GNSS zaman serilerinin tekil spektrum analizi ile filtrelenmesi
Filtering GNSS time series using singular spectrum analysis
Yazar: MEHMET ALİ UĞUR
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM TİRYAKİOĞLU
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri (Global Navigation Satellite System – GNSS) gibi modern uzay jeodezik sistemleri, dünyanın herhangi bir yerinde konumlandırma ve zaman aktarımını sağlayan radyo navigasyon teknolojisine dayanmaktadır. GNSS dünya yüzeyi ve çevresel dinamiklerini yüksek çözünürlük ve hassasiyetle izlemek ve modellemek için benzersiz bir fırsat sağlamaktadır. 

Sürekli Çalışan Referans İstasyonları (CORS) belirli bir noktada sürekli GNSS ölçümleri gerçekleştiren alıcılardır. Küresel ve bölgesel GNSS ağlarında tesis edilen bu alıcılar, GNSS koordinat zaman serilerinin sürekli ve düzenli olarak elde edilmesine ve konumla ilgili değişikliklerin tespit edilip izlenmesine olanak tanımaktadır. Bu zaman serilerinden istenilen sinyallerin ve bilgilerin alınabilmesi için çeşitli analizler gerekmektedir. Analiz esnasında gelişmiş matematiksel ve istatistiksel teknikler kullanılmaktadır. 

Türkiye'deki TUSAGA-Aktif ağında yer alan istasyonların kurulumlarına 2006 yılında başlanmış ve 2009 yılında tamamlanmıştır. İstasyonların birçoğunda yaklaşık 15 yıllık zaman serileri bulunmaktadır. Zaman serileri görsel olarak incelediğinde deprem etkisi, lineer olamayan trendler, zamanla değişken genliklere sahip periyodik hareketler ve geçici sinyaller gibi birçok karmaşık yapılar gözlemlenmektedir. 

Bu çalışmada, TUSAGA-Aktif ağındaki istasyonlara ait uzun zaman serileri analiz edilmiştir. Zaman serilerini filtrelemek, anlamlı trendleri ve mevsimsel sinyalleri çıkarmak için Robust Kestirimi (RK) ile Tekil Spektrum Analizi (TSA) yöntemleri kullanılmıştır. Gelişmiş yöntemlerin kullanımıyla GNSS zaman serilerinin analizinden elde edilen bilgilerin doğruluğunun ve güvenilirliğinin arttırılması hedeflenmektedir. Çalışmanın amacı, zaman serileri analizi ile istasyonların hareketleri hakkında elde edilecek bilgiler yardımıyla mevsimsel etkileri ve yer hareketlerini anlamak ve tespit etmektir. 

Tez kapsamında Marmara bölgesinde yer alan TUSAGA-Aktif istasyonları zaman serileri iki farklı yöntem ile analiz edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalar sonucunda, RK yönteminde zaman serisine uygun bir lineer trend elde edilirken TSA yönteminde trend eğrisel olarak elde edilmektedir. Yer bilimleri ve özellikle tektonik çalışmalarda lineer trendin kullanılması tercih sebebi olabilir. TSA yönteminin özellikle mevsimsel periyodik salınımların çıkarımında, RK yöntemine göre daha başarılı olduğu görülmektedir. Bunun temel sebebi; RK yöntemi her bir mevsimsel periyod için sabit bir genlik ve frekans değeri kullanırken TSA yönteminde böyle bir kısıtlama yoktur. Son olarak zaman serilerinde geçici (transiyent) sinyallerin olduğu durumlarda, TSA yöntemi daha başarılı sonuçlar vermektedir.

Sonuç olarak, bu tez çalışmasında TUSAGA-Aktif istasyon zaman serilerine RK ve TSA yöntemleri uygulanmıştır. Bu yöntemlerin sonuçları karşılaştırılmış ve farklı durumlardaki performansları hakkında bulgular ve tartışmalar yapılmıştır. Çalışmanın sonuçlarının jeodezik, jeolojik ve jeofizik alanındaki çalışmalara yardımcı olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Modern space geodetic systems, such as Global Navigation Satellite Systems (GNSS), are based on radio navigation technology that provides positioning and time transmission anywhere in the world. GNSS provides a unique opportunity to monitor and model the Earth's surface and environmental dynamics with high resolution and precision.

Continuously Operating Reference Stations (CORS) are the receivers that perform continuous GNSS measurements at a specific point. These receivers, installed in global and regional GNSS networks, allow continuous and regular acquisition of GNSS coordinate time series and detection and monitoring of changes related to location. Advanced mathematical and statistical techniques are used during time series analysis to obtain the desired signals and information from these time series.

The installation of the stations in the CORS-TR network in Türkiye began in 2006 and was completed in 2009. Most of the stations have approximately 15 years of time series. When the time series are visually examined, many complex structures such as earthquake effects, non-linear trends, periodic movements with variable amplitudes over time, and transient signals are observed.

In this study, the time series of stations in CORS-TR network were analyzed. Robust Estimation (RE) and Singular Spectrum Analysis (SSA) methods were used to filter time series. These advanced methods are used to increase the accuracy and reliability of the information obtained from the analysis of GNSS time series. The aim of the study is to understand and detect seasonal effects and ground movements with the help of the information to be obtained from the time series analysis of the stations.
Within the scope of the thesis, the time series of CORS-TR stations located in the Marmara region were analyzed with two different methods and the results were compared. As a result of these comparisons, the trend is obtained as a suitable linear line for the time series in RE method, while the trend is obtained as a non-linear curve in SSA method. The use of linear trend may be preferred in earth sciences and especially tectonic studies. It is seen that the SSA method is more successful than the RK method, especially in the extraction of seasonal periodic oscillations. The main reason for this is that the RE method uses a fixed amplitude and frequency value for each seasonal period, while the SSA method does not have such a restriction. Finally, in cases where there are transient signals in the time series, the SSA method gives more successful results.

In this thesis study, RE and SSA methods were applied to CORS-TR station time series. The results of these methods were compared and findings were obtained and discussions were performed based on their performances in different situations. It can be stated that the results of the study can assist the studies in the fields of geodetic, geological and geophysical.