이온층 구면을 사각형 격자로 분할하여 각 격자에서 총전자수를 추정하는 지역적 GPS 이 온층 모델을 제시한다. 한반도 상공을 위도와 경도 1$^{\circ}$$\times$1$^{\circ}$의 공간해상도를 가진 격자로 구분하고 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 격자 상의 총전자수를 추정하였다. 이 연구를 위해 한국천문연구원에서 운영하고 있는 전국 규모의 9개 GPS 상시 관측소의 데이터를 이용하였다. 수신된 의사거리 데이터의 측정 잡음을 줄이기 위해 의사거리와 반송파 위상 데이터를 선형 조합한 위상보정 의사거리(phase-leveled pseudorange) 데이터를 새롭게 만들어 사용하였다. 또한 지역적 이온층의 변화에 적합한 태양-지자기 좌표계(solar-geomagnetic reference frame)를 이용하였다. 태양 활동이 비교적 활발하지 않은 때의 경우, 이 연구의 모델은 이온층 활동이 활발한 낮 시간대의 총전자수가 대략 30-45 TECU 정도로 나타났다. 이 모델의 신뢰성을 평가하기 위해 한국천문연구원(Korea Astronomy Observatory, KAO)의 지역적 모델과 Center for Orbit Determination in Europe의 전 지구적 모델에 의한 총전자수를 동일 지역에 대해 비교했을 때 5일 동안 약 4-5 TECU 정도의 RMS 차이를 보였다.
이온층 구면을 사각형 격자로 분할하여 각 격자에서 총전자수를 추정하는 지역적 GPS 이 온층 모델을 제시한다. 한반도 상공을 위도와 경도 1$^{\circ}$$\times$1$^{\circ}$의 공간해상도를 가진 격자로 구분하고 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 격자 상의 총전자수를 추정하였다. 이 연구를 위해 한국천문연구원에서 운영하고 있는 전국 규모의 9개 GPS 상시 관측소의 데이터를 이용하였다. 수신된 의사거리 데이터의 측정 잡음을 줄이기 위해 의사거리와 반송파 위상 데이터를 선형 조합한 위상보정 의사거리(phase-leveled pseudorange) 데이터를 새롭게 만들어 사용하였다. 또한 지역적 이온층의 변화에 적합한 태양-지자기 좌표계(solar-geomagnetic reference frame)를 이용하였다. 태양 활동이 비교적 활발하지 않은 때의 경우, 이 연구의 모델은 이온층 활동이 활발한 낮 시간대의 총전자수가 대략 30-45 TECU 정도로 나타났다. 이 모델의 신뢰성을 평가하기 위해 한국천문연구원(Korea Astronomy Observatory, KAO)의 지역적 모델과 Center for Orbit Determination in Europe의 전 지구적 모델에 의한 총전자수를 동일 지역에 대해 비교했을 때 5일 동안 약 4-5 TECU 정도의 RMS 차이를 보였다.
We present a GPS-derived regional ionosphere model, which estimates Total Electron Content (TEC) in a rectangular grid on the spherical shell over Korea. After dividing longitude and latitude over Korea with 1$^{\circ}$$\times$1$^{\circ}$ spatial resolution, the TEC ...
We present a GPS-derived regional ionosphere model, which estimates Total Electron Content (TEC) in a rectangular grid on the spherical shell over Korea. After dividing longitude and latitude over Korea with 1$^{\circ}$$\times$1$^{\circ}$ spatial resolution, the TEC at the vertex of the grid was estimated by the Kalman filter. The GPS data received from nine nationwide GPS stations, operated by Korea Astronomy Observatory (KAO), were used for this study. To reduce inherent noises, the pseudorange data were phase-leveled by a linear combination of pseudoranges and carrier phases. The solar-geomagnetic reference frame, which is less variable to the ionosphere movement due to the Sun and the geomagnetic field than an Earth-fixed frame, was used. During a quiet time of solar activity, the KAO's regional ionosphere map indicated 30-45 Total Electron Content Unit at the peak of the diurnal variation. In comparison with the Global ionosphere Map of the Center for Orbit Determination in Europe, RMS differences were at the level of 4-5 TECU for five days.
We present a GPS-derived regional ionosphere model, which estimates Total Electron Content (TEC) in a rectangular grid on the spherical shell over Korea. After dividing longitude and latitude over Korea with 1$^{\circ}$$\times$1$^{\circ}$ spatial resolution, the TEC at the vertex of the grid was estimated by the Kalman filter. The GPS data received from nine nationwide GPS stations, operated by Korea Astronomy Observatory (KAO), were used for this study. To reduce inherent noises, the pseudorange data were phase-leveled by a linear combination of pseudoranges and carrier phases. The solar-geomagnetic reference frame, which is less variable to the ionosphere movement due to the Sun and the geomagnetic field than an Earth-fixed frame, was used. During a quiet time of solar activity, the KAO's regional ionosphere map indicated 30-45 Total Electron Content Unit at the peak of the diurnal variation. In comparison with the Global ionosphere Map of the Center for Orbit Determination in Europe, RMS differences were at the level of 4-5 TECU for five days.
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문제 정의
이 연구는 적은 수의 상시 관측소를 이용하여 비교적 빠른 시간 내에 정밀 계산이 가능한 지역적 이온층 모델을 제시한다. GPS 데이터를 이용한 시선 방향 총전자수 계산 방법과 GPS 데이터의 잡음을 줄이는 보정법에 대해 소개하고 사각형 격자 모델을 근간으로 한 시공간상의 수직 방향 총전자수(Vertical TEC, VTEC) 추정 방법을 논한다.
가설 설정
, 1998). 이 논문에서도 가상의 단일층 높이를 450 km로 가정하였다. Fig.
제안 방법
이 연구는 적은 수의 상시 관측소를 이용하여 비교적 빠른 시간 내에 정밀 계산이 가능한 지역적 이온층 모델을 제시한다. GPS 데이터를 이용한 시선 방향 총전자수 계산 방법과 GPS 데이터의 잡음을 줄이는 보정법에 대해 소개하고 사각형 격자 모델을 근간으로 한 시공간상의 수직 방향 총전자수(Vertical TEC, VTEC) 추정 방법을 논한다.
반면 어】, 의사거리 데이터는 신호끊김 현상이 없고 모 호정수를 찾을 필요가 없지만, 다중경로 오차(multipath error)와 시스템의 잡음이 많이 내재되어있다. 따라서 이 연구에서는 의사거리와 반송파 위상 데이터의 장단점을 상호 보완한 위상보정 의 사거리(phase-leveled pseudorange) 데이터를 이용하여 총전자수를 계산한다.
이 연구에서는 KAO 관측소에서 30초 간격으로 120분 동안 수신한 위상보정 의사거리 데이터를 가지고 식(6)에 칼만 필터를 적용하여 수직 방향 총전자수를 추정하였다. 또 GPS 위성과 수신기의 오차는 수직 방향 총전자수 추정 과정에서 동시에 계산된다(Wilson and Mannucci, 1993).
한반도 상공의 총전자수 추정 값은 아직 비교할 만한 데이터나 모델이 존재하지 않기 때문에 CODE의 GIM과 상대적인 비교를 하였다. Fig, 5는 KAO의 모델로 추정한 5일 동안의 한반도 상공 총전자수 값들을 위도 35°와 37°에 대해 각각 CODE의 GIM과 비교하였다.
대상 데이터
국내 GPS 관측망의 데이터를 이용하여 준-실 시간 구현이 가능한 한반도 상공의 지역적 이온층 지도가 만들어졌다 이온층 변화에 적합한 태양- 지자기 좌표계를 사용하였고 위상보정 의사거리 데이터를 통하여 관측 값의 잡음을 줄였다. 이 연구의 l°xl° 사각형 격자 모델을 통해 한반도 상 공의 준-실시간 총전자수 추정이 가능하였다.
30 TECU의 RMS 차이를 보였다. 비교에 사용된 CODE의 모델은 전세계 상공의 경도와 위도를 5°X2.5° 격자로 분할하여 추정된 총전자수의 값을 2시간 마다 제공 한 것이다. 그래서 KAO 의 모델과 비교하기 위해 CODE의 GIM 중에서 한반도 상공에 해당하는 데이터를 가지고 겹삼차 스플라인 (bi-cubic-spline) 보간법 (interpolation)을 적용하여 주어진 공간 해상도 l°xl。로 변환하였다.
2는 한반도 상공을 공간 해상도에 따라 나눈 격자들과 이 연구에 서 사용된 한국천문연구원 (Korea Astronomy Observatory, KAO) 에서 운영하는 9개의 GPS 상시 관측소의 위치를 보여주고 있다. 이 연구에 사용된 관측소들의 위치는 경도 126도에서 130도, 위도 33도에서 39도 사이에 존재한다.
데이터처리
한반도 상공의 총전자수 추정 값은 아직 비교할 만한 데이터나 모델이 존재하지 않기 때문에 CODE의 GIM과 상대적인 비교를 하였다. Fig, 5는 KAO의 모델로 추정한 5일 동안의 한반도 상공 총전자수 값들을 위도 35°와 37°에 대해 각각 CODE의 GIM과 비교하였다. 2003년 1월 25일은 다른 날짜에 비해 총전자수가 비교적 높았고, 지역적 GPS 데이터에 의해 추정된 KAO의 모델은 CODE의 GIM에 비해 높은 수치를 기록하였다.
이론/모형
이 두 모델은 전 세계 100여 개 이상의 GPS 상시 관측소의 데이터를 이용하여 만들어진다. JPL 의 모델은 삼각형 격자를 이용한 보간법을 사용하며 (Wilson and Mannucci, 1993), CODE는 구면 조화함수(spherical harmonics)를 사용한다. 이들은 주로 전 지구적 규모의 이온층 모델에 사용되고 있다.
성능/효과
이 연구의 l°xl° 사각형 격자 모델을 통해 한반도 상 공의 준-실시간 총전자수 추정이 가능하였다. 5일 동안 추정된 l°xl° 격자상의 총전자수를 시간대 별로 CODE의 GIM과 비교했을 때 4-5 TECU의 RMS 차이로 비교적 잘 일치하였다. 이 연구에서 제시한 한반도 상공의 총전자수 추정 방법과 모델의 적절함을 보여준다.
Fig. 5에서 보는 것처럼, 2003년 1월 25일부터 1 월 29일 까지 5일 동안의 총전자수 분포는 CODE 의 GIM과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. KAO의 모델과 CODE의 모델은 위도 35°일 때는 4.
5일 동안 추정된 l°xl° 격자상의 총전자수를 시간대 별로 CODE의 GIM과 비교했을 때 4-5 TECU의 RMS 차이로 비교적 잘 일치하였다. 이 연구에서 제시한 한반도 상공의 총전자수 추정 방법과 모델의 적절함을 보여준다.
국내 GPS 관측망의 데이터를 이용하여 준-실 시간 구현이 가능한 한반도 상공의 지역적 이온층 지도가 만들어졌다 이온층 변화에 적합한 태양- 지자기 좌표계를 사용하였고 위상보정 의사거리 데이터를 통하여 관측 값의 잡음을 줄였다. 이 연구의 l°xl° 사각형 격자 모델을 통해 한반도 상 공의 준-실시간 총전자수 추정이 가능하였다. 5일 동안 추정된 l°xl° 격자상의 총전자수를 시간대 별로 CODE의 GIM과 비교했을 때 4-5 TECU의 RMS 차이로 비교적 잘 일치하였다.
후속연구
현재 천문연구원에서는 2차원 이온층 모델을 발전시켜 3차원에서의 시선 방향을 따른 정확한 종전자수를 계산하는 연구가 진행 중이다. 이 연구와 더불어 향후 3차원적 이온층의 총전자수 결정은 통신 장애, 그리고 우주 환경 연구 등 다양한 분야에 기여할 수 있으리라 전망된다.
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