3D electron density estimation in the ionosphere by using IRI-Plas model and GPS measurements

Abstract

İyonküredeki elektron yoğunluğu dağılımını 3 boyutlu görüntüleyebilmek iyonkürenin etkilerinin araştırılması için kritik öneme sahiptir. Yerküresel Konumlama Sistemi (YKS) uydularından iki farklı frekans bandında yayınlanan sinyaller, YKS uyduları ve yer konumlu alıcılar arasında Eğik Toplam Elektron İçeriği (ETEİ) tahmini yapmak için kullanılabilir. Ancak, elde edilen YKS-ETEİ değerleri, sadece bu ölçümler kullanılarak güvenilir bir 3 boyutlu elektron yoğunluğu dağılımı elde etmek için oldukça seyrek ve düzensizdir. İyonkürenin tomografisini çekmek için önerilen standart yöntemler iyonkürenin karmaşık ve değişken yapısını modellemekte yetersiz kalmaktadır. Diğer yandan, model tabanlı elektron yoğunluğu dağılımları, iyonküredeki genel yönsemelere göre sonuçlar üretmekte ve üretilen bu sonuçlar genellikle gerçek ölçümlerle, özelikle iyonkürenin fırtınalı olduğu günlerde, uyumlu sonuçlar vermemektedir. Bu tezde, IONOLAB-CIT adını verdiğimiz, bölgesel 3 boyutlu elektron yoğunluğu dağılımı elde etmek amacıyla YKS-ETEİ ölçümlerini ve fiziksel iyonküre modellerini kullanan bir tomografi tekniği önerilmektedir. IONOLAB-CIT, iteratif algoritmalar vasıtasıyla, IRI-Plas iyonküre modelinden hesaplanan sentetik ETEİ ölçümlerini ve gerçek YKS-ETEİ ölçümlerini karşılaştırarak, iyonküredeki F2 katmanının kritik frekansında ve maksimum elektron yoğunluğunun erişildiği yükseklik değerinde IRI-Plas iyonküre modeline göre oluşan sapmaları izlemeye çalışmaktadır. IONOLAB-CIT, Türkiye Ulusal Sabit GPS Ağı (TUSAGA-Aktif) verileri kullanılarak Türkiye üzerinde iyonkürenin sakin ve fırtınalı olduğu günlerde 3 boyutlu elektron yoğunluğu dağılımları elde etmek için başarılı bir şekilde kullanılmıştır. Elde edilen 3 boyutlu elektron yoğunluğu dağılımları kullanılarak yönteme girdi olarak verilmeyen YKS-ETEİ ölçümleri yakın hassasiyette tahmin edilebilmiştir. IONOLAB-CIT sonuçları Yunanistan üzerinde alınan gerçek iyonosonda sonuçları ile karşılaştırılmış, ve oldukça uyumlu sonuçlar elde edildiği gösterilmiştir. Daha gürbüz sonuçlar elde edebilmek için IONOLAB-CIT sonuçları Kalman filtre yöntemleri kullanılarak zamanda takip edilip düzeltilmektedir.

Three dimensional imaging of the electron density distribution in the ionosphere is a crucial task for investigating the ionospheric effects. Dual-frequency Global Positioning System (GPS) satellite signals can be used to estimate the Slant Total Electron Content (STEC) along the propagation path between a GPS satellite and ground based receiver station. However, the estimated GPS-STEC are very sparse and highly non-uniformly distributed for obtaining reliable 3D electron density distributions derived from the measurements alone. Standard tomographic reconstruction techniques are not accurate or reliable enough to represent the full complexity of variable ionosphere. On the other hand, model based electron density distributions are produced according to the general trends of the ionosphere, and these distributions do not agree with measurements, especially for geomagnetically active hours. In this thesis, a novel regional 3D electron density distribution reconstruction technique, namely IONOLAB-CIT, is proposed to assimilate GPS-STEC into physical ionospheric models. The IONOLAB-CIT is based on an iterative optimization framework that tracks the deviations from the ionospheric model in terms of F2 layer critical frequency and maximum ionization height resulting from the comparison of International Reference Ionosphere extended to Plasmasphere (IRI-Plas) model generated STEC and GPS-STEC. The IONOLAB-CIT is applied successfully for the reconstruction of electron density distributions over Turkey, during calm and disturbed hours of ionosphere using Turkish National Permanent GPS Network (TNPGN-Active). Reconstructions are also validated by predicting the STEC measurements that are left out in the reconstruction phase. The IONOLAB-CIT is compared with the real ionosonde measurements over Greece, and it is shown that the IONOLAB-CIT results are in good compliance with the ionosonde measurements. The results of the IONOLAB-CIT technique are also tracked and smoothed in time by using Kalman filtering methods for increasing the robustness of the results.