GNSS konum belirlemede troposferik etki hesaplama modelleri üzerine araştırma

Abstract

Uydularla Konum Belirleme Sistemi (GNSS) günümüze kadar geliştirilmiş en yüksek doğruluklu konum belirleme ve navigasyon sistemidir. Ancak her sistemde olduğu gibi GNSS'nin de zayıf yönleri bulunmaktadır. Diğer bir ifadeyle, GNSS ile elde edilen sonuçları etkileyen bir takım rastlantısal ve sistematik sapmalar (bias) söz konusudur. Bu sapmalar (bozucu etkiler), GNSS kullanılan birçok alanda önemli bir sorun oluşturmasa da özellikle yüksek doğruluk isteyen bilimsel amaçlı çalışmalarda çok iyi modellendirilmesi gerekmektedir. Söz konusu bozucu etkiler; uydu sistemine bağlı sapmalar, alıcı sistemine bağlı sapmalar ve ölçü yapılan ortamdan (atmosfer, sinyal yansıma vb.) kaynaklanan etkiler olarak sınıflandırılabilir. Bu ortam etkilerinden birisi de troposferik gecikme etkisidir. Bu etki, iyonosferik gecikme etkisinde olduğu gibi çoklu frekansa sahip alıcılar kullanılarak giderilememekte, ancak bazı algoritma ve modeller ile giderilebilmektedir. Özellikle son yıllarda 10 derece ve daha küçük yükseklik açılarında hesaplama yapılan troposferik model algoritmaları geliştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, GNSS ölçülerini değerlendirme yazılımlarında yaygın olarak kullanılan troposferik modeller incelenmiş, bu modellere ait matematiksel algoritmalar MATLAB (R2020a) platformunda işlenmiştir. Hazırlanan yazılım ile kullanıcı dostu bir arayüz tasarlanmış, çok sayıda hesaplama senaryosu ile kullanıcılara dilediği hesaplamaları yapabilme olanağı sunulmuştur. Tezin sayısal uygulama kısmında 10 Şubat 2020 tarihli 17 adet TUSAGA-Aktif istasyonuna ait veri setleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, yüksek doğruluk gerektiren bilimsel amaçlı çalışmalarda Niell ve VMF modellerinin en uygun sonuçları verdiği, yüksek doğruluk istemeyen (örn. askeri, navigasyon ve tek frekanslı alıcılarla yapılan konum belirleme amaçlı) uygulamalar içinse geleneksel Saastamoinen ve Hopfield modellerinin kullanılmasının yeterli olduğu belirlenmiştir.

Global Navigation Satellite System (GNSS) is the highest accuracy positioning and navigation system ever developed. However, as in every system, GNSS also has some weaknesses. In other words, there are some random errors and biases (systematic effects) that affect the results obtained with GNSS. Although these errors do not cause a significant problem in some GNSS applications, it should be modeled very well, especially in scientific studies that require high accuracy. These biases and errors may be cassified as those originating at the satellites and at the receiver systems and those caused by the measurement environment (signal propagation, multipath, etc.). One of these signal propagation errors is the tropospheric delay effect. This effect cannot be eliminated by using multi-frequency receivers as in the case of the ionospheric delay effect, but it can be eliminated with some algorithms and models. Especially in recent years, tropospheric model algorithms have been developed that provide solutions at elevation angles of 10 degrees and less. Within the scope of this thesis, tropospheric models which are being widely used in GNSS processing softwares, were examined and the mathematical algorithms of these models were adapted on the MATLAB (R2020a) platform. With the written software, a user-friendly interface has been designed, and users are provided with the opportunity to make any calculations they wish with a large number of calculation scenarios. In the numerical application part of the thesis, data sets of 17 TUSAGA-Aktif (CORS-TR) stations dated February 10, 2020 were used. According to the results obtained, it was determined that the Niell and VMF models gave the most appropriate results in scientific studies that require high accuracy, while the use of traditional Saastamoinen and Hopfield models is sufficient for applications that do not require high accuracy (e.g. for military, navigation and positioning purposes with single frequency receivers).