Kısa dalga (KD) haberleşmesi için doppler kaymasının kestirilmesi
Estimation of doppler shift for high frequency (HF) communications
Yazar: GİZEM ARI ÖZCAN
Danışman: DOÇ. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İyonküre, radyo dalga yayılımı üzerinde büyük bir öneme sahiptir. İçerdiği yüksek
elektron yoğunluğu sayesinde yansıtıcı iyonküre tabakaları oluşturur. İyonküre,
3-30 MHz frekans aralığındaki radyo dalgalarını yansıtarak Kısa Dalga (KD)
haberleşme imkanı sağlar. İyonküre, güneş ışınımı etkisi, jeomanyetik veya
sismik aktiviteler gibi birçok faktörden dolayı zaman ve konumda değişkenlik
gösterir. İyonküredeki değişkenlik, alınan sinyal üzerinde Doppler kaymasına
neden olur. Doppler kayması haberleşme başarımını olumsuz yönde etkiler. Bu
yüzden alınan sinyal üzerindeki Doppler kayması tespit edilmelidir. Doppler
kaymasının ölçülmesinde önde gelen tekniklerden biri iyonosonda cihazlarının
kullanılmasıdır. İyonosonda cihazları, vericiden başucu yönünde gönderilen
sinyalin Doppler kaymasını ölçer. Bu cihazlar pahalıdır ve kurulumları, bakımları
özel önem gerektirir. Ayrıca, iyonosonda ağı dünya çapında uzaysal olarak
yeterli sıklıkta değildir. Bu çalışmada, iyonosonda gibi bir ölçüm cihazı yokken
alınan sinyal üzerindeki Doppler kaymasının kestirilebilmesi için ışın izleme
tabanlı bir teknik önerilmiştir. Bu yüzden iyonkürenin yapısı analiz edilmelidir.
İyonküreyi karakterize eden önemli parametrelerden biri Toplam Elektron İçeriği
(TEİ)'dir. Öncelikle, European Reference Frame (EUREF) ağından elde edilenii
Dikey TEİ (DTEİ) kestirimlerine uzaysal olarak aradeğerleme yapan IONOLAB–
MAP aracı ile 2-Boyutlu TEİ haritaları çıkarılmıştır. İyonküreyi modellemek için,
yaygın olarak kullanılan IRI-Plas modeli kullanılmıştır. TEİ kestirimleri IRI-Plas
modeline girdi olarak verilerek 3-Boyutlu elektron yoğunluğu profili
oluşturulmuştur. Sonunda, ışın izleme tekniği uygulanabilecek gerçeğe yakın
durumdaki elektron yoğunluğu profili elde edilmiştir. Bu profiller 30 saniye kadar
düşük bir periyotla üretilebilir. Art arda gelen iki anlık görüntüyü birlikte işleyerek
ve yansıtıcı iyonküre tabakalarının hareketinin neden olduğu yayılma yollarını
hesaplayarak, Doppler kayması kestirimi yapılmıştır. Önerilen teknik, Pruhonice,
Çek Cumhuriyeti'nde bulunan Digital Portable Sounder (DPS) iyonosonda
cihazından elde edilen Doppler kayması ölçüm sonuçları ile karşılaştırılarak test
edilmiştir.

Abstract:
Ionosphere has a great importance on radio wave propagation. Thanks to the
high electron density it contains, it forms reflective ionosphere layers. Ionosphere
enables High Frequency (HF) Communication by reflecting radio waves in the
frequency range of 3-30 MHz. Ionosphere varies in time and location due to
many factors such as solar radiation effect, geomagnetic or seismic activities.
The variability in the ionosphere causes the Doppler shift on the received signal.
The Doppler frequency shift effects the communication quality, negatively.
Therefore, the Doppler shift on the received signal must be detected. One of the
prominent ways for measuring the Doppler shift is using ionosonde equipments.
Ionosonde equipments measure Doppler shift of a signal transmitted through the
zenith direction from the transmitter. These equipments are expensive and their
installation, maintenance require special attention. Furthermore, the ionosonde
network over the world is not spatially dense enough. In this study, a technique
is proposed to estimate Doppler shift on the received signal based on ray tracing
when there is no measurement equipment like ionosonde. Thus, the structure of
the ionosphere should be analyzed. One of the important parameters thativ
characterize the ionosphere is the Total Electron Content (TEC). First, 2-
Dimensional TEC maps are constructed by using the IONOLAB–MAP tool which
spatially interpolates the Vertical TEC (VTEC) estimates obtained from the
European Reference Frame (EUREF) network. To model the ionosphere, the
widely used IRI-Plas model was used. Next, a 3-Dimensional electron density
profile is generated by inputting inputting the TEC estimates to the IRI-Plas
model. Eventually, a close-to real situation electron density profile is obtained in
which ray tracing can be performed. These profiles can be constructed
periodically with a period as low as 30 seconds. By processing two consequent
snapshots together and calculating the propagation paths caused by motion of
the reflective ionosphere layers, Doppler shift is estimated. The proposed
technique is tested by comparing the results to the Doppler measurements taken
at the Digital Portable Sounder (DPS) ionosonde equipment at Pruhonice, Czech
Republic.