103 - ursi.org.tr

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Türkiye İyonkürede IRI-Plas-STEC ve IONOLAB-STEC Karşılaştırılması
Seymur Shukurov1, Feza Arıkan1, Hakan Tuna2, Orhan Arıkan2, Tamara Gulyaeva3
1
Hacettepe Üniversitesi
Elektronik Mühendisliği Bölümü
Beytepe, Ankara
[email protected], [email protected]
Bilkent Üniversitesi
Elektrik Mühendisliği Bölümü
Yenimahalle, Ankara
[email protected], [email protected]
2
3
Izmiran
Moscow, Russia
[email protected]
Özet: İyonosfer sivil ve askeri kısa dalga (KD) ve uydu haberleşmesi için büyük öneme sahiptir. Depremler,
Güneş patlamaları ve jeo-manyetik fırtınaların bu tabaka üzerinde etkileri gözlenmektedir. İyonküreyi
modellemede öne çıkan model Uluslararası Referans İyonküre (IRI), plazmaküreyi de içine alarak IRI-Plas
(International Reference Ionosphere extending to Plasmasphere) adını almıştır. IONOLAB grubu geliştirmiş
özel yazılımla IONOLAB-STEC değerlerini hesaplaya bilmektedir. Bu çalışmada, Türkiye Ulusal GPS Ağına
(TUSAGA-Aktif) dahil olan istasyonlar için IONOLAB-STEC ve IRI-Plas-STEC değerlerini simetrik KullbackLeibner Mesafesi (SKLD), uzaklık metriği (L2N) ve Çapraz İlinti Katsayısı (ÇİK) yöntemleri kullanılarak
iyonkürenin sakin, şiddetli jeomanyetik fırtınaların ve güçlü depremlerin gözlemlendiği günleri kapsayan üç
dönem için karşılaştırılmıştır.
Abstract: Ionosphere has importance for civilian and military Short Wave (SW) and satellite communications.
Earthquakes, Solar Explosions and jeo-magnetic storms have effects on this layer. Widely accepted model
International Reference Ionosphere (IRI), after including plasmasphere changed into IRI-Plas (International
Reference Ionosphere extending to Plasmasphere). IONOLAB group are able to compute IONOLAB-STEC with
special software. In this study, IONOLAB-STEC and IRI-Plas-STEC are compared using symmetric KullbackLeibner Distance (SKLD), distance metric (L2N) and cross Correlation Coefficient (CC) for quiet, strong
jeomagnetic storm and seismically active periods of ionosphere for the stations of the Turkish National GPS
Network (TNPGN).
1. Giriş
İyonosfer 100 km ve 1000 km arasında yerleşen bir atmosfer katmanıdır. İyonosferin diğer katlmanlardan ayıran
en beligin özelliği güneş radyasyonu tarafından iyonize olmuş gazlardan oluşmasıdır. Bu yüzden bu katmanı
modellemek için kullanılan en önemli parametre elektron yoğunluğudur.
Toplam elektron içeriği (TEİ) verilmiş bir yol üzerinde olan elekton yoğunluğunun çizgi integraline eşittir. TEİ 1
m2 çapı olar silindik yol üzerinde olan toplam serbest elektron miktarına denk geliyor. TEİ birimi TECU’dur ve
1 TECU 1016 elektron/m2’dir. Eğik TEİ (ETEİ) genel olarak yerel zenit dışında olan cizgi üzerindeki toplam
elekton sayısını belirtiyor.
IONOLAB grubu www.ionolab.org sayfasında TEİ hesaplamak için benzersiz bir yöntem sunuyor. IONOLABSTEC özel yazılım kullanılarak IONOLAB-TEC ve IONOLAB-BIAS verilerinden elde edilmiştir. IONOLAB
grubu www.ionolab.org sayfasında IRI-Plas kullanılarak IRI-Plas-STEC hesaplanması hizmeti de sunuyor. Bu
iki yazılım için gerekli tüm bilgiler [2],[3],[4] ve [5]’te verilmiştir.
Bu çalışmada IONOLAB-STEC ve IRI-Plas-STEC simmetrik Kullback-Leibner mesafesi (SKLD), uzaklık
metriği (L2N) ve çapraz ilinti katsayısı (ÇİK) metrikleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. SKLD metriğinin
iyonosferik bozuntuları daha iyi belirlediği gözlenmiştir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
2. IONOLAB-STEC
IONOLAB-STEC çift frekanslı GPS alıcılarından alınan STEC değerlerinin IONOLAB-BIAS kullanılarak
𝑚
kestirilmiş halidir. Bu çalışmada IONOLAB-STEC verileri 𝑋𝑢;𝑑
vektörü ile belirtilmiştir:
𝑚
𝑚 (1) 𝑚 (2)
𝑚
𝑚
𝑋𝑢;𝑑
= [𝑋𝑢;𝑑
𝑋𝑢;𝑑
⋯ 𝑋𝑢;𝑑
(𝑁𝑢;𝑑
)]
𝑇
(1)
𝑚
Bu denklemde 𝑚 uydu numarasını, 𝑢 alıcı istasyon numarasını, 𝑑 günü, 𝑁𝑢;𝑑
ise yükseklik açısı 300 üstünde
olan, verilmiş uydu, alıcı ve gün için örnekleme aralığı 15 dakika olan toplam IONOLAB-STEC verilerinin
sayısını belirtiyor.
3. IRI-Plas-STEC
International Reference Ionosphere Extended to Plasmasphere-2013 (IRI-Plas-2013) IRI modelinin iyonosfer ve
plazmasfer tabakalını da içerdiği geliştirilmiş halidir. IRI-Plas-STEC IRI-Plas-2013 ve IONOLAB grubu
𝑚
tarafından hazılnamış özel yazılım kullanılarak hesaplanmıştır ve 𝑌𝑢;𝑑
vektörü olarak belirtilmiştir:
𝑚
𝑚 (1) 𝑚 (2)
𝑚
𝑚
𝑌𝑢;𝑑
= [𝑌𝑢;𝑑
𝑌𝑢;𝑑
⋯ 𝑌𝑢;𝑑
(𝑁𝑢;𝑑
)]
𝑇
(2)
𝑚
Bu denklemde 𝑚 uydu numarasını, 𝑢 alıcı istasyon numarasını, 𝑑 günü, 𝑁𝑢;𝑑
ise yükseklik açısı 300 üstünde
olan, verilmiş uydu, alıcı ve gün için örnekleme aralığı 15 dakika olan toplam IRI-Plas-STEC verilerinin sayısını
belirtiyor.
4. Karşılaştırma Yöntemleri
Simetrik Kullback-Leibner mesafesi (SKLD) iki olasılık yoğunluk fonksiyonun bir birinden ne kadar farklı
olduğunu belirtiyor. L2 Norm’u (L2N) iki veri arasında olan mesafeyi metrik olarak gösteriyor. Bu iki yöntemde
𝑚
𝑚
𝑋𝑢;𝑑
ve 𝑌𝑢;𝑑
vektörleri önce (3) ve (4) denklemdeki gibi normalize edilmiştir sonra (5) ve (6) denklemleri
kullanılarak SKLD ve L2N değerleri hesaplanmıştır:
−1
Nm
u;d m
𝑚
𝐗𝐧𝑚
𝑢;𝑑 = 𝐗 𝑢;𝑑 (∑n=1 X u;d (n))
(3)
−1
Nm
u;d m
𝑚
𝐘𝐧𝑚
𝑢;𝑑 = 𝐘𝑢;𝑑 (∑n=1 Yu;d (n))
SKLDm
u;d
=
Xnm
Nm
u;d (n)
u;d
∑𝑛=1
Xnm
u;d (n) ln (Ynm (n))
u;d
m
L2Nu;d
=
+
m
√∑Nu;d(Xnm
u;d (n)
n=1
(4)
Ynm
Nm
u;d (n)
u;d
∑𝑛=1
Ynm
u;d (n) ln (Xnm (n))
u;d
2
− Ynm
u;d (n))
(5)
(6)
Çift ilinti katsayısı (CC) hesaplanırken veriler olduğu gibi (7) denklemde kullanılmıştır:
m
CCu;d
=
Nm
1
Nm
u;d 𝐗m 𝐘m
u;d
u;d
u;d
m
∑n=1
(X m
u;d (n) − mX)(Yu;d (n) − mY)
(7)
𝑚
m ise onların
Burda mX ve mY uygun olarak 𝐗𝐧𝑚
ve 𝐘u;d
𝑢;𝑑 ve 𝐘𝐧𝑢;𝑑 vektörlerinin ortalama değerlerdir, 𝐗 m
u;d
standart sapma değerleridir.
5. Sakin Gün Aralığı
IONOLAB-STEC ve IRI-PLAS-STEC karşılaştırılması için 9 tane TUSAGA-Aktif istayonu (sary, ayvl, datc,
sinp, geme, anmu, ardh, mura, hakk) ve üç tane YKS uydusu (9, 18, 28) seçilmiştir. Sakin gün aralığı olarak 14-
Şekil 1: anmu 9.uydu 14 Nisan 2011 STEC verileri
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
16 Nisan 2011 tarihleri belirlendi ve tüm istasyonlar için SKLD, L2N ve CC metrikleri hesaplandı. Şekil 1’de
anmu ve 9. Uydu arasında olan 14 Nisan 2011 günü için IONOLAB-STEC ve IRI-Plas-STEC verileri çizilmiştir:
Tüm 9 istasyon ve 3 uydu için SKDL, L2N ve CC verileri hesaplanmıştır. CC verilerinin 0.85-1, L2N verilerinin
0.05-0.2, SKLD verilerinin ise 0-0.03 arasında değiştiği gözlemlenmiştir. Örnek olarak Şekil 2’de datc
istasyonun CC, L2N ve SKLD grafiklerini verilmiştir:
Şekil 2: datc CC, L2N ve SKLD grafikleri
6. Fırtınalı Gün Aralığı
Fırtınalı gün aralığı olarak 14-28 Ekim 2011 tarikleri seçilmiştir. Aynı istasyon ve uydular için aynı teknikleri
kullanarak CC,L2N ve SKLD grafikleri yeniden hesaplanmıştır. Bu aralıkta şiddeti 7.2 olan Van depremi
olmuştur.
Şekil 3: mura CC,L2N ve SKLD grafikleri
Şekil 3’te mura istasyonu için çizilmiş graikleri göre bilirsiniz. Burdan çıkan en önemli sonuç 16 Ekim tarihinde
fırtına ve ya deprem olmamasına rağmen SKLD verilerinin çok fazla değişmesidir. Aynı şey 23 Ekimden sonrakı
tarihler için de geçerlidir.
10. Sonuçlar
ÇİK çok kuvvetli fırtına göstergesi olarak kullanıla bilir. L2N hem fırtınalı, hem de seismik olarak aktif günlerde
değişmiştir, ama bu değişim boyutu çok fazla olmamıştır. SKLD sakin günlerde 0-0.03 arası değişirken, fırtınalı
günlerde 0-0.06 arası değişmiştir. Sakin ve fırtınalı günleri karşılaştırmak için SKLD iyi bir göstergedir.
Kaynaklar
[1]. www.ionolab.org .
[2]. Arıkan, F., C. B. Erol, and O. Arıkan, Regularized estimation of vertical total electron content from Global
Positioning System data, J. Geophys. Res., 108(A12), 2003.
[3]. Nayır, H., F. Arıkan, O. Arıkan, and C. B. Erol, Total Electron Content estimation with Reg-Est, J. Geophys.
Res., 112, 2007.
[4]. Arıkan, F., H. Nayır, U. Sezen, and O. Arıkan, Estimation of single station interfrequency receiver bias using
GPS-TEC, Radio Sci., 43, 2008.
[5]. Tuna, H., O. Arıkan, F. Arıkan, T.L. Gulyaeva, and U. Sezen, Online user-friendly slant total electron
content computation from IRI-Plas: IRI-Plas-STEC, Space Weather, 12, 2014.