GNSS verilerinden hesaplanan elipsoid yüksekliklerinin atmosferik verilerle iyileştirilmesi
Improving GPS derived elliipsoidal heights using observed meteo data
Yazar: SEYİT ALİ YILMAZ
Danışman: PROF. DR. FERRUH YILDIZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: GPS = Global Positioning System

Özet:
Troposfer atmosferin en alt tabakasıdır. Kalınlığı, ekvatorda yaklaşık 18 km iken 
kutuplara doğru azalarak kalınlığı 8 km'ye kadar düşer. Atmosferin toplam kütlesinin 
%75'ini içermesiyle atmosferin diğer katmanlarına göre en yoğun katmanı olan 
troposfer, nokta konumunun hassas olarak belirlenmesinde oldukça önemli bir hata 
kaynağıdır. Troposfer, atmosferin nötr yani iyonize olmamış katmanı olduğu için GNSS 
sinyallerine olan etkisi iyonosfer tabakasında olduğu gibi GNSS alıcılarında bulunan L1 
ve L2 taşıyıcı dalgalarından oluşturulacak faz kombinasyonları ile giderilememektedir. 
Troposferik gecikme etkisi; sıcaklık, bağıl nem ve basıncın bir fonksiyonu olup, ölçü 
noktasının yüksekliği ile bire bir ilişkilidir.v
Nötr (iyonize olmamış) atmosferin radyo frekanslarında yayınlanan 
elektromanyetik dalgalara olan etkisi troposferik gecikme etkisi (ya da troposferik 
refraksiyon) olarak isimlendirilmektedir (Kahveci 1997). Bu etki elektromanyetik 
dalganın yavaşlamasına ve eğilmesine neden olur. Troposferik gecikme hesabında, 
Saastamoinen ve Hopfield modelleri, zamandan ve gerçek meteorolojik koşullardan 
bağımsız atmosferik parametrelerle birlikte Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri 
(GNSS) gözlemlerinin değerlendirilmesinde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. 
Meteorolojik uygulamalarda ise, atmosferdeki su buharının konumsal ve zamansal 
olarak dağılımının hassas olarak temsil edilmesi oldukça güçtür. Yağışa dönüşebilir su 
buharının (Precipitable Water: PW) sayısal olarak tahmin kalitesi atmosferik nem 
bilgisinin dağılımının doğru olarak belirlenmesine bağlıdır (Glowacki et al. 2006).
Başlangıçta askeri alanda konumlama ve seyrüsefer (navigasyon) amaçlı 
kullanım için tasarlanan Küresel Konumlama Sistemi (GPS), diğer kullanım alanları ile 
birlikte, yüksek zamansal çözünürlüklü PW değerlerinin hesaplanmasında da 
kullanılabilmektedir (Bevis et al. 1992). Ayrıca GNSS ölçümleri yardımıyla hesaplanan 
PW değerlerinin pek çok bilimsel çalışmalarda örneğin meteorolojik amaçlı 
kullanılabileceği görülmüştür.
Bu çalışmada; troposfer tabakasından geçen GNSS sinyallerinin, nokta 
koordinatlarına etkisini görmek için; 2012 ve 2013 yıllarına ait Meteorolojik Sensörlerin 
değişik mevsim şartlarında statik GNSS ölçümleriyle dışarıdan hesaba dahil edilerek 
Yükseklik bileşenine olan iyileştirmesi çalışmaları anlatılmıştır. Bu çalışma daha önce 
Türkiye'de herhangi bir örneği olmayan; denenmemiş; Modelleme yerine anlık 
Meteorolojik ölçümlerin kullanılması bakımından ilktir. Çalışma bölgesinde belirlenen 
10 adet noktada, meteorolojik parametrelerin mevsime bağlı değişimlerini de 
belirleyebilmek veya en azından fikir sahibi olabilmek amaçlarıyla "kış ölçüsü" ve "yaz 
ölçüsü" şeklinde ayrı ayrı GNSS gözlemi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, ölçü noktalarında 
meteorolojik sensör kullanılarak, ölçü süresi boyunca sıcaklık, basınç ve nem bilgileri 
toplanmıştır. Elde edilen veriler farklı troposferik parametreler kullanılarak analiz 
edilmiş ve elde edilen koordinatlardaki değişim miktarları ortaya konulmuştur.
Söz konusu veriler GAMIT/GLOBK yazılımı ile değerlendirilmiştir. 
Kış ve yaz aylarında gerçekleştirilmiş olan GPS ve Meteorolojik verilerin hesap 
analiz çalışmalarının sonucunda; GPS gözlemlerini değerlendirme yazılımları ile elde 
edilen elipsoid yüksekliklerinin doğruluğunun meteorolojik veri kullanılarak 
iyileştirilebileceği görülmüştür.

Abstract:
The troposphere is the lowest layer of the atmosphere. Its thickness is 
approximately 18 km at the equator whereas it decreases 8 km towards the poles. 
Atmosphere which is the most dense of the troposphere by containing 75% of the total
mass compared to the other layers of the atmosphere is a significant error source in 
determining the point location. Since the troposphere is the layer that isn't ionised or vii
called neutral its effect on GNSS signals can't be eliminated by phase combinations 
occured from L1 and L2 carrier waves of GNSS receivers as in ionosphere layer. 
Tropospheric delay effect is a function of temperature, relative humidity and pressure 
and it is related with the height of the measuring point.
The effect of neutral (non-ionized) atmosphere to electromagnetic waves 
transmitted in radio frequency is called tropospheric delay effect (or tropospheric 
refraction ) ( Kahveci, 1997). This effect causes slowing down or a deflection of the 
electromagnetic wave. Saastamoinen and Hopfield models with atmospheric parameters 
independent of time and the actual meteorological conditions are widely used in the 
evaluation of observation of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) in 
Tropospheric delay calculation. In meteorological applications, it is very hard to 
represent the location and time distribution of water vapor in atmosphere. The 
numerical estimation quality of Precipitable Water: PW depends on the correct 
determination of atmospheric humidity dispersion (Glowacki et al. 2006).
Initially, Global Positioning System (GPS) was designed to be used for 
positioning and navigation purposes in the military field. GPS can also be used in 
calculating the high temporal resolution PW values (Bevis et al., 1992). Moreover, the 
PW values calculated by using GNSS measurements can be used in many scientific 
studies like meteorological purpose.
In this study, improvement of the accuracies in ellipsoidal heights derived from 
GPS observations by including measurements of meteorological sensors performed 
simultaneously in the project area during static GPS campaigns carried out in 2012 and 
2013, under different season conditions. To our knowledge, this study hasn't been 
studied before in Turkey. . In this study real meteorological measurements were 
observed and used in the GPS processings and the results were compared with the ones 
obtained from standard atmosphere modelling using mapping functions. GNSS 
observations were performed as "winter measurements" and "summer measurements" 
on 10 previously determined During GPS observations, meteorological data 
(temperature, pressure and humidity) were also collected simultaneously by using 
meteorological sensors at measurement sites. Collected GPS and meteo data were 
evaluated by using different processing and tropospheric parameters. GPS data were 
processed by using GAMIT Software.
During the evaluation and analysis of the processing results it was concluded 
that accuracy of the GPS derived ellipsoidal heights can be improved by using real 
meteorological data if some criteria are fulfilled, namely, sensors should be placed high 
enough (i.e. at least 3 or 4 meters) at measurements sites and sensors must have high 
measurement accuracy and precision