DARBANT VE GENİŞBANT SANAL İYONOSONDA İÇİN SİNYAL İŞLEME TEKNİKLERİ SIGNAL PROCESSING TECHNIQUES FOR NARROWBAND ANDWIDEBAND VIRTUAL IONOSONDE MEHMET KABASAKAL Doç. Dr. Cenk TOKER Tez Danışmanı Hacettepe Üniversitesi Lisansüstü Eğitim - Öğretim ve Sınav Yönetmeliği’nin Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı için Öngördüğü DOKTORA TEZİ olarak hazırlanmıştır. 2018 sevgili eşim Kübra ve canım kızım Ekin’e... ÖZET DARBANT VE GENİŞBANT SANAL İYONOSONDA İÇİN SİNYAL İŞLEME TEKNİKLERİ MEHMET KABASAKAL Doktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Danışmanı: Doç. Dr. Cenk TOKER Haziran 2018, 173 sayfa Uzakmesafelerle haberleşme yapmak için sıklıkla kullanılan bantlardan biri Kısa Dalga (KD) bandıdır. KD bandı frekans aralığındaki (3−30 MHz) radyo dalgalarının, atmos- ferin tabakalarından biri olan iyonosfer tabakasından yansıyarak yeryüzüne ulaşması neticesinde, binlerce km uzaklıktaki iki nokta arasında iletişim gerçekleştirilebilmek- tedir. Bu sebeple, zamana, konuma, güneş aktiviteleri vb. etkilere bağlı olarak değişken özelliklere sahip olan iyonosfer tabakasının iyi karakterize edilmesi önemlidir. Bu amaçla iyonosonda adı verilen cihazlar kullanılmaktadır. İyonosondalar, KD bandında çalışan bir tür radar olarak değerlendirilebilmektedir. İyonosferik katmanların kritik frekansları ve yansıma yükseklikleri arasındaki ilişki kullanılarak, iyonosondalar ta- rafından oluşturulan sinyaller, iyonosfer tabakasına gönderilerek, alınan ve gönderilen sinyal arasındaki zaman farkı üzerinden iyonosferik katman yüksekliklerini hesaplan- maktadır. İyonosonda istasyonlarının kurulumu maliyetlidir ve işletilmeleri belirli bir uzmanlık gerektirmektedir. Bu nedenle, dünya üzerinde belirli bölgelerde yoğunlaşmış, sınırlı sayıda istasyon bulunmaktadır. Dolayısıyla, ölçüm sonucu alınamayan noktalar bulun- maktadır. Bu eksikliği gidermek adına, uydularla gerçekleştirilen tomografik ölçüm yöntemleri ve yer ölçüm noktaları arası aradeğerleme yaklaşımları ile ölçüm alına- mayan noktalar için veri oluşturulmaktadır. Tez çalışmaları kapsamında, bu problem i iyonosonda operasyonu açısından ele alınmış ve iyonosonda operasyonunda gerçekle- şen aşamalar benzetim ortamına aktarılmıştır. Bu amaçla, 3B ışın izleme yöntemi, ITS kanal modeli ve IRI-Plas iyon yoğunluğu kestirim araçları bir araya getirilerek entegre bir şekilde kullanılmıştır. IRI-Plas ile oluşturulan iyon yoğunluğu profilleri, TEİ, hmF2, foF2 verileri ile beslenerek iyileştirilmiş ve oluşturulan iyonosonda benzetim altyapısı, iyonosferik fırtınalı ve sakin günler için gerçek iyonosonda ölçümleri ile karşılaştırıl- mıştır. Sonuçta, oluşturulan benzetim altyapısı, gerçek ölçümlere yakın hmF2 ve foF2 değerleri ile beslenebildiği sürece, hem fırtınalı hem de sakin günlerde, iyonogram şekli, katman yükseklikleri ve en büyük kullanılabilir frekans değerleri anlamında, iyonosonda ölçüm sonuçları ile benzer sonuçların alınabildiği görülmüştür. İyonosondalarla ilgili bir diğer problem, 100 − 600 W mertebelerinde çıkış güçlerine sahip olmaları ve anlık dar bir bantgenişliğinde çalıştıklarından, sonuç oluşturmak için belirli bir frekans bandını taramalarıdır. Yüksek çıkış gücü ile frekans bandının ta- ranması, halihazırda kalabalık bir spektruma sahip olan KD bandı için istenmeyen bir durum oluşturmaktadır. Tez çalışmaları kapsamında, genişbant (1 MHz bantgenişliği) dalgaşekilleri, ITS kanal modeli ve zaman frekans analiz yöntemleri kullanılarak, iyo- nosonda çıktısı olan iyonogram verisinin düşük çıkış gücüyle (20 W) üretilebileceği gösterilmiştir. Bu amaçla, faz kodlu dalgaşekillerinden Barker, PN, Golay, frekans mo- dülasyonlu dalgaşekillerinden Doğrusal Frekans Modülasyonu (DFM), Costas kodlu ve Doğrusal Olmayan Frekans Modülasyonu (DOFM) dalgaşekilleri belirsizlik fonk- siyonları ve iyonogram çıktıları üzerinden karşılaştırılmıştır. İstenilen uzunlukta üre- tilebilmeleri, taradıkları frekans bandı içerisinde düz bir spektrum görüntüsüne sahip olmaları ve frekans değişimlerine olan dayanıklılıkları nedeniyleDFMdalgaşekillerinin kullanılmasına karar verilmiştir. Zaman frekans analiz yöntemleri içinse, Wigner-Ville Dağılımı (WVD),Kısa Süreli FourierDönüşümü (KSFD) veYenidenAtama yöntemleri incelenmiş, yüksek çözünürlük, sinyal ayırt edicilik ve çapraz terim oluşturmamaları nedeniyle Yeniden Atama yöntemi tercih edilmiştir. Yapılan çalışmalarda, mevcut du- rumda kullanılan darbant iyonosonda yöntemi ve önerilen genişbant ölçüm yöntemi benzetim ortamında farklı SNR değerlerinde karşılaştırılmış, düşük SNR seviyelerinde genişbant ölçüm yönteminin daha yüksek başarıma sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca ii her iki yöntem iyonogram oluşturma süreleri açısından karşılaştırılmış, önerilen geniş- bant ölçüm yöntemi ile 20 − 70 ms sürede sonuç üretilebildiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, genişbant ölçüm yöntemi kullanılarak düşük çıkış gücüyle diğer KD bandı kullanıcılarına girişim yaratmadan, yüksek hızlarda sonuç üretilebileceği görülmüştür. Kısa sürelerde alınan iyonogram sonuçlarının, özellikle hızlı değişimlerin gerçekleştiği iyonosferik fırtınalı günlerde kullanılabileceği değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: HF bandı, İyonosfer, İyonosonda, İyonogram, IRI-Plas, Zaman frekans analizi, Kanal Kestirimi iii ABSTRACT SIGNAL PROCESSING TECHNIQUES FOR NARROWBAND ANDWIDEBAND VIRTUAL IONOSONDE MEHMET KABASAKAL Doctor of Philosophy, Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Cenk TOKER June 2018, 173 pages One of the mostly used band for long range communication is High Frequency (HF) band. Radio waves in the HF band range (3 − 30 MHz) are reflected from ionosphere which is one of the layers of atmosphere. So, a communication link can be set between two nodes which are thousands of kilometers away from each other. Hence, it is important to characterize the ionosphere state of which depends on date, time, location, sun activities etc. Ionosondes are used for this purpose. Ionosondes can be considered as HF band radar, so the ionospheric layer heights can be calculated by measuring the time delay between transmitted and received signals through the relation between critical frequencies and reflection heights. The construction of ionosonde stations are costly and requires special expertise. That’s why, there are limited number of stations around the world and they are sparsely distributed. So, there are still some blind zones. To compansate themissing data for blind zones, tomographical methods using satellites and interpolation methods through earth measurement points are utilized. In this thesis, this problem is handled by considering ionosonde operation and the steps of ionosonde operations are realized in simulation environment. Hence, 3D ray tracing, ITS channel model and IRI-Plas estimation tools are integrated together to construct an ionosonde structure. Total Electron Content (TEC), hmF2 and foF2 values are fed into IRI-Plas to improve the electron density iv estimation results. The ionosonde structure results are comparedwith the real ionosonde measurement results for ionospheric stormy and calm days. The results show that, as long as the ionosonde structure is fed by true hmF2, foF2 values, it is possible to take similar results with real ionosonde measurements in terms of ionogram shape, layer heights and maximum usable frequency (MUF) results. Another problem about ionosondes is their high output power (i.e. around 100 − 600 W) and frequency sweep due to their narrow instantaneous bandwidth. Sweeping a large band in HF with relatively high output power is a problem for other HF band users, since it produces interference for other users. So in this thesis, wideband wave- forms (1 MHz bandwidth), ITS channel model and time frequency analysis methods are utilised to costruct ionogram trace with relatively low output power (20 W). For this purpose, Barker, PN and Golay codes are investigated among phase coded waveforms. Linear Frequency Modulation (LFM), Costas coded and Non Linear Frequency Mo- dulation (NLFM) waveforms are investigated among frequency modulated waveforms. All waveforms are evaluated in terms of their ambiguity functions and their effects on ionogram traces. LFM waveforms are selected because of their flat spectral view along their bandwidth, robustness to frequency variations and availability for long duration pulses. Wigner-Viller Distribution (WVD), Short Time Fourier Transform (STFT) and Reassignment methods are investigated for time frequency analysis. As a result, Reas- signment method is selected due to its high resolution, distinction capability and cross term features. In the simulations, the current narrowband ionosonde waveforms and operations are compared with those of the proposed wideband method. The results show that, for low SNR values the proposed method performs better than the current narrowband method. One more comparison is performed for ionogram construction durations and it is concluded that, wideband method is able to construct the ionogram trace in 20− 70 ms. As a result, it is shown that, in order to construct ionogram traces with low output power, without interfering other HF band users and in very short time duration is possible by using the proposed wideband method. This result emphasizes that it can be easily adapted to track sudden changes in the ionosphere, especially for stormy ionospheric days when rapid changes occur. v Keywords: HF band, Ionosphere, Ionosonde, Ionogram, IRI-Plas, Time Frequency Analysis, Channel Estimation vi TEŞEKKÜR Yüksek Lisans ve Doktora süresi boyunca danışman olarak akademik çalışmalarıma destek veren, bu yolda bana rehberlik eden değerli hocam Doç. Dr. Cenk Toker’e teşekkürlerimi sunarım. Tez jürimdeki saygıdeğer hocalarıma görüşleri ve değerli katkıları için teşekkür ederim. Tez çalışmalarında kullandığım araçların geliştirilmesine katkı veren IONOLAB grubu üyelerinden Dr. Esra Erdem ve Muhammet Necat Deviren’e teşekkür ederim. Tez çalışmaları boyunca bana destek veren çalışma arkadaşlarımDr. Serkan Karakütük, Dr. Handan Ağırman, Ufuk Tamer ve Türker Dolapçı’ya, gösterdikleri anlayış için yöneticilerim Ediz Çelik ve Erkan Dora’ya teşekkür ederim. Sevgi ve destekleriyle bana daima güç veren, motivasyonumu yüksek tutmamı sağ- layan, tez çalışmaları boyunca pek çok konuda gösterdikleri olgunluk ve anlayış için annem Zehra Kabasakal ve babam Burhan Kabasakal’a teşekkür ederim. Eğitim haya- tım boyunca hırsı, azmi ve vizyonuyla bana örnek olan sevgili ablam Berrak Aslıtürk’e teşekkür ederim. Her koşulda bana moral ve destek veren, zamanını, enerjisini, neşesini benimle paylaşan sevigili eşim Kübra ve canım kızım Ekin’e teşekkür ederim. Sizler olmasaydınız bu tez yazılamazdı. Bu tez kapsamındaki çalışmalar Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından EEEAG 115E915 projesi kapsamında desteklenmiştir. vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv TEŞEKKÜR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii İÇİNDEKİLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii ŞEKİLLER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi ÇİZELGELER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii SİMGELER VE KISALTMALAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii SÖZLÜK DİZİNİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx 1. GİRİŞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1. Motivasyon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2. Literatürde Yer Alan Çalışmalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3. Tez Çalışmasının Literatüre Katkıları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2. İYONOSFER ÖZELLİKLERİ ve İYONOSONDALAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1. İyonosferin Özellikleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2. İyonosondalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1. İyonosondaların Tarihsel Gelişimi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2. İyonosondaların Çalışma Prensipleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2.1. Darbeli İyonosonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2.2. Frekans Modülasyonlu İyonosonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3. DARBANT İYONOSONDA BENZETİM ORTAMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.1. Giriş . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2. Kullanılan Araçlar ve Yöntemler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.1. ITS Kanal Modeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.1.1. Gecikme Güç Profili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.1.2. Belirlenimci Faz Fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 viii 3.2.1.3. Rasgele Modülasyon Fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.2. IRI-Plas Modeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.3. Üç Boyutlu (3B) Işın İzleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.4. İyonogram Oluşturma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.4.1. Aşama 1: Yol Özelliklerinin Hesaplanması . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.4.2. Aşama 2: Parametre Çıkarımı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.4.3. Aşama 3: Kanal Oluşturma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.4.4. Aşama 4: Analiz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3. Benzetim Çalışmaları ve Yorumlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4. Sonuç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4. GENİŞBANT İYONOSFERİK KANAL KESTİRİMİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1. Giriş . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2. Kullanılan Araçlar ve Yöntemler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.1. Kanal Modeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.2. Geniş Bant İyonosferik Kanal Kestirimi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.2.1. Yaklaşım . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.2.2. Sistem Tanıma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2.2.3. Kanal Kestirim Geometrisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2.2.4. Bağ Bütçe Analizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.2.3. Dalgaşekli İncelemeleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.3.1. Faz Kodlu Dalga Şekilleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.3.2. Frekans Modülasyonlu Dalga Şekilleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.2.3.3. Genişbant İyonosferik Kanal Kestirimi için Dalga Şeklinin Belirlenmesi118 4.2.4. Zaman Frekans Analiz Yöntemleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.2.4.1. Wigner-Ville Dağılımı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.2.4.2. Kısa Süreli Fourier Dönüşümü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.2.4.3. Yeniden Atama Yöntemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 ix 4.3. Benzetim Çalışmaları ve Yorumlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.4. Sonuç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5. SONUÇ ve GELECEK ÇALIŞMALAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 KAYNAKLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 EK-1: ITS KANAL MODELİ GECİKME GÜÇ PROFİLİ HESABI . . . . . . . . . . . 172 ÖZGEÇMİŞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 x ŞEKİLLER Sayfa Şekil 1.1. Üç hücreli frekans modülasyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Şekil 2.1. Gündüz saatlerinde tipik olarak iyonosfer elektron yoğunluğunu dağılımı [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Şekil 2.2. Snell Yasası’na göre ışının kırılımı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Şekil 2.3. Dikey ve eğik iyonosonda kullanım geometrileri . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Şekil 2.4. Ölçüm sonucunda elde edilmiş örnek bir dikey iyonogram sonucu [2] 19 Şekil 2.5. Ölçüm sonucunda elde edilmiş örnek bir eğik iyonogram sonucu [3] 21 Şekil 2.6. Eğik iyonosonda ve tipik dikey iyonogram sonucu . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Şekil 2.7. Digisonde iyonosondasının zamanla fiziksel değişimi . . . . . . . . . . . . . 23 Şekil 2.8. Wuhan iyonosondasının zamanla fiziksel değişimi . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Şekil 2.9. Katman yükseklikleri ve darbeli iyonosonda parametreleri ile ilişkisi 24 Şekil 2.10. Darbeli iyonosonda dalgaşekli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Şekil 2.11. Frekans modülasyonlu iyonosonda dalgaşekli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Şekil 3.1. Güç Gecikme Profili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Şekil 3.2. ITS kanal modeli için kullanılan yapı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Şekil 3.3. İyonosondalar ile üç noktadan alınan ölçümler kullanılarak veri düzlemlerinin oluşturulması . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Şekil 3.4. 7 MHz frekans ve 30◦, 35◦, 40◦ yükseliş açılarındaki bir ışın için sıradan ve sıradışı dalgaların iyonosferde izlediği yollar . . . . . . . . . . . 42 Şekil 3.5. İyonogram oluşturma akış diagramı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Şekil 3.6. Alıcı verici arasında ışının izlediği yolun geometrik gösterimi . . . . . . 48 Şekil 3.7. Zaman gecikmesi ve frekans arasındaki ilişki. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Şekil 3.8. Alıcı işletim karakteristiği eğrileri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Şekil 3.9. Uyumlu filtre çıkışı (genlik değeri en yüksek tepe değerine göre normalize edilmiştir) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Şekil 3.10. Uyumlu filtre çıkışındaki tepe noktalar ve eşik değerin üzerinde kalan noktalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 xi Şekil 3.11. Güney Afrika’da yer alan iyonosonda istasyonları yıldız ile gösterilmektedir. Siyah daire içerisindeki istasyonlara ait veriler bu çalışma kapsamında kullanılmıştır. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Şekil 3.12. Avrupa’da yer alan iyonosonda istasyonları yıldız ile gösterilmektedir. Siyah daire içerisindeki istasyonlara ait veriler bu çalışma kapsamında kullanılmıştır. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Şekil 3.13. 16 Mart 2015 16:00 UT tarih ve saatinde Güney Afrika bölgesi için yapılan benzetim sonuçları. Verici Lousvile (LV), alıcı Hermanus (HE) istasyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Şekil 3.14. 17 Mart 2015 16:00 UT tarih ve saatinde Güney Afrika bölgesi için yapılan benzetim sonuçları. Verici Lousvile (LV), alıcı Hermanus (HE) istasyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Şekil 3.15. 18 Mart 2015 16:00 UT tarih ve saatinde Güney Afrika bölgesi için yapılan benzetim sonuçları. Verici Lousvile (LV), alıcı Hermanus (HE) istasyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Şekil 3.16. 16 Mart 2015 05:00 UT tarih ve saatinde Avrupa bölgesi için yapılan benzetim sonuçları. Verici Ebro (EB), alıcı Pruhonice (PQ) istasyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Şekil 3.17. 17 Mart 2015 05:00 UT tarih ve saatinde Avrupa bölgesi için yapılan benzetim sonuçları. Verici Ebro (EB), alıcı Pruhonice (PQ) istasyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Şekil 3.18. 18 Mart 2015 05:00 UT tarih ve saatinde Avrupa bölgesi için yapılan benzetim sonuçları. Verici Ebro (EB), alıcı Pruhonice (PQ) istasyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Şekil 3.19. 17 Mart 2015 11:00 UT tarih ve saatinde Avrupa bölgesi için yapılan benzetim sonuçları. Verici Juliusruh (JR), alıcı Pruhonice (PQ) istasyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Şekil 4.1. Geniş bant KD kanal transfer fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Şekil 4.2. Taylor serisi açılımı ile doğrusal parçalara ayırma . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Şekil 4.3. İyonosferik kanal kestirimi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Şekil 4.4. ISAR hedef menzil profili oluşturma yaklaşımı [4] . . . . . . . . . . . . . . . 79 xii Şekil 4.5. 15 Nisan 2008 00:00 UT tarihinde Millstone Hill istasyonundan alınan iyonogram görüntüsü [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Şekil 4.6. Zaman frekans analizi ile sistem tanıma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Şekil 4.7. 0 dB SNR durumda 50− 450 Hz bandını tarayan cıvıltı sinyalinin zaman (üst) ve frekans (alt) görüntüsü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Şekil 4.8. 0 dB SNR durumdaki doğrulsal cıvıltı sinyalinin zaman frekans düzlemindeki görüntüsü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Şekil 4.9. Zaman frekans düzleminde oluşturulan maske . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Şekil 4.10. Maskeleme işlemi sonrasında elde edilen sinyalin zaman frekans düzlemi görüntüsü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Şekil 4.11. Maskeleme işlemi sonrasında elde edilen sinyalin zaman alanı (üst) ve frekans alanı (alt) görüntüsü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Şekil 4.12. İyonosferik kanal kestirimi geometrisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Şekil 4.13. Alıcı işletim karakteristiği eğrileri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Şekil 4.14. İdeal belirsizlik fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Şekil 4.15. Barker-13 kodu için özilinti fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Şekil 4.16. Tc = 1 µs, N = 13 Barker kodlu sinyal için belirsizlik fonksiyonu . . 102 Şekil 4.17. PN-15 kodu için özilinti fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Şekil 4.18. Tc = 1 µs, N = 15 PN kodlu sinyal için belirsizlik fonksiyonu . . . . . 104 Şekil 4.19. PN-15 kodu için periyodik özilinti fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Şekil 4.20. Golay-8 kod çifti için özilinti fonksiyonları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Şekil 4.21. Golay-8 kod çifti için toplam özilinti fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Şekil 4.22. Doppler değişiminin Golay kodu özilinti fonksiyonu üzerindeki etkisi107 Şekil 4.23. Tc = 1 µs,N = 16 Golay kodlu sinyal çifti için belirsizlik fonksiyonu108 Şekil 4.24. Doğrusal frekans modülasyonlu dalgaşekli için özilinti fonksiyonu . . 109 Şekil 4.25. Tp = 16 µs, B = 1 MHz doğrusal frekans modülasyonu için belirsizlik fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Şekil 4.26. Doğrusal frekans modülasyonu ve Costas frekans kodunun zaman frekans düzleminde gösterimi [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 xiii Şekil 4.27. Doğrusal frekans modülasyonu ve Costas frekans kodunun zaman frekans düzleminde gösterimi [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Şekil 4.28. Costas frekans kodlu dalgaşekli için özilinti fonksiyonu . . . . . . . . . . . 114 Şekil 4.29. Tp = 20 µs, B = 1 MHz,M = 5 Costas frekans kodlu sinyal için belirsizlik fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Şekil 4.30. Doğrusal olmayan frekans modülasyonlu dalgaşekli için anlık frekansın zamana göre değişimi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Şekil 4.31. Doğrusal olmayan frekans modülasyonlu dalgaşekli için özilinti fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Şekil 4.32. Tp = 16 µs, B = 1 MHz, doğrusal olmayan frekans modülasyonlu sinyal için belirsizlik fonksiyonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Şekil 4.33. Farklı pencere fonksiyonlarına ait spektrum görüntüleri . . . . . . . . . . . 120 Şekil 4.34. Farklı BTp değerleri için DFM dalga şekline ait spektrum görüntüleri121 Şekil 4.35. Farklı Tc veM değerleri için Costas frekans kodlu dalga şekline ait spektrum görüntüleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Şekil 4.36. Farklı BL ve BN değerleri için DOFM dalga şekline ait spektrum görüntüleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Şekil 4.37. Tc = 40 µs, Barker-13 kodu için belirsizlik fonksiyonu τ = 0 kesiti . 124 Şekil 4.38. Tipik bir güç yükselteci için giriş-çıkış gücü karakteristiği . . . . . . . . . 125 Şekil 4.39. BT = 500 için DFM dalga şekline ait özilinti fonksiyonu . . . . . . . . . 127 Şekil 4.40. DFM dalgaşekli için WVD sonucu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Şekil 4.41. DOFM dalgaşekli için WVD sonucu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Şekil 4.42. DFM dalgaşekli için spektrogram sonucu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Şekil 4.43. DOFM dalgaşekli için spektrogram sonucu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Şekil 4.44. DFM dalgaşekli için yeniden atama analiz sonucu . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Şekil 4.45. DOFM dalgaşekli için yeniden atama analiz sonucu . . . . . . . . . . . . . . 134 xiv Şekil 4.46. Barker-13 dizisi ile (a) Spektrogram, (b) Yeniden Atanmış Spektrogram, (c) WVD yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçlar. M-Dizisi-511 ile (d) Spektrogram, (e) Yeniden Atanmış Spektrogram, (f) WVD yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçlar. Golay-512 dizi çifti ile (g) Spektrogram, (h) Yeniden Atanmış Spektrogram, (i) WVD yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçlar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Şekil 4.47. DFM dalgaşekli ile (a) Spektrogram, (b) Yeniden Atanmış Spektrogram, (c) WVD yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçlar. Costas kodlu dalgaşekli ile (d) Spektrogram, (e) Yeniden Atanmış Spektrogram, (f) WVD yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçlar. DOFM dalgaşekli ile (g) Spektrogram, (h) Yeniden Atanmış Spektrogram, (i) WVD yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçlar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Şekil 4.48. Yüksek Doppler kayması altında, Golay-512 dizisi ve (a) yeniden atama yöntemi, (b) WVD yöntemi kullanılarak elde edilen sonuç. Yüksek Doppler kayması altında, DFM dalgaşekli ve (c) yeniden atama yöntemi, (d) WVD yöntemi kullanılarak elde edilen sonuç. Girişim sinyali ve yüksek Doppler kayması altında, Golay-512 dizisi ve (e) yeniden atama yöntemi, (f) WVD yöntemi kullanılarak elde edilen sonuç. Girişim sinyali ve yüksek Doppler kayması altında, DFM dalgaşekli ve (g) yeniden atama yöntemi, (h) WVD yöntemi kullanılarak elde edilen sonuç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Şekil 4.49. Darbant iyosonoda ve GBİKK yöntemlerinin benzetim ortamında karşılaştırılması . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Şekil 4.50. Düşük SNR seviyeleri için oluşturulan AİK eğrileri . . . . . . . . . . . . . . 146 Şekil 4.51. Düşük SNR seviyelerinde darbant ve genişbant yöntemler kullanılarak elde edilen sonuçların karşılaştırılması . . . . . . . . . . . . . . . 148 Şekil 4.52. 08 Ocak 2017 23:30 UT tarihinde Pruhonice istasyonundan alınan dikey iyonosonda ölçümü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Şekil 4.53. 08 Ocak 2017 23:30 UT tarihinde Pruhonice istasyonu için genişbant iyonosferik kanal kestirimi ile elde edilen sonuç . . . . . . . . . 151 Şekil 4.54. Gecikme yayılması στ = 0 µs iken aralarında 2 km mesafe bulunan katmanlara ait sonuç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 xv Şekil 4.55. Gecikme yayılması στ = 10 µs iken aralarında 2 km mesafe bulunan katmanlara ait sonuç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Şekil 4.56. 01 Nisan 1996 19:34 UT tarihinde Millstone Hill istasyonundan alınan dikey iyonosonda ölçümü. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Şekil 4.57. 01 Nisan 1996 19:34 UT tarihinde Millstone Hill istasyon ölçümü için genişbant iyonosferik kanal kestirimi ile elde edilen sonuç . . . . . 154 xvi ÇİZELGELER Sayfa Çizelge 2.1. Dikey iyonogram ile elde edilen kritik frekans ve katman yükseklik bilgileri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Çizelge 3.1. Yol özellikleri hesabı için kullanılan girdi parametreleri listesi . . . 45 Çizelge 3.2. Güney Afrika ve Avrupa için benzetim yapılan istasyon koordinatları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Çizelge 4.1. Eşitlik 4.5’te geçen ifadeler ve açıklamaları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Çizelge 4.2. KD bandındaki gürültü kaynakları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Çizelge 4.3. İyonosferik kayıp değerleri [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Çizelge 4.4. İkili faz Barker kodları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Çizelge 4.5. Dalga şekillerine ait Crest faktörü değerleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Çizelge 4.6. Zaman frekans analiz yöntemleri karşılaştırma . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Çizelge 4.7. Kullanılan dalgaşekilleri ve parametreleri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Çizelge 4.8. Klasik darbant iyonosonda ve genişbant iyonosferik kanal kestirim yöntemleri için iyonogram oluşturma süreleri . . . . . . . . . . 156 xvii SİMGELER VE KISALTMALAR ADC Analog Digital Converter AİK Alıcı İşletim Karakteristiği AR Auto Regressive ARMA Auto Regressive Moving Average BPSK Binary Phase Shift Keying CF Crest Faktörü CORS Continuosly Operating Reference Station DFM Doğrusal Frekans Modülasyonu DOFM Doğrusal Olmayan Frekans Modülasyonu DPS Digital Portable Sounder DSTO Defense Science and Technology Organization FMCW Frequency Modulated Continuous Wave FPGA Field Programmable Gate Array FFT Fast Fourier Transform GBİKK Geniş Bant İyonosferik Kanal Kestirimi GIM Global Ionospheric Map GPS Global Positioning System HF High Frequency IGS Internation GNSS Service IRI International Reference Ionosphere ISAR Inverse Synthetic Aperture Radar ITS Institute for Telecomunication Science ITU International Telecommunication Union KSFD Kısa Süreli Fourier Dönüşümü LPI Low Probabilty of Intercept xviii MA Moving Average MUF Maxmum Usable Frequency PGH Precision Group Height PN Pseudo Noise PPM Parts Per Million RFIM Radio Frequency Interference Mitigation RKA Radar Kesit Alanı SNR Signal to Noise Ratio SNR Signal to Noise Ratio SSN Sun Spot Number TEİ Toplam Elektron İçeriği TID Travelling Ionospheric Disturbance TYH Tepe Yan Hüzme UT Universal Time WGS World Geodetic System WVD Wigner Ville Dağılımı xix SÖZLÜK DİZİNİ İkili Sözde Rasgele Yayılım Sondalama Cıvıltı Tamamlayıcı Hassas Grup Yüksekliği Döngü Darbe Sıkıştırma Eşevreli Toplama Darbeler Arası Darbe İçi Gezen İyonosferik Bozulma Ters Sentetik Açıklıklı Radar Menzil Yakalanma Olasılığı Düşük Dalgaşekli Eşleşme Yeniden Atama En büyük Kullanılabilir Frekans Yayılı İzge Yüklü Parçacık Çarpışma Frekansı Vuru Belirlenimci Rasgele Bağ Yayılma : Binary : Pseudo Random : Dispersion : Probing : Chirp : Complementary : Precision Group Height : Duty Cycle : Pulse Compression : Coherent Integration : Interpulse : Intrapulse : Travelling Ionospheric Disturbance : Inverse Synthetic Aperture Radar : Range : Low Probability of Intercept : Waveform : Coupling : Reassignment : Maximum Usable Frequency : Spread Spectrum : Photon : Collision Frequency : Beat : Deterministic : Stochastic : Link : Spread xx Kayma Verici Alıcı Uyumlu Yazmaç : Shift : Transmitter : Receiver : Macthed : Register xxi 1. GİRİŞ Günümüzde uzak mesafe ile haberleşme amacıyla kullanılan yöntemlerden biri kısa dalga (KD) haberleşmedir. KD bandındaki sinyaller atmosferin üst tabakalarından biri olan iyonosferden kırılma ve yansıma mekanizması ile uzak mesafelere erişebilirler. İyonosfer, farklı yüksekliklerde farklı yoğunluğa sahip iyonlaşmış gazlardan oluşur. İyon yoğunluğundaki bu farklılık, KD bandında yer alan ve iyonosfere ulaşan radyo dalgalarının farklı yükseklik ve açılardan yansıyarak yeryüzüne ulaşmasına neden olur. Bu etki nedeniyle iyonosferik KD kanalı, standart kablosuz bir iletişim kanalına kıyasla farklı problemleri içerisinde barındırmaktadır. 1960’lı yıllara kadar yoğun olarak kullanılan KD haberleşme, uydu teknolojilerinin gelişmesi ile ikinci plana atılmıştır. Uyduların kurulum ve bakım maliyetlerinin yük- sekliğine rağmen uzak mesafelerde yüksek hızlarda iletişime imkan tanımaları, KD sistemlerine olan ilgiyi azaltmıştır. Bu nedenle KD sistemler uzak mesafe haberleşme için ikincil sistem olarak kullanılmışlardır. Ancak son yıllarda KD bandı çalışmaları yeniden araştırmacıların ilgisini çekmeye başlamıştır. Uydu teknolojilerinin geliştirme maliyetleri, her ülkenin bu teknoloji alt yapısına sahip olmaması, savaş zamanlarında uyduların tehditlere açık konumda olması bu ilginin artmasındaki başlıca etkenlerdir. Araştırmacılar bu amaçla KD kanal yapısını, bu kanalda kullanılabilecek genişbantlı yüksek veri hızına sahip iletişim tekniklerini, iyonosfer tabakasının özelliklerini detaylı olarak incelemektedir. İyonosfer araştırmaları kapsamında yapılan çalışmalar içerisinde coğrafi lokasyona, tarihe, saate bağlı olarak iyonosfer özelliklerini kestiren yazılımlar, uydu sistemlerini kullanarak yapılan tomografik iyonosfer görüntülemeleri, yüksek güçlü ufuk ötesi ra- darlar ile yapılan alt ve üst iyonosfer ölçümleri sayılabilmektedir. Bunun haricinde, yeryüzünde çeşitli lokasyonlara konumlandırılmış olan ve kısa zaman dilimleri içeri- sinde iyonosfer tabakasından detaylı ölçüm toplayabilen iyonosondalar için de geliş- tirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu cihazlar temel olarak istenilen bölge üzerindeki iyon yoğunluğunu bulmak için kullanılırlar. İyonosondalar, KD radar ve KD radyo gibi iyonosfer kanalını kullanan sistemler için destek amaçlı kullanımlarının yanında 1 plazma fizikçilerinin ilgi alanına giren iyonosferdeki farklı iyon yoğunluğuna sahip yapıların, güneş patlamaları, dünyanın manyetik alanı vb. dış etkenler ile değişimini incelemek amacıyla da kullanılmaktadırlar. Bu tez kapsamında, iyonosonda ölçümlerinin oluşturulması ve ölçüm yönteminde yapı- labilecek iyileştirmeler üzerinde durulmuştur. Halihazırda bu amaçla kullanılabilecek bir iyonosonda donanımı bulunmadığından, öncelikle mevcut iyonosonda operasyonu benzetim ortamında yeniden oluşturulmuştur. Darbant İyonosonda Benzetim Ortamı başlığı verilen Bölüm 3’te, gerçek bir iyonosonda ölçümünü meydana getiren aşama- lar; ışın izleme, iyon yoğunluğu kestirimi ve KD kanal modeli araçlarının bir arada entegre bir şekilde kullanılması ile benzetim ortamına aktarılmıştır. Oluşturulan ben- zetim ortamı kullanılarak elde edilen sonuçlar, gerçek iyonosonda ölçümleri ile farklı iyonosferik koşullar altında karşılaştırılmış ve benzetim ortamının doğrulanması sağ- lanmıştır. Aynı zamanda bu çalışmalar, mevcut iyonosonda operasyonunda iyileştirme yapılabilecek noktaların tespit edilmesini sağlamıştır. Bu nedenle bir sonraki aşamada, yüksekliğe bağlı iyon yoğunluğu bulma problemi, farklı bir yaklaşımla ele alınmış ve Bölüm 4’te Genişbant İyonosferik Kanal Kestirimi başlığı altında incelenmiştir. Buna göre, iyonosondaların temel çıktısı olan iyonogram verisinin, zaman frekans analizi ile kanal kestirimi yapılarak, daha düşük güç ve daha kısa sürede oluşturulabildiği görülmüştür. Ayrıca önerilen yöntemle, iyonosferik koşullara bağlı olarak daha yük- sek menzil çözünürlüğüne sahip sonuçlar elde edilebileceği gösterilmiştir. Bölüm 3 ve 4’te yapılan çalışmaların detaylarının daha iyi anlaşılması için iyonosfer özellikleri ve iyonosondalar ile ilgili bilgiler Bölüm 2’de verilmiştir. Tez kapsamında yapılan çalış- malardan elde edilen sonuçlar ve yapılması planlanan gelecek çalışmaları Bölüm 5’te yer almaktadır. 1.1 Motivasyon Konum, tarih ve saat, mevsim, güneş faaliyetleri gibi pek çok parametreye bağlı olarak değişiklik gösteren iyonosfer tabakası hakkında bilgi toplamak için sıklıkla kullanılan araçlardan birisi iyonosondadır. İyonosonda istasyonlarının kurulumu maliyetlidir ve işletilmeleri belirli bir uzmanlık gerektirmektedir. Bu nedenle, dünya üzerinde belirli 2 bölgelere toplanmış, sınırlı sayıda istasyon bulunmaktadır. Dolayısıyla bazı noktalar için ölçüm toplanamamaktadır. Bu zaafiyeti gidermek üzere, uzaydan tomografik öl- çüm yöntemleri ve yer ölçüm noktaları arası aradeğerleme yaklaşımları ile iyonosonda ölçümü alınamayan noktalar için veri oluşturulmaya çalışılmaktadır. Tez kapsamında yapılan çalışmalarda, benzer problem iyonosonda operasyonu açısından ele alınmış ve iyonosonda operasyonunda gerçekleşen aşamalar benzetim ortamına aktarılarak, dünya üzerindeki herhangi iki nokta arasında iyonosonda ölçümüne benzer ölçümleri oluştu- rabilen bir yazılım altyapısı geliştirilmiştir. Bu çalışmalara ait detaylar Bölüm 3’te yer almaktadır. İyonosonda istasyonları dünya üzerinde kurulu oldukları birçok noktadan günün her saatinde belirli aralıklarla ölçüm almaktadır. Dolayısıyla sürekli aktif olarak çalıştıkları varsayılabilmektedir. İyonosondaların çalıştıkları KD bandında, iyonosferin özelliğin- den dolayı yapılan yayın yansıyarak pek çok noktaya ulaşmaktadır. Bu nedenle, iyo- nosonda operasyonlarının belirli kriterler içerisinde düzenlenmesinin önemli olduğu düşünülmektedir. Günümüzde kullanılan iyonosondalar için bu tür bir kriter bulun- madığından, günün herhangi bir saatinde yapılan KD spektrum izlemesinde, aktif bir iyonosonda yayınına rastlanabilmektedir. Bu amaçla tez kapsamında yapılan çalışma- larda, hem iyonosonda ölçümlerinin sağlıklı bir şekilde alınması hem de bu esnada diğer KD spektrum kullanıcılarının mümkün olduğunca az etkilenmesini sağlayacak yöntemler üzerinde durulmuştur. Yapılan çalışmalara ait detaylar Bölüm 4’te yer al- maktadır. 1.2 Literatürde Yer Alan Çalışmalar İyonosondaların tarihsel gelişimleri incelendiğinde, darbeli iyonosondalar ile ilgili ilk ciddi sinyal işleme çalışması 1964 yılında Coll ve Storey tarafından yapılmıştır [7]. Araştırmacılar klasik darbeli iyonosonda üzerinde darbe içi çipler kullanarak çıkış tepe gücünün düşürülebildiğini göstermişlerdir. Çalışmada tek darbe kullanan 100 kW çıkış gücüne sahip bir iyonosonda yerine, 17 çip uzunluğuna sahip bir ikili dizi ve 1 kW çıkış gücü ile iyonosferik katman yüksekliklerinin belirlenebildiği gösterilmiştir. 3 Fenwick ve Barry, 1965 yılında benzer bir amaçla o güne kadar kullanılan darbeli iyo- nonsondaların çıkış güçlerini düşürmek için, frekans modülasyonlu iyonosonda prensi- bini kullanmayı önermişlerdir [8]. Çalışmalarında iyonosonda için frekans modülasyon sinyallerini kullanmışlar ve çıkış gücünü 25 − 250 W mertebelerine düşürmüşlerdir. Bu yapıda darbant girişim sinyallerinin klasik darbeli iyonsondaya göre performansı daha az etkilediği görülmüştür. Ancak iyonosondada kullandıkları frekans modülasyon sinyallerini uygun şekilde algılayabilmek için alıcı ve vericinin birbirinden ayrık olması gereksinimi olduğu ortaya çıkmıştır. Bu durum özellikle dikey ölçümler için problem yaratmaktadır. Wright çalışmasında darbeli iyonosonda prensibinden yararlanmış 0 − 50 MHz ara- sında 0.01 Hz frekans çözünürlüğünde darbeler üretebilen tasarımını anlatmıştır [9]. Dynasonde ismi verilen iyonosondanın o dönemde kullanılan iyonosondalardan farkı, bilgisayarla programlanabilen bir frekans örüntüsü ile KD bandını tarayabilmesidir. Ci- haz klasik darbeli radar prensibi ile çalışmaktadır ve 30 kW çıkış tepe gücüne sahiptir. 1971 yılında yaptığı çalışmada Barry, dikey iyonosondalar için kullanılabilecek bir FMCW sinyal yapısı önermiştir. Buna göre iyonosfere gönderilen FMCW sinyalde darbeli iyonosondadakine benzer aktif ve pasif olma süreleri eklenmiştir [10]. Sinyal periyodunun yarısında aktif kalıp kalan yarıda da dinlemeye geçmektedir. Bu şekilde aynı lokasyona yerleştirilmiş alıcı ve verici anten birbirinden etkilenmemektedir. Ancak bu durumda dinleme anlarında sinyal üretilmemesi nedeniyle alıcıya ulaşan sinyal gücü daha düşük olmaktadır. Buna rağmen denemeler sırasında 8 W’lık çıkış tepe gücü ile iyi sonuçlar alınabilmiştir. Barrick, FMCW radarlar üzerine yaptığı çalışmada dechirping kavramını ortaya çı- karmıştır. Buna göre göndericiden çıkan FMCW sinyal alıcıya geldiğinde gönderilen sinyalin zaman geciktirilmiş haliyle çarpılıp düşük geçiren filtre ile filtrelenmekte- dir [11]. Böylece alınan sinyal içerisinde hedefe ait menzil ve Doppler bilgilerinin bulunduğu bir dalgaşekli elde edilmektedir. Barrick günümüzde vuru frekansı adı veri- len kavram üzerinde durmuş ve vuru frekansı ile menzil ve Doppler frekansı arasındaki ilişkileri açıklamıştır. Gerçekleştirdiği çalışmalarda FFT yapısını kullanarak gerçek za- 4 manlı sonuçlar elde etmiştir. Barrick’in bu çalışması sonrasında frekans modülasyonlu iyonosondalar için de benzer yaklaşımlar ile alıcı tasarımları geliştirme çalışmaları yapılmıştır. Bibl ve Reinisch, darbeli sinyalleşme tekniğini kullanan ve iyonosfer ile ilgili pek çok veriyi aynı anda üretebilen bir iyonosonda geliştirmişlerdir [12]. Digital Ionosonde ismini verdikleri iyonosonda ile menzil, genlik, faz, Doppler kayması, geliş açısı ve dalga polarizasyonu ölçümlerini yapmışlardır. Klasik darbe radar prensibi ile çalışan iyonosondada ionogram ve drift olmak üzere iki temel mod bulunmaktadır. Ionogram modunda yüksek menzil çözünürlüğü (5 km) elde edilirken drift modunda yüksek Doppler (0.1 Hz) çözünürlüğü elde edilmektedir. Çalışmada Fourier dönüşümü ile eşevreli spektral toplama işlemi gerçekleştirilmiştir. Doppler frekansının sabit olmadığı durumlarda bu yöntemden yararlanılarak alıcıda yüksek SNR elde edilmiştir. Poole, alıcı ve vericinin aynı lokasyonda olduğu frekans modülasyonlu iyonosondalar için sözde rasgele çipleri kullanarak yayın yapma ve dinleme bölgeleri oluşturan bir alıcı mimarisi üzerinde durmuştur [13]. Buna göre oluşturulan sinyal gönderilmeden önce vericide 1 ve 0 lardan oluşan darbe dizisi g(t) ile çarpılırken alıcıdaki referans sinyali 1− g(t) dizine göre anahtarlanarak aktif ve pasif bölgelerin kesişmesi engellenmiştir. Poole’nin çalışması üzerine Shearman, FMCWsinyallerde kullanılan yapay rasgele çip- lerin sinyal spektrumunda yarattığı etkileri incelemiştir [14]. Çalışmada bu sinyallerin klasik FMCW sinyallerine kıyasla spektrumu genişlettiği ve yan bantlardaki sinyal- lerden gelen karışmalara daha açık olduğu sonucuna varılmıştır. Bunun üzerine yapay rasgele çipler belirli bir ağırlık fonksiyonu ile çarpılarak sinyalin spektrumda kapla- dığı alan kısıtlanmıştır. Bu şekilde sinyalin yan bantlarda yer alan darbant sinyallere karışması engellenmiştir. Skaug ise makalesinde yüksek yayılıma sahip KD kanalı için yayılı izge sinyallerde kullanılabilecek bantgenişliğini bulmayı amaçlamıştır [15]. Çalışmada BPSK modü- leli sinyaller ile 64 uzunluğunda çip dizisi kullanılmıştır. Modem tarafından üretilen sinyal KD kanalından geçtikten sonra uyumlu filtre çıkışları incelenmiştir. 64 bitlik 5 çiplerden oluşan sinyallerin uyumlu filtre çıkışında temiz bir tepe noktası oluşturması beklenmiştir. Arkaya arkaya gönderilen sinyaller arasında oluşan farklı bir tepe noktası ise çok yollu yayılım etkisi olarak nitelendirilmiştir. Belirli periyotlarda gönderilen sinyaller 2.5, 10, 40, 80 ve 160 kHz alıcı bantgenişliklerinde incelenmiş ve genişle- tilmiş spektrumlu sinyaller için en uygun bantgenişliğinin 80 kHz olduğu sonucuna varılmıştır. Wagner ve Goldstein da çalışmalarında 1 MHz bantgenişliğine sahip bir KD kanalının yayılım karakteristiğini ortaya koymuşlardır. Deneysel düzenek olarak kodlu-darbeli iyonosonda kullanmış ve sondalama yöntemi ile zaman düzleminde 1 µs çözünür- lüğündeki veriler üzerinden grup gecikmesi, alınan sinyalin genliği, fazı ve gecikme yayılımını hesaplamışlardır [16]. Çalışma sonucunda KD kanalında kullanılabilecek anlık bantgenişliğinin, iyonogramdaki gecikme karakteristiğinin eğimine ve kanalın genişbant darbede yarattığı yayılıma bağlı olduğu tespit edilmiştir. Poole yaptığı çalışmada, FMCW (frekans modülasyonlu sürekli dalga) sinyal tekniğini kullanan iyonosondalar için Şekil 1.1’de gösterilen üç hücre yapısını önermiştir [17]. Bu yapıda tarama süresi T en uzak mesafeden gelen yansıma sinyaline, hücreler arası faz farkı ise çözümlenecek Doppler – menzil belirsizliğine göre seçilmektedir. Geliştirilen sinyal yapısında ilk iki frekans tarama bölümünün başlangıç ve bitiş frekansları aynı iken son bölümündeki tarama paterni ∆f farkla üretilmektedir. ∆f çözümlenecek en yüksek Doppler frekansına göre seçilmektedir. Şekil 1.1. Üç hücreli frekans modülasyonu 6 Salous, FMCW sinyallerini kullanan iyonosondalara olan ilginin artması üzerine fre- kans modülasyonlu dalgaşekillerinin sayısal olarak nasıl üretilebileceğini anlatan bir çalışma yapmıştır [18]. Salous öncelikle sinyal üretme tekniklerini sınıflandırmış ve sayısal yöntemleri ayrıntılandırmıştır. Buna göre frekans sentezleme yönteminde kul- lanılan frekans basamaklarının oluşan cıvıltı sinyalinin spektrumunda yan bantlar ya- rattığı temel bantta üretilen cıvıltı sinyallerinin ise daha kontrol edilebilir bir spektrum yaratma imkanı verdiği gözlenmiştir. Lubdborg ve Lundgren, cıvıltı sinyalleri kullanılarak oluşturulmuş eğik iyonogram verileri üzerinde durmuşlardır [19]. Araştırmacılar, grup zaman gecikmesi eğrisinin eğimi ile iyonosferden yansıyan cıvıltı sinyalinin bantgenişliği arasındaki ilişkiyi bir formülasyona bağlamışlardır. Ayrıca buldukları formülasyonu sakin iyonosfer koşul- larında alınmış veriler üzerinde deneyerek, ölçüm verileri ile formül sonucunda elde edilen verilerin birbirine yakın olduğunu göstermişlerdir. Salous, Lubdborg ve Lundgren’nin çalışmasına benzer bir çalışma yapmıştır. O güne kadar yapılan çalışmalarda iyonogram verileri üzerinden bantgenişliği hesabı ancak ka- nal bantgenişliğinin gönderilen sinyalin bantgenişliğinden büyük olduğu durumlarda geçerlidir. Salous makalesinde bu yaklaşımı cıvıltı sinyalinin zaman-bantgenişliği çar- pımı ile ilişkilendirerek daha genel bir formülasyon üzerinde durmuştur. Geliştirilen formülasyon gerçek veriler üzerinde denenerek doğrulanmıştır [20]. Haines, doktora çalışmasında iyonosfer ile ilgili verilerin uzaktan algılanmasına yönelik olarak darbe radar prensibi ile çalışan iyonosondanın çıkış gücünü düşürmeyi ve fonk- siyonel özelliklerini arttırmayı amaçlamıştır. Çalışmada eşevreli darbe sıkıştırma ve toplama, darbeler arası faz kodlama, sayısal hüzme şekillendirme, basamaklı frekans atlama ile menzil çözünürlüğünü arttırma, süper çözünürlüklü geliş açısı hesaplama gibi sinyal işleme teknikleri uygulanmıştır. Ayrıca farklı darbe sıkıştırma yöntemleri dikey ve eğik iyonsondalar için incelenmiş; tamamlayıcı kodların dikey, m-kodların ise eğik iyonosondalar için daha uygun olduğu sonucuna varılmıştır [21]. Reinisch, çalışmasında Massachusetts Üniversitesi, Lowell tarafından 1993 yılında ge- 7 liştirilen Digisonde-DPS isimli iyonosondanın KD radar uygulamalarında kullanılabi- leceğini göstermiştir. Çalışmanın dikkat çeken noktası Hassas Grup Yüksekliği (HGY) adı verilen ve darbe genişliğinin ötesinde birmenzil çözünürlüğü elde etmeyi amaçlayan yöntemden bahsedilmesidir. Bu yöntemde komşu iki frekansta yer alan (5 kHz aralıklı) ve iyonosfere gönderilen darbelerin içerisindeki sinyalin faz değişimleri kullanılarak daha hassas menzil bilgisinin elde edilebileceği gösterilmiştir [22]. Ancak bu yöntemde farklı frekansta iyonosfere gönderilen sinyallerin aynı düzlemden yansıdığı varsayımı yapılmıştır. Salous, tek antenli monostatik iyonosonda uygulamalarında kullanılan FMCW teknik- leri için geliştirilmiş anahtarlama dizileri üzerinde durmuştur. O zamana kadar bu konu ile ilgili yapılan çalışmalarda anahtarlama dizilerinin yan etkileri olan menzil belir- sizliğinin artması ve göndericideki ve alıcıdaki ortalama gücün düşmesi gibi etkiler için önlemler alınmıştır. Ancak anahtarlama dizilerinin sinyal spektrumunda yarattığı genişleme etkisi ve bu etki nedeniyle yan bantlardaki sinyaller ile olan girişim yete- rince çalışılmamıştır. Salous makalesinde bu konuya yer vermiş ve farklı anahtarlama dizileri için kullanılabilecek farklı spektrum ağırlıklandırma fonksiyonları önermiştir. Anahtarlama dizileri için m-dizileri, Barry dizileri, %23 döngü dalga dizileri ve 20 bit Salous-Nattour dizileri kullanılmıştır. Buna göre yapılan çalışmalarda −60 dBW’den fazla gürültü tabanı olan sistemler için Hamming pencere fonksiyonunun kullanılması, daha düşük gürültü tabanına sahip sistemler için ise Von Hann pencere fonksiyonunun kullanılmasının uygun olduğu sonucuna varılmıştır [23]. Zuccheretti ve arkadaşları, çalışmalarında düşük güçlü, küçük boyutlara sahip ve hafif bir iyonosonda tasarlamayı amaçlamışlardır. Bu yüzden geliştirdikleri iyonosondada darbe sıkıştırma ve eşevreli toplama gibi modern darbe radar tekniklerini kullanmışlar- dır. Darbe sıkıştırma işlemi için 16 bitlik tamamlayıcı faz kodunu kullanmışlar ve çıkış gücünü 250 W, menzil çözünürlüğünü ise 5 km mertebelerine getirmişlerdir. Çalışma- cılar darbe sıkıştırma ve eşevreli toplama işlemleri sonrasında 25 dB işlem kazancı elde etmişlerdir [24]. Bibl, KD bandında en az gürültü kadar etkin olan darbantlı girişim sinyallerinin etkisini 8 gidermek için önerdiği yöntem ile patent almıştır [25]. Patentinde girişim sinyalinin frekansının tam olarak nasıl kestirildiğinden bahsetmiştir. Bibl sayısal olarak oluştu- rulan spektrum verisinin çözünürlüğünün eşevreli toplama süresi ile ilişkili olduğunu söylemiş ve ara değerlerde oluşması muhtemel girişim sinyallerinin tam frekans kesti- rimi için bir yöntem önermiştir. Girişim sinyalinin frekansı kestirildikten sonra zaman ekseninde sinyalin tekrar oluşturulması için tek satırlı Fourier dönüşümü işlemi gerçek- leştirilmektedir. Sonuçta elde edilen sinyal, alınan sinyalden eş evreli olarak çıkarılarak girişim sinyalinin etkisi azaltılmaktadır. Çalışmada, algılanmak istenen sinyalden 40 dB yüksek değere sahip bir girişim sinyali olduğu durumda dahi, girişim sinyalinin etkin bir şekilde bastırıldığı gösterilmiştir. Reinisch, Galkin, Khmyrov ve arkadaşları, gelişen sayısal teknoloji ile birlikte tamamen sayısal almaç mimarisine dayanan DPS-4D ismini verdikleri bir iyonosonda geliştir- mişlerdir. İyonosonda 160 MHz saat hızında çalışan bir analog-sayısal dönüştürücü ile bütün bir KD bandını hiçbir analog çevrim olmaksızın sayısallaştırabilmektedir. Bu sayede geliştirilen iyonosonda ağırlık ve hacim olarak büyük bir avantaja sahiptir. İyonosondanın RF katında takipçi bant geçirgen filtreler kullanılmıştır. Bu filtrele- rin amacı yüksek girişim sinyal ortamına sahip KD bandındaki karışım sinyallerinin analog sayısal dönüştürücüyü satüre etmesini engellemektir. Böylece asıl algılanmak istenen düşük güçlü yansıma sinyalinin uygun şekilde sayısallaştırılması sağlanmaktır. Geliştirilen iyonosondada ayrıca Bibl tarafından 2005 yılında patenti alınan RF girişim önleme algoritması uygulanarak karışım sinyallerinin varlığında yüksek SNR değerle- rinin elde edilmesi sağlanmıştır. İyonosondalarda yüksek SNR değerine sahip yansıma sinyallerinin olması, iyonogramların hızlı elde edilmesini sağlamaktadır. Çünkü belli bir frekansta sağlıklı iyonogram verisini oluşturmak için alıcı o frekansta kalarak yete- rince fazla örnek toplamaya çalışmaktadır. DPS-4D eşevreli darbe sıkıştırma ve toplama işlemlerinin yanı sıra, yüksek çözünürlüklü Doppler kestirimi, geliş açısı kestirimi, yük- sek çözünürlüklü menzil kestirimi gibi birçok sinyal işleme tekniğini içeren oldukça gelişmiş yeni nesil bir iyonosonda olarak ön plana çıkmaktadır [26]. Landreth, Davis ve Robison, yaptıkları patent çalışmasında ultra düşük güçlü iyono- 9 sonda ismini verdikleri iyonosondanın çalışma prensibi ile ilgili detayları açıklamışlar- dır. Sistem temelde bir frekans modülasyonlu iyonosondadır. Ancak klasik iyonosonda- lardan farklı olarak hem alıcı hem de gönderici kısımları sürekli olarak aktiftir. Bilindiği gibi dikey iyonosondalarda alıcı ve gönderici antenler birbirlerine yakın konumda bu- lunmak durumundadır. Bu yapıda göndericinin alıcıyı satüre etmemesi gerekmektedir. Ancak algılanmak istenen yansıma sinyalinin belirli bir SNR değerinde olması için çıkış gücü yeterince yüksek olmalıdır. Araştırmacılar bu problemi çözmek için alıcıyı satüre etmeyen en yüksek güçteki çıkış gücünü esas almışlar ve iyonosfere göndermiş- lerdir. Alıcı tarafında çok düşük olarak algılanan yansıma sinyali uzun süreli eşevreli toplama işlemi sonrasında istenen SNR değerine getirilmektedir. Klasik frekans modü- lasyonlu iyonosondalardaki gibi sadece alıcının veya sadece göndericinin aktif olduğu süreler olmadığı için eşevreli toplama süresi belli limitler içerisinde istenildiği kadar uzatılabilir. Bu limitler iyonosfer tabakasındaki yansıma yüzeyinin hareketinden kay- naklanan Doppler frekansına ve alıcıdaki osilatörün faz gürültüsüne bağlıdır. Alıcıya ulaşan yüksek güçlü gönderici sinyali kendisi ile aynı frekansta salınan bir osilatör ile çarpılarak sıfır frekansına indirilip filtrelenmektedir. Böylece alıcı tarafında yalnızca belli bir yükseklikteki iyonosfer tabakasından yansıyan ve yansıdığı yüksekliğe bağlı olarak frekansı değişmiş eko sinyali elde edilmektedir. Çalışmada 100 mW çıkış gücü ile elde edilen iyonogram sonuçları paylaşılmıştır [27]. Shun, Ziwei, Feng ve Guangyou, çalışmalarında darbe sıkıştırma ve eşevreli toplama işlemlerinin yanında KD bandındaki sinyallerin yüksek hızlı ADC ile direk sayısal çevrimini ve yüksek karışım sinyali durumlarında değişken merkezli bant geçirgen filtre yapılarını içeren bir iyonosonda tasarımı gerçekleştirmişlerdir. Reinisch’in DPS- 4Dmimarisine çok benzeyen bu iyonosondada sayısal alt çevrim işlemleri analog bir çip yerine ADC örneklemesi sonrasında yer alan FPGA entegresinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ayrıca darbe sıkıştırma işlemi için farklı kodlar incelenmiş ve 13 bit Barker kod ile 22 dB, 16 bit tamamlayıcı kod ile 35 dB işlem kazancı sağlandığı gösterilmiştir [28]. Barnes, Earl ve arkadaşları, gelişen sayısal sinyal sentezleme teknolojisinden yararla- 10 narak, KD bandında farklı frekanslarda oluşturdukları çok sayıda darbantlı frekans mo- dülasyonlu sinyali kullanarak iyonogram sonucu elde edebildiklerini göstermişlerdir. Araştırmacılar, önerdikleri yöntemi kullanarak 10 W çıkış gücü ile alıcı-verici arasında 1610 km bulunan iki nokta arasına eğik iyonogram sonucu oluşturmuşlardır [29]. Yao, Chen, Zhao, Wang ve Bai, yaptıkları çalışmada geliştirdikleri iyonosondanın çıkış gücünü düşürmek için darbe sıkıştırma yöntemlerinden faydalanmışlardır [30]. An- cak çalışmanın dikkat çeken yanı klasik iyonosondalarda kullanılan darbe sıkıştırma yöntemlerinden farklı olarak darbeler arası ve darbe içi kodlama yapılarının kullanıl- masıdır. Çalışmada darbe içi kodlama için 13 bit Barker ve 8 bit tamamlayıcı kodları, darbeler arası kodlama için ise 15 bit m-kodları ve 12 bit Wolfman-Goutelard kodları kullanılmıştır. Araştırmacıların sinyal yapılarını bu şekilde iki grupta toplamalarının nedeni, çalışmada kullanılan kodlama türlerinin özilinti fonksiyonlarının özellikleridir. Özilinti fonksiyonlarında aranan özellik tepe-yan hüzme (TYH) oranının yüksek olma- sıdır. Barker ve tamamlayıcı kodların aperiyodik özilinti fonksiyonlarının TYH oranları yüksektir. Benzer şekilde m-kodlarının ve Wolfman-Goutelard (WG) kodlarının da pe- riyodik özilinti fonksiyonlarının TYH oranları yüksektir. Bu nedenle her iki grupta yer alan kodlama türlerinin özelliklerinden en doğru şekilde yararlanmak adına darbe içi ve darbeler arası kodlama yapıları kullanılmıştır. Çalışmada TYH oranı açısından iyi periyodik özilinti özelliğine sahip m-kodları ve WG kodlarının faz hatalarına duyarlı oldukları, çok yol bileşenleri nedeniyle oluşan faz hatalarının sinyalin özilinti özelliğini bozarak menzil çözünürlüğünü etkilediği görülmüştür. Bu nedenle bu dalgaşekillerinin uzak mesafede ve düşük menzil çözünürlüğü gerektiren durumlarda daha kullanışlı olacağı değerlendirilmiştir. Bu özellik eğik iyonosondaları işaret etmektedir. Bunun tersi olarak Barker ve tamamlayıcı kodların da düşük darbe sıkıştırma kazancına sahip olduğu ancak çok yol bileşenlerine daha az duyarlı oldukları görülmüştür. Bu nedenle bu dalgaşeklinin dikey iyosondalar için uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Çalışmada kullanılan iyonosonda dikey modda 100 W çıkış tepe gücü ile eğik modda ise 200 W çıkış tepe gücü ile kullanılmıştır. Yukarıdaki başlıklarda yer alan çalışmalar, farklı dalgaşekilleri, spektrum tarama yön- 11 temleri, alıcı donanım mimarileri ve sinyal işleme teknikleri kullanarak, iyonosonda operasyonunu ve ölçüm sonuçlarını iyileştirmeye yönelik faaliyetleri içermektedir. An- cak bu faaliyetlerin gerçekleştirilmesi ve doğrulanabilmesi için ya gerçek bir iyono- sonda donanımına sahip olunması ya da gerçekçi bir benzetim ortamının geliştirilmesi gerekmektedir. Bu tez kapsamında, mevcut iyonosonda operasyonuna ait aşamalar ben- zetim ortamında gerçeklenmiş ve ölçüm sonuçları ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ayrıca literatürde yer alan güncel çalışmalar, 100−600 Wgibi yüksek çıkış güçlerinde ve 25− 150 kHz/s mertebelerindeki düşük tarama hızlarında çalışan iyonosondalardan bahsetmektedir. Pek çok kullanıcı tarafından ortak olarak kullanılanKD spektrumunun, belirtilen güç ve tarama hızlarında, günün bütün saatlerinde işgal edilmesi, kullanıcılar açısından girişim problemi yaratmaktadır. Ayrıca düşük tarama hızı, anlık değişimlerin yaşandığı iyonosferik koşullarda, anlamlı sonuçların alınamamasına neden olmakta- dır. Bu amaçla tez kapsamında yapılan çalışmalarda, düşük çıkış gücü ile hızlı sonuç oluşturmak için kullanılabilen bir yöntem önerilmiş ve iyonosonda ölçüm sonuçları ile karşılaştırılarak yöntemin geçerliliği doğrulanmıştır. 1.3 Tez Çalışmasının Literatüre Katkıları Tez kapsamında yapılan çalışmalar "Darbant İyononosonda Benzetim Ortamı" ve "Ge- nişbant İyonosferik Kanal Kestirimi" başlıkları altında toplanmaktadır. Her bir grupta yapılan çalışma için, literatüre katkı verdiği değerlendirilen noktalar aşağıda maddeler halinde verilmiştir. • Darbant İyononosonda Benzetim Ortamı; – Bir iyonosonda istasyonunun kurulması maliyetlidir ve uzmanlık gerektir- mektedir. Bu yüzden gerçekçi bir benzetim ortamının oluşturulması önem- lidir. Tez kapsamında, farklı coğrafi lokasyonlarda, fırtınalı ve sakin iyo- nosferik koşullar altında, ölçüm sonuçları ile benzer sonuçları üretebilen bir benzetim altyapısı geliştirilmiştir. – Dünya üzerinde kurulu çok sayıda iyonosonda istasyonu bulunmaktadır. Ancak buna rağmen ölçüm sonucu alınamayan çok fazla nokta bulunmak- 12 tadır. Tez kapsamında oluşturulan altyapı ile ölçüm alınamayan noktalar için gerçekçi sonuçlar üretilebilmektedir. – Geliştirilen benzetim ortamı, kanal koşullarını simüle edebilen bir kanal modelini içermektedir. Bu nedenle, gerçek bir iyonosonda donanımına ih- tiyaç duymadan, farklı dalgaşekillerinin ve alıcı mimarilerinin başarımları, oluşturulan altyapı kullanılarak test edilebilmektedir. • Genişbant İyonosferik Kanal Kestirimi; – Mevcut darbant iyonosonda tekniği ile 2−15 dk mertebelerinde sonuç üre- tilebilmektedir. Önerilen yöntemde kullanılan yüksek anlık bantgenişliği nedeniyle, 20 − 70 ms mertebelerindeki sürelerde iyonogram izi oluştu- rulabileceği gösterilmiştir. Bu sayede özellikle, iyonosferin hızlı değişim gösterdiği fırtına durumlarında daha sağlıklı ölçüm alınabileceği değerlen- dirilmektedir. – Mevcut iyonosondalar 100−600Wçıkış güçleri ile çalışmaktadır. Önerilen yöntem ile 20 W mertebelerinde çıkış gücü ile iyonogram izlerinin oluştu- rulabileceği gösterilmiştir. Yüksek bantgenişliği nedeniyle hızlı spektrum tarama ve düşük çıkış gücü sayesinde, önerilen yöntemin KD spektrumunda yer alan diğer kullanıcılara daha az girişim yaratacağı değerlendirilmektedir. – Mevcut iyonosondalarda kullanılan 30 kHz mertebelerindeki anlık bant- genişliği nedeniyle, ölçüm sonuçları 5 km civarında çözünürlüğe sahiptir. Önerilen yöntemde kullanılan yüksek anlık bantgenişliği sayesinde, iyonos- ferik kanal koşulları uygun olduğu sürece, yüksek menzil çözünürlüğünde sonuçların oluşturulabileceği gösterilmiştir. 13 2. İYONOSFER ÖZELLİKLERİ ve İYONOSONDALAR İyonosfer güneş ışınlarının etkisi ile iyonize olan gazlardan oluşan bir atmosfer taba- kasıdır. Bu tabaka içerisinde keskin olmayan sınırlarla birbirinden ayrılmış katmanlara sahip olan ve 60 km ile 1100 kmyükseklik arasında kalan katman, iyonosfer olarak isim- lendirilmektedir. Güneş ve dünyanın manyetik alanındaki aktiviteler iyonosferin yapısı üzerinde değişimlere neden olmaktadır. Bu değişimlerle beraber iyonosfer düzgün da- ğılmamış ve zamana göre değişim gösteren karmaşık bir yapıya sahiptir. Dolayısıyla iyonosferin zamana ve konuma göre değişimi dağınık olmaktadır. İyonosondalar, birçok parametreye bağlı olarak değişen iyonosfer üzerinden ölçüm almak için kullanılan ci- hazlardır. Farklı konumlarda ve farklı zaman dilimlerinde topladıkları ölçüm verileri ile iyonosfer tabakasında gerçekleşen değişimlerin takip edilmesi açısından kritik öneme sahiptirler. Aşağıdaki başlıklar altında iyonosfer tabakası ve iyonosondalar ile ilgili temel bilgiler paylaşılmış olup, daha detaylı bilgiler için [1] ve [31] kaynaklarından yararlanılabilir. 2.1 İyonosferin Özellikleri İyonosfer, yerküreden 60 − 1100 km yükseklikte yer alan bir atmosfer tabakasıdır. Atmosfer içerisinde yer alan diğer tabakalardan farklı olarak iyonosfer, güneş kay- naklı radrasyon sebebiyle iyonize olmaktadır. İyonosfer tabakasında meydana gelen iyonlaşma, özellikle KD bandında yer alan radyo dalgalarının yayılımında kritik rol oynamaktadır. İyonosfer tabakasını modellemek için kullanılan en önemli parametre elektron yoğun- luk profilidir. Çünkü radyo dalgalarının yayılım patikaları, elektron yoğunluğuna göre belirlenen yansıma katsayılarına bağlı oluşmaktadır. Yaklaşık 30 MHz ve altındaki frekanslarda yer alan radyo dalgaları iyonosferden yansırken, bu frekansın üzerindeki radyo dalgaları iyonosfer etkisiyle yavaşlamaktadır. Örneğin günümüzde yaygın olarak hassas konum belirleme için kullanılan GPS sistemlerinde, iyonosfer etkisiyle meydana gelen gecikmeler alıcı sistemler tarafından düzeltilmektedir. İyonosferik aktivitelerin yoğun olduğu günlerde GPS alıcılarının beklenen hassasiyette çalışmadığı bilinmekte- 14 dir [32]. İyonosfer tabakasında meydana gelen iyonlaşmanın temel nedeni, güneşten kaynakla- nan elektromanyetik radyasyondur [31]. Bu nedenle, güneşte meydana gelen aktiviteler ve dünya ile güneşin birbirine göre konumu, iyonlaşma miktarını etkilemektedir. Gün- düz saatlerinde, güneş etkisiyle oluşan iyonlaşma miktarı en yüksek değerinde iken, gece saatlerinde iyonlaşma seviyesi düşmektedir. İyonlaşma, güneşten dünyaya ulaşan yüklü parçacıkların, atmosferde yer alan moleküllere çarparak elektron koparması ile meydana gelmektedir. İyonlaşma ile oluşan her bir elektrona karşılık pozitif yüklü bir iyon da oluşmaktadır. Ancak elektronlar, pozitif yüklü iyonlara kıyasla daha hızlı parçacıklar oldukları için, iyonosferin modellenmesinde elektron yoğunluğu kullanıl- maktadır. İyonosfer tabakası içerisinde elektron yoğunluğu genel trendinin yüksekliğe bağlı olarak arttığı söylenebilmektedir. Şekil 2.1’de gündüz saatlerinde yüksekliğe bağlı elektron yoğunluğu dağılımı verilmiştir. Şekil 2.1. Gündüz saatlerinde tipik olarak iyonosfer elektron yoğunluğunu dağılımı [1] Şekil 2.1’de iyonosfer tabakasında yer alan katmanlar D, E ve F harfleri ile gösteril- miştir. Bu katmanlar arası keskin sınırla birbirinden ayrılmamakla birlikte, 60− 85 km arası D katmanı, 85−140 km arası E katmanı, 140−500 km arası ise F katmanı olarak 15 tanımlanmaktadır. D katmanı, iyonosferde en düşük yüksekliğe sahip katmandır. İçe- risinde yer alan iyonların çarpışma frekanslarının yüksek olması nedeniyle, bu katman içerisinde radyo dalgaları yüksek oranda soğurulmaktadır. İyonlaşmanın düşük olduğu gece saatlerinde D katmanı kaybolmaktadır. E katmanı ise düşük elektron yoğunluğuna sahip olmasına rağmen genellikle hem gece hem gündüz saatlerinde iyonosferde yer almaktadır. En üst iyonosfer katmanı olan F katmanı ise, yüksek elektron yoğunluğuna sahip olması nedeniyle en önemli iyonosfer katmanı olarak bilinmektedir. Şekil 2.1’de görüldüğü gibi, gündüz saatlerinde F katmanı F1 ve F2 olmak üzere alt katmanlara ayrılmaktadır. Şekil 2.2. Snell Yasası’na göre ışının kırılımı İyonosfer tabakasına dik geliş açısı ile gelen bir radyo dalgası için elektron yoğunluğu ile yansıma frekansı arasındaki ilişki fc = 9 √ Ne (2.1) ile verilmektedir. Eşitlik 2.1’de geçenNe(el/m3) elektron yoğunluğunu, fc ise yansıma frekansını ifade etmektedir. Farklı katmanlardan oluşan bir yapıda farklı her katman için bir kırılma indisi vardır. Bu tür bir durumda katmanlar arasında ilerleyen ışının kırılması Eşitlik 2.2’de verilen Snell Yasası’na göre n0 sin(φ0) = n1 sin(φ1) = ... = nN sin(φN) (2.2) 16 olarak hesaplanır. Eşitlikte geçen n kırılma indisini, φ ise gelen ışının normalle yaptığı açıyı ifade etmektedir. Şekil 2.2’de Snell Yasası’na göre katmanlar arası ışının kırılımı gösterilmektedir. İyonosfer için katmanlara ait kırılma indisleri n2 = 1− ( fc f )2 (2.3) şeklinde hesaplanır. fc ve n ışının geçmek istediği katmanın kritik frekansını ve kırılma indisini, f ise gelen ışının frekansını ifade etmektedir. Gelen ışının çarptığı yüzeyden yansıması için n = 0 olmalıdır. Bu durumda Eşitlik 2.3’te kritik frekans ile gelen ışının frekansı birbirine eşit olduğunda fc = f yansıma gerçekleşmektedir. Ayrıca yansıma frekansı açıya bağlı olarak f0 = fc sec(φ0) (2.4) ile hesaplanmaktadır. f0 iyonosfere φ0 açısıyla ulaşan sinyalin frekansını ifade etmekte- dir. Eşitlik 2.4’te verilen ilişki nedeniyle, eğik açı ile iyonosfere ulaşan radyo dalgaları, daha yüksek frekanslarda yansımaya uğramaktadır. Yukarıdaki paragraflarda anlatılanlar ışığında, iyonosfer içerisinde bulunan katmanların yüksekliklerinin ve elektron yoğunluklarının önemli parametreler olduğu anlaşılmak- tadır. Bu nedenle bahsi geçen parametrelerin hesaplanması veya kestirim yoluyla elde edilmesi gerekmektedir. Dinamik bir ortam olan iyonosfer için bu parametrelerin gerçek veya gerçeğe yakın zamanlı olarak bulunması kritik öneme sahiptir. Bu nedenle ölçüm- ler yoluyla iyonosfer katmanları hakkında bilgi toplayan iyonosondaların KD iletişim ve radar sistemleri için önemli bir destek unsuru oldukları değerlendirilmektedir. 2.2 İyonosondalar İyonosonda ismi İngilizce ‘Ionospheric Sounding - Ionosonde’ isimlerinin kısaltmasın- dan türetilmiştir. İyonosondalar, KDbandında çalışan bir tür radar olarak değerlendirile- bilmektedir. Prensip olarak radar ile aynı şekilde çalışmaktadır. İyonosfere gönderilen radar sinyalinin zaman gecikmesi ve frekansı ölçülerek ilgili iyonosfer katmanı için 17 yükseklik ve elektron yoğunluğu bilgisi elde edilmektedir. İyonosondalar dikey ve eğik olmak üzere operasyonel olarak iki temel modda kullanılmaktadır. Dikey iyonoson- dalar çalışma alanı üzerinde bulunan, belirli bir alanı kapsayan iyonosfer tabakası ile ilgili bilgi vermektedir. Eğik iyonosondalar ise vericinin ve alıcının farklı konumlarda olduğu durumlarda kullanılmaktadır. Özellikle deniz veya çöl gibi erişimin zor olduğu bölgeler üzerindeki iyonosfer tabakası hakkında bilgi edinmek için elverişlidirler. Alıcı ve vericinin bulunduğu her iki istasyonda GPS üzerinden aldıkları ortak referans ile za- man senkronizasyonunu sağlamaktadır. Şekil 2.3’te dikey ve eğik iyosondaların çalışma geometrileri gösterilmiştir. Şekil 2.3. Dikey ve eğik iyonosonda kullanım geometrileri Şekilde görüldüğü gibi, iyonosonda vericisinden çıkan radyo dalgaları iyonosfer kat- manlarından yansıyarak yeryüzüne dönmektedir. Ancak, iyonosfer iyonlaşmış gazlar- dan oluşan yoğun bir ortam olduğu için radyo dalgalarının yayılım hızı düşmektedir. Bu sebeple Şekil 2.3’de gösterilen sanal yükseklik ve gerçek yükseklik tanımlamaları yapılmaktadır. Sanal yükseklik, radyo dalgalarının hızını, ışığın boşluktaki hızına eşit varsayarak hesaplanan yükseklik bilgisini vermektedir. Gerçek yükseklik bilgisi ise, sanal yükseklik ve iyonosferdeki iyon yoğunluğuna bağlı olarak geliştirilen ölçekleme yöntemleri ile elde edilmektedir [33]. 18 Operasyonel olarak farklı senaryolarda kullanılan bu iki tür iyonosondanın çıktıları da farklı olmaktadır. İyonosondalardan elde edilen çıktıya iyonogram adı verilmiştir. Dikey ve eğik iyonosonda kullanımı sonucunda elde edilen iyonogram görüntüleri Şe- kil 2.4 ve Şekil 2.5’te verilmiştir. Her iki iyonogram birbirine benzerlikler içermekle birlikte operasyonel kullanım senaryoları gereği bazı farkları bulunmaktadır. Temel mantığı anlamak açısından öncelikle dikey iyonogram incelenmiştir. Dikey iyonogram görüntüsünün verildiği Şekil 2.4’te yatay eksen frekansı, dikey eksen ise yansımanın gerçekleştiği sanal yüksekliği göstermektedir. İyonosonda için öncelikle sanal yüksek- lik hesabı daha sonra ise geliştirilen ölçekleme yöntemleri ile gerçek yükseklik hesabı yapılmaktadır. Şekil 2.4’te pembe renkle belirtilen noktalar sanal yüksekliği ifade et- mektedir. Bunun altında yer alan siyah çizgi ise ölçekleme sonucunda elde edilen gerçek yükseklik bilgisini göstermektedir. Görüldüğü gibi iyonosfer içinde yol alan dalganın hızı düşük olduğundan gerçek yükseklik değerleri daha küçüktür. Şekil 2.4’te sanal yükseklik noktalarının üzerinde yine pembe renkte ama daha dağınık şekilde bazı sonuçlar görülmektedir. Bu sonuçlar bir kere iyonosfere çarpıp dönen sinyallerin yeryüzüne çarpıp tekrar iyonosfere dönmesi nedeniyle oluşan ölçüm sonuçlarıdır. Bu sonuçlar ölçekleme yöntemlerinde hesaba katılmazlar. Şekil 2.4. Ölçüm sonucunda elde edilmiş örnek bir dikey iyonogram sonucu [2] 19 Çizelge 2.1. Dikey iyonogram ile elde edilen kritik frekans ve katman yükseklik bilgi- leri foF2 F2 katmanı için ölçekleme sonrası hesaplanan kritik frekansı foF1 F1 katmanı için ölçekleme sonrası hesaplanan kritik frekansı foE E katmanı için ölçekleme sonrası hesaplanan kritik frekansı MUF en yüksek kullanılabilir frekans hmF2 F2 katmanın ölçekleme sonrası hesaplanan yüksekliğini hmF1 F1 katmanın ölçekleme sonrası hesaplanan yüksekliğini hmE E katmanın ölçekleme sonrası hesaplanan yüksekliğini Dikey iyonogram üzerinde pek çok farklı renkte gösterim yapılmıştır. Bunlardan en önemlisi yukarıda bahsedilen sanal ve gerçek yükseklik çizgileridir. Bununla beraber şekilde yeşil noktalarla belirtilen sonuçlar farklı polarizasyona sahip yansıma sinyalle- rini göstermektedir. Pembe noktalarla belirtilen sonuçlar sıradan, yeşil noktalarla be- lirtilen sonuçlar ise sıradışı dalgalara ait sonuçlardır. Günümüzde geliştirilen modern iyonosondalar, frekans, yükseklik, genlik, faz,Doppler kayması ve yayılması, geliş açısı, dalga polarizasyonu gibi birçok parametreyi ölçebilmektedir [26]. Bunlardan frekans, yükseklik ve Doppler kayması KD iletişim için kullanılan kritik bilgileri içermektedir. Bununla beraber KD yön kestirim sistemleri için geliş açısı bilgisi de önemli iyonogram çıktılarından birisidir. Bu sayede iyonosferin ilgili bölgesindeki katmanların eğimleri bulunarak o katmandan yansıyan sinyal için daha hassas yön kestirimi yapılabilmekte- dir. Şekil 2.4’te sol kolonda elde edilen iyonogram üzerinden hesaplanmış kritik frekans ve yükseklik bilgilerileri yer almaktadır. Gerekli açıklamalar Çizelge 2.1’de verilmiş- tir. Alt satırda ise farklı menzil değerleri için en yüksek kullanılabilir frekans (MUF) değerleri verilmiştir. MUF hesabında daha önce anlatılan, 2.4’te kritik frekans ile ışının gelme açısı arasındaki ilişki kullanılmaktadır. 20 Şekil 2.5. Ölçüm sonucunda elde edilmiş örnek bir eğik iyonogram sonucu [3] Şekil 2.5’te ise eğik iyonosonda ile alınan bir iyonogram sonucu verilmiştir. Dikey iyonogramdan farklı olarak dikey eksen gecikme süresini göstermektedir. Yatay ek- sendeki frekans değerlerinin, radyo dalgalarının iyonosfere geliş açısı nedeniyle, dikey iyonograma göre daha yüksek olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, bazı frekans de- ğerlerinde iki farklı zaman gecikmesi elde edilmiştir. Çünkü vericiden belli bir hüzme genişliğinde çıkan radyo dalgaları iyonosfere farklı geliş açıları ile ulaşmakta, dolayı- sıyla farklı yükseklikteki katmanlarından yansımaktadır. Bu durum, Şekil 2.6’de görsel olarak gösterilmiştir. Şekil 2.6’da kırmızı ile gösterilen ışın iyonosferdeki E katmanına θ1 açısıyla ulaşmış ve kırılarak alıcıya doğru yönelmiştir. E katmanı yüksekliği ve kritik frekansı nede- niyle, Şekil 2.6’da verilen şekilde iyonogram izi oluşturmaktadır. Mavi ve yeşil ile gösterilen ışınlar ise bazı bölgelerde aynı frekasa sahip olmalarına rağmen farklı yük- sekliklerden yansıdıkları görülmektedir. Bunun nedeni mavi ışının θ2, yeşil ışının θ3 geliş açısına sahip olması ve θ2 > θ3 olmasıdır. Dolayısıyla Şekil 2.6’de verilen şekilde benzer frekanslarda farklı gecikme sürelerine sahip iyonogram izleri oluşturmaktadır. Bu durumu nümerik bir örnek ile açıklamak gerekirse, iyonosfere ulaşan ışının frekansı f0 = 5 MHz ve sırasıyla geliş açılarının θ2 = 45◦, θ3 = 30◦ olduğu varsayıldığında, 21 Eşitlik 2.4’de verilen ilişki kullanılarak, yansımaların gerçekleştiği kritik frekans fc değerleri sırasıyla fc2 = 3.535 MHz ve fc3 = 4.330 MHz olmaktadır. Kritik frekans ve iyon yoğunluğu arasında Eşitlik 2.1’de verilen ilişki ve Şekil 2.1’de iyon yoğunluğu- nun yüksekliğe bağlı değişimi incelendiğinde, iyonosfere θ3 açısıyla ulaşan ışının, θ2 açısıyla ulaşan ışına göre daha yüksek katmanlardan yansıyacağı anlaşılabilmektedir. Şekil 2.6. Eğik iyonosonda ve tipik dikey iyonogram sonucu 2.2.1 İyonosondaların Tarihsel Gelişimi İyonosfer tabakası ile ilgili çalışmalar, Marconi’nin KD bandında uzun mesafeler ara- sında haberleşmeyi başarmasından sonra başlamıştır. Araştırmacılar birbirinden ol- dukça uzak noktalar arasında haberleşme yapılmasını sağlayan atmosferdeki yansıtıcı yüzey ile ilgili daha fazla bilgi edinmek istemişlerdir. Bu amaçla ilk olarak 1925 yı- lında Appleton ve Barnett iyonosfer tabakasının yüksekliğini bulmak için çalışmalar yapmışlardır [34]. Bunun ardından 1926 yılında Breit ve Tuve benzer bir yaklaşımla iyonosfer katmanlarının atmosfer içindeki konumlarını bulmak için yöntemler geliş- tirmişlerdir [35]. Ancak geliştirilen her iki iyonosonda da operatör kontrollü olarak frekans değiştirmekte dolayısıyla oldukça uzun sürede bütün KD bandı için sonuç üretebilmektedir. II. Dünya Savaşı’ndan sonra geliştirilen frekans taramalı osilatör- ler sayesinde bu süreler saatler mertebelerine kadar indirilebilmiştir. Ancak bu defa 22 problem yüksek girişim sinyallerinin iyonosonda performansını düşürmesi olmuştur. Bunun üzerine girişim sinyalleri için analog devrelerde alınan önlemler geliştirilen iyo- nosondanın boyutlarını oldukça büyütmüştür [36]. Ayrıca o yıllarda radar sinyal işleme tekniklerinin yeterince gelişmemiş olması sinyal çıkış güçlerinin de yüksek olmasını gerektirmektedir. Örneğin 1960’lı yıllarda Avrupa’nın pek çok noktasında kullanılan Panaroma Ionosonde yaklaşık 50 kW’lık çıkış gücüne sahiptir. Sonrasında sayısal devre elemanlarının gelişmesi ile iyonosondalar da daha küçük boyutlara ve çıkış güçlerine sahip hale gelmeye başlamıştır. 1970 yılında geliştirilen Digisonde-128 sayısal sinyal işleme tekniklerini kullanarak çıkış gücünü 10 kWmertebelerine düşürmüş ve boyutları oda büyüklüğünden dolap büyüklüğüne indirmiştir. Bu aşamadan sonra iyonosondaları oluşturan bileşenler geliştikçe, iyonosonda mimarisi de benzer şekilde değişmiştir [36]. Cihazlar giderek daha küçük boyutlara ulaşmış ve daha düşük çıkış güçlerinde çalış- mışlardır. Günümüzde kullanılan darbeli iyonosondalar yaklaşık 100 W çıkış gücü ile sağlıklı sonuçlar elde edebilmektedir. Tarihsel açıdan iyosondaların fiziksel değişimi Şekil 2.7 ve Şekil 2.8’de verilmiştir [37]. Şekil 2.7. Digisonde iyonosondasının zamanla fiziksel değişimi Şekil 2.8. Wuhan iyonosondasının zamanla fiziksel değişimi 23 2.2.2 İyonosondaların Çalışma Prensipleri Yukarıda anlatıldığı gibi iyonosonda KD bandında çalışan bir tür radar olacak tanımla- nabilmektedir. Tipik bir radar uygulamasında olduğu gibi iyonosondalar da, iyonosfere gönderilen radyo dalgalarının frekansa bağlı gecikme süreleri ölçülerek ilgili iyonosfer katmanı için yükseklik ve elektron yoğunluğu bilgisi elde edilmektedir. İyonosondalar, kullandıkları dalgaşekline bağlı olarak darbeli ve frekans modülasyonlu olmak üzere iki başlık altında incelenebilmektedir. 2.2.2.1 Darbeli İyonosonda Darbeli iyonosondalar, darbe radarlarında olduğu gibi, darbe genişliği ve darbe tek- rarlama periyodu gibi temel parametreleri kullanarak ölçüm yapmaktadır. İyonosonda aslında iyonosfer ölçümleri için geliştirilen bir radar olduğu için radar parametrelerinin bu ölçüm için uygun şekilde seçilmesi gerekmektedir. Şekil 2.9. Katman yükseklikleri ve darbeli iyonosonda parametreleri ile ilişkisi Şekil 2.9’da iyonosferin en alt katmanlarından olan E katmanı ile F katmanının yaklaşık yükseklikleri verilmiştir. Buna göre tasarlanan darbeli radarın darbe genişliği ve darbe tekrarlama periyodu uygun şekilde belirlenmelidir. 80−90 km yükseklikte E katmanın- dan yansıyan sinyal gönderildikten yaklaşık 600 µs sonra geri dönmektedir. Bu nedenle 24 bu değerden daha büyük seçilecek darbe genişliği değeri E katmanından yansıyan sin- yalleri ayırt edemeyecektir. Bununla beraber en yüksek katman olan F katmanı yaklaşık 500 km’de yer almaktadır. Bu yükseklikten yansıyan sinyal de gönderildikten 3.3 ms sonra alıcıya ulaşmaktadır. Dolayısıyla darbe tekrarlama periyodunun bu değerden daha büyük seçilmesi gerekmektedir. Bu şekilde darbeli bir radar için temel parametreler- den olan darbe genişliği ve darbe tekrarlama periyodu belirlenmektedir. Yaygın olarak kullanılan DPS-4D iyonosondasında darbe genişliği 533 µs, darbe tekrarlama periyodu 5 ms olarak belirlenmiştir [38]. Darbeli bir iyonosonda için hesaplanması gereken parametrelerden biri de darbenin tepe gücüdür. İyonosferde ilerleyen elektromanyetik dalga yüksek yayılım kaybına uğ- ramaktadır. Bu durum iki yollu (gidiş-dönüş) radar operasyonunda alınan sinyalin SNR değerini düşürmektedir. Bu nedenle darbeli iyonosondalarda SNR değerini yükseltmek için çeşitli sinyal işleme yöntemleri kullanılmaktadır. Darbe birleştirme bu yöntemler- den biridir. Bu yöntemde arka arkaya alınan darbeler eş evreli olacak şekilde toplanarak oluşan sinyalin SNR değeri yükseltilir. Bu yöntemi bir örnek üzerinden incelemek ge- rekirse; A genliğinde bir darbe için M tane eş evreli darbe toplanırsa, sonuçta oluşan darbenin gücü, Ps = M2A2 (2.5) olur. Bu durumda sinyal üzerindeki beyaz Gauss gürültüsünün gücü ise, Pn = Mσ2 n (2.6) olarak hesaplanır. σ2 n gürültünün değişintisini ifade etmektedir. Buna göre hesaplanan SNR değeri, SNR = M2A2 Mσ2 n = MA2 σ2 n (2.7) olur. Dolayısıyla oluşan sinyalin SNR değeri toplanan darbelerin sayısı arttıkça artmak- tadır. Bu sonucun oluşmasındaki temel neden gürültü sinyalini oluşturan örneklerin 25 birbirinden bağımsız süreçlere ait örnekler olmasıdır. Ancak darbeyi oluşturan sinyal örnekleri eş evreli örneklerdir ve yapıcı olarak toplanarak sinyal gücünü arttırmaktadır. Darbe toplama ile elde edilen işlem kazancı, Eşitlik 2.7’de görüldüğü gibi, darbe sayısı (M ) ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Dolayısıyla işlem kazancı G = 10 log10(M) ile hesaplanabilmektedir. Darbeler fazları bozulmadıkları sürece eş evreli olarak toplanabilirler. Ancak gerçek ko- şullarda sinyal fazının Doppler etkisiyle bozulması veya ani faz değişiklerinin oluşması muhtemeldir. Bu nedenle belirli bir süre içindeki darbeler eş evreli olarak toplanabilir. Bu süreye eşevreli toplama süresi adı verilmiştir [39]. Şekil 2.10. Darbeli iyonosonda dalgaşekli Sinyalin SNR değerini arttırmak için kullanılan yöntemlerden biri de darbe içerisine faz veya frekans modüleli kodlar yerleştirmektir. Darbe içerisindeki sinyalin fazı veya frekansı uygulanacak kodun türüne göre değiştirilerek darbe içerisinde modülasyon oluşturulur. Kullanılan kodlar özilinti fonksiyonlarının özelliklerine göre seçilmekte- dir. Özilinti fonksiyonlarının yüksek tepe ve düşük yan hüzme seviyesine sahip olması istenmektedir. Bu sayede, alıcıda uyumlu filtre çıkışında yapılan tespit işleminin başa- rımı arttırılmaktadır. Darbe içi modülasyon yöntemi ile elde edilen işlem kazancı (G), bantgenişliği (B) ve darbe süresiyle (Tp) ilişkidir ve G = 10 log10(BTp) (2.8) = 10 log10(BNTc) (2.9) ile hesaplanabilmektedir. Faz modüleli kodlar için her bir faz bileşeni çip süresi (Tc) 26 kadar süre kullanılmaktadır. Kod uzunluğu (N ) ve çip süresi (Tc) değerlerinin çar- pımı darbe süresini (Tp) vermektedir. Ayrıca faz modüleli kodlar için bantgenişliği (B = 1/Tc) olduğundan, işlem kazancı G = 10 log10(N) olarak hesaplanabilmekte- dir. Frekans modüleli kodlarda ise, bantgenişliği ve darbe süresi birbirinden bağımsız olarak değişebildiği için işlem kazancı, G = 10 log10(BTp) ile hesaplanabilmektedir Yaygın olarak kullanılan DPS-4D, darbeli bir iyonosonda olup kanal koşullarına bağlı olarak darbe birleştirme için M = 128 darbeyi kullanabilmekte ve N = 13 bitlik Barker faz kodu ile ölçüm yapmaktadır. Bu parametreler için işlem kazancı hesabı yapıldığında, G(dB) = 10 log10(M) + 10 log10(N) (2.10) = 21.07 + 11.13 (2.11) = 32.2 (2.12) sonucu elde edilmektedir. Belirtilen işlem kazancı, düşük SNR değerine sahip kanal- larda tespit yapılmasını kolaylaştırmaktadır. 2.2.2.2 Frekans Modülasyonlu İyonosonda Frekans modülasyonlu iyonosondalar, KD bandında ürettikleri cıvıltı sinyallerini iyo- nosfere göndererek yansıyan sinyalin zaman gecikmesi üzerinden yükseklik hesabı yapmaktadırlar. Cıvıltı sinyallerinin bir başlangıç ve bitiş frekansları vardır. Sinyalin anlık frekansı başlangıç frekansından bitiş frekansına doğru artar ya da azalır. Frekans modülasyonlu cıvıltı sinyalleri, matematiksel olarak s(t) = cos(2πfi(t)t) = cos(2π(f0 + βt)t) (2.13) şeklinde yazılabilmektedir. Eşitlik 2.13’te geçen f0 başlangıç frekansını, fi anlık fre- kansı β ise frekans değişim hızını ifade etmektedir. Eşitlikte frekansı ifade eden formül doğrusal bir denklemdir. Bu ifade yerine yüksek dereceden polinom veya farklı türden denklemler de kullanılabilir. Bu şekilde farklı frekans değişimlerine sahip doğrusal 27 olmayan cıvıltı sinyalleri elde edilebilmektedir [40]. Darbeli iyonosondalarda olduğu gibi frekans modülasyonlu iyonosondalar için de göz önüne alınması gereken tasarım parametreleri bulunmaktadır. Şekil 2.11’de FMCW radarda kullanılan dalgaşekillerinden biri olan testere dişi dalgaşekli için frekans za- man değişimi gösterilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi gönderilen ve alınan sinyaller arasında τ kadar bir zaman gecikmesi bulunmaktadır. Hedeften yansıyan sinyal için zaman gecikmesi τ = 2R c (2.14) ile hesaplanabilmektedir. Eşitlik 2.14’te geçen R hedef menzilini, c ışık hızını ifade etmektedir. FMCW radarlarda hedef menzili R’yi bulmak için Şekil 2.11’de gösterilen vuru frekansı fb kullanılmaktadır. Vuru frekansı, gönderilen ve alınan sinyaldeki za- man gecikmesinden ve dalgaşeklinin frekans modülasyonlu olmasından kaynaklanan frekans farkından dolayı oluşmaktadır. Eşitlik 2.13’te geçen ifade vericiden çıkan cı- vıltı sinyalini ifade etmektedir. Bu sinyal alıcıya menzile bağlı bir zaman gecikmesi ile ulaşmaktadır ve r(t) = cos(2π[f0(t− τ) + β(t− τ)2]) (2.15) şeklinde ifade edilmektedir. FMCW radar alıcısında, vericiden gönderilen sinyal ile alıcıya ulaşan sinyal çarpılarak düşük geçirgen filtreden geçirilir. Buna göre, r(t)s(t) = cos(2π(f0 + βt)t) cos(2π[f0(t− τ) + β(t− τ)2]) (2.16) = 1 2 [ cos(2πf0τ − 2βτ 2 + 4πβtτ) ] + Y DT (2.17) ile düşük geçirgen filtre çıkışındaki sinyal elde edilmektedir. Yüksek dereceden terimler (YDT) düşük geçirgen filtre ile filtrelenmektedir. Eşitlik 2.17’de verilen ifadenin anlık frekansı, vuru frekansını vermektedir. Buna göre, fi(t) = 1 2π dθ(t) dt (2.18) 28 = 2βτ (2.19) olarak yazılabilmektedir. Eşitlik 2.13’te verilen cıvıltı sinyalinin bantgenişliği B = 2βTs olduğundan β = B 2Ts (2.20) olarak hesaplanmaktadır. Ts modülasyon periyodunu ifade etmektedir. Eşitlik 2.20, Eşitlik 2.19’da yerine yazıldığında vuru frekansı fb = B Ts τ (2.21) şeklinde yazılabilmektedir. Dolayısıyla hedef menzili ile vuru frekansı arasındaki ilişki R = cτ 2 = cTs 2B fb (2.22) şekinde ifade edilebilmektedir. Şekil 2.11. Frekans modülasyonlu iyonosonda dalgaşekli Frekans modülasyonlu iyonosondalar için belirlenmesi gereken temel parametreler baş- langıç frekansı (f0), modülasyon bantgenişliği (B) ve modülasyon periyodudur (Ts). Darbeli iyonosondalarda darbe tekrarlama periyodu yerine frekans modülasyonlu iyo- nosondalarda modülasyon periyodu, belirlenebilecek en yüksek menzil ile ilişkilen- 29 dirilmektedir. Ancak darbeli iyonosondalarda belirlenmek istenen en yakın iyonosfer katmanına bağlı olarak darbe genişliği değişirken frekans modülasyonlu iyonosonda- larda böyle bir gereksinim bulunmamaktadır. Çünkü gönderilen sinyal ile alınan sinyal arasındaki zaman gecikmesi frekans zaman ekseni üzerinden hesaplanmaktadır ve gönderilen sinyal sürekli aktiftir. Darbeli iyonosondalarda olduğu gibi sinyal içerisinde gönderme ve alma için ayrı bölümler bulunmamaktadır. Frekans modülasyonlu iyonosondalarda gönderilen sinyal sürekli aktif durumda olduğu için, iyonosonda alıcısının ve göndericisinin aynı konumda olduğu durumlarda yüksek çıkış gücüne sahip gönderme sinyali alıcıyı doyuma sokabilmektedir. Bu nedenle alıcı ve verici birbirinden farklı pozisyonlarda olmalı ya da birbirinden çok iyi şekilde izole edilmelidir. Dolayısıyla alıcı ve vericinin aynı pozisyonda olduğu dikey ölçümlerde frekans modülasyonlu iyonosondalar tercih edilmemektedir. Darbeli iyonosondalarda darbe tekrarlama periyodu içerisinde yer alan dinleme alanları sebebiyle, alıcı ve gön- dericinin aynı pozisyonda olması problem yaratmamaktadır. Frekans modülasyonlu iyonosondalar, belirlenen bir frekans aralığını tarayarak çalış- tıklarından anlık bantgenişlikleri düşüktür. Genellikle 500− 1000 Hz aralığında anlık bantgenişliklerini kullanırlar. Darbeli iyonosondalar ise, kullandıkları darbe içi modü- lasyon sebebiyle 25−50 kHz anlık bantgenişliklerinde çalışmaktadır. Bu bakımdan bir karşılaştırma yapıldığında, 50.000/500 = 100 kat (20 dB) bantgenişliğine varan fark olduğu görülmektedir. Bu fark nedeniyle iyonosonda alıcılarındaki gürültü seviyesi ve dolayısıyla SNR değerleri de 20 dB farklı olmaktadır. Darbeli iyonosondalar Eşitlik 2.12’de verilen işlem kazancı ile bu farkı kapatsa da, bütün kanal koşullarında eşevreli darbe birleştirme süresi nedeniyle, 128 adet darbe kullanılamamakta ve işlem kazancı düşmektedir. Bu nedenle, frekans modülasyonlu iyonosondalar genellikle 10 − 20 W çıkış güçlerinde çalışırken, darbeli iyonosondalar 100− 600 W çıkış güçlerinde çalış- maktadır [24], [37], [41]. Yukarıdaki paragraflarda anlatılan farklı özelliklere sahip iyonosondalar için geliştirme ve iyileştirme faaliyetlerinin idealde gerçek bir iyonosonda donanımı ile yapılması gerekmektedir. Ancak tez çalışmaları sırasında böyle bir altyapının bulunmaması nede- 30 niyle, gerçek bir iyonosonda ölçümünde izlenen aşamalar, mümkün mertebe benzetim ortamına aktarılmış ve bir sonraki bölümde detayları verilen darbant iyonosonda ben- zetim altyapısı oluşturulmuştur. 31 3. DARBANT İYONOSONDA BENZETİM ORTAMI İyonosfer tabakasında meydana gelen faaliyetler, dünya üzerinde dağılmış olan çok sayıda iyonosonda istasyonu tarafından izlenmektedir. Bu istasyonlar sınırlı sayıda ve ayrık bir şekilde dağılmış olduklarından iyonosfer faaliyetlerinin izlenemediği durum- lar oluşabilmektedir. Tezin bu bölümünde, üç boyutlu ışın izleme yöntemi, KD kanal modeli ve IRI-Plas iyon yoğunluğu kestirim aracı yardımıyla, iyonosondaların çıktısı olan iyonogram verisini benzetim ortamında elde etmek için geliştirilen altyapı an- latılmaktadır. İyonosferik kanal koşullarını benzetim ortamında oluşturmak için ITS kanal modeli kullanılmıştır. TEİ, hmF2 (en büyük iyonizasyon yüksekliği) ve foF2 (F2 katmanı kritik frekansı) verilerini girdi olarak kullanabilme özelliği nedeniyle iyon yoğunluğu kestirim aracı olarak IRI-Plas-2015 kullanılmıştır. Çalışma kapsamında ge- liştirilen iyonogram oluşturma altyapısı St. Patrick’s Day fırtınasını içeren 16-17-18 Mart 2015 tarihlerinde Güney Afrika ve Avrupa bölgelerinde test edilmiştir. Belirtilen günler iyonosferik fırtınalı ve sakin günleri içermektedir. Benzetim sonuçları, gelişti- rilen altyapı gerçek ölçümlere yakın hmF2 ve foF2 değerleri ile beslenebildiği sürece hem fırtınalı hem de sakin günlerde, iyonogram şekli, katman yükseklikleri ve en yük- sek kullanılabilir frekans (MUF) değerleri anlamında iyonosonda ölçüm sonuçları ile benzer çıktıların elde edilebileceğini göstermektedir. 3.1 Giriş İyonosonda ölçümleri, elektron yoğunluğu ve sürüklenme hızı başta olmak üzere iyo- nosfere ait çeşitli özellikleri incelemek için kullanılmaktadır. Dünya üzerinde pek çok iyonosonda istasyonu bulunmaktadır. İyonosondalar dikey ve eğik olmak üzere iki temel modda kullanılmaktadır. Kurulu oldukları alan üzerindeki iyonosfer tabakası ile ilgili ölçüm yapılmak istendiğinde dikey, farklı alanlar ile ilgili ölçüm yapılmak istendiğinde ise eğik modda çalıştırılmaktadır. Eğik modda alıcı ve verici farklı konumlarda yer almaktadır. Bu sayede dikey ölçüm yapmanın mümkün olmadığı okyanus, çöl, dağlık araziler gibi alanlar için sonuç üretilebilmektedir. Dünya üzerinde çok sayıda iyono- sonda bulunmasına rağmen dikey veya eğik ölçüm alınamayan noktalar bulunmaktadır. Üç boyutlu ışın izleme, IRI-Plas ve ITS kanal modeli kullanılarak dünya üzerindeki 32 herhangi iki nokta arasında iyonogram sonucu üretebilen, sanal bir iyonosonda altyapısı geliştirilmiştir. Işın izleme kullanılarak iyonogram oluşturma, birçok araştırmacı tarafından uzun yıl- lardır çalışılmaktadır. Bu kapsamdaki çalışmalar 1960’lı yıllarında sonunda başlamıştır. Kopka ve Möller [42]’de yer alan çalışmalarında, yerküre manyetik alanının iyonog- ram sonuçlarına etkisini incelemek üzere, teorik eğik iyonogram oluşturabilen bir ışın izleme programı geliştirmişlerdir. Gething [43]’te, iyonosfer tabakalarının eşmerkezli kürelerden oluştuğunu varsayarak ışın izleme ile iyonogram oluşturalabildiğini göster- miştir. Cheng ve arkadaşları [44]’te yaptıkları çalışmada, iyonosferin çok sayıda yarı parabolik kesitten oluştuğunu varsayarak dikey ve eğik iyonogram oluşturulabilece- ğini göstermiştir. Coleman, [45] ve [46]’da yaptığı çalışmalarda manyetoiyonik etkileri içerecek şekilde eğik ve geri saçılım iyonogram sonuçlarını benzetim ortamında oluş- turmuştur. Sonuçları üretirken, işlem yükünü hafifletmek adına üç boyutlu ışın izleme yerine, iki boyutlu ışın izleme yöntemini tercih etmiştir. Konu ile ilgili yapılan yakın tarihli çalışmalarda, Settimi ve arkadaşları, üç boyutlu ışın izleme yöntemi ile eğik iyonogram üretebilen bir altyapı geliştirmiştir [47]. Bu yapı, ölçeklenmiş iyonosonda istasyon verisi, foF2 ve M(3000)F2 bölgesel değerleri ve IRI’dan oluşan üçlü veri kombinasyonu kullanmaktadır. Geliştirilen yapı kullanılarak çok sayıda eğik iyonogram sentezlenmiş ve Akdeniz bölgesinde alınan ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma iyonogram şekli ve MUF değerleri bazında ele alınmıştır. Cervera ve Harris yaptıkları çalışmada sıradan ve sıradışı polarizasyon durumlarındaki iyonosferik bozulma özelliklerini modellemek için manyetoiyonoik etkileri içeren üç boyutlu bir ışın izleme aracı geliştirmişlerdir [48]. Ölçüm sonuçları ve sentezlenen yarı- dikey iyonogram sonuçları karşılaştırılarak, küçük ve büyük ölçekli kayan iyonosferik bozulma durumları incelenmiştir. Settimi ve arkadaşları, [47]’de anlatılan iyonogram oluşturma altyapısını, elektron çar- pışma frekansı modeli ve çoklu atlama özelliğini ekleyerek geliştirmişlerdir [49]. Bu 33 model, yol kaybının yüksek olduğu D-katmanının soğurma özelliklerini içermektedir. Çalışma kapsamında, ölçüm sonuçları ve sentezlenen iyonogramlar karşılaştırılarak, MUF değerleri ve gece-gündüz saatlerindeki iyonosferik soğurulma özellikleri ince- lenmiştir. Song ve arkadaşları, MUF, hmF2, foF2, M(3000)F2 gibi iyonogram parametrelerini hesaplamak için, sentezlenmiş eğik iyonogram verilerini kullanan otomatik bir ölçek- lendirme yöntemi geliştirmişlerdir [50]. Ölçeklendirme performansı, melez genetik algoritma yardımıyla, ölçüm sonuçları ve sentezlenen iyonogram verileri arasındaki en iyi eşleme bulunarak iyileştirilmiştir. Yukarıdaki paragraflarda bahsedilen çalışmalarda, belirli bir frekans aralığı, isteni- len yükseliş ve yanca açı aralığında taranarak iyonogram verisi oluşturulmaktadır. Bu durumda, iyonosondaların çok darbantlı sürekli dalga (SD) sinyallerini kullandıkları varsayılmaktadır. Ancak gerçek iyonosondalar, Bölüm 2’de anlatıldığı gibi, verici ile alıcı arasındaki iletişimi sağlamak için frekans modülasyonu veya darbe tekniklerini kullanmaktadır. Bu sinyaller, SD sinyaller ile ifade edilemeyen belirli bir bantgenişliğini kapsamaktadır. Bununla birlikte iyonosferik aktiviteler nedeniyle oluşan kanal koşul- ları, iyonosfer faaliyetlerini etkilemekte ve zayıf iyonogram izlerinin oluşmasına neden olabilmektedir. SD sinyaller ile ışın izleme yaklaşımı, kanal etkilerinin sonuçlara da- hil edilmemesini ve gerçek iyonosonda ölçüm sonuçlarında görülen bazı fenomenlerin açıklanamamasına neden olmaktadır. İyonosferik kanalın ölçüm sonuçlarına etkisini modellemek için ITS kanal modeli kullanılmıştır [51]. Kanal modeli ve üç boyutlu ışın izleme [48] yöntemi birleştirilerek, genel amaçlı bir iyonogram oluşturma alyapısı ge- liştirilmiştir. İyonosferdeki iyon yoğunluğu kestirimi için IRI-Plas tercih edilmiştir [52]. Bunun nedeni, IRI-Plas’ın TEİ, hmF2 ve foF2 verilerini girdi olarak alıp, buna göre iyon yoğunluk profili oluşturabilmesidir. TEİ verilerinin oluşturulması için IONOLAB- TEC tekniği kullanılmıştır [53]. Bu yöntem için gereken Rinex verileri, IGS, EUREF, TRIGNET gibi CORS ağı içerisindeki bir ağdan elde edilebilmektedir. hmF2 ve foF2 verileri için, GIM haritaları ve ölçeklenmiş iyonosonda ölçüm sonuçları kullanılmıştır. 34 3.2 Kullanılan Araçlar ve Yöntemler 3.2.1 ITS Kanal Modeli KD bandı için benzetim ortamında gerçekleştirilen çalışmalar çoğunlukla Watterson kanal modelini kullanmaktadır [54]. Ancak bu model bazı varsayımları ve kısıtlamaları beraberinde getirmektedir. En önemli kısıt, modelin 12 kHz’den küçük bantgenişlikleri için geçerli olmasıdır. Bunun yanındaWatterson kanalmodeli, kanal koşulları nedeniyle oluşan gecikme yayılımını hesaba katmamakta ve kanalın zaman ve frekansta durağan olduğunu varsaymaktadır [54]. Belirtilen varsayımlar ve kısıtlamalar nedeniyle Teleko- münikasyon Bilimleri Enstitüsü tarafından ITS kanal modeli geliştirilmiştir [55]. ITS modeli, 1 MHz’e kadar olan bantgenişliklerinde ve farklı iyonosferik koşullar altında alınan ölçüm sonuçlarının, matematiksel bir forma aktarılması ile ortaya çıkmış bir modeldir. ITS modeli hem darbant hem de genişbant iyonosferik kanallar için kullanı- labilmektedir. KD kanalı, genellikle çok yol bileşenlerine ve zamanda değişken özelliğe sahip bir kanaldır. ITS modelinde kanal dürtü tepkisi h(t, τ) = ∑ n hn(t, τ) = ∑ n √ Pn(τ)Dn(t, τ)ψn(t, τ) (3.1) şeklinde ifade edilmektedir. Eşitlik 3.1’de geçen t zamanı, τ gecikme süresini ifade et- mektedir. Toplam ifadesinde yer alan n, sıradan ve sıradışı dalgalar, tekli-çoklu atlama, alçak-yüksek ışın gibi farklı iyonosferik modlar nedeniyle oluşan çok yol bileşenle- rinin sayısını ifade etmek için kullanılmaktadır. Eşitlik 3.1’deki modelde kanal dürtü tepkisinin üç temel bileşenden oluştuğu göz önüne alınmaktadır. Pn(τ) gecikme güç profilini, Dn(t, τ) belirlenimci faz fonksiyonunu, ψn(t, τ) rasgele modülasyon fonksi- yonunu ifade etmektedir. 3.2.1.1 Gecikme Güç Profili Gecikme güç profili, Eşitlik 3.1’de n ile belirtilen her bir mod için gecikme eksenindeki profili oluşturmak için kullanılmaktadır. Gecikme güç profili Şekil 3.1’de gösterildiği 35 gibi, A profil merkez genlik değeri, Afl genlik eşik