Orta enlem iyonküresi için rassal alan modeli geliştirilmesi
Development of random field model for midlatitude ionosphere
Yazar: OZAN KÖROĞLU
Danışman: PROF. DR. FEZA ARIKAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kısa Dalga (KD), uydu haberleşmesi, seyrüsefer ve uzaktan algılama sistemlerinin başarımında iyonküre büyük öneme sahiptir. Güneş etkinliği ve yerküresel etkilere bağlı olarak yön bağımlı, dağıtmalı, uzay zamanda sürekli değişen karmaşık yapıda plazma ortamıdır. İyonkürenin yapısının ve işleyişinin anlaşılması, iyonkürede meydana gelen değişimlerin gözlenmesi ve modellenmesi için gereklidir. Son derece karmaşık bu yapı istatistiksel olarak incelenebilir. İstatistiksel olarak modellendiğinde temel davranışları kestirilebilir. Ayrıca ileriye dönük tahmin ve kestirim yapılması için altyapı sağlanır. İyonkürenin karakterize edilmesi için en temel belirleyici elektron yoğunluğudur. İyonküre için elektron yoğunluğuna bağlı olarak tanımlanan plazma frekansı iyonkürenin karakteristik parametresidir. İyonkürede ilerleyen radyo dalgaları, plazma yapısı nedeni ile iyonküre tarafından soğurma, dağıtma, kutuplanma kaybı, zaman gecikmesi, Faraday Dönmesi ve faz kayması gibi birçok etkiye maruz kalır. Farklı ölçüm yöntemleri ile elde edilen Toplam Elektron İçeriği (TEİ), F2 katmanının kritik frekansı foF2, kritik yüksekliği hmF2 ve katman kalınlığı gibi parametreler iyonküre araştırmalarında kullanılmaktadır. International Reference Ionosphere (IRI) ve IRI modelini temel alan IRI-Plas gibi modeller kabul görmüş iklimsel, ampirik, deterministik fiziksel iyonküre modelleridir. Bunlar iyonkürenin sakin ve değişkenliğinin az olduğu zamanları aylık saatlik ortanca değerler ile gösterebilse de uzay zamanda iyonkürenin davranışının takip edilmesi için yetersizdir. Bu çalışmada iyonkürenin uzay zamanda stokastik modelinin oluşturulabilmesi için yönseme istatistikleri konumda noktasal olarak incelenmiştir. foF2, hmF2, TEİ ve katman kalınlığının geliştirilen IONOLAB-PDF yöntemi ile uzay zamanda yıllık, mevsimlik, aylık ve saatlik OYF kestirimleri yapılmıştır. İyonküre parametrelerinin hem kendi içinde uzay zamanda davranışları hem de birbirleri arasındaki ilişkiler incelenmiştir. İyonküre parametrelerinin aylık saatlik parametrik OYFleri Lognormal ve Weibull olarak bulunmaktadır. Noktasal olarak foF2'nun parametrik ortalama ve standart sapma kestirimleri IRI-Plas modeline girdi olarak sağlandığı durumda anlık foF2 girildiği duruma yaklaşan elektron yoğunluğu profilleri elde edilmiştir. IRI-Plas modeline stokastik yönseme kestirimleri girildiği durumda rassal gerçeklemeler $ \%70 $'i $ 1\sigma $ ve $ \%95 $'i $ 2\sigma $ içinde kalmıştır. IONOLAB-PDF yöntemi ile noktasal olarak elde edilen iyonküre modelleri IRI-Plas modeline girilerek ampirik deterministik model, ampirik stokastik hale gelmektedir. Orta enlemde IRI-Plas modelinin stokastik olarak yakın gerçek zamanda güncellenmesi için literatürde ilk defa yüksek çözünürlüklü foF2 haritaları, geliştirilen IONOLAB-CK yöntemi ile elde edilmiştir. Yöntemin başarımı iyonkürenin yönsemesini yansıtacak şekilde sentetik yüzeyler kullanılarak hata metrikleri üzerinden incelenmiştir. Hata metriklerinde sentetik yüzeyin değişkenliğinin artması nedeniyle ortaya çıkan artış sınırlı kalmıştır. Gerçek gün ve saat örneklerinde de hata metriklerinde ortalama on kat azalma ve çözünürlükte de yaklaşık beş kat artış olmuştur. IONOLAB-CK yöntemi uygulanarak birinci modalite foF2, ikinci modalite TEİ ile birlikte kullanılarak yüksek çözünürlüklü ve hassas bir şekilde kestirilmiştir. Elde edilen kestirim haritaları yardımı ile IRI-Plas modelinin girdilerini yakın gerçek zamanda güncelleyerek IONOLAB-RAY'de KD için en uygun yanca ve yükseliş gönderim açıları, en uygun frekans otomatik olarak sunulabilmektedir. Kaydedilmiş eğik iyonogramlar ile elde edilen ışın izleme yayılım yolu kestirimleri karşılaştırılmıştır. IONOLAB-CK yöntemi ile kestirilen yüksek çözünürlüklü foF2 haritaları kullanılarak girdileri güncellenen IRI-Plas, IONOLAB-RAY arka plan iyonküre modeli olduğunda gerçek eğik iyonogramda gözlenen değerler IONOLAB-RAY ile vericiden alıcıya başarı ile tespit edilmiştir.

Abstract:
The ionosphere has utmost importance on the performance of Short Wave (SW) and satellite communication, satellite-based navigation, and remote sensing systems. It is an anisotropic, dispersive, and inhomogeneous plasma environment in both space and time. The structure and nature of ionosphere must be well understood for modeling and observation. This complex environment can be analyzed statistically. Statistical analysis and modeling give an advantage of understanding basic trend structure and enable prediction of the ionosphere. The most critical parameter which characterizes the ionosphere is electron density. The plasma frequency is the fundamental characteristic parameter, which depends on the electron density as a plasma environment. Propagation of radio waves in the ionosphere suffers several effects: attenuation, dispersion, polarization shift, time delay, Faraday Rotation, and phase delay due to its plasma structure. Total Electron Content (TEC), the critical frequency of F2 layer, foF2, the critical height of F2 layer, hmF2 and ionospheric slab thickness are essential parameters for investigating ionosphere. International Reference Ionosphere (IRI) and IRI-Plas are widely used ionospheric models. Empirical and deterministic models track low variability conditions and calm periods using hourly monthly medians. However, they have not enough performance on the space-time behavior of the ionosphere. In this dissertation, the statistical trend structures of the ionospheric parameters are analyzed using their particular locations. Parametric Probability Density Functions (PDF) are estimated as foF2, hmF2, TEC, and slab thickness for annual, seasonal, monthly, and hourly. The trend behavior of ionospheric parameters is analyzed both space, time, and in-between relations of each parameter using IONOLAB-PDF. Hourly, monthly parametric PDFs are estimated predominantly Weibull and Lognormal. Stochastic electron density profiles are obtained by providing IONOLAB-PDF estimates into the IRI-Plas model as inputs. Therefore, the electron density profiles predicted with IRI-Plas became empirical and stochastic. Statistical realizations of electron density profiles with the update of IONOLAB-PDF are in $ 1\sigma $ for $ \%70 $ and $ 2\sigma $ for $ \%95 $. Besides, high-resolution, regional foF2 maps are estimated in near real-time for updating inputs of the IRI-Plas model for the first time. IONOLAB-CK is a high-resolution interpolation tool based on Kriging methods for ionospheric parameters. The performance of the developed method is investigated using synthetic surfaces by error metrics. The metric error levels remain bounded even the variability of the synthetic surface increases. IONOLAB-CK method improves the interpolation variance five times and increases the interpolation resolution by approximately ten times as compared to Ordinary Kriging. As first modality, spatially sparse sampled foF2 and second modality densely sampled TEC values are used in IONOLAB-CK for good, moderate, and bad ionospheric conditioned example days. High-resolution foF2 maps are obtained using IONOLAB-CK with low interpolation variance. Using high-resolution foF2 and TEC maps, ionospheric slab thickness maps are also obtained for the first time. Obtained high-resolution foF2 maps provide an update for the IRI-Plas model, which is used as a background ionospheric model for the ray tracing algorithm IONOLAB-RAY. Near real-time update provide of IRI-Plas model inputs, and using IONOLAB-RAY; optimum transmission frequency and transmission direction are estimated in both azimuth and elevation for SW communication. The results are compared with oblique ionogram measurements for an oblique transmission experiment between two ionosondes. After providing a high-resolution foF2 update for inputs of IRI-Plas as background ionospheric model, the propagation of both ordinary and extraordinary ray paths successfully estimated.