Statistical Analysis of Performance of Global Ionosphere Maps with GNSS Data in Turkey

Abstract

Signals traveling between space and earth are effected from free electrons in the ionosphere layer of the atmosphere, depending on their frequencies. In this context, accurate and precise determination of the amount of free electrons in the ionosphere is very important for many different disciplines. Nowadays, many different institutions/organizations produce ionosphere models on a global scale using various calculation techniques. In this study, 11 different Global Ionospheric Map (GIM) data produced by 6 different institutions/organizations were compared with TEC data obtained from ankr station of International GNSS Service (IGS). The comparison covers 2013-2014 with high solar activity and 2017-2018 with low solar activity. The results showed that the GIM-TEC values produced by IGS in 2013-2014 and CODE in 2017-2018 were more compatible with the GNSS-TEC values. Accordingly, the lowest annual RMSE values of the GIM-TEC and GNSS-TEC differences were found to be about 1 TECU of IGSG in 2013-2014 and about 0.6 TECU of CODG in 2017-2018. The results of the study shown that it is necessary to investigate the GIM performances according to the solar activity and different regions of the world, especially in studies where it is important to obtain the precise ionospheric TEC values (positioning, navigation, remote sensing, communication, etc.).

Keywords

• GNSS
• Ionosphere
• Global ionosphere map
• Performance analysis

Küresel İyonosfer Haritalarının Türkiye’deki Performansının GNSS Verileriyle İstatistiksel Olarak İncelenmesi

Abstract

Uzay ve yerküre arasında seyahat eden sinyaller frekanslarına bağlı olarak atmosferin iyonosfer katmanındaki serbest elektronlardan etkilenir. Bu kapsamda iyonosferdeki serbest elektron miktarının doğru ve hassas olarak belirlenebilmesi birçok farklı disiplin açısında oldukça önemlidir. Günümüzde birçok farklı kurum/kuruluş çeşitli hesaplama tekniklerini kullanarak küresel ölçekte iyonosfer modelleri üretmektedir. Bu çalışmada, 6 farklı kurum/kuruluş tarafından üretilen 11 farklı Küresel İyonosfer Haritası (GIM: Global Ionosphere Map) verisi, Uluslararası GNSS Servisi (IGS: International GNSS Service)’ne ait ankr (39.890N, 32.760E) kodlu istasyondan elde edilen Toplam Elektron İçeriği (TEC: Total Electron Content) verileriyle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma, yüksek güneş aktivitesinin olduğu 2013-2014 ve düşük güneş aktivitesinin olduğu 2017-2018 yıllarını kapsamaktadır. Sonuçlar, 2013-2014 yıllarında IGS ve 2017-2018 yıllarında Avrupa Yörünge Belirleme Merkezi (CODE: Center for Orbit Determination in Europe) tarafından üretilmekte olan GIM-TEC değerlerinin GNSS-TEC değerleriyle daha uyumlu olduğunu göstermiştir. Buna göre GIM-TEC ile GNSS-TEC farklarının en düşük yıllık kök ortalama karesel hata (RMSE: Root Mean Square Error) değerleri, 2013-2014 yıllarında IGSG ’de yaklaşık 1 TECU ve 2017-2018 yıllarında CODG ’de yaklaşık 0.6 TECU olarak tespit edilmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlar, güneş aktivitesi ve dünya üzerindeki farklı bölgelere göre GIM performanslarının incelenmesinin, özellikle iyonosferik TEC değerlerinin hassas olarak elde edilmesinin önemli olduğu çalışmalarda (konum belirleme, seyrüsefer, uzaktan algılama, haberleşme vb.) gerekli olduğunu göstermiştir.

Keywords

• GNSS
• İyonosfer
• Küresel iyonosfer haritası
• Performans analizi

References

1. Alizadeh M., Schuh H., Todorova S., and Schmidt M., 2011. Global Ionospheric Maps of VTEC from GNSS, Satellite Altimetry and FORMOSAT-3/COSMIC Data. Journal of Geodesy, 85(12), 975-987.
2. Ciraolo, L., Azpilicueta, F., Brunini, C., Meza, A., and Radicella, S. M., 2007. Calibration errors on experimental slant total electron content (TEC) determined with GPS. Journal of Geodesy, 81(2), 111-120.
3. Feltens, J., and Schaer, S., 1998. IGS Products for the Ionosphere. In Proceedings of the 1998 IGS Analysis Center Workshop Darmstadt, Germany.
4. Hein, W. Z., Goto, Y., and Kasahara, Y., 2016. Estimation method of ionospheric TEC distribution using single frequency measurements of GPS signals. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 7(12), 1-6.
5. Hernández-Pajares M., Juan J. M., Sanz J., Orus R., Garcia-Rigo A., Feltens J., Komjathy A., Schaer S. C., and Krankowski A., 2009. The IGS VTEC maps: a reliable source of ionospheric information since 1998. Journal of Geodesy, 83(3-4), 263-275.
6. Li, M., Yuan, Y., Wang, N., Li, Z., and Huo, X., 2018. Performance of various predicted GNSS global ionospheric maps relative to GPS and JASON TEC data. GPS Solutions, 22(2), 55.
7. Li, M., Zhang, B., Yuan, Y., and Zhao, C., 2019. Single-frequency precise point positioning (PPP) for retrieving ionospheric TEC from BDS B1 data. GPS Solutions, 23(1), 18.
8. Luo, W., Liu, Z., and Li, M., 2014. A preliminary evaluation of the performance of multiple ionospheric models in low-and mid-latitude regions of China in 2010–2011. GPS Solutions, 18(2), 297-308.

9. Mannucci A. J., Wilson B. D., Yuan D. N., Ho C. H., Lindqwister U. J., and Runge T. F., 1998. A Global Mapping Technique for GPS-Derived Ionospheric Total Electron Content Measurements. Radio Science, 33(3), 565-582.
10. Orús, R., Hernández-Pajares, M., Juan, J. M., Sanz, J., and Garcıa-Fernández, M., 2002. Performance of different TEC models to provide GPS ionospheric corrections. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 64(18), 2055-2062.
11. Roma-Dollase, D., Hernández-Pajares, M., Krankowski, A., Kotulak, K., Ghoddousi-Fard, R., Yuan, Y., Li, Z., Zhang, H., Shi, C., Wang, C., Feltens, J., Vergados, P., Komjathy, A., Schaer, S., García-Rigo, A., and Gómez-Cama, J. M., 2018. Consistency of seven different GNSS global ionospheric mapping techniques during one solar cycle. Journal of Geodesy, 92(6), 691-706.
12. Salinas, A., Toledo‐Redondo, S., Navarro, E. A., Fornieles‐Callejón, J., and Portí, J. A., 2016. Solar storm effects during Saint Patrick's Days in 2013 and 2015 on the Schumann resonances measured by the ELF station at Sierra Nevada (Spain). Journal of Geophysical Research: Space Physics, 121(12), 12-234.
13. Schaer, S., Gurtner, W., and Feltens, J., 1998. IONEX: The ionosphere map exchange format version 1. In Proceedings of the IGS AC workshop, Darmstadt, Germany.
14. Şentürk, E., and Çepni, M. S., 2018. Ionospheric temporal variations over the region of Turkey: a study based on long-time TEC observations. Acta Geodaetica et Geophysica, 53(4), 623-637.
15. Şentürk, E., and Çepni, M. S., 2019. Performance of different weighting and surface fitting techniques on station-wise TEC calculation and modified sine weighting supported by the sun effect. Journal of Spatial Science, 64(2), 209-220.
16. Tapping, K. F., 2013. The 10.7 cm solar radio flux (F10. 7). Space Weather, 11(7), 394-406.
17. Xiang, Y., Yuan, Y., Li, Z., and Wang, N., 2015. Analysis and validation of different global ionospheric maps (GIMs) over China. Advances in Space Research, 55(1), 199-210.