İyonkürede elektromanyetik dalga yayılım modeli ve benzetimi
Electromagnetic wave propagation model and simulation in ionosphere
Yazar: ESRA ERDEM
Danışman: PROF. DR. FEZA ARIKAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kısa Dalga (KD) bandında (3 - 30 MHz) elektromanyetik dalga yayılımı uzak
mesafe haberleşme için büyük önem taşımaktadır. KD bandında dalganın yayılım
ortamı, atmosferin iyonküre katmanıdır. İyonküre, iyonlaşan gazlardan oluşan,
zamana göre değişim gösteren, düzgün dağılmayan ve yön bağımlı bir ortamdır.
İyonküre ortamına elektromanyetik dalga yayılımı çözümlerinin yapılması
zorlu bir problemdir.
Dalga denkleminin düzgün dağılmayan ve yön bağımlı bir ortamda çözülmesi
için hali hazırda uygulanan çeşitli analitik ve nümerik yöntemler yetersiz kalmaktadır.
Bu yöntemler ancak iyonkürenin fiziksel özelliklerinin büyük ölçüde
ihmal edilmesi ve dalga denkleminde çeşitli yaklaşımların yapılması ile uygulanabilmektedir.
İşlem yükü ve çözüm süresi fazla olan bu yöntemler ile elde
edilen çözümler, uygulanan yaklaşımlar nedeniyle iyonkürenin fiziksel yapısını
yansıtmayan çıktılar vermektedir. Bazı durumlarda dalga yayılımı hesaplama
iyonkürenin zamana göre değişim hızından daha yavaş olmakta ve elde edilen
çözüm geçerliliğini yitirmektedir.
Uzak mesafe haberleşme teknolojisinin başarımı iyonküre ve iyonkürede dalga yayılımı
modellerinin gerçeğe yakın olması ile artmaktadır. Bu nedenle yeni bir yaklaşımla iyonkürede elektromanyetik dalga yayılımının modellenmesi ve iyonkürenin yapısının bu modele dahil edilmesi ihtiyacı ortaya çıkmaktadır.
Bu doktora tezi çalışmasında KD bandı için yeni ve özgün bir dalga yayılım modeli
geliştirilmiştir. Bu model, dalganın ışın izleme ile gösterimi ve iyonkürenin
3 Boyutlu (3B) küresel hücre modeli bileşenlerinden oluşmaktadır. Işın izleme,
bir geometrik optik yaklaşımı olarak uygulanmaktadır. Geliştirilen dalga yayılım
modelinde ışın izleme yöntemlerinden Snell yasası uygulanmaktadır. Snell
yasası ile ışın izlemede önemli bir parametre olan kırılma indisinin hesaplanmasında,
Appleton-Hartree eşitliği kullanılmaktadır. Appleton-Hartree eşitliği 
iyonkürenin fiziksel parametrelerini içermekte olup, geliştirilen modelde tüm
parametreleri ile hesaba dahil edilmektedir.
İyonkürenin yön bağımlı olmasının bir sonucu olarak kaynaktan yayınlanan
dalga iyonküreye girdiğinde sıradan ve sıradışı dalga olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
Bu tez kapsamında geliştirilen modelde sıradan ve sıradışı dalga
için ayrı ayrı, 3B küresel hücre modeli üzerinden ışın izleme uygulanmaktadır.
3B küresel hücre modeli iyonkürenin düzgün dağılmayan yapısını yansıtmaktadır.
Her bir hücreye karşılık gelen iyonküre parametreleri zamana bağımlı
olarak hesaplandığından, iyonkürenin zamana göre değişimi de model tarafından
karşılanmaktadır.
İyonküre parametreleri IRI-Plas yazılım aracı ile hesaplanmaktadır. IRI-Plas,
iyonkürenin ölçülebilen bazı parametrelerinin verilerini girdi olarak alarak mevcut
iyonküreyi daha gerçekçi benzetebilmektedir. Bu tez kapsamında geliştirilen
modelde IRI-Plas yazılımının bu özelliğinden yararlanılmakta ve verilen
zamana kar¸sılık Toplam Elektron İçeriği (TEİ) verileri otomatik olarak sağlanarak
IRI-Plas yazılımına beslenebilmektedir.
Geliştirilen iyonkürede dalga yayılım modelinin mühendislik uygulamasını yapmak
üzere IONOLAB-RAY algoritması tasarlanmıştır. IONOLAB-RAY ön işlem
ve ana işlem olmak üzere iki parçadan oluşmaktadır. Kullanıcı tarafından tanımlanan
ilgi alanı bölge ve zamanlar için koşum süresi görece olarak uzun süren
hesaplamalar ön işlem aşamasında yapılarak kaydedilmektedir. Ana işlem aşamasında ise oluşturulan ilgi alanı bölge ve zamanlar için istenilen senaryolar
koşturulabilmektedir. Dalga yayılımının modellenmesi için ihtiyaç duyulan
tüm parametreler IONOLAB-RAY modülleri tarafından otomatik olarak hesaplanmaktadır.
Girdi parametrelerinin çoklu de˘gerlerine kar¸sılık tüm senaryo
kombinasyonları tek komutla ko¸sturulabilmektedir. Elde edilen çıktıların formatları
mühendislik çalı¸smalarına ve analizlerine uygundur.
IONOLAB-RAY algoritması modülleri ile dalganın ilerleme yolunun yanı sıra
dalganın zayıflaması, zaman gecikmesi, faz hızı, grup hızı ve Faraday dönmesi
parametrelerini hesaplayabilmektedir. Bu parametreler aynı zamanda uzak mesafe
iletişiminde kullanılan kanal modellerine girdi sağlayabilmektedir.
IRI-Plas yazılımına istatistiksel modele dayalı veri beslemesi yapılabilmektedir.
Böylece dalganın izlediği yolun, yeryüzüne ulaştığı konumların ve dalga parametrelerinin
istatistiksel dağılımlarının incelenmesine imkan sağlanmaktadır.
Bu tez kapsamında geliştirilen IONOLAB-RAY algoritması ile dünyanın farklı
konumları için mevsim ve günün saatindeki değişimlere göre dalganın yayılım
yolları incelenmi¸stir. Dalganın kaynaktan yayınlanmasını tanımlayan girdi
parametrelerinin değişimine karşılık elde çıktılar değerlendirilmiştir. İyonküre
modelini veri ile beslemenin etkileri gözlenmi¸stir.
IONOLAB-RAY algoritması literatürde bulunan benzer amaçlarla geliştirildiği
bilinen çalışmalar ile karşılaştırılmış, kullanılan modellerden kaynaklı farklılıklar
göz önünde bulundurularak çıktıların uyumlu olduğu değerlendirilmiştir.
IONOLAB-RAY algoritması ile iyonogram türetilmiş ve ölçüm çıktısı olan iyonogram
ile karşılaştırılmışır. Böylece IONOLAB-RAY literatürde bulunan benzer
amaçlı yazılımlar ve iyonogram ölçümleri üzerinden geçerlenmiştir.

Abstract:
High frequency (HF) electromagnetic wave propagation is important for long
distance communication. In HF, the medium for wave propagation is the ionosphere
layer of the atmosphere. Ionosphere, which is composed of ionized gasses,
is a time varying, inhomogeneous and anisotropic medium. In ionosphere,
it is challenging to solve wave equation problems.
Existing analytical and numerical methods are insufficient which are applied
to solve wave equation in anisotropic an inhomogeneous ionosphere. These
methods can be applied only when some physical properties of ionosphere are
ignored or some approximations on the wave equation are made. The results
obtained with such heavy processing load and long run time methods can not
reflect the physical structure of the ionosphere. In some cases run time gets
longer than the time that the structure of the ionosphere changes, so that the
result can not be valid for the ionosphere which is desired to be modeled.
The performance of long distance communication technology increases, when
the models of ionosphere and wave propagation are close to the reality. So
there is a demand for a new approach arises to model wave propagation through
the ionosphere and represent the physical properties of the ionosphere in this model.
In this thesis, a novel and unique HF wave propagation model is developed.
This model is composed of ray tracing representation of wave and 3 Dimensional
(3D) spherical voxel model of ionosphere. Ray tracing is applied as a geometrical
optics approach. Snell's law is used as a ray tracing technique. The
well known Appleton-Hartree formula is used for calculation of refractive index,
which is a critical parameter of ray tracing with Snells law. Appleton-Hartree
formula represents physical parameters of ionosphere and in the developed
model, all components of the formula are covered.
Wave incident to the ionosphere splits into two waves, which are ordinary and
extraordinary waves, as a result of anisotropic structure of the ionosphere. In
the wave propagation model developed in this thesis, ray tracing is applied for
each of ordinary and extraordinary waves through 3D spherical voxel model of
the ionosphere. 3D spherical voxel structure of represents the inhomogeneous
structure of the ionosphere. Parameters of the ionosphere are calculated for
each voxel for each given time. So that time dependency of ionosphere is also
fulfilled by the model.
The parameters of the ionosphere is calculated using IRI-Plas software tool.
IRI-Plas can be assimilated with data to represent the state of ionosphere
better. IONOLAB-RAY provides Total Electron Content data automatically and
using IRI-Plas, gives the opportunity to assimilate date to the ionosphere model.
IONOLAB-RAY algorithm is developed to implement wave propagation and
ionosphere models generated in this study and to apply on engineering applications.
IONOLAB-RAY is composed of preprocess and mainprocess phases.
For the region of interest and time defined by the user, calculations which
need relatively longer time and proper to do previously are done in preprocess
phase. In mainprocess desired scenarios can be run in the given region
of interest and time. All of the parameters needed in calculation of wave propagation in the ionosphere are calculated automatically by the modules of the
IONOLAB-RAY. Multiple runs can be applied for sets of values of input parameters
with one command and all combinations of the scenarios can be run.
The format of outputs is available for engineering studies and analysis.
IONOLAB-RAY includes modules to calculate wave parameters such as, attenuation,
time delay, phase velocity, group velocity and Faraday rotation. These
parameters can also be inputs of channel models of long distance communication.
Data assimilation to the IONOLAB-RAY based on statistical models is available.
This property enables to examine the statistical variation of wave propagation
paths and arrival positions on Earth.
Wave paths with respect to different locations on Earth, days in year and times
in day are generated using IONOLAB-RAY, which is developed in the scope of
this thesis study. Results depending on the variations in the input parameters
are obtained. The effects of data assimilation into the ionosphere model is
observed. All of the results are examined.
IONOLAB-RAY algorithm is compared with other limited studies in the literature,
which have the same purposes with IONOLAB-RAY, and compatible results
are obtained under the limitations of major differences of the models.
Ionograms are produced using IONOLAB-RAY algorithm and compared with
measured ionograms. So that IONOLAB-RAY is validated over the comparisons
both with simulations and measurements