmanın daha yerel bir TEİ kestirimi olarak yorumlanması mümkündür. Ağırlık fonksiyonu olarak uyduya ait bağıl geometri elemanlarının her ikisinin de kullanılması düşüncesi ile farklı matematiksel ifadeler geliştirmek mümkündür. W Geo olarak isimlendirilen matematiksel ifade çalışma kapsamında uygulamada kullanılmış olup, sonraki çalışmalarda iki bağıl geometri elemanını da kullanan daha farklı matematiksel ifadelerin tanımlanmasına açık bir alan bulunmaktadır. 24
KATKI Çalışmanın ATAG18 sempozyumu için vermiş olduğu katkıyı kısaca ele alırsak; Günümüzde tektonik hareketlerin belirlenmesi için sürekli GPS (GNSS) ağları kurmak tercih edilen yöntemlerin en önemlileri arasındadır. İyonosfer ile ilgili yapılan çalışmalar, GNSS sinyalleri için önemli hata kaynaklarından biri olan iyonosferin daha doğru ve güvenilir olarak modellenmesine ve bu hatanın elimine edilmesine yardımcı olmaktadır. GNSS sistemleri için ilgili hataların elimine edilmesi elde edilen doğruluğu doğrudan etkilemektedir. GNSS ölçülerinin doğruluğunun artması demek sürekli ağlarla gözlenen tektonik hareketlerin daha hassas belirlenebilmesi demektir. Çalışma bu anlamda sempozyuma katkı sağlamaktadır. 25
TEŞEKKÜRLER İletişim: erman.senturk@kocaeli.edu.tr 5-7 Kasım 2014 Aktif Tektonik Araştırma Grubu ATAG18