[논문]GPS 시각 전송에서의 대류층 천정지연 모델과 매핑 함수에 따른 시각오프셋 비교

유동희

doi:10.6109/jkiice.2014.18.6.1317

초록
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본 논문은 GPS 시각 전송 기법 중 GPS 신호가 전달되면서 발생하는 대류층 지연이 시각오프셋 결정에 미치는 영향 정도를 분석하기 위한 연구이다. GPS 시각 전송은 CGGTTS 국제표준을 따르고 있다. 일반적인 측지용 GPS 수신기의 경우, CGGTTS 형태의 시각 전송 값을 출력하지 않고 RINEX 형태의 값을 출력하는데, ROB에서 RINEX 형태의 값을 CGGTTS 형태로 변환하는 r2cggtts 라는 프로그램을 공급하고 있다. 전 세계 표준 시각을 결정하기 위해 TAI link에 참여하는 시각 실험실들은 모두 이 프로그램을 사용하여 주기적으로 CGGTTS 값을 BIPM에 전송한다. r2cggtts 프로그램의 대류층 지연모델은 Chao mapping function과 NATO 천정지연모델이 구현되어 있다. 현재 대표적 대류층 지연 모델은 Niell mapping function과 Saastamoinen 천정지연모델이 사용되고 있는 바, 이 모델들을 r2cggtts 프로그램에 적용하여 시각 오프셋 결정을 위한 두 모델의 지연 결과 값들의 영향을 비교하고 분석한다.

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This paper shows effects of tropospheric delay models and mapping functions among delay features occurred when GPS code signal is transferred for GPS Time Transfer. GPS time transfer uses CGGTTS as the international standard format. For geodetic GPS receiver, ROB has provided r2cggtts software which...

This paper shows effects of tropospheric delay models and mapping functions among delay features occurred when GPS code signal is transferred for GPS Time Transfer. GPS time transfer uses CGGTTS as the international standard format. For geodetic GPS receiver, ROB has provided r2cggtts software which generates CGGTTS data from RINEX data and all laboratories participated in TAI link use this software and send the CGGTTS results periodically. Though Saastamoinen zenith path model and Niell mapping function are commonly used in space geodesy, r2cggtts software applied NATO zenith path model and CHAO mapping function to the tropospheric delay model. Hence, this paper shows effects of two tropospheric delay models by implementing Saastamoinen model and Niell mapping function for the time offset.

주제어

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문제 정의

NATO와 Saastamoinen 천정지연 모델과 Chao 와 Niell mapping function 적용 결과를 통해 GPS 코드를 통한 시각 전송시 대류층 지연 모델이 시각 오프셋에 미치는 영향 정도를 분석하고자 한다.
본 논문에서는 상기 오류 요소 중 대류층 지연에 대한 모델들의 적용 결과를 비교하여 제시한다.
본 논문에서는 세계협정시를 계산하기 위해 사용하고 있는 시각 전달 및 비교 과정과 대류층 지연 모델의 적용 과정을 소개하였다. 대류층 지연 모델은 천정지연 모델과 mapping function을 이용하는데, 시각 비교를 위해 널리 사용되고 있는 r2cggtts 프로그램에 구현되어 있지만 오래전 모델인 NATO 모델과 Chao mapping function과 현재 대류층 지연 예측 모델로 가장 많이 사용되고 있는 Saastamoinen 모델과 Niell mapping function을 소개하였다.

제안 방법

본 논문에서는 세계협정시를 계산하기 위해 사용하고 있는 시각 전달 및 비교 과정과 대류층 지연 모델의 적용 과정을 소개하였다. 대류층 지연 모델은 천정지연 모델과 mapping function을 이용하는데, 시각 비교를 위해 널리 사용되고 있는 r2cggtts 프로그램에 구현되어 있지만 오래전 모델인 NATO 모델과 Chao mapping function과 현재 대류층 지연 예측 모델로 가장 많이 사용되고 있는 Saastamoinen 모델과 Niell mapping function을 소개하였다. 그리고 대류층 지연 모델의 GPS 시각 오프셋의 결정 영향 정도를 파악하기 위해 r2cggtts 프로그램을 수정하여, 대류층 지연 모델의 결과값과 최종 CGGTTS 시각 오프셋 결과값들을 제시하고 그 영향 정도를 비교하였다.
대류층 지연 모델의 적용 결과가 시각 오프셋에 미치는 영향을 파악하기 위해 대류층 지연 모델의 적용 결과들을 이해를 돕기 위해 위성별로 비교해 본다.
본 논문의 결과들은 2013년 3월 28일 (Modified Julian Day 56379) 한국 표준과학연구원의 GPS 관측 파일과 항법 파일을 수정한 r2cggtts 프로그램에 적용 하여 얻었다.
이를 위해 ROB에서 배포한 기존의 r2cggtts프로그램의 대류층 지연 모델 적용 코드를 수정하였다.

데이터처리

대류층 지연 모델은 천정지연 모델과 mapping function을 이용하는데, 시각 비교를 위해 널리 사용되고 있는 r2cggtts 프로그램에 구현되어 있지만 오래전 모델인 NATO 모델과 Chao mapping function과 현재 대류층 지연 예측 모델로 가장 많이 사용되고 있는 Saastamoinen 모델과 Niell mapping function을 소개하였다. 그리고 대류층 지연 모델의 GPS 시각 오프셋의 결정 영향 정도를 파악하기 위해 r2cggtts 프로그램을 수정하여, 대류층 지연 모델의 결과값과 최종 CGGTTS 시각 오프셋 결과값들을 제시하고 그 영향 정도를 비교하였다.

이론/모형

본 논문에서 비교하고자 하는 대류층 천정지연 모델로는 NATO 모델과 Saastamoinen 모델을, mapping function 모델로는 Chao mapping function과 Niell mapping function을 사용한다[4].

성능/효과

NATO-Chao 모델 적용 결과는 –130ns에서 –115ns 사이의 비교적 안정적인 시각 오프셋 결과를 보이고 있 으나, Saastamoinen- Niell 모델 적용 결과는 –120ns에서 –400 ns 까지 다양한 시각 오프셋 결과를 나타내고 있다.
대부분의 대류층 지연 모델은 10도 이하의 앙각을 사용하지 않는데, 그림 2에서와 같이 그 값이 타당하지 않음을 확인할 수 있다. 그림 2와 그림 3에서 Saastamoinen 천정지연 모델에 Niell mapping function 을 적용한 결과와 Chao mapping function을 적용한 결과는 크게 차이가 없이 안정적인 것을 알 수 있으며, NATO 천정지연 모델의 경우, mapping function에 따라 차이가 나는 것을 확인할 수 있으며 70도 이상의 앙각에서부터 안정적으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
상기 대류층 지연 결과의 경우 앙각이 비교적 높은 경우에는 두 모델의 조합이 유사한 값들을 나타내지만 앙각이 낮은 경우에는 Saastamoinen-Niell 모델의 적용은 기존 NATO-Chao 모델의 적용에 비해 시각 오프셋 결정에 더 영향을 미치는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Chao 모델이란?	Chao 모델은 1971년 화성 무인 탐사선 Mariner 호의 라디오 트랙킹 수정을 위해 1974년에 개발된 대류층 매핑 함수이다. Chao는 2년간 라디오존데 데이터로부터 유도된 평균 굴절도 프로파일에 대한 경험적 조정을 통해 습윤층과 건조층을 독립적으로 다루었다.
	대류권의 지연오차는 어떻게 나뉘는가?	대류권의 지연오차는 크게 두 가지로 나누는데 ,지표로부터 11~12km 사이에 수증기가 존재하는 습윤층, 그 상층의 40~50km 까지를 건조층으로 구분하여 대류층 지연을 계산한다. 대류권 지연은 중간 대기층을 통과하는 라디오파에 의하여 여행한 거리에 관계되므로 위성 앙각의 함수이다.
	GPS에서 송출되는 코드 신호를 이용한 시각비교에서의 오차는 무엇이 있는가?	GPS에서 송출되는 코드 신호를 이용한 시각비교는 기본적으로 위성으로부터 송출된 신호가 수신기까지 전달되는데 걸린 시간을 정확히 구하는 것이 가장 중요한데, 실제 여러 가지 요인에 의해 오차가 발생한다. 이에 해당하는 오차들로는 위성의 시계 오차, 위성의 궤도 오차, 수신기의 시계오차, 다중경로 오차, 대기를 통과할 때 발생하는 이온층 지연 및 대류층 지연 등이 포함된다.

참고문헌 (8)

P. Defraigne, G. Petit and C. Bruyninx, "Use of Geodetic Receivers for TAI,", 33rd Precise Time and Time Interval (PTTI) meeting, pp.341-348, Nov. 2001.
J. Levine, "Time transfer using multi-channel GPS receivers," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, UFFC-46, pp.392-398, 1999.
P.H. Park, The Research on Astronomical Information and Practical Application, Korea Astronomy and Space Science Institute, 2004.
NATO (North Atlantic Treaty Organization), North Atlantic Treaty Organization, Doc. 4294, pp. A-6-34-A-6-37, 1993.
Tropospheric Effects(Physical Influence of GPS Surveying), http://what-when-how.com/gps/tropospheric-effects-physical-influences-of-gps-surveying/
D.H. Yu, S.H. Yang, J.C. Do and C.B. Lee, " Analysis of Tropospheric Zenith Path Delay of GPS Code Based Precise Time Comparison Technique," Journal of The Korea Society of Computer and Information Vol. 17, No. 9, pp. 61-69, September 2012.

원문보기 상세보기
Torben Schuler, "On Ground-Based GPS Tropospheric Delay Estimation," Ph. D. dissertation, Universitat der Bundeswehr Munchen, 2001.
A.E. Niell, "Global mapping functions for the atmospheric delay at radio wavelengths," Journal of Geophysical Research, Vol. 101, No. B2, pp. 3227-3246, Feb. 1996.

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