Geri Dön

Investigation on the effect of geomagnetic field on safe air navigation

Jeomanyetik alanın güvenli hava navigasyonu üzerine etkilerinin araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 534678
  2. Yazar: GÖKHAN YANARDAĞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BİHTER EROL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Jeodezi bilim dalı yeryuvarının şeklinin, sayısal arazi modelinin, gravite ve jeomanyetik alanın, yeryuvarına ilişkin fenomenlerin incelenmesi ve modellenmesi konuları ile ilgilidir. Jeomanyetizmanın keşfedilmesi ile birlikte, M.Ö. 400 yılından bu yana, jeomanyetik alanın parametreleri üzerine araştırmalar ve çalışmalar devam etmektedir. Günümüzde, gelişen teknolojiyle, sadece gözlemevlerinde yersel ölçümler değil, aynı zamanda jeomanyetik alan ve bileşenlerinin toplam yoğunluğunun uydu temelli ölçümleri de jeomanyetik alan modelini türetmek için kullanılmaktadır. Dünya çapında, küresel manyetik alan modelini oluşturmak için kullanılan verileri ortaya koyan çok sayıda gözlemevleri bulunmaktadır. Yirminci yüzyılın son on yılından bu yana, hem manyetik alanın ve bileşenlerinin değişimini, hem de güneş aktivitelerinin Dünya'nın yüzeyinde ve uzaydaki etkisini gözlemlemek ve ölçmek amacıyla uydu görevleri başlatıldı. Dünya'nın manyetik alanına jeomanyetik alan denir. Jeomanyetik alanın ana kaynağı, dış çekirdekteki manyetizma özelliği gösteren bileşenler içeren iletken sıvı ve lavdır. Alanın bu kısmı temel alan olarak bilinir. Yerkabuğundaki manyetize edilmiş kayaçlar, yerkabuğunda olduğu kadar iyonosfer ve manyetosferdeki elektrik akımları tarafından Dünya dışında oluşan alan da jeomanyetik alan oluşmasında rol oynayan diğer kaynaklardandır. Manyetik alanın (B) yatay bileşeni (H) ile gerçek kuzey arasındaki açı manyetik sapma (D) veya manyetik varyasyon olarak adlandırılır. B ve yatay düzlem arasındaki açı manyetik eğim (I) veya manyetik daldırma olarak adlandırılır. D ve I birimleri derece; doğu yönünde D için pozitif, aşağı yönde I için pozitiftir. Toplam alanın (F) yatay bileşeni H, dikey bileşeni Z olarak gösterilir. Jeomanyetik alan, Dünya'nın merkezinde büyük bir çubuk mıknatıs olduğu varsayıldığında üretilecek olan manyetik alana (dipol alanı olarak adlandırılır) benzer bir alandır. Bu alan, büyük çubuk mıknatısa paralel bir simetri eksenine sahiptir ve dünyanın yüzeyini hem jeomanyetik kuzey hem de jeomanyetik güney kutuplarında keser. Dipol ekseni, Dünya'nın dönme eksenine paralel değildir, ancak yaklaşık 10 derece eğimlidir. Böylece, jeomanyetik kutuplar ve coğrafi kutuplar çakışmaz. Ancak, zaman geçtikçe jeomanyetik kutupların konumu yavaşça değişir. Böylece, jeomanyetik kutup konumunun 10 derecelik farklılığı sabit değildir ve zamanla değişmeye devam edecektir. Jeomanyetik kutupların konumsal değişimi, sapmanın yıllık değişmesine neden olur. Bu yıllık değişim, manyetizma etkisinde oluşmuş sedimanların, kayaçların veya formasyonların özelliklerini jeoloji açısından gözlemleme bilimi olan paleomanyetizma çalışmasıyla gözlemlenebilir. Demir açısından zengin kayaç bileşenleri, aynı jeolojik dönemde oluşanlarla benzer yönelim davranışları gösterir. Farklı jeolojik çağda manyetize edilmiş olan kayaç parçacıkları, farklı yönelimlerde hizalanmıştır. Bu gerçek, jeomanyetik kutup konumunun veya manyetik kuzey doğrultusunun zamana göre değiştiğini kanıtlamaktadır. 1903'te, Wright kardeşler bir uçak tasarlamış ve uçmayı denemişlerdir. Wright kardeşler, hepimizin bildiği gibi, ilk kez bir uçağı uçurmayı başaran insanlar olarak tarihteki yerlerini almışlardır. Gelişen teknoloji ve havacılık endüstrisinde gerçekleşen kilometre taşları, havacılığın çok kısa bir sürede insan ihtiyacının vazgeçilmez bir parçası olmasını sağlamıştır. Sadece uçak üretmek değil, onu uçurmak da önemlidir. Dolayısıyla, pilotların uçağı istenen rotada uçurmasına yardımcı olan seyrüsefer yardımcıları, uçağın aviyonik kısmına entegre edilmiştir. Güvenli hava seyrüseferine yönelik en büyük tehdit, navigasyon yardımcılarının manyetik kuzeye referanslanan değerleri kullanmasından kaynaklanırken, jeodezik hesaplamalar gerçek kuzeyden gelen değerleri kullanmaktadır. Gerçek kuzey ve manyetik kuzey arasındaki fark, derece olarak manyetik varyasyon (sapma) olarak adlandırılır. Bu çalışmanın amacı, jeomanyetik alanın, özellikle manyetik varyasyonun, güvenli hava seyrüseferine etkisini ortaya koymaktır. Navigasyon, belirli bir zaman ve şartlara, örneğin meteorolojik şartlar ve uçak koşullarına, dayanarak bir yolculuk planlaması bilimidir. Klasik bir seyrüsefer uçuşu için, hedefe olan mesafe, yer hızı, seyir yönü, rüzgâr düzeltme, hedefe varış zamanı, mevcut yakıt tüketimi ve kalan yakıt gibi bazı parametreler hesaplanmalıdır. Destinasyona ulaşmak amacıyla yapılan yön hesaplamaları için dikkate alınan temel parametre, seyrüsefer doğrultusudur. Son zamanlarda kullanılan navigasyon yöntemleri arasında“Dead Reckoning”, karasal, astronomik ve radyo – navigasyon metotları sayılabilir. Ticari uçuşlarda en sık kullanılan navigasyon yöntemleri radyo – navigasyon metodu ve RNAV'dir. Jeodezi biliminde kuzey, esas olarak manyetik, grid ve gerçek kuzey olarak üç çeşide ayrılır. Çoğu jeodezik hesaplamalar gerçek kuzey referans alınarak yapılır. Radyo – navigasyon metotları için, sıfır rüzgâr koşulunda, manyetik kuzey ile hedef için istenen rotanın doğrultusu arasındaki açı manyetik iz olarak adlandırılır. Manyetik ize rüzgâr düzeltmesi uygulandığında ise bu açı manyetik baş olarak adlandırılır. Pusula sapmasının manyetik başa uygulanması durumunda ise pusula başı elde edilir. Manyetik kuzey kutbun yeri yaklaşık olarak 1300 NM (deniz mili) coğrafi (gerçek) kuzey kutbun konumundan farklıdır. Bu sapma manyetik ve coğrafi meridyenler arasındaki farkla sonuçlanır. Dünyada tek bir tip manyetizma dağılımı yoktur. Bu nedenle, herhangi bir meridyendeki manyetik varyasyonu ölçmek mümkün değildir. Radyo navigasyon yardımcılarının arızalanması veya kullanılamaması durumunda, manyetik pusulalar uçakların navigasyon kısmına yedek navigasyon aleti olarak entegre edilmiştir. Bir pilotun, elektronik radyo navigasyon yardımcıları olmasa bile, uçağı kontrol etme ve istenen rotada seyre devam ettirme kabiliyetine sahip olması gerekir. Radyo seyrüsefer yardımcılarının prensipleri, manyetik varyasyonun güvenli hava seyrüseferine etkisini vurgulamak için açıkça anlaşılmalıdır. NDB (Non Directional Beacon), yerdeki belirli bir yere yerleştirilmiş bir radyo istasyonudur. Hava veya deniz seyrüsefer yardımcısı olarak kullanılır. Bunlar çoğunlukla havalimanlarına yakın konumdadır, çünkü bir havalimanına ulaşmak için en temel navigasyon bilgilerini sağlarlar. NDB'den gelen elektromanyetik sinyaller, ADF (Automatic Direction Finder) adı verilen hava aracına yerleştirilmiş bir cihaz tarafından otomatik ve sürekli olarak alınır. VOR (VHF Omnidirectional Radio Range), hava aracının istasyondan ve istasyona olan rölatif manyetik açı değerini belirten seyrüsefer cihazıdır. İçindeki“omni – ”ön eki,“tüm”anlamına gelir. Her 1 dereceye karşılık gelecek şekilde düz çizgiler yansıtır, bunların her birine radyal denir. Radyaller, manyetik kuzey referans alınarak belirlenir. Aletli İniş Sistemi (ILS – Instrument Landing System), IFR uçuşunda kullanılan en hassas navigasyon sistemidir. Lokalizer ve alçalış hattı olmak üzere en az iki elemandan oluşur. Lokalizer, pist ekseninin merkezine göre yatay düzlemde uçağı yönlendirirken, alçalış hattı yaklaşma eğimine dayalı olarak uçağa dikey yönlendirme sağlar. RNAV, yer bazlı olarak, uzay bazlı olarak, hali hazırda uçakta bulunan sistemler yardımı veya bunların kombinasyonu ile herhangi bir uçuş güzergahı boyunca uçabilmesini sağlayan bir navigasyon metodudur. Bu metot, GNSS (uydu bazlı), DME/DME (yer bazlı), VOR/DME (yer bazlı) veya daha nadir olarak INS/IRS (kendi kendine yeten) gibi farklı sensörler kullanılarak uygulanabilir. Bir pilotun altmış mil kat etmesi halinde, rotadaki bir millik bir hata yaklaşık 1º'lik bir sapmaya sebep olur. Daha büyük hatalar orantılı olarak daha fazla sapmaya sebep olur. Kural, 60 NM boyunca bir derece sapmanın, rotanın 1 NM yer değiştirmesi ile sonuçlanacağını belirtir. 60'a 1 kuralı, %4.7'lik bir yanılma payıyla sonuçlanacağını kanıtlamaktadır. Bir pilotun 600 NM boyunca 1º'lik sapma ile uçması, rotadan yaklaşık 10.5 NM sapması ile sonuçlanacağı anlamına gelmektedir. Jeomanyetik alanın neden olduğu manyetik varyasyon veya sapmanın, hassas ve güvenli navigasyon uçuşları için navigasyon hesaplamalarına uygulanmasının önemli olduğu açıkça görülmektedir. Avrupa'da, manyetik varyasyon değerleri -2º (2ºW) ve + 8º (8ºE), toplam 10 derece arasında değişiklik göstermektedir. Rotada yapılacak olası 10 derecelik bir yanlışlık, güvenli hava seyrüseferini tehdit eden çok büyük sapmaya neden olabilir. Bu tez çalışmasının amacı, belirlenen örnek uçuş rotalarında gerçekleştirilecek hesaplamalar ile jeomanyetik alanın neden olduğu sapmanın hava navigasyonuna etkisini detaylı bir biçimde incelemektir. Ayrıca, bu etkinin uçuş maliyeti açısından da bir değerlendirmesini yapmaktır.

Özet (Çeviri)

Geodesy is mainly concerned with the determination of the shape of the Earth surface, digital surface model, parameters of gravity and geomagnetic field and their changes through a certain period of time. Since the year 400 B.C., with the discovery of geomagnetism, investigations and studies on the parameters of geomagnetic field have been carrying on. Nowadays, with developing technology, not only terrestrial measurements at observatories, but satellite – based measurements of total intensity of geomagnetic field and its components are also used to derive geomagnetic field model. Throughout the Earth, there are plenty numbers of observatories which reveals the data used to create the global model of magnetic field. Since the last decade of 20th century, satellite missions have been launched to observe and measure the changes of not only magnetic field and its components, but also the effects of solar activities at both Earth's surface and space by time. The Earth's magnetic field is called geomagnetic field. The main source of the geomagnetic field is conducting fluid and lava containing magnetized ingredients from outer core. This part of the field is known as main field. Magnetized rocks in the Earth's crust, fields generated outside the Earth by electric current in the ionosphere and magnetosphere as well as in the Earth's crust are other sources which play the role in generating geomagnetic field. The angle between horizontal component of magnetic field and the true north is called magnetic declination or magnetic variation. The angle between magnetic field and the horizontal plane is called magnetic inclination or magnetic dip. The units of magnetic declination and magnetic inclination are degrees, positive for declination in direction of east, positive for inclination in direction of down. Total field is composed of horizontal component and vertical component. The geomagnetic field is similar to the field that would be generated if there were a huge bar magnet centered in the Earth, called a dipole field. It has an axis of symmetry parallel to that huge bar magnet and intersects the Earth's surface at both geomagnetic north and south poles. The dipole axis is not parallel to the Earth's rotation axis but is inclined approximately 10 degrees away. Thus, geomagnetic poles and geographic poles are not coincident. But, the position of the geomagnetic poles changes slowly as time goes by. So, this 10 degrees away position of geomagnetic pole is not fixed and will continue to change by time. The positional change of geomagnetic poles causes the annual change of the declination. That annual change can be observed by the study of paleomagnetism, which is the science of observing the properties of magnetized sediments, rocks or formations in terms of geology. Iron – rich rock materials show similar alignment behavior with those formed in the same geological epoch. Ferrous particles of rocks, which had been magnetized in different geological era, aligned in different directions. This fact proves that the location of geomagnetic pole, or magnetic north direction, changes by time. In 1903, the Wright brothers designed an airplane and attempted to fly it. The Wright brothers, as we all know, are written in the history as the people succeeded first time ever to fly an airplane. Developing technology and taking the milestone in aviation industry have led the aviation to be the essential part of human need in such a short period of time. Not only producing airplanes, but to fly it is also important. Therefore, navigation aids which help pilots to fly the airplane on desired route were integrated to avionic part of the airplane. The major threat on safe air navigation is caused by the fact that navigation aids use magnetic values of degrees which are referenced to the magnetic north, whereas geodetic computations use true values of degrees that are originated from the true north. The difference between true north and magnetic north is called magnetic variation (declination), in degree. The scope of this study is to exhibit the effects of geomagnetic field, especially magnetic variation, on safe air navigation. Navigation is the science of planning a voyage safely based on given time and conditions i.e. meteorological and aircraft conditions. For a classical navigation flight, some parameters which are remaining distance to destination, ground speed, traveling direction, wind correction, time to destination, current fuel consumption, and remaining fuel have to be calculated. The essential parameter which has to be taken into account for directional computations to destination is traveling direction. Navigation methods recently used are Dead Reckoning, terrestrial, astronomic and radio – navigation. The most frequently used navigation methods in commercial flights are radio – navigation method and RNAV. As known in geodesy science, the north is mainly divided into three types which are true, magnetic and grid. The most geodetic calculations are made by referencing true north. For radio – navigation methods, the angle between magnetic north and the direction of desired route to destination in zero wind condition is used, called as magnetic course. If wind correction is applied on magnetic course, then that angle is called as magnetic heading. In case of applying compass deviation to magnetic heading, compass heading is obtained. Position of the north magnetic pole is deviated approximately 1300 NM (nautical mile) from the position of geographic (true) north. This deviation results in difference between magnetic and geographical meridians. The Earth does not have a uniform distribution of magnetism. Therefore, it is not possible to measure the magnetic variation at any single meridian. Magnetic compasses are integrated into navigation part of aircraft as standby instrument in case of unavailable radio navigation aids. A pilot has to be capable of controlling the aircraft and navigating through desired route even there is no electronic navigation aid. The principles of radio navigation aids have to be understood clearly to emphasize the effect of magnetic variation on safe air navigation. A Non Directional Beacon (NDB) is a radio station placed in an identified location on the ground and it is used as an aviation or maritime navigation aid. These beacons are mostly located near airports since they provide the simplest navigation information to reach an airport. Magnetic signals from NDB are received by an onboard instrument which is called Automatic Direction Finder (ADF). The NDB signal is received by the ADF which automatically and continuously displays the relative bearing from the aircraft to the selected NDB. VOR (VHF Omnidirectional Radio Range) is a navigation aid that provides magnetic bearing information to and from the station. The prefix“omni-”means“all”, and an omnidirectional range is a VHF radio transmitting ground station that projects straight line courses (radials) from the station in all directions. These radials are referenced to magnetic north (MN). The Instrument Landing System (ILS) is the most precise navigation system used in IFR flight. It is composed of at least two elements which are localizer and glide slope. Localizer directs aircraft in horizontal plane with respect to center of the runway axis, while glide slope provides vertical guidance to the aircraft based on approach slope. RNAV is a method of navigation which permits aircraft operation on any desired flight path within the coverage of ground – based or space – based navigation aids or within the limits of self – contained aids, or a combination of these. Area navigation can be applied by using various sensors: GNSS (satellite – based), DME/DME (ground – based), VOR/DME (ground – based), or more rarely INS/IRS (self – contained). If a pilot has travelled sixty miles then an error in track of one mile is approximately a 1° error in heading, and proportionately more for larger errors. The rule states that one degree deviation along 60 NM will result in 1 NM displacement from the course. This result proves that the 1 in 60 rule is %4.7 inaccurate. It means that if a pilot flies an aircraft over a distance of 600 NM with 1º displacement, it will result in approximately 10.5 NM off the course. It can be clearly seen that it is important to apply magnetic variation or declination, caused by geomagnetic field, to navigation calculations for precise and safe navigation flights. In Europe, magnetic variation values vary between -2º (2ºW) and +8º (8ºE), total of 10 degrees. 10 degrees off the course might result in excessive displacement of distance which threatens safe air navigation. So, the purpose of this thesis is investigating the effect of the geomagnetic field to the flight routes by means of error in heading via the numerical results along the selected routes. In the analyses, the economical aspects of this error on the flight expenses are mentioned and discussed as well.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    689421

    Türkiye stratoküresindeki rüzgarlar ile toplam elektron içeriği arasındaki ilişkinin incelenmesi

    Investigation of relationship between total electron content with winds in stratosphere over Turkey

    HAKAN ÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMuş Alparslan Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK SAĞIR

  2. Tez No

    777911

    Statistical investigation of magnetosphere-ionosphere-ground interaction over mid-latitudes during geomagnetic storms

    Jeomanyetik fırtınalar sırasında orta enlemlerdeki manyetosfer-iyonosfer-yer etkileşiminin istatistiksel olarak incelenmesi

    EZGİ GÜLAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ

  3. Tez No

    39670

    Erzincan manyetotelürik verilerinin değerlendirilmesi (profil-A)

    Interpretation of Erzincan mt measurements

    HIDIR AYGÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. İLYAS ÇAĞLAR

  4. Tez No

    731341

    Uzay iklim koşullarının toplam elektron yoğunluğu (TEC) üzerindeki etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effects of space weather conditions on total electron content (TEC)

    MERVE GÜNGÖR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Astronomi ve Uzay BilimleriNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SALİH ALÇAY

  5. Tez No

    540000

    A study on upper atmospheric joule heating using observations and coupled models and a space weather consequence: Geomagnetically induced currents

    Yukarı atmosfer joule ısınmasının gözlem ve uzay havası modelleri kullanarak kapsamlı incelenmesi ve bir uzay havası uygulaması: Jeomanyetik akımlar

    EMİNE CEREN EYİGÜLER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ

Geri Dön