GNSS verileri kullanılarak iyonosfer modelinin oluşturulması ve global modellerle karşılaştırılması

Abstract

GNSS (Global Navigation Satellite System) uydu sinyalleri yeryüzündeki alıcıya ulaşıncaya dek atmosferin çeşitli tabakalarından geçmektedir. Bu tabakalardan biri iyonosferdir. İyonosfer, uydu tabanlı konum belirleme, kısa dalga haberleşme ve iletişim sistemlerinin kullandığı sinyaller üzerinde önemli etkileri olan yeryüzünden 60 km ile 1100 km yükseklikte bulunan atmosfer tabakası olarak ifade edilebilir. GNSS uydularından yayınlanan elektromanyetik dalgalar iyonosferin değişken yapısından oldukça fazla etkilenmektedir. Doğal bir plazma olan iyonosfer serbest elektronlar ve pozitif iyonlar içermektedir. Bu ise iyonosferi geçerek gelen GNSS sinyal yayılımını ve ortamın elektrik özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. İyonlaşma ve serbest elektronların yoğunluğu ise Güneşten gelen radyasyona bağlı olarak sürekli değişim göstermektedir. İyonosfer coğrafi konuma, jeomanyetik konuma, jeomanyetik aktiviteye, güneş aktivitesine, güneş lekesi sayısına, mevsimselliğe, yerel zamana, nükleer patlamalara, kuvvetli yıldırım ve şiddetli fırtınalara, balistik füze uçuşlarına ve yüksekliğe bağlı değişimler gösterebilir. İyonosferin değişken yapısından etkilenen GNSS sinyallerinin uğrayacağı gecikme iyonosferin o anki toplam elektron yoğunluğu (TEC) ile orantılıdır. Bu TEC değişiminin belirlenmesi iyonosferin modellenebilmesi açısından önemlidir. TEC değeri GNSS ölçülerinden direkt olarak elde edilemez, fakat üretilen kombinasyonlarla kestirilebilir.GNSS tekniklerinden en rasyonel şekilde istifade edebilmek için 2009 yılından itibaren kullanıma açılan TUSAGA-Aktif/CORS-TR (Türkiye Ulusal Sabit GNSS İstasyonları Ağı-Aktif/Continuously Operating Referans Stations-Turkey) projesi gerçekleştirilmiştir. TUSAGA-Aktif/CORS-TR projesi, tüm ülkede sürekli, hızlı, ekonomik ve duyarlı konum belirleme hizmeti veren yeni ve modern bir sistem sunmuştur.Bu tez çalışmasında 56 tanesi TUSAGA-Aktif istasyonu olmak üzere IGS istasyonlarının da içinde bulunduğu 68 istasyon değerlendirmeye alınmıştır. Ülke jeodezik ağlarının kurulması, deformasyon ölçüleri, datum parametrelerinin belirlenmesi ve yer kabuğu hareketlerinin izlenmesi, troposfer ve iyonosfer belirleme gibi birçok jeodezik ölçmelerin değerlendirilmesinde BERNESE, GAMIT/GLOBK, GIPSY/OASIS vb yazılımlar kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında verilerin değerlendirilmesi, İsviçre'nin Bern Üniversitesi Astronomi Enstitüsü (AIUB) tarafından geliştirilen Bernese 5.2 GNSS yazılımı kullanılmıştır. Bernese 5.2 GNSS yazılımı ile değerlendirme aşamasına geçmeden önce Bernese formatında bazı dosyaların internetten indirilerek ilgili dizin içine kopyalanması gerekmektedir. Manuel olarak veri toplamanın üstesinden gelmek ve karşılaşılabilecek zorlukları engellemek amacıyla MATLAB' da Veri İndirme Programı (VIP) adında bir dizi komut yazılarak veriler temin edilmiştir. Yazılan program sayesinde gerekli olan dosyaların ilgili internet adresinden otomatik olarak elde edilmesi sağlanmıştır. Yapılan analiz sonucunda 2009 yılından 2015 yılına kadar bölgesel TEC değerleri elde edilmiştir. GNSS ölçülerinden elde edilen bölgesel TEC değerleri, CODE (Avrupa Yörünge Belirleme Merkezi, İsviçre), ESA/ESOC (Avrupa Uzay Operasyon Merkezi, Almanya), JPL (Jet Propulsion Laboratuvarı, Kaliforniya) tarafından yayınlanan global iyonosfer haritası ve uluslararası iyonosfer referans modeli programından elde edilen TEC (IRI-2012 TEC) değerleriyle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda bölgesel (RIM) TEC değerleri ile gobal (CODE, ESA, JPL) TEC değerleri arasında büyük oranda benzerlik olduğu, IRI'den elde edilen TEC değerlerinin bu dört değere nazaran daha düşük kaldığı gözlemlenmiştir. Değerlendirme sonucu elde edilen bölgesel TEC değerlerinin global TEC değerleriyle ilişkisini belirlemek amacıyla korelasyon katsayısı hesaplanmıştır. Hesaplanan korelasyon katsayılarına göre üretilen bölgesel (RIM) TEC değerleri ile global (CODE, ESA, JPL) TEC ve IRI TEC değerleri arasında pozitif ve oldukça yüksek bir ilişki söz konusudur. Ayrıca değerlendirme sonucu elde edilen bölgesel TEC değerleri ile global TEC ve IRI TEC değerlerinden yararlanarak 2 saat aralıklarla 24 saatlik zaman dilimini kapsayan Türkiye için mevsimsel ve yıllara ait TEC haritaları üretilmiştir.

GNSS (Global Navigation Satellite System) signals pass through the various layers of the atmosphere till reaching the receiver on earth. One of these layers is the ionosphere. Ionosphere can be expressed as an atmosphere layer located at an altitude of 60 km to 1100 km from the earth, which has important effects on the signals used by satellite-based positioning, shortwave communication and communication systems. The electromagnetic waves emitted from the GNSS satellites are heavily influenced by the variable structure of the ionosphere. The ionosphere, natural plasma, contains free electrons and positive ions. This significantly affects the GNSS signal propagation and the electrical features of the environment that passes through the ionosphere. The ionization and the density of free electrons constantly change depending on the radiation coming from the sun. The ionosphere may change depending on geographical location, geomagnetic location, geomagnetic activity, solar activity, amount of sunspots, seasonality, local time, nuclear explosions, strong lightning and severe storms, ballistic missile flights and height. The delay of GNSS signals affected by the variable structure of the ionosphere is proportional to the Total Electron Content (TEC) at that moment. Determination of the TEC change is important for modelling of ionosphere. The TEC value cannot be obtained directly from the GNSS measure, but it can be estimated with the produced combinations.In order to benefit from the GNSS techniques in the most rational way, the project TUSAGA- Active /CORS-TR (Turkey National Constant GNSS Stations Network - Active/Continuously Operating Reference Stations-Turkey) has been implemented since 2009. The TUSAGA-Active/CORS-TR project has provided a new and modern system that provides continuous, fast, economical and responsive positioning services throughout the country.In this thesis, 68 stations including 56 TUSAGA-Active station and IGS stations were evaluated. BERNESE, GAMIT/GLOBK, GIPSY/OASIS etc. software are used in the evaluation of many geodetic measurements such as the establishment of national geodetic networks, deformation measurements, determination of datum parameters and monitoring ground movements, troposphere and ionosphere determination. In this study Bernese 5.2 GNSS software developed by Bern University Astronomy Institute (AIUB) of Switzerland was used for evaluation of data. Before moving on to the evaluation phase with Bernese 5.2 GNSS software, some files in the Bernese format need to be downloaded from the internet and copied into the corresponding directory. Data was provided in MATLAB by writing a series of commands called Data Download Program (VIP) to come manually from the top of data collection and to avoid any difficulties that may arise. The necessary files are automatically obtained from the relevant internet address by means of the written program. As a result of the analysis, regional TEC values were obtained from 2009 to 2015. The regional TEC values obtained from the GNSS measurements are compared with the global ionosphere map published by the CODE (European Orbit Determination Centre, Switzerland), ESA/ESOC (European Space Operations Centre, Germany), JPL (Jet Propulsion Laboratory, and the TEC (IRI-2012 TEC) values obtained from ionosphere reference program. As a result, the regional (RIM) TEC values and the global (CODE, ESA, JPL) TEC values showed a large similarity, and the IRI obtained TEC values remained lower than these four values was observed. Correlation coefficient was calculated to determine the relationship between regional TEC values obtained after the evaluation and global TEC values. There is a positive and quite high correlation between the regional (RIM) TEC values produced by the calculated correlation coefficients and the global (CODE, ESA, JPL) TEC and IRI TEC values. Besides, seasonal and yearly TEC maps were produced for Turkey covering the 24 hour period with 2 hour intervals using regional TEC values obtained from the evaluation and global TEC and IRI TEC values.