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문제 정의
- 이 연구에서는 파동 수 대 비법을 이용하여 TAM 자료를 처리하였는데, 이는 KOMPSAT-1 이 태양동 주기 극궤도 위성으로, 남동에서 북서쪽으로 진행하는 상승궤도에서 측정된 자료 _가 태양을 향했을 때에 관측된 지구 자기장 자료이며 이와 반대로 하강 궤도의 경우는 KOMPSAT-1 이 태양의 반대편에서 운행될 때 측정된 자료이다. 따라서 이 연구에서는 KOMPSAT-1 TAM에서 관측된 지구 자기장을 상승궤도(주간 관측) 및 하강 궤도(야간 관측)로 나뉘어 처리하였는데, 이는 태양에 의해 변화하는 외부 자기장의 영향을 효과적으로 제거해주기 위해서이다 (Hwang, 2003).
가설 설정
- 로 대비되는 성분, 즉 두 자료에 공통으로 존재한 성분만을 추출하였다. 이는 이 연구에서 추출하고자하는 지구 자기장의 주성분은 상승 및 하강 두 자료 모두에 공통적으로 존재한다는 가정에 의한 것이다.
제안 방법
- 다시 말해 위성체 내부의 전류에 의한 유도자기장은 TAM 에서 관측되는 자기장의 X, Y, Z 삼성분의 대칭성을 이용하여 보정값을 구할 수 있다 (이선호 등, 2001). Fig. 3에서 Z성분은 임의의 시간에서 TAM의 진행 방향 (X축)을 기준으로 +45° 회 전한 Y축 방향의 성분과, -45° 회전한 Z축 방향의 측정성분이 일치한다는 대칭성을 이용하는데, 이 연구에서는 X, Y Z 세 방향에 대해 각각 970, -150, 900 nT 의 보정값을 계산한 후 이를 관측값에서 제거하여 유도자기장에 의한 영향을 제거하였다(Table 2).그림 4는 위성체 내부의 영향에 의한 간섭을 제거한 후 의 자기장을 도시한 것으로 상승 및 하강 자료 사이의 상관계수가 0.
- 가되고 두 성분 사이의 CCk를 이용, 이들 사이에 서로 양(+)#로 대비되는 성분, 즉 두 자료에 공통으로 존재한 성분만을 추출하였다. 이는 이 연구에서 추출하고자하는 지구 자기장의 주성분은 상승 및 하강 두 자료 모두에 공통적으로 존재한다는 가정에 의한 것이다.
- 우선 KOMPSAT-1 텔레메트리 자료에 속하는 TAM 관측값 인 동체 좌표계로부터 추출된 총자기 성분을 이용하였는데, 자료처리를 위해 관측 당시 위성의 지구 중 심관성좌표계에서 지구 중심 고정 좌표계로 일단 변환시킨 후에 다시 지구를 중심으로 하는 구좌표계로 변환하였다. 한편 K0MPSAT-1은 극궤도 태양동 주기 위성이므로 전체 TAM 자료를 상승 및 하강 궤도로 나뉘어 처리하였고, 이들의 상관계수는 0.
- 1은 이 연구에서 수행한 자료처리의 흐름도 이다. 우선 TAM 자료로부터 지구 자기장을 추출하기 위한 전처리 과정으로 좌표변환을 실시한 후 본체 유도자기장 을 제거한 후, 본처리과정으로 2차원 파동수대비법(wavenumber correlation)과 사분면 교환법 (quadrantswapping)을 적용하여 외부 자기장 및 측선잡음을 취소화하였다. 추출된 KOMPSAT-1 지구 자기장은 동일한 기간의 유사한 고도에서 지구자기장 관 측을 수행한 0rsted위성으로부터 유도된 모델 및 IGRF2000 (International Geomagnetic Reference Field 2000) 모델과 비교 분석하여 신뢰도를 검증하였다.
- 이 연구에서는 K0MPSAT-1 텔레메트리(telemetry) 자료에 속하는 TAM 관측값 인 동체좌표계(Body Coordinate)의 X, Y, Z 성분으로부터 추출된 총자기 성분을 이용하였는데, 자료 처리를 위해 이들은 인공위성 기준 좌표계로부터 지구중심 좌표계로 전환되어야 한다. 이를 위해 우선 관측 당시 위성의 지구중심관성좌표계(Earth Centered Inertial Frame, ECI)에서 지구 중심 고정좌표계 (Earth-Centered Earth-Fixed ftame, ECEF)로 일단 변환시킨 후에 다시 지구를 중심으로 하는 구(Spherical Earth) 좌표계로 변환하였다 (Fig.
- 이 연구에서는 KOMPSAT-1 위성의 자세 제어를 목적으로 사용되는 삼축자력계(TAM, Three-Axis Magnetometer)의 관측값으로부터 지구 내 부 기원의 지구 자기 장 총성분을 추출하였으며 이를 자기장 전문 관측위성인 Orsted 자료 및 전지구구면조화조화모 델IGRF2000과 비교하여 신뢰도를 검증하였고, K0MPSAT-1 구면 조화계수를 degree & order 19까지 계산하였다. 연구지역은 KOMPSAT-1의 경사각이 98.
- 이 연구에서는 이러한 문제를 극복하는 하나의 시도로서, 위성자세제어를 목적으로 사용되는 삼축자력계(TAM, Three-Axis Magnetometer)의 관측값으로부터 지구 자기장을 추출하여 이를 전문 관측위성자료와 비교 검증하였다. 연구에 사용된 자료는 KOMPSAT-1 (KOrea Multi-Purpose SAIellite 다목적 위성 아리랑1호)의 TAM으로부터 2000년 6월 19일에서 21일 사이에 관측된 값으로 이로부터 지구 자기장을 추출하였다.
- 이 연구에서는 K0MPSAT-1 텔레메트리(telemetry) 자료에 속하는 TAM 관측값 인 동체좌표계(Body Coordinate)의 X, Y, Z 성분으로부터 추출된 총자기 성분을 이용하였는데, 자료 처리를 위해 이들은 인공위성 기준 좌표계로부터 지구중심 좌표계로 전환되어야 한다. 이를 위해 우선 관측 당시 위성의 지구중심관성좌표계(Earth Centered Inertial Frame, ECI)에서 지구 중심 고정좌표계 (Earth-Centered Earth-Fixed ftame, ECEF)로 일단 변환시킨 후에 다시 지구를 중심으로 하는 구(Spherical Earth) 좌표계로 변환하였다 (Fig. 1 참조).
- 인공위성을 이용한 지구 자기장 측정의 경우, 구소련의 Sputnik 3호에 장착되어 있었던 3축 자력계가 최초이며 극궤도 위성으로 높은 정밀도를 갖고 지구자기장 을 전문적으로 측정한 것은 1965년부터 19기년까지 운영된 미국의 OGO-2, -4, -6 (POGO, Polar Orbiting Geophysical Observatories)이다. 이후 미국 NASA에 의해 1979년 발사된 Magsat, NASA/프랑스/덴마크 공동 0rsted, 독일의 CHAMP등이 고 해상도로 지구 자 기장을 측정하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 이러한 문제를 극복하는 하나의 시도로서, 위성자세제어를 목적으로 사용되는 삼축자력계(TAM, Three-Axis Magnetometer)의 관측값으로부터 지구 자기장을 추출하여 이를 전문 관측위성자료와 비교 검증하였다. 연구에 사용된 자료는 KOMPSAT-1 (KOrea Multi-Purpose SAIellite 다목적 위성 아리랑1호)의 TAM으로부터 2000년 6월 19일에서 21일 사이에 관측된 값으로 이로부터 지구 자기장을 추출하였다. KOMPSAT-1은 고도 685km, 98.
- 이 연구에서는 KOMPSAT-1 위성의 자세 제어를 목적으로 사용되는 삼축자력계(TAM, Three-Axis Magnetometer)의 관측값으로부터 지구 내 부 기원의 지구 자기 장 총성분을 추출하였으며 이를 자기장 전문 관측위성인 Orsted 자료 및 전지구구면조화조화모 델IGRF2000과 비교하여 신뢰도를 검증하였고, K0MPSAT-1 구면 조화계수를 degree & order 19까지 계산하였다. 연구지역은 KOMPSAT-1의 경사각이 98.130이기 때문에 위도상으로는 남북 위 81.81° 사이의 지역에 대해서만 분석이 이루어졌으며, 2000년 6월 19일에서 21일 사이에 관측된 값을 이용하였다.
데이터처리
- KOMPSAT-1 TAM 관측 자료에서 추출한 지구자기 장 최종 모델(Fig. 6)의 신뢰도 검증을 위해 지구자기 장 전문관측 위성인 Orsted의 관측값으로부터 유도된 지구자기장 모델 (Olsen et al., 2000)과 비교를 하였다. 0rsted위성은 KOMPSAT-1 호와 비슷한 시기에 운용된 지구 자기장 전문관측 위성으로 그 고도 또한 KOMPSAT-1과 비슷하여 이 연구의 결과 값의 비교 대상으로 아주 적합하다.
- KOMPSAT-1 결과를 IGRF2000(Intemational Geomagnetic Reference Field 2000)와 비교하였다. IGRF- 2000은 IAGA(Intermatiornl Association of Geomagnetism and Aeronomy)에서 인공위성과 전 세계 관측망으로부터 측정한 값에 의해 2000년에 유도된 전 지구 자기장 모델로 최대 degree & order는 10까지이다.
- 이들의(최소, 최대)는 (18, 219, 49, 351)nT이며 , 평균 및 표준편차는 각각 35, 450 및 8, 585 nT 이다. 이렇게 추출된 지구 자기장의 신뢰도를 검증하기 위해서 0rsted 및 IGRF2000 전지구 모델과 통계적 비교를 실시하였다.
- 우선 TAM 자료로부터 지구 자기장을 추출하기 위한 전처리 과정으로 좌표변환을 실시한 후 본체 유도자기장 을 제거한 후, 본처리과정으로 2차원 파동수대비법(wavenumber correlation)과 사분면 교환법 (quadrantswapping)을 적용하여 외부 자기장 및 측선잡음을 취소화하였다. 추출된 KOMPSAT-1 지구 자기장은 동일한 기간의 유사한 고도에서 지구자기장 관 측을 수행한 0rsted위성으로부터 유도된 모델 및 IGRF2000 (International Geomagnetic Reference Field 2000) 모델과 비교 분석하여 신뢰도를 검증하였다.
이론/모형
- 6. Total geomagnetic field components after track-line noise reduction by quadrant-swapping method. The ascending and descending data sets area combined in this procedure to produce a final result of this study.
- 의 관계식에서 inverse method중의 하나인 conjugate gradient방법을 사용하여 #, h: 값의 변화가 0.0001 이하로 될 때까지 반복하여 계산하여 구면 조화계수의 값을 계산하였다.
- , 1998).이 연구에서는 사분면 교환법 (quadrant-swapping)이라고 하는 이 방법을 이용하여 Fig. 5의 결과를 이용하여 측선잡음을 제거하여 Fig. 6에도시하였다. 이 과정에서 상승 및 하강으로 나뉘어 처리되던 자료가 하나로 통합된다.
성능/효과
- , 2000)과 비교를 하였다. 0rsted위성은 KOMPSAT-1 호와 비슷한 시기에 운용된 지구 자기장 전문관측 위성으로 그 고도 또한 KOMPSAT-1과 비슷하여 이 연구의 결과 값의 비교 대상으로 아주 적합하다. Fig.
- 또한 태양에 의해 변화하는 외부 자기장의 영향을 효과적으로 제거해주기 위해서 파동수대 비법을 이용하였는데, 이는 상승궤도에서 측정된 자료는 태양을 향했을 때에 관측된 지구 자기장 자료이며 이와 반대로 하강궤도의 경우는 태양의 반대편에서 운행될 때 측정된 자료이기 때문이다. 다시 말해 이 연구에서 추출하고자 하는 지구 자기장의 주성분은 상승 및 하강 두 자료 모두에 공통적으로 존재한다는 가정에 의한 것으로, 파동 수대 비법을 이용하여 자료를 처리한 결과 두 자료 사이의 상관계수는 0.98로 향상되었으며, 특히 지금까지 두 자료 모두에 존재하던 측선잡음이 거의 제거되었다.
- 4의 결과에 파동수수 대비법을 적용한 것으로 (A)와 (B)는 각각 상승 및 하강 궤도에서 관측된 자료이다. 두 자료 사이의 상관계수는 0.98로 향상되었으며, 특히 Fig. 3과 4에서 확실히 나타나는 측선잡음이 거의 제거된 것을 알 수 있다.
- 8에서 보듯이 n。] 14 이상인 경우에는 자기장 크기가 급격히 줄어드는 것을 알 수 있고, 다만 약간의 불규칙한 에너지가 남아있는 것은 암권 신호 외에 잡음이 포함되어 있기 때문이다. 따라서 본격적인 암권 연구를 위해서는 계산된 자기장 스펙트럼이 IGRF2000, CHAME 및 Orsted의 경우처럼 최소한 n=14 까지 안정적인 곡선을 나타내야 하는데, 이 연구에서 계산된 KOMPSAT-1 스펙트럼은 그림에서 보이듯 n=6에서 기존 모델과 차이를 보이며, n=6에서 다시 근접한 값을 보인 후n=7 이상으로 가면서 진동하는 양상을 보이는데 이는 다른 연구 결과와는 물론 이론과도 맞지 않는 결과이다. 따라서 KOMPSAT-1 모델의 경우 n=5 이하에 해당하는 저주파 신호에 대해서는 다른 모델들과 동일한 결과를 보이므로 이 부분의 신호에 대해서는 신뢰성이 입증되었으나 n이 6 이상인 경우의 고주파 신호에 대해서는 KOMPSAT-1 TAM의 값은 사용할 수 없다.
- 자료처리의 마지막 과정으로 사분면 교환법을 적용하여 측선잡음을 완전히 제거하였고, 이 과정에서 상승 및 하강으로 나뉘어 처리되던 자료가 하나로 통합되었다. 연구 결과 2000년 6월 19일에서 21일 사이에 KOMPSAT-1 TAM으로부터 관측된 지구자기장의 (최소, 최대)는 (18, 219, 49, 351)nT 이며, 평균 및 표준편차는 각각 35, 450 및 8, 585 nT 이다.
- 이렇게 추출된 지구 자기장의 신뢰도를 검증하기 위해서 Orsted 및 IGRF2000 전지구 모델과 통계적 비교를 실시한 결과 이 연구에서 추출 돤 지구자기장은 0rsted 및 IGRF2000와 각각 0.97 및 0.96의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 특히 각 모델과의 차이가 어느 특정 지역에 집중된 것이 아니라 전 지구에 걸쳐 고르게, 추출된 자기장의 양상을 유사하게 보이고 있음을 알 수 있고, 따라서 이들의 차이는 위상차가 아니라 진폭에 의한 차이임이 밝혀졌다.
후속연구
- 이는 Table 1에서 제시했듯이 위성의 자세 제어를 목적으로 하는 삼축자력계의 낮은 해상도에 의한 한계이며, 따라서 이 연구에서 수행한 자료처리 방법으로도 해결할 수 없는 자료 자체의 한계이다. 다만 2005년 발사 예정인 KOMPSAT-2의 TW(수 nT 레벨) 등, 향후의 위성체에 보다 정밀한 수준으로 지구 자기장을 측정할 수 있는 장비가 탑재될 경우 신뢰할 수 있는 구면조화계수의 degree를 훨씬 높일 수 있을 것으로 판단된다. 이렇게 되면 지구 자기장 전문관측위성이 운용되지 않은 시기, 고도 및 지역에 대한 지구 자기장 정보를 확보할 수 있다.
- 끝으로 KOMPSAT-1 으로부터 계산된 자기장 모델로 부터 degree & order 19까지 구면 조화계수를 계산흐! 이들을 Orsted, CHAMP 및 IGRF2000와 비교한 결과 n=5까지의 저주파는 신호는 신뢰할 수 있으나 그 이상의 고주파 신호는 신뢰할 수 없음이 밝혀졌다. 이는 Table 1에서 제시했듯이 위성의 자세 제어를 목적으로 하는 삼축자력계의 낮은 해상도에 의한 한계이며, 따라서 이 연구에서 수행한 자료처리 방법으로도 해결할 수 없는 자료 자체의 한계이다. 다만 2005년 발사 예정인 KOMPSAT-2의 TW(수 nT 레벨) 등, 향후의 위성체에 보다 정밀한 수준으로 지구 자기장을 측정할 수 있는 장비가 탑재될 경우 신뢰할 수 있는 구면조화계수의 degree를 훨씬 높일 수 있을 것으로 판단된다.
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