협역 전리층의 일관성을 이용한 다중 기준국 기반 전리층 이상 현상 감시 기법 Based on Multiple Reference Stations Ionospheric Anomaly Monitoring Algorithm on Consistency of Local Ionosphere원문보기
GNSS 측위 정확도에 영향을 주는 전리층 오차는 전리층에 존재하는 전자로 인해 위성의 전파가 굴절됨에 따라 발생하는데 태양활동 정도, 지역, 시간에 따라 그 값이 변한다. 정밀한 전리층 오차 추정이 가능한 이중주파수 수신기와 달리 단일 주파수 수신기의 경우에는 전리층 오차 모델이나 인근 고정기준국을 통해 제공 받는 의사거리 보정정보에 의존해야 한다. 하지만 일반적인 전리층 오차 경향과 달리, 국지적으로 전리층 총 전자수의 급격한 변화가 발생하는 경우 전리층 오차모델을 통한 오차 보정이 어려우며 만약 전리층의 변화가 고정기준국 상공의 전리층과 상이하다면, 의사거리 보정정보를 이용하여도 전리층 오차를 보정하지 못한다. 본 논문에서는, 이런 위험에 대처하기 위한 국지적 전리층 이상 현상에 대한 감시 기법에 대해 제안하고 실제 전리층 이상 현상이 발생한 데이터를 이용해 이를 검증하였다. 제시된 기법을 통해 전리층 이상 현상 발생 여부를 파악하고 단일 주파수 수신기 사용자의 항법해에 대한 신뢰도를 증가시킬 수 있을 것이다.
GNSS 측위 정확도에 영향을 주는 전리층 오차는 전리층에 존재하는 전자로 인해 위성의 전파가 굴절됨에 따라 발생하는데 태양활동 정도, 지역, 시간에 따라 그 값이 변한다. 정밀한 전리층 오차 추정이 가능한 이중주파수 수신기와 달리 단일 주파수 수신기의 경우에는 전리층 오차 모델이나 인근 고정기준국을 통해 제공 받는 의사거리 보정정보에 의존해야 한다. 하지만 일반적인 전리층 오차 경향과 달리, 국지적으로 전리층 총 전자수의 급격한 변화가 발생하는 경우 전리층 오차모델을 통한 오차 보정이 어려우며 만약 전리층의 변화가 고정기준국 상공의 전리층과 상이하다면, 의사거리 보정정보를 이용하여도 전리층 오차를 보정하지 못한다. 본 논문에서는, 이런 위험에 대처하기 위한 국지적 전리층 이상 현상에 대한 감시 기법에 대해 제안하고 실제 전리층 이상 현상이 발생한 데이터를 이용해 이를 검증하였다. 제시된 기법을 통해 전리층 이상 현상 발생 여부를 파악하고 단일 주파수 수신기 사용자의 항법해에 대한 신뢰도를 증가시킬 수 있을 것이다.
Ionospheric delay, which affect the accuracy of GNSS positioning, is generated by electrons in Ionosphere. Solar activity level, region and time could make change of this delay level. Dual frequency receiver could effectively eliminate the delay using difference of refractive index between L1 to L2 ...
Ionospheric delay, which affect the accuracy of GNSS positioning, is generated by electrons in Ionosphere. Solar activity level, region and time could make change of this delay level. Dual frequency receiver could effectively eliminate the delay using difference of refractive index between L1 to L2 frequency. But, Single frequency receiver have to use limited correction such as ionospheric model in standalone GNSS or PRC(pseudorange correction) in Differential GNSS. Generally, these corrections is effective in normal condition. but, they might be useless, when TEC(total electron content) extremely increase in local area. In this paper, monitoring algorithm is proposed for local ionospheric anomaly using multiple reference stations. For verification, the algorithm was performed with specific measurement data in Ionospheric storm day (20. Nov. 2003). this algorithm would detect local ionospheric anomaly and improve reliability of ionospheric corrections for standalone receiver.
Ionospheric delay, which affect the accuracy of GNSS positioning, is generated by electrons in Ionosphere. Solar activity level, region and time could make change of this delay level. Dual frequency receiver could effectively eliminate the delay using difference of refractive index between L1 to L2 frequency. But, Single frequency receiver have to use limited correction such as ionospheric model in standalone GNSS or PRC(pseudorange correction) in Differential GNSS. Generally, these corrections is effective in normal condition. but, they might be useless, when TEC(total electron content) extremely increase in local area. In this paper, monitoring algorithm is proposed for local ionospheric anomaly using multiple reference stations. For verification, the algorithm was performed with specific measurement data in Ionospheric storm day (20. Nov. 2003). this algorithm would detect local ionospheric anomaly and improve reliability of ionospheric corrections for standalone receiver.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 다중 기준국에서 계산된 TEC를 이용하여 전리층 기울기를 계산하지 않고 국지적 전리층 이상 현상을 검출 할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 이를 이용하면 지역별, 시간별 제약이 완화되어 범용적으로 적용, 전리층 이상 현상을 검출 할 수 있다.
본 논문에서는 인접한 지역의 다중 기준국을 이용하여 이중주파수를 이용한 TEC를 계산하고 그 값을 이용해 국지적 전리층 이상 현상 감시를 위한 알고리즘을 제안하였다. 또한, 제안한 알고리즘의 검증을 위하여 실제 전리층 이상 현상이 보고된 2003년 11월 20일 CORS의 기준국 데이터를 이용하여 알고리즘에 대한 검증을 수행하였다.
가설 설정
먼저, 두 검사 모두 통과하는 경우는 정상적인 상태이다. 둘째, 일관성 검사를 통과하지 못한 경우, 해당 위성의 IPP 인근에 국지적 전리층 이상 현상이 존재한다고 할 수 있다.
제안 방법
각각 가시위성에 대해 일관성 검사를 수행 하였다. Fig.
위치오차검사는 식(9)과 처럼 위치오차 평균(μP)과 Ikj의 표준편차 (σI)를 이용하여 한계치를 생성하였다. 그리고 PDOP을 이용하여 위성 배치에 따른 오차수준을 반영할 수 있도록 하였다.
두 검사의 결과를 통해 전리층 이상 현상에 대한 판정을 수행하였다.
이를 이용하면 지역별, 시간별 제약이 완화되어 범용적으로 적용, 전리층 이상 현상을 검출 할 수 있다. 또한 실제 전리층 폭풍 및 이상 현상이 보고된 2003년 11월 20일의 데이터를 통해 알고리즘에 대한 검증을 수행 하였다.
먼저, 두 검사를 통과하지 못한 위성 및 시간은 Table 4, 5 과 같으며, 전리층 이상 현상의 이동 경향을 알기 위해 GUST, TIFF, COLB 기준국에 대해 확인하였다. Fig.
확보된 데이터를 이용하여 DCB를 추정하였다. 위성 DCB는 IGS에서 제공하는 2003년 11월의 값을 사용하였으며 수신기DCB는 2003년 11월 18일~22일의 평활화 된 코드 측정값을 사용하여 1시간 간격으로 추정 그 평균을 구하였다. TEC는 추정된 DCB를 식(2)에 적용하여 계산하였다.
둘째, 일관성 검사를 통과하지 못한 경우, 해당 위성의 IPP 인근에 국지적 전리층 이상 현상이 존재한다고 할 수 있다. 이때, 위치오차 검사를 통과한 경우는 전리층 오차 수준이 실제 위치해에 위협을 줄 만큼 크지 않다라는 것을 의미하며 이때를 (주의), 위치오차 검사를 통과하지 못한 경우를 실질적 위험 단계인 (경고)로 분류 하였다. 마지막으로, 일관성 검사만 통과한 경우는 다중 기준국간 IPP 영역내 범위 전반에 걸쳐 전리층 이상 현상이 존재하는 것으로 광역 전리층 이상 현상을 의미한다.
일관성 검사 결과와 기준국 위치간의 영향을 명확히 하기위해 PRN 11번의 기준국을 A Group (GUST, GARF, TIFF), B Group (MTVR, COLB, KNTN, SIDN)로 나누어 확인해 보았다.A Group은 경도에 따른 차이, B Group은 위/ 경도에 따른 종합적 이동 경향을 보기 위해 나누었다.
해당 알고리즘 적용을 위해서는 정상상태를 판별할 수 있는 일관성 검사와 위치오차 검사에 대한 한계치가 필요하다. 한계치는 생성한 일관성, 위치오차 검사에 대한 검정통계량 결과를 토대로 설정 하였다. 일관성 검사는 식 (6)을 이용한 검정통계량의 평균(μC)과 표준편차(σC)를 이용해 앙각에 따른 한계치를 생성하였으며 이는 식 (8)과 같다.
확보된 데이터를 이용하여 DCB를 추정하였다. 위성 DCB는 IGS에서 제공하는 2003년 11월의 값을 사용하였으며 수신기DCB는 2003년 11월 18일~22일의 평활화 된 코드 측정값을 사용하여 1시간 간격으로 추정 그 평균을 구하였다.
대상 데이터
4는 해당일의 16시(UTC)의 TEC를 GIM(Global Ionospheric Map)데이터를 통해 나타낸 것이다. 검사한계치는 전리층 폭풍일 전후 4일 동안(2003년 11월 18일~22일)의 정상데이터를 사용하여 적용하였다.
본 논문에서는 인접한 지역의 다중 기준국을 이용하여 이중주파수를 이용한 TEC를 계산하고 그 값을 이용해 국지적 전리층 이상 현상 감시를 위한 알고리즘을 제안하였다. 또한, 제안한 알고리즘의 검증을 위하여 실제 전리층 이상 현상이 보고된 2003년 11월 20일 CORS의 기준국 데이터를 이용하여 알고리즘에 대한 검증을 수행하였다. 제안한 알고리즘은 기존의 전리층 기울기를 통한 판단에 필요한 지역, 시간에 따른 각 기준국 조합별 경향성 정보 없이 전리층 오차 수준이 유사한 범위 내에 존재하는 다중기준국 망을 이용하여 전리층 이상 현상의 검출이 가능하다.
본 논문에서 제시한 알고리즘에 대한 검증을 위해 실제 전리층 이상 현상이 보고된 2003년 11월 20일의 데이터를 이용하여 알고리즘을 적용해 보았다. 해당 날짜는 태양의 활동이 활발한 극대기 시기이며, 지자기 활동지수가 매우 큰 시기로(kp: 8.
알고리즘을 적용하기에 앞서 기준국을 선정하여야 하는데 일관성 검사를 적용하기 위해서는 기준국간 거리가 멀지 않아 정상상태(전리층이 안정화 된 상태)에서 오차 크기가 서로 유사해야 한다. 본 논문에서는 전리층 이상 현상이 관측되었다고 보고된 기준국을 참조하여[5, 6] 오하이오 주변의 기준국 7개소를 선정하였다. 데이터 수집 주기는 30sec이며 Mask Angle은 15도를 적용 하였다.
성능/효과
먼저, 두 검사 모두 통과하는 경우는 정상적인 상태이다. 둘째, 일관성 검사를 통과하지 못한 경우, 해당 위성의 IPP 인근에 국지적 전리층 이상 현상이 존재한다고 할 수 있다. 이때, 위치오차 검사를 통과한 경우는 전리층 오차 수준이 실제 위치해에 위협을 줄 만큼 크지 않다라는 것을 의미하며 이때를 (주의), 위치오차 검사를 통과하지 못한 경우를 실질적 위험 단계인 (경고)로 분류 하였다.
식에서 \(I_{k}^{j} \)는 k기준국, j위성에 대해 계산된 TEC를 의미한다. 생성된 검정 통계량은 기준국들간 전리층 오차의 유사성 척도이며 0에 가까울수록 유사하다는 것을 의미한다. 이는 시간, 지역에 따라 정상상태의 값이 다른 전리층 기울기와는 달리 평균 값이 항상 0이므로 전리층 이상 현상 판별에 더 용이 하다.
또한, 제안한 알고리즘의 검증을 위하여 실제 전리층 이상 현상이 보고된 2003년 11월 20일 CORS의 기준국 데이터를 이용하여 알고리즘에 대한 검증을 수행하였다. 제안한 알고리즘은 기존의 전리층 기울기를 통한 판단에 필요한 지역, 시간에 따른 각 기준국 조합별 경향성 정보 없이 전리층 오차 수준이 유사한 범위 내에 존재하는 다중기준국 망을 이용하여 전리층 이상 현상의 검출이 가능하다. 추가적으로 감시결과를 바탕으로 인근 사용자에 대해 의사거리 보정정보에 대한 신뢰도를 보장하거나, 검출 위성을 제거하여 위치해를 구하는 등 전리층 이상 현상 대처를 위한 자료로 이용 될 수 있을 것이다.
Table 2에서 확인 할 수 있는 것처럼 TIFF 이 위치가 MTVR, COLB에 비해 서쪽에 위치함에도 일관성 검사가 먼저 반응한 것으로 보아 발생한 전리층 이상 현상이 북쪽에서 남쪽으로 향하는 것을 알 수 있다. 즉, Fig. 9과 종합하면 지리적으로 북동쪽 기준국부터 남서쪽 방향의 기준국들이 순차적으로 반응 하고 있다는 것을 알 수 있다.
후속연구
추가적으로 감시결과를 바탕으로 인근 사용자에 대해 의사거리 보정정보에 대한 신뢰도를 보장하거나, 검출 위성을 제거하여 위치해를 구하는 등 전리층 이상 현상 대처를 위한 자료로 이용 될 수 있을 것이다. 또한 본 감시 기법은 해당 지역 상공의 전리층 상태 연구에 대한 참고자료로서도 활용 될 수 있을 것이다.
제안한 알고리즘은 기존의 전리층 기울기를 통한 판단에 필요한 지역, 시간에 따른 각 기준국 조합별 경향성 정보 없이 전리층 오차 수준이 유사한 범위 내에 존재하는 다중기준국 망을 이용하여 전리층 이상 현상의 검출이 가능하다. 추가적으로 감시결과를 바탕으로 인근 사용자에 대해 의사거리 보정정보에 대한 신뢰도를 보장하거나, 검출 위성을 제거하여 위치해를 구하는 등 전리층 이상 현상 대처를 위한 자료로 이용 될 수 있을 것이다. 또한 본 감시 기법은 해당 지역 상공의 전리층 상태 연구에 대한 참고자료로서도 활용 될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전리층이란 무엇인가?
전리층 오차는 신호 지연에 미치는 영향이 크고 그 정도가 유동적이기 때문에 GNSS (Global Navigation Satellite System)의 측위 성능의 향상을 위해서 정확한 오차를 추정하는 것이 중요하다. 전리층은 고도 약 50~1000km에 해당하는 영역의 대기층으로 태양복사선으로 인해 이온화가 된 대기이다. 위성신호가 전리층을 지날 때 전자로 인한 굴절이 발생하여 의사거리의 왜곡이 발생하고 이는 사용자 측위 정확도에 악영향을 미치게 된다.
전리층 오차는 어떻게 발생되는가?
GNSS 측위 정확도에 영향을 주는 전리층 오차는 전리층에 존재하는 전자로 인해 위성의 전파가 굴절됨에 따라 발생하는데 태양활동 정도, 지역, 시간에 따라 그 값이 변한다. 정밀한 전리층 오차 추정이 가능한 이중주파수 수신기와 달리 단일 주파수 수신기의 경우에는 전리층 오차 모델이나 인근 고정기준국을 통해 제공 받는 의사거리 보정정보에 의존해야 한다.
전리층 이상 현상을 감지하기위한 지표는 어떻게 수행되는가?
이를 감지하기 위한 지표로 전리층 기울기 (Ionospheric spatial gradient) 가 있다[2, 8, 10]. 전리층 기울기는 수신기간 거리대비 전리층 지연 값의 차이를 통해 계산되며 이를 이용해 전리층 이상 여부를 판단한다. 하지만, TEC는 지역별(위도별), 시간별(태양활동주기) 편차가 크기 때문에 지역, 시기에 따라 정상상태의 전리층 기울기 값 역시 편차가 크다.
참고문헌 (11)
B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and E. Wasle, GNSS-global navigation satellite systems : GPS, GLONASS, Galileo, and more. Wien; New York: Springer, 2008.
Myeong-Sook Jung and Jeong-Rae Kim, "Analysis of Ionophseric Spatial Gradient Over Korea Using GPS Measurement", Korean Journal of Remote Sensing, Vol.25, No.5 2009, pp. 391 - 398
Blewitt. G, "An Automatic editing algorithm for GPS data," Geophysical Research Letters, Volume 17, No.3 1990, pp. 199-202
Byung-Kyu Choi, Sung-Ki Cho, and Sang-Jeong Lee, "GPS Receiver and Satellite DCB Estimation using Ionospheric TEC," J. Astron. Space Sci. Volume 26, No.2, 2009 pp. 221-228
Sungwook Jung and Jiyun Lee, "Long-term ionospheric anomaly monitoring for ground based augmentation systems," Radio Science, Volume. 47, Issue.4, August, 2012, pp. 1-12
Sam Pullen, Per Enge, "An overview of GBAS integrity monitoring with a focus on ionospheric spatial anomalies," Indian Journal of Radio & Space Physics, Volume. 36, August 2007, pp. 249-260
Klobuchar, J., "Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users," IEEE Transactions Aerospace Electronic Systems AES-23, pp. 325-331.
G. Xie, "Optimal On-airport Monitoring of the Integrity of GPS-Based Landing System," Doctorial Dissertation of Stanford University, March 2004
M. Takashi, MA Guanyi and N. Maho, " Observations of TEC Disturbances with GEONET", Journal of the National Institute of Information and Communications Technology, Vol. 56, Nos. 1-4 2009, pp. 349-368
Seebany Datta-Barua, "Ionospheric Threats to the Integrity of Airborne GPS Users", Doctorial Dissertation of Stanford University, June 2008
C. Borrles, J. Berdermann, N.Jakowski, and V.Wilken, "Ionospheric storms-A Challenge for Empirical Forecast of the Total Electron Content," Jounal of Geophysical Research: Space Physics, Vol. 120, Issue.4, April, 2005, pp. 3175-3186
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.