Yeni nesil yerküresel konumlama sistemi sinyalleri kullanılarak eğik-toplam elektron içeriğinin kestirilmesi
Estimation of slant total electron content using new generation gps signals
Yazar: AYŞEGÜL OTRAKÇIER
Danışman: PROF. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İyonküre, güneşten yayılan yüksek enerjili ışınların yüksüz parçacıkları iyonlaştırması sonucu meydana gelen serbest yüklü parçacıklardan oluşan, iyonize plazma yapısındaki havaküre tabakasıdır. İyonküre frekans dağıtmalı, her noktasında aynı etkileri göstermeyen, zamana göre değişen, yerçekimi ve dünyanın manyetik alanı gibi pek çok faktörden etkilenen karmaşık bir yapıya sahiptir. Kısa Dalga (KD) sinyalleri iyonküreden yansır, uydu sinyalleri iyonkürede kırılmaya uğrar. Bu sebeple iyonkürenin sinyaller üzerindeki etkilerinin anlık olarak çözümlenmesinin pek çok farklı sistem için kritik bir önemi vardır. İyonkürenin sinyaller üzerindeki etkilerinin sebebi yapısındaki serbest elektronlardır. İyonkürede iki nokta arasındaki serbest elektronlara Toplam Elektron İçeriği (TEİ) adı verilir. Bu parametre sayesinde iyonkürenin farklı frekanslardaki sinyalleri nasıl etkileyeceği değerlendirilebilmektedir. Bu tez kapsamında Eğik Toplam Elektron İçeriği (ETEİ) adı verilen, bir alıcı ve bir uydu arasındaki toplam elektron miktarını ifade eden parametrenin kestirimleri yapılmıştır. Yerküresel Konumlama Sistemi (YKS) sinyalleri kullanılarak bu parametrenin hesaplandığı pek çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda L1 ve L2 frekanslarındaki YKS sinyalleri kullanılarak bir alıcı istasyonu ve bir YKS uydusu arasındaki ETEİ değerleri kestirilmektedir. Bu çalışmada L5 frekansındaki yeni YKS sinyalleri kullanılarak yeni bir ETEİ kestirim yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem ile farklı alıcı ve farklı uyduların ayrı ayrı sözde menzil ve faz gözlemlerinin kullanıldığı denklem setleri oluşturularak, anlık düşük gürültülü ETEİ kestirimleri, uydu yanlılıkları ve diferansiyel alıcı yanlılıkları kestirimleri yapılabilmektedir. Dünyanın farklı enlem bölgelerindeki alıcılar, farklı uydular ve iyonkürenin pozitif ve negatif bozulmalı ve sakin günleri için yöntem test edilmiştir. Yapılan kestirimlerde elde edilen ETEİ sonuçları IONOLAB-STEC yöntemi ile hesaplanan ETEİ sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu yöntem ile karşılaştırıldığında sonuçların genel TEİ görünüşüne uygun olduğu gösterilmiştir. İki yöntem arasındaki farkların, dayanak noktalarının farklı olmasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Bu tezde geliştirilen bu yeni yöntem ile L5 frekansındaki YKS sinyallerinin kullanımı ile ETEİ kestirim çalışmalarına yeni bir bakış açısı getirilmiştir, buna ek olarak L5 frekansında uydu yanlılıkları ve L1-L2, L1-L5, L2-L5 frekanslarındaki sinyaller için diferansiyel alıcı yanlılıkları da kestirilmiştir.

Abstract:
Ionosphere is atmosphere's ionized plasma layer constructed of free ions resulted by the ionization of neutral molecules with the effects of high energy photons radiated from the sun. Ionosphere is a dispersive, nonhomogeneous, time and space dependent complex medium. It is affected by many other phenomenon like the earth's magnetic field and gravity. High frequency (HF) radio waves reflect from ionosphere and satellite signals are refracted at the ionosphere. Therefore, the realization of instant effects of ionosphere on signals is at critical importance for many systems. The ionospheric effects on signals are caused by the free charged particles in the ionosphere. The total free charged ions between two points in ionospheres is called the Total Electron Content (TEC). This parameter is used for defining ionospheric effects on signals with different frequencies. In this thesis study, the total electron content between one Global Positioning System (GPS) receiver and one GPS satellite called Slant Total Electron Content (STEC) is estimated. GPS signals are used in many different studies. In those studies the GPS signals with L1 and L2 frequencies are used to estimate STEC between one receiver station and one GPS satellite. In this thesis a new STEC estimation algorithm is proposed which includes new GPS signals with L5 frequency. Using this method separately pseudo range and phase data of different receiver and satellites are composed in equation sets and instantaneous low noise STEC estimations, instantaneous satellite bias estimations and receiver differential coded bias estimations are possible. This method is tested for different receiver stations located on different latitude regions of earth for quiet, positively disturbed and negatively disturbed days of ionosphere. The STEC results are compared with the STEC estimation of IONOLAB-STEC algorithm. The comparisons show results of the developed method is coherent with the TEC profile. The differences with two methods are caused by the usage of different bases. This new method developed in this thesis study proposes a new point of view in the STEC estimation processes by including the GPS signals with L5 frequency. In addition to STEC estimations, the satellite biases in L5 frequency and receiver differential code biases between L1-L2, L1-L5 and L2-L5 frequencies are estimated.