YKS ağı tabanlı toplam elektron içeriği ve alıcı yanlılığı kestirimi
Estimation of total electron content and receiver bias for a GPS network
Yazar: SİNEM DENİZ YENEN
Danışman: PROF. DR. FEZA ARIKAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İyonküre uydu tabanlı sistemlerde ve KD haberleşmesinde yön bağımlı, dağıtmalı ve düzgün dağılmayan yapısı nedeniyle önemli bir yere sahip olan havaküre tabakasıdır. İyonkürenin yapısı uzay ve zamanda güneş ve jeomanyetik hareketliliklere, sismik ve yerçekimsel etkinliklere bağlı olarak değişim göstermektedir. İyonkürenin uzay ve zamanda gösterdiği değişimler incelenirken kullanılan en önemli parametrelerden biri Toplam Elektron İçeriği (TEİ)'dir. Eğik Toplam Elektron İçeriği (ETEİ), YKS uyduları ve alıcı istasyonlar arasındaki TEİ değerleridir. Bu tez çalışmasında ilk kez Türkiye üzerindeki iyonkürenin uzay ve zamana bağlı değişimleri, bir orta enlem YKS ağı üzerinden ETEİ verisi kullanılarak gözlemlenmiştir. ETEİ değerleri, iyonkürenin orta enlem bölgesinde bulunan Türkiye Ulusal Sabit Ağı GPS (TUSAGA) – Aktif ağı istasyonlarından elde edilen verilere IONOLAB-STEC yöntemi uygulanarak kestirilmiştir. TUSAGA-Aktif YKS Ağı, iyonküredeki değişimlerin gözlemlenirken 2ºx3º enlem ve boylamda 19 alt bölgeye ayrılmıştır. Bölgelerin içerisindeki tüm istasyonlara benzer uzaklıkta olan istasyon referans istasyon olarak seçilmiştir. Bölgelerdeki referans istasyon dışındaki istasyonlar, komşu istasyon olarak tanımlanmaktadır. İyonkürenin uzaya bağlı değişiminin ilk kez ETEİ verisi ile incelenmesi için 2011 yılı boyunca TUSAGA-Aktif YKS Ağı referans ve komşu istasyon ETEİ değerleri ve uyduların izledikleri uydu yoluna bağlı olarak değişim gösteren iyonküre delme noktaları arasındaki ilişki Simetrik Kullback Leibler Mesafesi (SKLD), Metrik Uzaklık (L2N), Çapraz İlinti Katsayısı (ÇİK), Burg Entropi (BE) ve Dual Bit Entropi (DBE) yöntemleri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma yöntemleri sonuçları ile 2011 yılı boyunca tüm mevsimlerde, iyonkürenin sakin ve bozulmalı günlerinde, günün farklı saatlerinde referans istasyon ETEİ değerlerine en benzer değerlere, yönbağımsız bir şekilde genellikle referans istasyona en yakın komşu istasyonun sahip olduğu görülmüştür. İyonkürenin zamana bağlı değişiminin ilk kez ETEİ verisi ile incelenmesi amacıyla 2010-2012 yılları boyunca referans istasyon ve uydu çiftleri arasındaki ETEİ değerlerine Kayan Pencere Analiz (KAPA) yöntemi uygulanarak sakin ve bozulmalı günlerde Geniş Anlamda Durağanlık (GAD) süresi kestirilmiştir. İyonkürenin saat içi değişkenliğinin mevsimsel ve 24 saatlik döngülere bağlı değişimleri gözlemlenmiştir. İyonkürenin sakin günlerinde GAD süresinin 13 dakikaya kadar uzadığı ve bozulmalı günlerinde 3 dakikaya kadar kısaldığı gözlemlenmiştir. 2010-2012 yılları boyunca tüm referans istasyonlar, uydular, mevsimler ve saat aralıkları için kestirililen GAD süreleri incelenerek iyonküre GAD süresi ortanca değeri 11 dk olarak belirlenmiştir. İyonkürenin uzay ve zamana bağlı değişimlerinin incelenmesinden elde edilen sonuçlar kullanılarak YKS ağı üzerinden ETEİ ve alıcı yanlılığı kestirilmesi amacıyla referans istasyon ETEİ değerleri ile ampirik, iklimsel iyonküre modeli ile hesaplanan ETEİ değerleri, komşu istasyon ETEİ değerleri ve referans istasyonun bir gün öncesine ait ETEİ değerleri en küçük kareler yöntemi ile 2011 yılı boyunca, iyonkürenin sakin ve bozulmalı günlerinde ilişkilendirilmiştir. İyonkürenin sakin ve bozulmalı günlerinde referans istasyon ETEİ değerlerine, en küçük kareler yöntemi ile ilişkilendirildiği ETEİ değerlerinden en çok en yakın komşu istasyon ETEİ değerlerinin benzediği gözlemlenmiştir. Referans istasyon için en küçük kareler sonuçları kullanılarak ETEİ ve alıcı yanlılığı kestirimi yapılmış ve kestirilen değerler ile referans istasyon ETEİ değerleri arasındaki fark Simetrik Kullback Leibler Mesafesi (SKLD), Metrik Uzaklık (L2N) ve düzgelenmiş yüzde hata yöntemleri ile hesaplanmıştır. Bu tez çalışması ile elde edilen sonuçlar iyonkürede gerçekleşen bozulmalar nedeniyle oluşan risk ve tehditlerin sezimi, seviyelerinin belirlenmesi amacıyla kullanılacaktır.

Abstract:
Ionosphere is an anisotropic, dispersive and inhomogenous region of atmosphere whose spatio-temporal trends have an important affect on satellite based systems and HF communication. The variability in the temporal and spatial trends of the ionosphere is dependent on solar, geomagnetic, seismic and gravitational activities. Total Electron Content (TEC) is one of the most important parameters in observing the structural variability of the ionosphere. Slant Total Electron Content (STEC) is the total number of electrons on the receiver-satellite link. In this thesis, for the fist time spatio-temporal varying nature of the ionosphere over Turkey is investigated using STEC data. STEC values are obtained by applying IONOLAB-STEC method to recorded data from Turkish National Permanent GPS Network (TNPGN) – Active stations that are located in the midlatitude region of the ionosphere. TNPGN-Active GPS network is partitioned into 19 regions of 2ºx3º latitude and longitude respectively to investigate the ionosphere. For every region, the station that is equal distance to other receivers is chosen as reference station. The other receivers are called as neighbor stations. In order to investigate the space varying structure of the ionosphere for the first time using STEC data for every reference and neighbor station similarity of STEC values and the relation between ionospheric piercing points which is dependent on the satellite track are compared using Symmetric Kullback Leibler Distance (SKLD), Metric Distance (L2N), Cross Correlation (CC), Burg Entropy (BE) and Dual Bit Entropy (DBE). This comparison is implemented throughout 2011 for all seasons, quiet and disturbed days of ionosphere and all hours of the day. It is observed that the closest neighbor station to the reference station has the most similar STEC values compared to reference station STEC values. In order to investigate the time varying structure of the ionosphere for the first time using STEC data, Sliding Window Analysis (SWA) method is applied to STEC values between reference station and satellite pairs to estimate Wide Sense Stationarity (WSS) period. This method is implemented throughout 2010-2012 for all seasons, quiet and disturbed days of the ionosphere and all hours of the day to observe the affects of seasonal, annual and diurnal variations of the ionosphere. It is observed that during quiet days WSS period of ionosphere get as long as 13 minutes and during disturbed days WSS period can get as short as 3 minutes. During 2010-2012 for all reference stations, satellites, seasons and hours of the day median value of the WSS period is found to be 11 minutes.  Spatio-temporal investigation results of the ionosphere are used to estimate STEC data and receiver bias over a midlatitude GPS network during 2011, for quiet and disturbed days. Reference station STEC values are estimated using least squares fit to STEC values calculated from empirical, climatic model of ionosphere, STEC values of the closest neighbor station and reference station STEC values of the day before. It has been observed that STEC values of the closest station are the most similar values to the reference receiver, compared to other STEC values used in least squares fit. For reference stations STEC and receiver bias values are estimated using least squares fit and estimated values are compared with reference station STEC values using Symmetric Kullback Leibler Distance (SKLD), Metric Distance (L2N)  and normalized percentage error methods. In the future studies, the results of this thesis will be used to threat and risk asessment, threat detection and error correction caused by ionospheric disturbances.