Kriging ve rassal alan öncülü ile toplam elektron içeriği haritalaması
Total electron content mapping using kriging and random field priors
Yazar: IŞILTAN SAYIN
Danışman: PROF. DR. FEZA ARIKAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; İstatistik = Statistics
Dizin: GPS = Global Positioning System ; Kriging = Kriging ; İyonküre = Ionosphere

Özet:
Haberleşme sistemlerinin başarımlarının iyileştirilmesinde iyonosfer değişkenliğinin gözlenmesi ve tahmini önemlidir. Toplam Elektron İçeriği (TEİ) iyonosferdeki değişkenliği incelemek için kullanılabilecek en önemli parametrelerden biridir. TEİ gözlemleri uzayda ve konumda sayıca sınırlıdır. İyonosferin ölçüm alınamayan yer ve zamanlarda da incelenebilmesi için gürbüz aradeğerleme yöntemlerine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada, konumsal değişkenlerin kestiriminde kullanılan Kriging ve Rassal Alan Öncülü yöntemlerinin başarımları hem sentetik TEİ veriler üzerinde, hem de Yerküresel Konumlama Sistemi (YKS) alıcılarından elde edilen TEİ kestirimleri kullanılarak incelenmiştir. Sentetik TEİ verileri rassal fonksiyonların gerçeklemeleri ile elde edilmiştir. Aradeğerleme başarımları, örnek sayısı, örnekleme düzeni, yüzeyin değişintisi, konumsal bağımlılığı ve yönseme fonksiyonu parametreleri üzerinden karşılaştırılmıştır. Aradeğerleme benzetimlerinin sonucunda, aradeğerlemelerin başarımını etkileyen önemli bir parametrenin yönseme fonksiyonu varsayımı olduğu sonucuna varılmıştır. Doğru yönsemeyi varsayan yöntem daha az hata vermektedir. Düzenli örneklemeler ile yöntemler birbirine yakın sonuçlar vermekteyken rassal örneklemelerde yöntemlerin hata değerleri arasındaki fark artmakta ve doğru yönseme varsayan aradeğerleme yöntemi daha az hata vermektedir. Genel olarak yüzeyin değişkenliği arttıkça ve örnek sayısı azaldıkça aradeğerleme hataları artmaktadır. Az sayıda ve seyrek dağılmış örneklemelerde, sabit yönseme varsayan Kriging yönteminin daha değişken yönseme varsayan yöntemlere göre daha gürbüz olduğu sonucuna ulaşılmıştır. TEİ rassal fonksiyonunun yarıdeğişintisi yeni bir teknik ile kestirilmiştir. Yaklaşık olarak 3000 km'lik bir uzaklıktan sonra konumsal bağımlılığın azaldığı gözlenmiştir. 16 Ekim 2004 günü için Avrupa'daki 39 YKS istasyonundan elde edilen veriler kullanılarak günün belirli saatlerindeki TEİ dağılımının haritaları elde edilmiştir ve sentetik TEİ çalışmalarında elde edilen sonuçlara yakın sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
The performance of communication systems can be improved by investigating and predicting the ionospheric variability. Total Electron Content (TEC) is an important parameter that can be used to investigate the ionospheric variability. Since TEC measurements are sparse both in space and time, it is necessary to have robust methods to interpolate the measurements on a dense grid to investigate the ionosphere. In this study, the performances of two spatial interpolation methods, namely, Kriging and Random Field Priors are investigated by using both the synthetic TEC data and the TEC estimations derived from the Global Positioning System (GPS) observables. The synthetic TEC data is obtained by generating the realizations of a random function. The interpolation performance of the algorithms are compared over the sample number, sampling patterns, and the variance, spatial correlation and trend of the TEC surface. It is observed that the trend assumption of the methods is the predominant source of error, especially for the random sampling patterns. The errors obtained with random sampling, when the surface does not contain the assumed trend, is larger than that of regular samplings. Also, for increasing variance and decreasing range values, usually the errors increase for all methods. With increasing number of samples, interpolation errors decrease. For sparse and clustered samples in synthetic surfaces, Kriging methods that assume higher order trends produce larger errors compared to the methods that assume constant trends. Semivariogram of the TEC values derived from the GPS observables are estimated with a new proxy technique. It is observed that after a distance lag of 3000 km the correlation of the TEC values decreases. For the day 16 October 2004, by using the data of 39 GPS stations in Europe, the TEC maps are obtained in accordance with previous synthetic TEC study results.