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문제 정의
- 본 논문에서는 GRACE 관측기기 중 가장 중요한 초단파 거리측정기의 개념 및 특성을 설명한 후 GRACE 및 거리 측정기의 운용 현황에 대해 소개하고자 한다. 실제 거리 측정기 관측 데이터 분석을 통해 설계 시에 고려하지 못했던 오차 요인을 파악하고, 관측기 보정기법 향상에 대한 연구 방향을 제시하고자 한다.
- 본 논문에서는 GRACE 관측기기 중 가장 중요한 초단파 거리측정기의 개념 및 특성을 설명한 후 GRACE 및 거리 측정기의 운용 현황에 대해 소개하고자 한다. 실제 거리 측정기 관측 데이터 분석을 통해 설계 시에 고려하지 못했던 오차 요인을 파악하고, 관측기 보정기법 향상에 대한 연구 방향을 제시하고자 한다.
- 또는, 위성탑재 시계의 초기화를 더욱 빈번하게 하여 관측 시간 오차를 최소화하는 방법도 고려할 수 있으나 이는 다른 문제를 야기할 수 있으므로 시뮬레이션을 통한 정밀한 분석이 수행된 후 결정해야 할 것이다. 한편, GPS 관측값과 KBR 관측값의 비교를 통해 모델링 되지 않은 KBR 오차 요인의 존재 가능성을 파악하였다. 이러한 연구에는 정밀한 궤도 및 시계 추정값이 필요하므로 이러한 추정 기법에 많은 경험을 가진 해외 전문기관과의 협력을 통해 성능 분석 연구를 수행하는 것이 필요하다.
제안 방법
- GPS에 의한 시간 오차 추정은 위성 궤도 추정과 동시에 수행되며, 고도의 정밀도를 요구하는 것으로 자체 계산 값 대신 JPL에서 계산한 값을 사용하였다. GPS 시간 오차의 오류 여부를 검증하기 위해서는 JPL에서 계산한 시간 오차 추정값 이외에 다른 기관에서 추정한 값을 사용하는 것이 필요하다.
- 한편, 위성 발사 전 KBR의 성능을 추정하기 위하여 정밀한 KBR 관측기 소프트웨어 시뮬레이터를 개발하였다(Kim, 2002, 2003). GRACE 위성에서 지상으로 송신되는 KBR 관측값, 즉각 위성에서 수신된 단방향의 반송파 신호를 시뮬레이션하여 결합 및 후처리 과정을 거친 뒤 거리오차를 계산하였다. KBR 시뮬레이터를 이용하여 D0WE의 작동 가능성을 확인하였으며, 지상 시험 과정에서 확인된 각종 오차 요인을 적용하여 최종적으로 추정 중력장 정확도를 예측하는 데 사용하였다.
- KBR 관측 데이터 분석을 통해 파악된 오차 요인 중 발사 전 시뮬레이션 및 성능 평가에서 다루지 않았던 요인들을 살펴보았다. 이러한 KBR 오차 요인 분석을 통해 향후 KBR 보정기법 개선을 위한 연구기반을 마련할 수 있으며, 중력장 정확도 향상 가능성 여부를 가늠할 수가 있게 된다.
- GRACE 위성에서 지상으로 송신되는 KBR 관측값, 즉각 위성에서 수신된 단방향의 반송파 신호를 시뮬레이션하여 결합 및 후처리 과정을 거친 뒤 거리오차를 계산하였다. KBR 시뮬레이터를 이용하여 D0WE의 작동 가능성을 확인하였으며, 지상 시험 과정에서 확인된 각종 오차 요인을 적용하여 최종적으로 추정 중력장 정확도를 예측하는 데 사용하였다. 또한, KBR 후 처리 프로그램의 정확도 및 데이터 형식 적합성 여부 등을 파악하는 데도 사용되었다.
- 각 위성의 중앙제어기는 위성에 장착된 US0에 의해 시간을 결정하고 GPS 신호에 의한 시간과 계속 비교를 한다. USO와 GPS 시간차가 일정한 수준보다 커지고 기타 조건을 만족하면 USO 시간을 초기화하여 GPS 시간과 일치하게 한다.
- GGM01에 비해 2~3배 향상된 정확도를 나타내었다. 모델의 정밀도는 특정 지점에 대한 지상 측정값 비교나 위성 궤도 정확도 향상 여부 등을 이용하여 검증하였다 (Tapley, 2005). GGM 모델을 이용하여, 지구 해수면 흐름 및 지하수자원 연구에 상당한 진전이 있었다.
- 우선 이식의 타당성을 검증하기 위하여 KBR 반송파 소프트웨어 시뮬레이터를 이용하여 KBR 신호와 시간 오 차값을 생성한 후 좌우 방정식에 대입하여 비교하였다. 그 결과 좌우 변 모두 수치 오차 범위 내에서 동일한 값을 가지고, 실제 데이터에도 적용 가능함을 확인하였다.
- 시간 오차로 각 위성의 KBR 관측 시점에 차이 생기기 때문에 두 신호를 결합하기 전에 각 관측값을 공통 기준 시간(t)에 대한 값으로 보정하여야 한다. 이를 위해 지상에서 GPS 데이터 후 처리 후 계산한 정밀한 시간 보정 값을 이용하여 각각의 KBR 관측값을 공통 기준 시간에 대해 interpolation 하게 된다. 그런데 시간 오차가 크면 클수록 interpolation 시 발생하는 수치 오차가 증가하게 된다.
- 최초의 중력장 측정 전용 위성인 GRACE 위성의 위성 간 정밀거리측정 장치인 이 중단 방향 거리 측정기의 원리를 설명하고 이를 구현한 GRACE KBR 시스템의 비행 성능 분석을 수행하였다. 본 분석을 통해 위성탑재 시계의 오차로 인한 관측 시간 오차가 설계치 보다 상당히 큰 값을 가지는 것이 발견되었다.
- 각 위성의 KBRe USO (Ultra Stable Oscillator)라는 진동자에 의해서 구동되는데, Crystal 진동자이지만, 상당히 높은 정밀도를 가지도록 제작되었으며, NASA Mars Observer 등에 사용된 것과 유사한 종류의 진동자이다. 한편, 두 위성의 KBR 하드웨어는 동일하기 때문에, 두 개 위성의 USO 주파수를 약간 달리함으로써 0.5MHz 주파수 차이를 구현하였다. 그림 6은 GRACRE KBR 구성을 나타내고 있는데, 탑재된 GPS 수신기와 동일한 진동자에 의해서 구동된다.
성능/효과
- 2004년 10월에 GGM02 모델이 발표되었는데, GRACE 관측값만을 이용하여 degree 160까지 표현한 GGM02S 모델과 다른 관측값과 합성하여 degree 200까지 표현한 GGM02C로 나누어진다. GGM01에 비해 2~3배 향상된 정확도를 나타내었다. 모델의 정밀도는 특정 지점에 대한 지상 측정값 비교나 위성 궤도 정확도 향상 여부 등을 이용하여 검증하였다 (Tapley, 2005).
- 우선 이식의 타당성을 검증하기 위하여 KBR 반송파 소프트웨어 시뮬레이터를 이용하여 KBR 신호와 시간 오 차값을 생성한 후 좌우 방정식에 대입하여 비교하였다. 그 결과 좌우 변 모두 수치 오차 범위 내에서 동일한 값을 가지고, 실제 데이터에도 적용 가능함을 확인하였다.
- 최초의 중력장 측정 전용 위성인 GRACE 위성의 위성 간 정밀거리측정 장치인 이 중단 방향 거리 측정기의 원리를 설명하고 이를 구현한 GRACE KBR 시스템의 비행 성능 분석을 수행하였다. 본 분석을 통해 위성탑재 시계의 오차로 인한 관측 시간 오차가 설계치 보다 상당히 큰 값을 가지는 것이 발견되었다. 이러한 시간 오차는 KBR 관측값 interpolation 오차를 유발하고 이는 KBR 성능 저하의 한 요인이 될 수 있다.
- 다른 날짜의 데이터를 사용한 분석에서도 비슷한 bias가 나타나고 있는데, 이는 계산정밀도 오차로는 상당히 큰 값이다. 시뮬레이션 결과와 비교할 때, 실제 데이터에는 아직 설명할 수 없는 오차 요인이 있다는 것을 의미한다. 이러한 알려지지 않은 오차 요인은 KBR 신호에 포함된 것일 수도 있고, 반면에 GPS를 이용한 시간 추정에 포함된 것일 수도 있다.
- 1s 구간의 KBR 값을 interpolationn 할 경우 무시할 수 없는 수준의 추가 오차 요인이 발생하는 것으로 추정된다. 이러한 interpolation 오차 정도를 추정하기 위해 KBR 시뮬레이션을 이용한 기본적인 영향평가가 수행되었으며, 설계 시에 고려하지 못했던 추가 오차 요인이 상당한 것으로 나타났다. 하지만, interpolation에 의한 오차는 interpolation 알고리듬에 의해서도 큰 영향을 받는데, 실제 GRACE 데이터 처리에 구현된 정교한 interpolation 알고리듬을 구현해서 확인해야 할 필요가 있다.
- 하지만 목표 정확도는 모든 관측기가 설계 조건을 만족하는 것을 가정하였을 경우로 실제 정확도는 이보다 낮아지게 된다. 한편, 이 시뮬레이션 결과는 관측기 보정기법의 개선 등을 통해 GRACE 중력장의 정확도를 목표 정확도까지도 높일 가능성도 있다는 것을 의미한다.
후속연구
- 이러한 오차 분석과 더불어 시간 오차 영향을 최소화하는 보정기법의 개선이 필요하다. 또는, 위성탑재 시계의 초기화를 더욱 빈번하게 하여 관측 시간 오차를 최소화하는 방법도 고려할 수 있으나 이는 다른 문제를 야기할 수 있으므로 시뮬레이션을 통한 정밀한 분석이 수행된 후 결정해야 할 것이다. 한편, GPS 관측값과 KBR 관측값의 비교를 통해 모델링 되지 않은 KBR 오차 요인의 존재 가능성을 파악하였다.
- 지구 중력장의 정확한 측정은 지표면 및 지구 내부의 질량분포를 파악하는 데 매우 중요하다. 또한, 지구 중력 장의 변화를 분석하면 지구 질량분포 변화 및 변화 요인들을 파악하는 것이 가능하고, 이러한 연구는 많은 분야에 도움을 줄 수 있다. 지구 중력장 정보를 활용한 대표적인 분야가 전 지구적 해수면 흐름 분석인데, 이는 기후변화 및 생태계 연구 등에 많은 도움을 준다.
- 현재 GFZ에서 궤도 및 시간 오차를 추정하는 연구를 수행 중에 있으므로, 이 결과를 활용하면 향후 오차 요인 분석에 도움이 될 것으로 예상된다. 만약, KBR과 GPS 관측값의 차이가 KBR에 포함된 오차 요인에 의한 것으로 판단될 경우에는 좀 더 많은 연구가 필요하다.
- 본성능 및 오차 요인 분석연구를 통해 발사 전 개발한 시뮬레이션 소프트웨어를 개선하고, 이로부터 GRACE로부터 얻을 수 있는 지구 중력장 정확도를 새로 계산하는 연구를 진행하여 시뮬레이션으로부터 추정한 목표 정확도가 GGM02 등 실제 데이터를 사용해 추정한 지구 중력장 정확도에 근접하도록 할 계획이다. 이러한 일련의 과정을 통해 관측기 오차 요인 및 이에 의한 중력장 정확도 저하 여부를 충분히 파악할 수 있을 것이다.
- KBR 관측 데이터 분석을 통해 파악된 오차 요인 중 발사 전 시뮬레이션 및 성능 평가에서 다루지 않았던 요인들을 살펴보았다. 이러한 KBR 오차 요인 분석을 통해 향후 KBR 보정기법 개선을 위한 연구기반을 마련할 수 있으며, 중력장 정확도 향상 가능성 여부를 가늠할 수가 있게 된다.
- 이러한 일련의 과정을 통해 관측기 오차 요인 및 이에 의한 중력장 정확도 저하 여부를 충분히 파악할 수 있을 것이다. 이러한 연구를 기반으로 관측기 보정기법 개선 연구를 추진할 수 있을 것이다. 시뮬레이션은 참값을 알고 있으므로 다양한 관측기 보정기법의 시험평가가 매우 용이하다는 점이 장점이다.
- 한편, GPS 관측값과 KBR 관측값의 비교를 통해 모델링 되지 않은 KBR 오차 요인의 존재 가능성을 파악하였다. 이러한 연구에는 정밀한 궤도 및 시계 추정값이 필요하므로 이러한 추정 기법에 많은 경험을 가진 해외 전문기관과의 협력을 통해 성능 분석 연구를 수행하는 것이 필요하다.
- 본성능 및 오차 요인 분석연구를 통해 발사 전 개발한 시뮬레이션 소프트웨어를 개선하고, 이로부터 GRACE로부터 얻을 수 있는 지구 중력장 정확도를 새로 계산하는 연구를 진행하여 시뮬레이션으로부터 추정한 목표 정확도가 GGM02 등 실제 데이터를 사용해 추정한 지구 중력장 정확도에 근접하도록 할 계획이다. 이러한 일련의 과정을 통해 관측기 오차 요인 및 이에 의한 중력장 정확도 저하 여부를 충분히 파악할 수 있을 것이다. 이러한 연구를 기반으로 관측기 보정기법 개선 연구를 추진할 수 있을 것이다.
- 특히 이러한 온도 변화가 위성 궤도 주기와 연관성을 가지는 주기함수의 특성을 보이기 때문에, 같은 주기함수인 중력장 신호에 영향을 주어 중력장 추정 정확도를 저해할 가능성이 있다. 이를 위해서 온도 변화와 KBR 성능 변화와의 상관관계 및 오차 크기를 구하는 연구가 필요하다.
- 반면에 실제 데이터를 이용한 보정기법 평가는 상당히 복잡한 처리 과정을 거치며 결과의 신뢰성 또한 절대적이지 않다. 향후 개선된 관측기 보정기법의 성능을 시뮬레이터를 통해 검증하면 이를 실제 중력장 추정 과정에 적용시킬 수 있을 것이다.
- 현재 GRACE 궤도 및 시간 오차를 정밀 추정하는 곳은 JPL, CSR 및 GFZ가 있는데, CSR에서는 이중 차 분 방식을 사용하므로 시간 오차를 별도로 추정하지 않는다. 현재 GFZ에서 궤도 및 시간 오차를 추정하는 연구를 수행 중에 있으므로, 이 결과를 활용하면 향후 오차 요인 분석에 도움이 될 것으로 예상된다. 만약, KBR과 GPS 관측값의 차이가 KBR에 포함된 오차 요인에 의한 것으로 판단될 경우에는 좀 더 많은 연구가 필요하다.
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