URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ İyonkürenin Küresel Izgara Modelinde Işın İzleme Esra ERDEM1, Feza ARIKAN2, M. Necat DEVİREN2 1 ASELSAN REHİS, Macunköy, Yenimahalle, Ankara [email protected] 2 Hacettepe Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Beytepe, Yenimahalle, Ankara [email protected], [email protected] Özet: Uzak mesafe iletişimi, Kısa Dalga (KD) bandında yayılan dalganın iyonkürede kırılarak ve yansıyarak alıcıya ulaşmasıyla sağlanmaktadır. İyonküre düzgün dağılmamış, yön bağımlı ve zamana göre değişken bir yapıdadır. İyonkürenin fiziksel özelliklerinin etkilerini yansıtan ve bu ortamda dalganın yayılımının hesaplanacağı modellerin geliştirilmesi KD iletişimi için önemlidir. Bu çalışmada iyonküre küresel koordinatlarda 3 boyutlu ızgara yapısı ile modellenmektedir. Dalganın yayılımı Snell yasasına dayalı ışın izleme modeliyle hesaplanmaktadır. Izgara yapısındaki her bir hücrenin kırılma indisi, IRI-Plas-G ile elde edilen elektron yoğunluğu verilerine dayanarak değişim göstermektedir. Bu çalışma için geliştirilen yazılım ile kaynaktan çıkan bir KD sinyalinin yayılım yolu ve ulaşacağı konum hesaplanabilmektedir. Abstract: Long distance communication can be provided by reflection and refraction of the HF (High Frequency) wave propagating through the ionosphere. Ionosphere has an inhomogeneous, anisotropic and time dispersive structure. Development of the models which simulates the effects of physical properties of the ionosphere and wave propagation in this medium has an important role in HF communication. In this study, ionosphere is modelled as 3D grid structure in spherical coordinates. For the calculations of wave propagation, ray tracing using Snell’s law is applied. Refractive index for each cell of the grid structure varies with respect to the electron density values obtained from IRI-Plas-G software tool. The propagation path of the HF signal and the destination location can be calculated with the software developed for this study. 1. Giriş Uzak mesafe iletişimde Kısa Dalga (KD) bandında dalga yayılımı kullanılmaktadır. Bu bantta iletişim dalganın iyonkürede kırılması ve yansıması sonucu alıcıya ulaşması ile sağlanmaktadır. KD iletişimin etkin bir şekilde yapılabilmesi için dalganın iyonkürede yayılımının hesaplanması önem taşımaktadır. İyonküre güneş ışınlarının etkisi ile iyonize olan gazlardan oluşan bir atmosfer tabakasıdır. Güneş ve jeomanyetik aktiviteler iyonkürenin yapısı üzerinde etkilidir. Bu etkilerin sonucu olarak iyonküre düzgün dağılmamış, yön bağımlı ve zamana göre değişken, karmaşık bir yapı göstermektedir. KD iletişimde kullanılacak kanal modellerinde iyonkürenin fiziksel özelliklerinin etkilerinin kapsanması, uygun dalga yayılım kabullerinin uygulanması, böylece çeşitli koşullar altında yayılan dalganın özelliklerinin belirlenmesi amaçlanmaktadır. İyonkürenin modellenmesinde ilk adım olarak paralel katmanlı yapıda dalganın yayılımı incelenmiştir [1]. Sonrasında, bu bildiride sunulan çalışma ile iyonküre, yatay düzlemdeki değişimi ve yeryüzünün yuvarlaklığı etkilerinin de kapsanabilmesine yönelik olarak küresel koordinatlarda 3 boyutlu ızgara yapısı ile modellenmektedir. Izgara yapısı içerisinde dalganın yayılımı Snell yasasına dayanan ışın izleme tekniği ile hesaplanmaktadır. Izgara yapısında yarıçap yönünde sınır yüzeyler düzlem olarak kabul edilmektedir. Geliştirilen model, ızgara yapısının her bir hücresinin kendi içinde düzgün dağılmış ve yön bağımsız bir ortam olması kabulüne dayanmaktadır. Snell yasası ile ışın izlemede kırılım ve yansıma hesaplarının yapılmasında iyonkürenin kırılma indisi parametresi etkin bir rol oynamaktadır. İyonkürenin kırılma indisi Appelton-Hartree formülü ile hesaplanabilmektedir. Bu formüle göre kırılma indisi elektron yoğunluğu, elektron plazma frekansı, ilerleyen dalganın frekansı, dünyanın manyetik alanı, gelen dalganın ilerleme yönü, elektronun parçacıklarla çarpışma frekansı ve elektronun dönme frekansı parametrelerine bağlıdır. Bu çalışma kapsamında kırılma indisinin hesaplanmasında, dünyanın manyetik alanı, elektronun dönme hareketi ve elektronun parçacıklarla çarpışma etkisi ihmal edilmektedir. Kırılma indisinin hesaplanmasında kullanılan elektron yoğunluğu değerleri, belli bir zaman ile kaynağın bulunduğu konum ve ışının yayıldığı yol boyunca geçtiği ızgara hücrelerin konumları için IRI-Plas-G paket yazılımı ile hesaplanmaktadır. URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ 2. İyonküre ve Özellikleri İyonküre içerdiği elektron yoğunluğu sayesinde yüksek frekanstaki radyo dalgalarını yansıtarak uzak mesafe iletişim imkanı sağlamaktadır. Yeryüzünden yaklaşık 60 km ile 1100 km yüksekliklerinin arasında kalan ve güneş ışınlarının etkisi ile iyonize olan gazlardan oluşan atmosfer tabakası iyonküre olarak kabul edilmektedir. Güneş ışınlarının yanı sıra jeomenyetik aktiviteler de iyonkürenin yapısı üzerinde etkili olmaktadır. Günün saatine, mevsime ve dünya üzerindeki konuma göre sürekli değişim gösteren, yön bağımlı, düzgün dağılmamış bir yapıya sahiptir. İyonlaşmanın en az olduğu ve yüksek enerjili X ışınları ile oluşan D katmanı, düşük enerjili X ışınları ile oluşan E katmanı ve mor ötesi ışınlarının etkisi ile oluşan F katmanı olmak üzere üç temel katmana ayrılarak incelenmektedir. İyonkürede ilerleyen sinyalin ilerleme yolunun hesaplanmasında en etkili parametrelerden biri iyonkürenin kırılma indisidir. İyonkürenin kırılma indisini hesaplamak için kullanılan en önemli formüllerden birisi Appleton-Hartree formülüdür [2]. Bu formül ile kırılma indisi, elektron yoğunluğu, elektron plazma frekansı, ilerleyen dalganın frekansı, dünyanın manyetik alanının akı yoğunluğu, gelen dalganın ilerleme yönü ile dünyanın manyetik alanı arasındaki açı, elektronun parçacıklarla çarpışma frekansı, elektronun dönme frekansı parametrelerine bağlı olarak hesaplanabilmektedir. Bu çalışma kapsamında Appleton – Hartree formülünün, dünyanın manyetik alanı, elektron çarpışma frekansı ve dönme frekansı ihmal edilerek sadeleştirilmiş hali kullanılmaktadır. 3. Snell Yasası ile Işın İzleme İyonkürede dalga yayılımının hesaplanmasında kullanılan, dalga denkleminden yola çıkarak çeşitli kabuller altında sağlanan analitik ve nümerik yaklaşımlar bulunmaktadır [2-4]. Bu çalışmada dalganın iyonkürede ilerlediği yolun hesaplanabilmesi için dalganın yayılması Snell yasasının uygulandığı ışın izleme ile modellenmektedir. Işın izleme değişken emilim özelliklerine, yansıma yüzeylerine ve yayılım hızlarına sahip bölgelerden oluşan bir sistem içinde dalganın ya da parçacıkların ilerleme yolunu hesaplanmasında kullanılan bir bir geometrik optik yaklaşımıdır. 4. IRI-Plas-G Yazılım Aracı IRI modeli ampirik ve iklimsel bir modeldir. IRI modeli ile kullanıcı tarafından girilecek konum ve zaman için elektron yoğunluğu, iyon bileşimi, iyon ve elektron sıcaklığı ile toplam elektron miktarı elde edilebilmektedir [5]. IRI-Plas, IRI modeline iyonkürenin 20.200 km yüksekliğine kadar olan plazma kısmının da dahil edilmesi ile ortaya çıkmıştır [6]. IRI-Plas yazılımının IONOLAB tarafından çalışmalarda duyulan ihtiyaçlar doğrultusunda iyileştirilmesi ile IRI-Plas-G sürümü elde edilmiştir [7]. IRI-Plas-G, kullanıcı tarafından belirlenen konum ve zaman verilerinin girdi sağladığı bir fonksiyon olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında her bir ızgara hücresi için elektron yoğunluğu parametresi bu fonksiyon ile elde edilmektedir. 5. İyonkürenin 3 Boyutlu Küresel Izgara Modeli İyonkürenin düzgün dağılmayan, yön bağımlı ve zamana göre değişim gösteren yapısının modellenmesine yönelik olarak üç boyutlu, küresel ızgara modeli geliştirilmiştir. Bu modelde kullanıcı enlem, boylam ve yükseklik parametrelerinin alt ve üst sınır değerleri ile bu parametrelerin çözünürlüklerini tanımlamaktadır. Bunun sonucu olarak iyonkürenin küresel koordinatlarda 3 boyutlu hücrelerden oluşan geometrik bir yapı meydana gelmektedir. 6. Çıktılar Bu bildiride anlatılan yaklaşımlar ve modeller kullanılarak MATLAB ortamında bir benzetim yazılımı geliştirilmiştir. Bu yazılımla elde edilen bazı çıktılar bu bölümde sunulmaktadır. Yeryüzünde, 40° K, 30° D enlem ve boylam konumunda bulunan kaynaktan, 45° başucu ve 0° yanca açısı ile 6 MHz frekansında gönderilen dalganın, farklı tarih ve saatlerde izlediği yayılım yolu ve yeryüzüne ulaşacağı konumlardaki farklılıklar Şekil 1’de gösterilmektedir. Şekil 2’de ise 6 MHz frekansta, 0° - 30° aralığında, 2° çözünürlükte başucu açıları ve 0° - 360° aralığında, 15° çözünürlükte yanca açıları ile kaynaktan çıkan ışın demetinin yeryüzünde aydınlattığı konum noktalarını gösteren grafik verilmektedir. Bu grafiğe göre ışın demetinin yeryüzünde aydınlattığı bölgenin yaklaşık olarak simetrik olduğu ancak küçük konum farklarının simetriyi bozduğu görülmektedir. Işının ilerlediği yol boyunca temas ettiği hücrelerin elektron yoğunluklarının farklılıklarından dolayı kırılma indisleri farklılık göstermektedir. Bu nedenle aynı yükseklikte ancak yatayda farklı konumlarda olan hücrelere gelen ışın farklı kırılma ve yansıma açıları ile yoluna devam edebilmektedir. URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ Basitleştirilmiş Formül Kullanılarak Dalga Yayılımı, Başucu 45 derece, Yanca 0 derece 01 Oca 2011 12:00 01 Oca 2011 19:00 01 Haz 2011 12:00 01 Haz 2011 19:00 1000 Yukarı (km) 800 600 400 200 0 0.05 0 600 500 -0.05 400 -0.1 300 200 -0.15 -0.2 Kuzey (km) 100 0 Doğu (km) Şekil 1. Dört farklı zaman için iyonkürede dalga yayılımı 200 150 100 Kuzey (km) 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Doğu (km) Şekil 2. Işın demetinin yeryüzünde aydınlattığı konum noktaları 7. Sonuçlar Bu çalışma kapsamında iyonkürenin üç boyutlu küresel ızgara modeli geliştirilmiştir. Bu modelde her bir hücrenin kırılma indisi sadeleştirilmiş Appleton – Hartree formülü ile hesaplanmaktadır. Kırılma indisinin hesaplanmasında kullanılan elektron yoğunluğu parametresi için IRI-Plas-G aracı kullanılmaktadır. Geliştirilen 3 boyutlu ızgara iyonküre modeli ile zamana ve konuma göre elektron yoğunluğunun hesaplanmasında kullanılan IRI-Plas-G aracı kullanılarak iyonkürenin düzgün dağılmayan ve zamana göre değişken yapısı hesaplamalara yansıtılmaktadır. Bununla birlikte kırılma indisinin hesaplanmasında iyonkürenin yön bağımlılığına sebep olan dünyanın manyetik alanı ihmal edilmektedir. Gelecek çalışmalarda kırılma indisinin Appleton-Hartree formülünün tüm bileşenleri ile birlikte hesaplanacaktır. İyonkürenin 3 boyutlu ızgara modelinde, hücre yapısının uygun çözünürlüğünün önceden belirlenmesi, enlem, boylam ve yükseklikte adım boyutlarının değişken atanması gibi iyileştirmelerin yapılması planlanmaktadır. Kaynaklar [1]. Erdem, E. ve Arıkan, F. “Düzlem Katmanlı İyonküre Modelinde Işın İzleme”, SIU, Trabzon, Türkiye, 2014. [1]. Budden, K. G. “The propagation of radio waves, the theory of radio waves of low power in the ionosphere and magnetisphere”,Cambridge UP, 1988. [2]. Hasselgrove, J. “Ray theory and a new method for ray tracing”, Report of Conference on the Physics of the Ionosphere, London Physical Society, 355 – 364, 1954. [3]. Coleman, C. J.,”A general purpose ionospheric ray tracing procedure”, Surveillance Research Lab., Technical Report, 1993. [4]. Bilitza, D., B. W. Reinisch ”International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters”, Advances in Space Research, Cilt 42, No 4, 599 - 609, 2007. [5]. Gulyaeva, T. L., X. Huang, and B. W. Reinisch, Plasmaspheric extension of topside electron density profiles, Adv. Space Res., 29(6), 825–831, 2002. [6]. Ionolab, www.ionolab.org.