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문제 정의
- 이 연구에서는 전리층 총전자수 지도를 생성하는데 이용 된 상시관측소의 개소 수 증가에 따른 총전자수 지도의 정 확도를 확인하였다. 상시관측소의 개소 수는 10개소, 20개 소, 30개소, 44개소로 선정하였으며 선정된 지점을 그림 10 에 나타냈다.
가설 설정
- 일반적으로 전리층 총전자수를 추정할 경우 자유전자 가 전리층 내 두께가0인 가상의 단일층에 밀집되어 분포 하고 있다고 가정한다. 단일층의 고도는 적도지방의 경우 35(M50kni로 가정하는 것이 적 당하고, 한반도와 같은 중 위도의 경우 350km로 가정하는 것이 일반적이다(Ya'acob 등, 2008).
제안 방법
- DCB 적용에 따른 전리층 총전자수 지도의 정확도를 분 석하기 위해 GIM을 기준으로 각 격자점 VTEC값의 RMS 오차를 산출하였다. 분석 기간은 2011년 3월 1 일에서 3일 까지 3일간 11시, 13시, 15시를 대상으로 하였다.
- 이 연구에서 추정한 DCB의 정확도를 검증하기 위해 2011 년 3월 1일 수원 상시관측소를 대상으로 IGS에서 제공하는 DCB와 비 교하였다. IGS에서 제공되는 DCB는 하 루 평균이므로 이 연구에서 2시간 간격으로 산출된 DCB 를 평균하여 그 결과를 비교하였다. 비교한 결과, 표 1에 나타낸 것처 럼 두 DCB간 차이는 0.
- 격자형 전리층 지도를 생성하기 위해 IPP VTEC을 각 격자점 에서의 VTEC으로 변환하였다. 이를 위해 IPP와 격 자점간 거 리를 산출하여 역거리 가중치를 적용하였다.
- 그 결과 위상평활 의사거 리를 이용했을 때 총전자수가 코드 의 사거 리를 이용하여 산출된 총전자수보다 잡음이 작게 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 위상평 활 의사거 리를 이용하여 전리층 총전자수를 추정하였다.
- GIMe 현재까지 연 구된 전리층 모델 중 가장 높은 정확도를 나타내기 때문에 비교 대상으로 선정하였다(최병규, 2009). 마지막으로 전리층 총전자수 산출에 이용되는 상시관측소의 개소 수가 총전자수 지도의 정확도에 미치는 영향을분석하였다.
- 본 연구에서는 보다 정확한 전리층 총전자수 지도를 생 성하기 위해 그림 1에 나타낸 것처럼 국토지리정보원에서 운영하는 44개소의 상시관측소 관측값을 이용하였으며, 각 상시관측소의 DCB를 산출하여 총전자수 추정에서 운영하는 44개소의 상시관측소 관측값을 이용하였으며, 각 상시관측소의 DCB를 산출하여 총전자수 추정에 반영하였다, 그리고 CODE(Center for Orbit Determination in Europe)에서 제공하는 전지구 전리층 모델(GIM, Global Ionosphere Map)을 기준으로 DCB 적용 전 - 후 총전자수 추정 결과의 RMS 오차를 산출하여 정확도를 검증하였다. CODE의 GIMe 전 세계적으로 약 240개소 이상의 상시관 측소 데 이 터를 사용하고 있으며, 구면조화 함수를 이용하여 총전자수를 추정 힌다(Jee 등, 2010).
- 이때 상시관측소 선정은 한반도 전체에 고르 게 분포하도록 임의로 결정하였다. 분석에 이용된 날짜는 3 월 1 일에서 3일까지 3일간이며 분석 시각은 13시와 15시로 결정하였다. 13시와 15시로 결정한 이유는 해당 시각에 전 리층 활동이 활발하여 전리층 총전자수 분포 변이가 뚜렷 하게 나타나기 때문이다(이영재 등, 1995; 최병규등, 2005).
- 44개소 싱.시관측소를 이용하여 2이 1년 3월 1 일부터 3월 3일까지 3일 동안 2시간 간격의 한반도 전리층 총전자수 지도를 생성하였다. 그림 12은 각 날짜의 11시, 13시, 15시 에 해당하는 전리층 총전자수 지도를 나타낸 것이 며, 표 3은 각 전리층 지도의 평균 VTEC을 정리한 것이다.
- 이 연구에서 추정한 DCB의 정확도를 검증하기 위해 2011 년 3월 1일 수원 상시관측소를 대상으로 IGS에서 제공하는 DCB와 비 교하였다. IGS에서 제공되는 DCB는 하 루 평균이므로 이 연구에서 2시간 간격으로 산출된 DCB 를 평균하여 그 결과를 비교하였다.
- 이 연구에서는 GPS 관측값을 이용하여 추정된 총전자 수에 DCB를 적용하여 격 자형 한반도 총전자수 지도를 생 성하였다. DCB 적용 전·후의 총전자수 추정 결과를 GIM 과 비교하여 정확도를 확인하였으며 DCB를 고려했을 때 7~10배 높은 정확도를 나타냈다.
- 이 연구에서는 위도 32~40°, 경 도 122~132° 를 범 위 로 하여 1° X1° 공간해상도의 격자형 한반도 전리층 총전자수 지도를 생성하였으며, 이를 위해 IPP STEC 증에서 위도 32-40°, 경도 122-132° 영역 에 위치한 값들을 선별하여 사 용했다. 1° X 1° 의 공간해상도를 선정한 이유는 다음과 같다.
- 두 번째 방법은 코드 의사거리 관측값인 Pl, P2를 수학적으로 조합하여 IX B A 싱 시 : 싯이 다(Hong, 2007). 이 연구에서는 코드 의사거리 관측값을 조합하여 DCB를 추정하였다.
- 격자형 전리층 지도를 생성하기 위해 IPP VTEC을 각 격자점 에서의 VTEC으로 변환하였다. 이를 위해 IPP와 격 자점간 거 리를 산출하여 역거리 가중치를 적용하였다. 그림 5는 역거리 가중치의 개념을 나타낸 것이다.
- 라 서로 다른 크기 로 나타나는 것으로 알려져 있다(최병규 등, 2009). 이를 확인하기 위해 국토지리정보원 상시관측소에서 사용하고 있는 Trimble사의 NetR5, NetR8, NetRS 수신기 의 DCB 를 비교하였다. 표 2는 수신기 종류별 DCB 평균과 2011년 3월 1 일을 기준으로 각 수신기를 사용하고 있는 상시관측 소의 개소 수를 나타낸 것이다.
- DCB를 산출하는 방법은 두 가지 로 나뉜다. 첫 번째 방법은 GPS 위성 또는 수신기 내부에 DCB 측정 장치를 설 치 하여 직접 DCB값을 측정하는 것이다. 두 번째 방법은 코드 의사거리 관측값인 Pl, P2를 수학적으로 조합하여 IX B A 싱 시 : 싯이 다(Hong, 2007).
대상 데이터
- CODE의 GIMe 전 세계적으로 약 240개소 이상의 상시관 측소 데 이 터를 사용하고 있으며, 구면조화 함수를 이용하여 총전자수를 추정 힌다(Jee 등, 2010). GIMe 현재까지 연 구된 전리층 모델 중 가장 높은 정확도를 나타내기 때문에 비교 대상으로 선정하였다(최병규, 2009). 마지막으로 전리층 총전자수 산출에 이용되는 상시관측소의 개소 수가 총전자수 지도의 정확도에 미치는 영향을분석하였다.
- DCB 적용에 따른 전리층 총전자수 지도의 정확도를 분 석하기 위해 GIM을 기준으로 각 격자점 VTEC값의 RMS 오차를 산출하였다. 분석 기간은 2011년 3월 1 일에서 3일 까지 3일간 11시, 13시, 15시를 대상으로 하였다. DCB를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우 각각을 비교하였으며 그 결과를 그림 9에 나타냈다.
- 이 연구에서는 전리층 총전자수 지도를 생성하는데 이용 된 상시관측소의 개소 수 증가에 따른 총전자수 지도의 정 확도를 확인하였다. 상시관측소의 개소 수는 10개소, 20개 소, 30개소, 44개소로 선정하였으며 선정된 지점을 그림 10 에 나타냈다. 이때 상시관측소 선정은 한반도 전체에 고르 게 분포하도록 임의로 결정하였다.
- 이 연구에서는 국토지리정보원 44개소 상시관측소의 DCB를2시간단위로 추정하였으며 이를 위해 매 2시간마 다 누적된 관측값을 이용하였다. 그림 6과 그림 7은 2011 년 3 월 1 일에 모든 상시 관측소와 GPS 위 성의 DCB를 나타낸 것이다.
성능/효과
- DCB 적용 전·후의 총전자수 추정 결과를 GIM 과 비교하여 정확도를 확인하였으며 DCB를 고려했을 때 7~10배 높은 정확도를 나타냈다. 2011년 3월 1 일부터 3일 까지 3일간 총전자수 추정값은 오후 13시5시에서 최대값을 보였고 각 시간대의 평균 총전자수는 대략 오전 11시에 23 TECU, 13시 에 27 TECU, 15시 에 29 TECU로 나타났다. 전리층 총전자수 산출에 이용된 상시관측소의 개소 수를 상향 조정하며 정확도를 분석한 결과, 10개소 상시 관측소에서 44개소 상시관측소로 증가했을 때 평균 1.
- 이 연구에서는 GPS 관측값을 이용하여 추정된 총전자 수에 DCB를 적용하여 격 자형 한반도 총전자수 지도를 생 성하였다. DCB 적용 전·후의 총전자수 추정 결과를 GIM 과 비교하여 정확도를 확인하였으며 DCB를 고려했을 때 7~10배 높은 정확도를 나타냈다. 2011년 3월 1 일부터 3일 까지 3일간 총전자수 추정값은 오후 13시5시에서 최대값을 보였고 각 시간대의 평균 총전자수는 대략 오전 11시에 23 TECU, 13시 에 27 TECU, 15시 에 29 TECU로 나타났다.
- 2011년 3월 1 일의 위도 35°, 경도 130° 에서의 VTEC을 산출하였으며 가로축의 시간eUTC 를 의미한다. DCB를 적용하지 않은 경우와 DCB를 적용한 경우를 비교했을 때 최대 50TECU 이상의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 DCB를 적 용하지 않은 경우에는 우리나라 시간으로 야간에 총전자수 값이 높게 나타나는 이상 현상이 관찰되었다.
- 그림 2는 위상평활 의사거리 관측값의 효과를 확인하기 위해 코드 의사거 리를 이용했을 때와 위상평활 의사거리 를 이용했을 때 산출된 전리층 총전자수를 비교한 것이다’ 2011 년 3월 1 일의 PRN 1 위성과PRN 3 위성을 대상으로 산 출한 총전자수를 30초 간격 으로 산출하여 나타냈다. 그 결과 위상평활 의사거 리를 이용했을 때 총전자수가 코드 의 사거 리를 이용하여 산출된 총전자수보다 잡음이 작게 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 위상평 활 의사거 리를 이용하여 전리층 총전자수를 추정하였다.
- 이는 하루 중 태 양활동이 가장 활발한 시간대인 14시시5시에 전리층 총 전자수가 최대값을 나타내는 특징을 잘 반영하고 있다. 날짜에 따른 특징을 보면 동일한 시간대를 기준으로 날짜 가지 날수록 전 리층 총전자수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 날짜가 점점 춘분에 가까워지면서 전리층 활 동이 활발해지기 때문이라고 판단된다(이 영재 등, 1995).
- 1 TECU감소하여 최대변화를 보였다. 또한 각 상시관측소 증가에 따른 감소크기의 평균은 10개소에서 20개소로 변화할 때 가장 큰 감소폭을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
- 1 TECU의 RMS 오차가 발생 했다. 또한 관측 시 각별로 비교 해본 결과 DCB를 적용한 경우에는 15시 에 가장 큰 RMS 오차를 나타냈지만DCB를 적용하지 않은 경우에는 반대 경향을 나타냈다. 이를 통해 총전자수 산출시 DCB를 적용하지 않으면 정확한 총전자수 결과를 얻을 수 없음을 확인하였다.
- 표 2는 수신기 종류별 DCB 평균과 2011년 3월 1 일을 기준으로 각 수신기를 사용하고 있는 상시관측 소의 개소 수를 나타낸 것이다. 분석 결과, NetRS를 이용하는 관측소는 14개소이 며 DCB 평균이 21.8ns로 가장 높은 값을 나타냈고 NetR8이 12.4ns로 가장 낮은 DCB 값을 나타냈으며 표준편차는 수신기 종류에 관계없이 유사한 값을 나타냈다.
- 생성된 종전자수 지도의 정확도를 비교하기 위해 GIM 을 기준으로 각 격자점 VTEC의 RMS 오차를 산출하였고 이를 그림 11에 나타냈다. 분석 결과, 전리층 총전자수 산 출에 이용되는 싱-시관측소의 개소 수가 증가할수록 GIM 과의 RMS 차이가 작아지는 경향을 나타냈다. 이는 상시 관측소의 개소 수가 늘어 남에 따라 격자점 VTEC 산출에 이용할 수 있는 IPP의 개수와 보간법에 적용할 수 있는 STEC의 수가 많아지기 때문이라고 판단된다.
- 224ns로 나타났다. 이를 거리 오차로 환산하면 약 7cm로 이를 통히] 이 연구에서 추정한DCB가 상당히 정확한 값임을 확인하였다.
- 또한 관측 시 각별로 비교 해본 결과 DCB를 적용한 경우에는 15시 에 가장 큰 RMS 오차를 나타냈지만DCB를 적용하지 않은 경우에는 반대 경향을 나타냈다. 이를 통해 총전자수 산출시 DCB를 적용하지 않으면 정확한 총전자수 결과를 얻을 수 없음을 확인하였다.
- 2011년 3월 1 일부터 3일 까지 3일간 총전자수 추정값은 오후 13시5시에서 최대값을 보였고 각 시간대의 평균 총전자수는 대략 오전 11시에 23 TECU, 13시 에 27 TECU, 15시 에 29 TECU로 나타났다. 전리층 총전자수 산출에 이용된 상시관측소의 개소 수를 상향 조정하며 정확도를 분석한 결과, 10개소 상시 관측소에서 44개소 상시관측소로 증가했을 때 평균 1.98 TECU의 RMS 감소를 보였다.
후속연구
- 향후 연구에서는 국토지 리 정보원 44개소의 상시관측 소 외에 한국천문연구원, 위성항법중앙사무소, 기상청, 지 질자원연구원 등에서 운영 중인 상시관측소를 추가하여 더 높은 정확도의 총전자수 지도를 생성할 예정이다. 또한 장기 간 분석을 통해 태양활동 주기 에 따른 한반도 상공 전리층 총전자수 변화의 특성을 분석할 필요가 있으며 위성고도계인 Topex/Poseidcm에서 제공하는 총전자수 와 비교하여 정확도 검증의 신뢰성을 높여야 할 것이다.
- 정보통신기술의 발전과 위치기반서비스에 대한 사용자들의 관심이 증가함에 따라 위치정보제공시스템에 대한 중요성이 더욱 부각되고 있다. 전지구 위성항법시스템, 특히 GPS(Global Positioning System)의 경우 측량이나교통, 건설, 기상 등 다양한 분야에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있으며 향후 시스템, 하드웨어 등의 계속되는 진화 로 더 많은 분야에 응용이 가능할 것으로 예측된다. 이러한 GPS의 다양한 활용과 응용 서 비 스의 확장을 위하여 GPS 측위 정확도와 신뢰성 확보가 필수적이다.
- 향후 연구에서는 국토지 리 정보원 44개소의 상시관측 소 외에 한국천문연구원, 위성항법중앙사무소, 기상청, 지 질자원연구원 등에서 운영 중인 상시관측소를 추가하여 더 높은 정확도의 총전자수 지도를 생성할 예정이다. 또한 장기 간 분석을 통해 태양활동 주기 에 따른 한반도 상공 전리층 총전자수 변화의 특성을 분석할 필요가 있으며 위성고도계인 Topex/Poseidcm에서 제공하는 총전자수 와 비교하여 정확도 검증의 신뢰성을 높여야 할 것이다.
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