Yer tabanlı destek sistemleri için uyarlamalı bölgesel iyonküre izleme yöntemi geliştirilmesi
Development of regional ionosphere monitoring algorithm for ground based augmentation systems
Yazar: MELTEM KÖROĞLU
Danışman: PROF. DR. FEZA ARIKAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Küresel konumlandırma sistemleri = Global positioning system ; Yer tabanlı destek sistemi = Ground based augmentation system ; İyonküre = Ionosphere

Özet:
Hava araçlarının inişleri esnasında doğruluğu yüksek konumlama bilgisini sağlayabilmek amacıyla, hava alanlarına yerleştirilmiş Yer Tabanlı Destek Sistemleri (YTDS) kullanılmaktadır. YTDS'ler birbirlerine göre belli mesafelerde konumlandırılmış GPS alıcı istasyonları ve bu alıcıların verilerini işleyerek anlamlandıran merkez istasyondan meydana gelir. GPS işaretleri uydudan alıcıya gelirken iyonkürenin değişken elektron yoğunluğu nedeniyle zamanda farklı gecikmelere uğrar. Bu durum GPS alıcıların konum kestirimlerinde 40 m'ye varan hatalara neden olur. YTDS iyonküre kaynaklı konum hatalarını algılayabilmek ve düzeltebilmek amacıyla bölgesel iyonküre izleme algoritmaları kullanmaktadır. İyonküre izleme algoritmalarında iyonkürede meydana gelen değişimleri gözlemleyebilmek için iyonküre gecikmeleri kullanılır. İyonküredeki elektron yoğunluğunun bir ifadesi olan Eğik Toplam Elektron İçeriği (ETEİ) kestirimlerinden elde edilir. ETEİ kestirimleri çift frekanslı GPS alıcılarının ölçüm dosyaları ve uydulara ait yanlılık bilgileri kullanılarak kestirilir. İyonkürede meydana gelen bir bozulma ETEİ verileri üzerinde sinüs biçimli değişimler veya ani yükselişler olarak gözlemlenir. Birbirine yakın iki GPS alıcısının iyonküre eğik gecikmeleri arasındaki farkın alıcılar arasındaki uzaklığa bölünmesiyle bulunan değer iyonküresel gradyant olarak tanımlanır. İzleme algoritmalarında birkaç günlük veya birkaç yıllık ölçümlere göre aynı uyduya bakan, alıcı çiftlerinden hesaplanan gradyant değerleri kullanılarak bir güvenli seviye tanımlanır ve bu eşik seviyeyi aşan değişimler iyonküre tehdidi olarak kabul edilir. Ancak mevcut sistemlerde algılanan bozulmaların parametresi kestirilmemekte ve zamanda takibi yapılmamaktadır. Kullanılan gradyant eşik değerleri yön ve saatlere göre sabittir. Bu durum iyonküre izleme algoritmalarının hatalı sezim olasılıklarını oldukça artırmaktadır. Ayrıca, mevcut sistemlerde kullanılan izleme algoritmaları yaklaşık 150 km bandı gibi yerel bir alanda çalışmaktadır. Bu tez çalışmasında, iyonküre izleme algoritmalarına girdi olabilecek yakın gerçek zamanda daha geniş bölgeleri kapsayarak çalışabilen, bozulmaları algılayıp parametre kestirimlerini gerçekleştiren sistematik ve stokastik bir yöntem önerilmiştir. Bölgedeki tehditlerin zamandaki değişimlerini inceleyebilmek için bozulmaların zamandaki değişim hızı yoğunluğunu ifade eden 'Differential Rate of TEC' (DROT) parametresi Türkiye üzerinde bulunan GPS istasyonları ve uyduları için hesaplanmıştır. Hesaplanan DROT değerleri genliklerine göre kategorilere ayrılarak tehdit sınıfları oluşturulmuş ve bu sınıfların zamanda oluşum sıklıkları incelenmiştir. Bozulma sınıflarının oluşum sıklıklarında literatürdeki bilgilerle örtüşen 8-9 saatten 15-16 güne kadar değişebilen periyodik yönsemeler olduğu bulunmuştur. İyonküre bozulmalarının uzay-zamanda değişimlerini inceleyebilmek için de mevcut iyonküre izleme algoritmalarında kullanılan gradyant değerleri her uydu-alıcı için hesaplanmıştır. Hesaplanan gradyant değerleri üzerinden farklı uydu yönleri, farklı zaman dilimleri ve farklı istasyon uzaklık gruplarına göre gradyant yönsemeleri bulunarak yönsemelere ait parametrik Olasılık Yoğunluk Fonksiyonları (OYF) kestirilmiştir. Yarım güneş döngüsü boyunca gerçekleştirilen analizlerde en yüksek gradyant değerinin 25 mm/km olduğu ve bozulmaların yönsemesinin konum, zaman ve yönlere göre değiştiği sonucu elde edilmiştir.  DROT ve gradyant analizleri gerçekleştirilerek Türkiye iyonküresi için bozulmaların konum ve zaman değişimlerini gösteren çok geniş bir veritabanı oluşturulmuştur. Yakın gerçek zamanda çalışabilen iyonküre tehdit izleme algoritmasının birinci basamağında ETEİ değerleri üzerinden Krigleme yöntemlerine dayalı aradeğerleme yapılarak, yüksek çözünürlüklü ETEİ haritaları kestirimi için IONOLAB-SMAP algoritması geliştirilmiştir. IONOLAB-SMAP ile iyonkürenin geniş anlamda durağan kabul edildiği 15 dakikalık süre boyunca kestirilen yüksek çözünürlüklü ETEİ haritası, bozulmaların yön, dalga boyu ve genliklerini kestirebilen yöntemin ikinci basamağı olarak iki boyutlu Varyasyonel Kip Ayrıştırımı algoritması tabanlı parametre kestirim yöntemine girdi sağlamaktadır. ETEİ haritalarındaki alt yüzey ve parametre kestirim yönteminin başarımını belirleyebilmek amacıyla tek bileşenli ve çok bileşenli sinüs biçimli sentetik yüzeyler DROT ve gradyant veri tabanlarındaki bilgilere göre oluşturularak bozulma parametrelerinin kestirim başarımları belirlenmiştir. Geliştirilen parametre kestirim yöntemi literatürde çok kuvvetli birden fazla büyük ölçekli bozulma olduğu bildirilen Aziz Patrick Günü (17 Mart 2015) için Avrupa ve Türkiye üzerinde uygulanarak, elde edilen sonuçlar literatürde bildirilen sonuçlar ile karşılaştırılıp doğrulanmıştır. Uygulama sonucunda farklı enerjilere sahip, enlemde 32°, 16° ve 5-8° arasında dalga boyuna sahip kutuplardan ekvatora doğru ilerleyen bozulmalar tespit edilerek zaman içinde parametre kestirimleri elde edilmiştir.

Abstract:
Ground-Based Augmentation Systems (GBAS) improve positioning precision of GPS receivers on-air platform landing systems. GBAS consists of multiple GPS receivers placed on known locations within a region. A central processing station process other GPS receivers' data and generate a correction signal. Ionosphere Radio navigation signals are affected from the ionosphere due to its complex structure, such as different delays. These ionospheric delays cause errors up to 40 m in position. Reginal Ionosphere Monitoring Algorithms are used to detect positioning errors and correct them in GBAS. Slant Total Electron Content (STEC) delays are critical parameters for the observation of ionospheric variations in regional ionospheric monitoring algorithms. STEC is estimated using dual-frequency GPS receiver recordings and satellite biases which is crucial observable for electron density in the ionosphere. An ionospheric disturbance is observed as sinusoidal wave-like disturbances or sudden increase in STEC values. Ionospheric gradient is the ratio of difference of slant delays and distance of two close GPS receivers. Safe threshold levels are calculated using ionospheric gradients from GPS receiver pairs which look at exact satellite durations from diurnal to several years. Changes that exceed the threshold level are categorized as ionospheric. However, existing systems cannot estimate and track parameters of the detected disturbances. Therefore, gradient threshold values are fixed according to direction and time. Safe threshold levels dramatically increase the false detection possibilities of ionospheric monitoring algorithms. In addition, monitoring algorithms estimates are valid within 150 km diameter bounded local regions. This study proposes a systematic and stochastic method that can work by covering larger regions in near real-time, which can be input to ionosphere monitoring algorithms to detect disturbances and perform parameter estimations. Firstly, the Differential Rate of TEC (DROT) is computed for GPS receivers in TNPGN-Active Network to analyze temporal variations in regional threats. DROTS are categorized according to their amplitudes, classified as threat categories. Temporal occurrences are investigated.  It is observed that there are periodic trends that temporarily extend from 8-9 hours to 15-16 days, whose frequency of occurrence is consistent with the literature. Besides, ionospheric gradients are calculated for each satellite and receiver pair using existing gradient calculation methods in ionospheric monitoring algorithms.
Stochastic trends are analyzed using Parametric Probability Density Functions PDFs, estimated for calculated ionospheric gradients for satellite track directions, time intervals, and different receiver distance groups. The maximum value of ionospheric gradients reaches up to 25 mm/km, and gradients depend on space, time, and directions. A very detailed database of disturbances includes spatio-temporal disturbance variations of regional ionosphere of Turkey using ionospheric gradients and DROTS. The first step of ionospheric thread monitoring algorithm development high resolution near real-time STEC maps are obtained by using IONOLAB-SMAP based on Kriging interpolation. Using IONOLAB-SMAP ionospheric STEC maps are estimated within 15-minute intervals in which ionosphere is stationary in a wide sense. The second step is an estimation of disturbance parameters using variational mode decomposition for direction, amplitude, and wavelengths of disturbances. The performance of the developed algorithm is investigated by using synthetic surfaces, which are generated based on the behavior of ionosphere using information estimated from the analyses from ionospheric gradients and DROTS. Furthermore, the developed algorithm is validated using St.Patrick's Day Storm (17 March 2015), which is reported intense ionospheric storm day in which multiple large-scale disturbances have occurred. Estimates are consistent with the observations reported in the literature using STEC data estimated from the European and Turkish ionosphere. Multiple wave-like disturbances are traveling from polar to equatorial regions are detected and estimated. Besides apparent wavelengths of estimates, disturbances are 32°, 16° and 5-8° in latitude, with different energy levels.