Katalog

www.iku.edu.tr BİLİM KÜLTÜR VE EĞİTİM GNSS Sinyallerinin Troposferdeki Gecikmesinden Hareketle Yoğunlaşmaya Hazır Su Buharı Miktarının Tespiti Yrd. Doç. Dr. Ahmet Y. Ürüşan İstanbul Kültür Üniversitesi GEOMER, E5 Karayolu Üzeri, Bakırköy, 34156, İstanbul CBT 1434 14/ 12 Eylül 2014 Radyo sinyallerini yerden havaya, yere paralel ve uzaydan yere yayılan şeklinde çeşitlendirebiliriz. Yerden havaya yayınlanan radyo dalgaları genellikle troposferden geçip iyonosferden yansıtılarak tekrar troposferden geçer ve yeryüzündeki uzak noktalara yayın yapma amacı taşır. Yere paralel yayılan radyo dalgaları bölgesel radyo ve TV yayınlarının yanısıra kara, hava, deniz ulaşımı haberleşmesi ve askeri alanda aktif ve pasif radarlar için kullanılır ve yerin yuvarlaklığı, ışığın yerçekimi ile eğrilmesi (türbülans etkisi) ve troposferik saçılmalardan dolayı 450 km mesafe için yaklaşık 15 km sapma gösterdiği hesaplanır. Radyo dalgalarının yayıldığı yol ve sahip olduğu gücün azalmasında, troposferin içerdiği su miktarı (özellikle yağmur), sıcaklık ve basınç birbirine bağlı parametreler olup radyo dalgasının kırınım, saçılma ve yansımasına bağlı meydana gelen gecikmenin hesaplanması açısından çok önemli rol oynar. Uydularla konum belirlemede yerden 20.200 km yukarıda yörüngelerinde dolaşan GNSS (Global Navigation Satellite System) uydularının yerdeki istasyonlarca algılanmak üzere yayınladığı elektromanyetik sinyallerde değişik sebeplerle bir takım hatalar meydana gelir. Bu hatalar; uydu yörünge, uydu saat, iyonosferik ve troposferik gecikme, kod ve taşıyıcı fazdaki multipath ve alıcı saat hatası şeklinde özetlenebilir. Bunun bir sonucu olarak GNSS sinyallerinde gecikmeler oluşur. Genel olarak uydu saati (± 2 metre) ve uydunun yörünge hataları (± 2.5 metre), güneşten gelen radyasyon sonucunda iyonosferde meydana gelen iyonizasyon (± 5 metre), Troposferde basınç, sıcaklık ve nem (± 0.5 metre), yerde ağaç ve binalardan meydana gelen multipath (± 1 metre), elektromanyetik dalga karıştırıcılar, alıcı istasyonun gürültüsü (± 1 metre) gibi nedenlerden dolayı istasyonun konumu doğru bir şekilde belirlenemez. Bu nedenle, söz konusu hata sebepleri üzerinde yapılan araştırmalar ve elde edilen modeller yerdeki alıcının konum değerlerini olabildiğince iyileştirilebilir. Troposferik Gecikme ve Yağışa Hazır Su Buharı Miktarı İyonosferden geçen L1 (=1575.42 MHz) ve L2 (=1227.60 MHz) frekanslarına sahip GNSS uydu sinyalleri, “bu frekanslarda dağıtıcı olmayan ve böylece çift frekans ölçümlerinde elimine edilemeyen, iyonosferden farklı bir gecikmeye sahip nötral atmosfere girerler” (Zhang J.1999). Nötral atmosfer, atmosferin yerden 50 km yüksekliğe kadar olan bölümüdür ve yerden yukarı sırasıyla troposfer, stratosfer ve mezosfer katmanlarından oluşur. “Nötral atmosfer boyunca radyo sinyallerinin yayılmasındaki gecikme çoğunlukla troposferde oluşur. Bundan dolayı nötral atmosfer GPS uygulamalarında troposfer olarak adlandırılır. Troposferik gecikme kuru (hydrostatic, dry) ve ıslak (wet) şeklinde iki bileşen içerir. Kuru bileşen atmosferdeki kuru hava gazlarına bağlıdır ve gecikmenin %90’ını oluşturur. Islak bileşen ise atmosferin nem içeriğine bağlıdır ve su buharının anlamlı değerlerini içerir. Her ne kadar kuru bileşen gecikmede daha geniş etkiye sahip olsa da, modellerdeki ıslak bileşen hataları daha mekansal ve zamansal olması açısından önemlidir” (Zhang J.1999). Troposfer modellemesi radyo sinyallerinde meydana getirdiği gecikmenin hesaplanmasının yanısıra yoğunlaşmaya hazır su buharı miktarının hesaplanması, istatistiki açıdan meydana gelen anormalliklerin tesbit edilmesi ve deprem tahmininde kullanılması açısından da önemlidir. Benzer şekilde GNSS uydularından yayınlanan ve konum belirlemede kullanılan sinyallerinin troposferden geçerken zenith açısına ve yüksekliğe bağlı olarak ne kadarlık bir saçılmaya uğradığı konusu da önemlidir. Kısmi buhar basıncının enlemlere göre ekvatordan kutuplara değişiklik göstermesi, CORS sisteminin kurulmuş olduğu değişik enlemlerdeki farklı iklim koşullarına sahip ülkelerde, kendi troposferik modellerini oluşturmalarını zorunlu kılmaktadır. Ülkemizde de Mayıs 2009’da hizmete giren CORSTR (Tusaga Aktif) sistemi ile birlikte bu alanda değişik çalışmalar yapılmaya başlamıştır. Troposferik gecikme değeri atmosfer basıncına, kısmi su buharı basıncına ve sıcaklığa bağlıdır. Ek olarak uydu yükseklik açısı ile ters orantılıdır. Genel olarak yükseklik arttıkça basınç düşer, sıcaklık ise ortalama olarak 6.5oC/ km şeklinde değişim gösterir [1]. Uçaklarda yerden 10 km yükseklikte iken ölçülen ortalama 45oC sıcaklık yüksekliğe bağlı bu değişimin bir sonucudur. Gecikme fonksiyonu aşağıdaki şekilde yazılabilir bileşenleri sırasıyla %10%20 ve %80%90 oranlarında katkıda bulunur. Troposferik mesafe hataları, troposferin dağıtıcı olmayan bir ortam olmasından dolayı, çift frekans GPS ölçmeleri için ihmal edilemez. Troposferik gecikme değerleri Saastamonien ve Hopfield gibi modeller kullanılarak tahmin edilebilir. Saastamonien Modeli Saastamonien modeli ? ?10o için geçerli olabilir. Model, istasyon yüksekliği ve enleme bağlı olarak aşağıdaki formülle ifade edilebilir : (19) Burada Z : uydunun zenith uzaklığı veya zenith açısı Z=90o? P : Atmosfer basıncı (mbar) e : Kısmi su buharı basıncı T : Yüzey sıcaklığı (Kelvin) D=0.026cos(2?)+0.00028h (20) ? : lokal enlem h : istasyon yüksekliği (km) dR ve B: Saastamonien modeli için yazılmış düzeltme terimleri tablosundan interpole edilebilir [Zhang, 1999] Uygulama: Örnek bir uygulama olarak, 0120 Nisan 2011 tarihleri için Meteorolojik Radiosonde verileri Saastamonien modeli kullanılarak Troposferik gecikme değerleri hesaplandı (Şekil 1). Aynı tarih aralığı için Türkiye’nin Marmara bölgesinde bulunan 15 CORSTR istasyonu verisi ve orijinal meteorolojik saatlik basınç, sıcaklık ve nem verisi GAMIT programında kullanılarak troposferik gecikmeler araştırıldı. GAMIT programı Saastamonien modeli ve Böhm eşleştirme fonksiyonunu [Johannes Böhm, 2006b] kullanmaktadır. Uygulamada kullanılan CORSTR istasyonları şunlardır; ISTN, IZMT, BALK, BAND, CANA, EDIR, IPSA, SARY, TEKR, YENC, BURS, BILE, SLEE, KIRL, HEND. Yazının devamı gelecek haftaya d Trop = 0.002277 1225 ? ? (1 + D) ?p + ( 5 )e ? B tan 2 Z ?+ dR + 0.0 cos Z T ? ? d trop = d dry mdry (e ) + d wet m wet (e ) (9) dtrop : toplam troposferik gecikme ddry : kuru (hidrostatik) zenith gecikmesi dwet : ıslak zenith gecikmesi mdry and mwet : uydu – alıcı sinyal yolu boyunca “?” un kullanıldığı zenith gecikmesi haritalama fonksiyonu haritalama fonksiyonu Cosecant kanunuyla düz yer ve sabit bir kırılma için aşağıdaki gibi yazılabilir : 1 m(e ) = sin(e ) (10) Şekil 2’de ISTN istasyonunun 20 günlük rinex verisi ile elde edilmiş Troposferin Islak profilinden geçmekte olan uydu sinyalinde meydana gelen gecikmenin yağışa hazır su buharı ile ilişkisi ele alınmıştır. Atmosferdeki yağışa hazır su buharının küçük değişimlerine göre ıslak profilde meydana gelen gecikmenin daha fazla olduğu görülmekte, böylece su buharının gecikme üzerindeki etkisinin oransal büyüklüğü dikkat çekmektedir. Troposferik gecikmeye ıslak ve kuru Şekil 2’de ISTN istasyonunun 20 günlük rinex verisi ile elde edilmiş Troposferin Islak profilinden geçmekte olan uydu sinyalinde meydana gelen gecikmenin yağışa hazır su buharı ile ilişkisi ele alınmıştır. Atmosferdeki yağışa hazır su buharının küçük değişimlerine göre ıslak profilde meydana gelen gecikmenin daha fazla olduğu görülmekte, böylece su buharının gecikme üzerindeki etkisinin oransal büyüklüğü dikkat çekmektedir.