Türkiye üzerinde toplam elektron içeriği (TEİ) için uzay-zaman rassal alan kestirimi
Estimation of space-time random field for total electron content (TEC) over Turkey
Yazar: MUHAMMET NECAT DEVİREN
Danışman: PROF. DR. FEZA ARIKAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İyonküre, sivil ve askeri Kısa Dalga (KD) haberleşmesi, uydu haberleşmesi ve uydu tabanlı seyir, gözlem ve konumlama sistemlerinde çok önemli yere sahip olan bir atmosfer tabakasıdır. İyonküre güneşin etkinliği, jeomanyetik, yerçekimsel ve sismik hareketlilikle değişir. İyonkürenin yapısının anlaşılması, iyonküredeki değişimlerin sürekli gözlemlenmesi ve modellenmesi açısından önemlidir. Bu durum iyonküre uzaktan algılama ve gözlem sistemlerinin sürekli çalışmasını ve bilgi toplanmasını zorunlu kılar. İyonküre katmanının karakteristiğini ifade eden en önemli parametrelerden biri Toplam Elektron İçeriği (TEİ)'dir. İyonkürenin yapısının anlaşılması ve TEİ kestirimi için fazla maliyet gerektirmeyen ve en yaygın yöntem olan Yerküresel Konumlama Sistemi (YKS) işaretleri kullanılır. Bu çalışma kapsamında Türkiye ve Kuzey Kıbrıs Türk Cumhuriyeti (KKTC) üzerine düzgün dağılmış Türkiye Ulusal Sabit GPS Ağı (TUSAGA-Aktif) alıcıları kullanılmıştır. Herbir alıcıdan fiziksel nedenlerden ötürü her an veri alınamadığından, öncelikle uzay-zaman aradeğerleme yöntemi ile eksik veriye sahip istasyonların TEİ değerlerinin kestirilmesi amaçlanmıştır. Daha sonra konumda ve zamanda değişim gösteren iyonküre, bir yönseme fonksiyonu ve bir rassal kalıntı fonksiyonunun toplamı şeklinde yazılarak uzay-zaman rassal fonksiyonu olarak modellenmiştir. Türkiye iyonküre yönseme modelinin parametreleri kestirilerek, Türkiye yönseme modelinin haritaları elde edilmiştir. Çalışmanın devamında elde edilen yönseme değerleri kullanılarak, kalıntı fonksiyonundan teorik Yarı Değişinti Serimi (YDS) hesaplanmıştır. Teorik YDS fonksiyonu kullanılarak Türkiye Krigleme haritaları otomatik olarak çıkarılmış ve güneş merkezli koordinat dönüşümü yapılarak, TEİ kestirimleri Tekil Değer Ayrışımı (TDA) Yöntemi ile incelenmiştir. Sonuç olarak Türkiye ve KKTC üzerinde orta enlem bölgesel bir YKS alıcı ağı ile otomatik, yakın gerçek zamanlı, yüksek zaman ve konum çözünürlüğünde TEİ kestirimlerinin rassal fonksiyon gerçeklemeleri elde edilmiş ve TDA ile bu rassal fonksiyonun incelenmesi yapılmıştır.

Anahtar Kelimeler: İyonküre, Toplam Elektron İçerigi (TEİ), Yerküresel Konumlama
Sistemi (YKS), Yönseme, Yarı Degişinti Serimi (YDS), Krigleme, Tekil Değer Ayrışımı (TDA)

Abstract:
Ionosphere is an important layer of atmosphere for HF and satellite communications, space-based navigation, positioning and guidance systems. Solar, geomagnetic, gravitational and seismic activities cause variations in ionosphere. It is important to understand the structure of ionosphere for modeling and monitoring the variability of the ionosphere. Therefore, the remote sensing and monitoring systems must be operated continuously. Total Electron Content (TEC) is one of the most important parameters that defines the structure of ionosphere. Global Positioning System (GPS), with the network of the world-wide receivers, provides cost-effective solutions in estimating TEC and also, in monitoring the variability of the ionosphere. In this thesis, TEC values, which obtained from Turkish National Permanent GPS Network (TNPGN-Active) CORS which is distributed uniformly over Turkey and North Cyprus Turkish Republic,  are used. Due to various physical or operational disturbances, GPS-TEC can be disrupted for a certain period during the day. Thus, it is an important task to interpolate the missing TEC values with spatio-temporal interpolation method. The geophysical processes can be modeled using random fields due to their variability in space and time. The random field of TEC can be separated into a trend structure and a residual function. Trend parameters of ionosphere are estimated and trend maps are obtained over Turkey. Then, the theoretical semivariogram function is computed from the residual function which is defined as the difference of random field and trend of TEC. The theoretical semivariogram is used in the computation of weights of Kriging equation with the assumption of the linear trend. Universal Kriging maps are obtained automatic with high spatial resolution for any desired time interval and TEC distributions are investigated by Singular Value Decomposition (SVD) in a sun-oriented coordinate system. Consequently, near-real time automatical regional maps of TEC are obtained with high space and time resolution over Turkey and North Cyprus Turkish Republic, and the spatio-temporal behavior of TEC random field is investigated using SVD analysis.

Keywords: Ionosphere, Total Electron Content (TEC), Global Positioning System
(GPS), Trend, Semivariogram, Kriging, Singular Value Decomposition (SVD)