Sayısal Zenit kamera sistemi ile astro-jeodezik çekül sapmalarının belirlenmesi

GNSS'den etkin olarak yararlanabilmenin temel koşulu bir cm-geoidinin belirlenmesi olduğundan güncel çalışmalar prezisyonlu geoit belirlemeye odaklanmıştır. Astro-jeodezik teknik, temel bir geoit belirleme yöntemi olmasına rağmen analog ekipmanlardaki ve zaman belirlemedeki kısıtlamalar, bu yöntemin kullanımını zaman içinde azaltmıştır. Geçmişte gerçekleştirilmiş çalışmalar, geleneksel optik-mekanik doğrultu ölçme ve zaman belirleme yöntemleri ile çekül sapmalarının ±1'' doğrulukla belirlenebildiğini göstermiştir. Astro-jeodezik çekül sapmaları geoit belirleme ve yoğunluk araştırmalarında önemli ölçülerdir. CCD sensörlerin icadı ve GPS sisteminin yaygın kullanımı, astronomik çalışmalarda olduğu gibi jeodezik astronomi alanında da önemli gelişmeler sağlamıştır. Klasik optik-mekanik sistemler CCD sensörlerle, GPS donanımıyla ve prezisyonlu eğim ölçerlerle güncellenmiş ve sayısal zenit kamera sistemlerinin geliştirilmesiyle astro-jeodezik çekül sapmalarının belirlenmesi çalışmaları güncelleşmiştir. Tez çalışması iki ayrı bölümde ele alınmıştır. İlk bölümde; oluşturulan sayısal zenit kamera sistemi için gerçekleştirilen ön çalışmalar, belirlenen bileşenler ve bu bileşenlerin entegrasyonu incelenmiştir. Sayısal zenit kamera sisteminde, 20 cm ayna açıklığına sahip bir teleskop, yüksek kuantum etkinliği değerine sahip CCD kamera, elektronik eğim ölçerler ve GPS alıcısı, mekanik olarak entegre edilerek taşınabilir bir sistem oluşturulmuştur. Sistem bileşenlerinin bir kontrol ünitesi olarak kullanılan bilgisayar yardımıyla veri akışı sağlanmış ve sistem kontrolü otomatize edilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise; gerçekleştirilen gözlemler ve sonuçlar araştırılmıştır. Teleskop/CCD kamera entegrasyonu ile yıldız görüntüleri elde edilmekte, GPS ile elde edilen prezisyonlu zaman bilgisi bu görüntülerle ilişkilendirilmektedir. Sayısal eğim ölçerlerden sistemin zenit doğrultusunda yönlendirmek için yararlanılmaktadır. Oluşturulan sayısal zenit kamera sistemi ile öncelikle, Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi kampüsünde bulunan, geçmişte Danjon astrolabı laboratuvarı olarak kullanılan test istasyonunda ölçmeler gerçekleştirilmiştir. En uygun tasarımın belirlenmesi için eksen kontrolleri, gerçekleştirilen yıldız gözlemleri ile test edilmiştir. Sistem ile elde edilen yıldız görüntülerinde olası yıldızlar merkez belirleme algoritmaları (Point Spread Function, Ağırlık merkezi) kullanılarak belirlenmiştir. Görüntülerde belirlenen yıldızlar, görüntünün elde edildiği sisteme ait bilgiler ile birlikte (odak uzaklığı, CCD sensör boyutları, piksel ölçeği) GSC (Guide Star Catalog), UCAC2 (U.S. Naval Observatory CCD Astrograph Catalog) ve UCAC3 kataloglarındaki referans yıldızlar kullanılarak tanımlanmıştır. Referans yıldızların koordinatları referans epoğunda (J2000.0) tanımlıdır. Görüntülerde tanımlanan yıldızların, yer dönme parametreleri (zaman, kutup hareketleri, presesyon ve nütasyon), yıldızların öz hareketleri, basınç, sıcaklık, ölçme istasyonunun jeodezik koordinatları ve güneş sistemindeki cisimlerin efemeris bilgileri kullanılarak, toposentrik görünen koordinatları hesaplanmıştır. Zenit ve civarındaki yıldızların koordinatları kullanılarak izdüşümsel transformasyon yardımıyla zenit noktasının koordinatları elde edilmiştir. Zenit noktasının ortalama koordinatları sistemin dört farklı durumundan eğim düzeltmeleri getirilerek hesaplanmış, GPS ile elde edilen jeodezik koordinatlar kullanılarak çekül sapması bileşenleri hesaplanmıştır. Ana istasyon olan Kandilli istasyonunda enlem belirleme prezisyonu ±0.19'' ve boylam belirleme prezisyonu ±0.28 bulunmuştur. Sistem İstanbul Anadolu yakasında belirlenen 4 noktalı, ortalama kenar uzunluğu 20 km olan bir ağda test edilmiştir. Test ağında çekül sapmasının Kuzey-Güney ve Doğu-Batı bileşenlerinde ortalamanın karesel ortalama hatasının ortalamaları sırasıyla 0.35'' ve 0.37'' olarak hesaplanmıştır. Elde edilen çekül sapmaları global jeopotansiyel modellerle (EGM08, GGM+) karşılaştırılmış ve sonuçların büyük ölçüde uyuştuğu gözlemlenmiştir. Test ağında elde edilen çekül sapmaları ile astronomik nivelman yöntemiyle geoit yükseklikleri hesaplanmış ve GPS/Niv yöntemiyle elde edilen geoit yükseklik farklarıyla karşılaştırılmıştır. SZKS ile GPS/Niv yöntemleri ile elde edilen farklardan 1 km'lik uzunlukta bir geoit yüksekliği belirlemenin karesel ortalama hatası, farklı ağırlıklarla; PΔN = 1/Skm için ±14.7 mm/km, PΔN = 1/S2km için ±2.9 mm/km olarak bulunmuştur. Test ağında hesaplanan geoit yüksekliği değişimleri ölçü alınarak, en küçük kareler yöntemiyle, Kandilli istasyonunun geoit yüksekliğine bağlı olarak dengelenmiş ve birim ölçünün karesel ortalama hatası; PΔN = 1/Skm için ±17.6 mm/km, PΔN = 1/S2km için ±3.6 mm/km bulunmuştur. Dengeleme sonucu, hesaplanan geoit yüksekliklerinin karesel ortalama hatası PΔN = 1/Skm için maksimum ±57.1 mm, PΔN = 1/S2km için maksimum ±54.6 mm olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma kapsamında SZKS ile elde edilen sonuçların GPS/Niv ölçüleri ile birlikte değerlendirilebilir doğruluklara sahip, geoit belirlemede kullanılabilir olduğu ve ulusal yükseklik sisteminin modernizasyonu çalışmalarına katkı koyabilecek nitelikte olduğu belirlenmiştir. Geliştirilen sistem farklı amaçlar için üretilmiş donanım bileşenlerinin bir SZKS olarak tasarlanıp prezisyonlu çekül sapması bileşenlerini elde edebilecek şekilde çalışması amaçlanmıştır. Sistemin geliştirilmesi ve prezisyonun artırılması için gerekli güncellemelere ilişkin öneriler tez çalışmasının sonucunda tartışılmıştır. Bu çalışma TÜBİTAK Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı kapsamında 111Y125 numaralı proje numarası ile desteklenmiştir.