[논문]Preliminary Analysis on the Effects of Tropospheric Delay Models on Geosynchronous and Inclined Geosynchronous Orbit Satellites

Lee, Jinah; Park, Chandeok; Joo, Jung-Min

doi:10.11003/jpnt.2021.10.4.371

Preliminary Analysis on the Effects of Tropospheric Delay Models on Geosynchronous and Inclined Geosynchronous Orbit Satellites 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.10 no.4, 2021년, pp.371 - 377

Lee, Jinah (Department of Astronomy, Yonsei University) , Park, Chandeok (Department of Astronomy, Yonsei University) , Joo, Jung-Min (KPS Technology Team, Korea Aerospace Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

This research proposes the best combination of tropospheric delay models for Korean Positioning System (KPS). The overall results are based on real observation data of Japanese Quasi-Zenith satellite system (QZSS), whose constellation is similar to the proposed constellation of KPS. The tropospheric delay models are constructed as the combinations of three types of zenith path delay (ZPD) models and four types of mapping functions (MFs). Two sets of International GNSS Service (IGS) stations with the same receiver are considered. Comparison of observation residuals reveals that the ZPD models are more influential to the measurement model rather than MFs, and that the best tropospheric delay model is the combination of GPT3 with 5 degrees grid and Vienna Mapping Function 1 (VMF1). While the bias of observation residual depends on the receivers, it still remains to be further analyzed.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Distribution of IGS stations (1st. Jan. 2019).
그림 Fig. 2. Residuals of measurement models with respect to tropospheric delay models (Receiver 1).
그림 Fig. 3. Mean residuals of measurement models with respect to tropospheric delay models (Receiver 1).
그림 Fig. 4. Residuals of measurement models with respect to tropospheric delay models (Receiver 2).
그림 Fig. 5. Mean residuals of measurement model with respect to tropospheric delay models (Receiver 2).
그림 Fig. 6. Mean ZPD errors (top: Receiver 1, bottom: Receiver 2).
표 Table 1. Bias and best tropospheric delay models with NETR9 (TRIMBLE) and TRE G3TH DELTA (JAVAD) receivers.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 정밀궤도결정 모듈의 핵심 구성 요소인 관측 모델 (Measurement Model)을 다룬다. 관측 모델을 구성하는 대류권지연모델 (Tropospheric Delay Models)들에 대한 해석적 연구와 검증을 통하여, KPS POD를 대상으로 하는 최적의 관측 모델 구성을 위한 대류권지연모델 조합을 제시한다.
본 연구에서는 RNSS로 운영될 KPS의 POD를 위한 관측 모델의 구성 요소 중에서 대류권지연모델에 대한 분석을 수행한다. KPS의 후보위성군 (Constellation Candidate)과 제일 유사한 QZSS 위성군의 IGS 실제 관측치를 활용하여 GEO/IGSO 위성에 적합한 대류권지연모델들의 조합을 제시한다.

제안 방법

본 연구에서는 KPS의 후보 궤도와 유사한 궤도로 구성되어 운영중인 QZSS 위성들의 실제 관측치를 활용하여, 관측 모델을 구성하는 대류권지연모델을 분석하였다. 3가지의 ZPD 모델과 4가지의 MF를 활용하여 GFZ에서 제공하는 정밀궤도력으로 관측 데이터를 모사하였으며, GEO 위성을 관측한 감시국이 많이 사용한 수신기 2종을 선정하여 관측데이터를 확보하여 분석하였다. 2019년 1월 1일 24시간 동안의 데이터를 기반으로 대류권모델에 따른 관측 잔차를 비교한 결과, 관측 잔차의 편향은 수신기에 따라 차이가 있으나 감시국의 차이가 주된 원인일 수 있어 추가적인 분석이 필요하다.
GFZ에서 배포하는 정밀궤도력을 사용하여 구현한 관측치와 실제 관측치를 비교하여 대류권모델의 성능을 분석하였다. 2019년 1월 1일의 24시간 데이터를 사용하였으며, J07 (GEO) 위성을 지원하는 감시국 중에서 가장 많이 사용하는 수신기 2종을 선정하여 각각의 관측 모델들을 적용하였다.
본 연구에서는 RNSS로 운영될 KPS의 POD를 위한 관측 모델의 구성 요소 중에서 대류권지연모델에 대한 분석을 수행한다. KPS의 후보위성군 (Constellation Candidate)과 제일 유사한 QZSS 위성군의 IGS 실제 관측치를 활용하여 GEO/IGSO 위성에 적합한 대류권지연모델들의 조합을 제시한다. 이를 위해 3가지의 ZPD 모델과 4가지의 MF를 도입하였고, 수신기의 사양 차이로 인한 효과를 상쇄하기 위하여 TIRMBLE 사의 NETR9 수신기와 JAVAD 사의 TRE G3TH DELTA 수신기를 사용하는 관측소를 구분하여 분석을 수행하였다.
RNSS는 지상 궤적이 특정 지역에서 머무를 수 있도록 GEO/IGSO 같은 고궤도 위성을 활용하므로, 정밀궤도결정의 핵심 구성요소인 관측 모델의 최적화가 GNSS의 중궤도 위성들과 상이할 수 있다. 본 연구에서는 KPS의 후보 궤도와 유사한 궤도로 구성되어 운영중인 QZSS 위성들의 실제 관측치를 활용하여, 관측 모델을 구성하는 대류권지연모델을 분석하였다. 3가지의 ZPD 모델과 4가지의 MF를 활용하여 GFZ에서 제공하는 정밀궤도력으로 관측 데이터를 모사하였으며, GEO 위성을 관측한 감시국이 많이 사용한 수신기 2종을 선정하여 관측데이터를 확보하여 분석하였다.
KPS의 후보위성군 (Constellation Candidate)과 제일 유사한 QZSS 위성군의 IGS 실제 관측치를 활용하여 GEO/IGSO 위성에 적합한 대류권지연모델들의 조합을 제시한다. 이를 위해 3가지의 ZPD 모델과 4가지의 MF를 도입하였고, 수신기의 사양 차이로 인한 효과를 상쇄하기 위하여 TIRMBLE 사의 NETR9 수신기와 JAVAD 사의 TRE G3TH DELTA 수신기를 사용하는 관측소를 구분하여 분석을 수행하였다. 정량적 분석을 위해 독일 지구과학 연구소 (German Research Centre for Geosciences, GFZ)에서 제공하는 정밀궤도력으로 구현한 관측값과 실제 관측값 사이의 잔차 (Residual)를 정밀도의 기준으로 삼았다.
이를 위해 3가지의 ZPD 모델과 4가지의 MF를 도입하였고, 수신기의 사양 차이로 인한 효과를 상쇄하기 위하여 TIRMBLE 사의 NETR9 수신기와 JAVAD 사의 TRE G3TH DELTA 수신기를 사용하는 관측소를 구분하여 분석을 수행하였다. 정량적 분석을 위해 독일 지구과학 연구소 (German Research Centre for Geosciences, GFZ)에서 제공하는 정밀궤도력으로 구현한 관측값과 실제 관측값 사이의 잔차 (Residual)를 정밀도의 기준으로 삼았다. ZPD 모델이 MF 보다 관측 모델의 정밀도에 더 큰 영향을 끼치며, 관측 잔차의 편향 (Bias)에는 수신기의 종류가 주요하게 작용하였다.

대상 데이터

GFZ에서 배포하는 정밀궤도력을 사용하여 구현한 관측치와 실제 관측치를 비교하여 대류권모델의 성능을 분석하였다. 2019년 1월 1일의 24시간 데이터를 사용하였으며, J07 (GEO) 위성을 지원하는 감시국 중에서 가장 많이 사용하는 수신기 2종을 선정하여 각각의 관측 모델들을 적용하였다.
본 연구에서는 2019년 1월 1일 QZSS를 관측한 110여개 감시국의 관측 데이터 중에서, 시계잔류편차 및 ZPD 정보를 제공하지 않거나 관측 품질이 좋지 않는 감시국을 제외한 총 39개 감시국의 관측데이터를 확보했다. 이 중에서 수신기 차이 때문에 발생하는 오차 효과를 배제하기 위해, GEO위성인 J07을 관측한 감시국 중 가장 많은 감시국이 사용하는 수신기인 NETR9 (TRIMBLE 사의 수신기)와 TRE G3TH DELTA (JAVAD 사의 수신기)를 사용하는 감시국을 선정하였다.
본 연구에서는 2019년 1월 1일 QZSS를 관측한 110여개 감시국의 관측 데이터 중에서, 시계잔류편차 및 ZPD 정보를 제공하지 않거나 관측 품질이 좋지 않는 감시국을 제외한 총 39개 감시국의 관측데이터를 확보했다. 이 중에서 수신기 차이 때문에 발생하는 오차 효과를 배제하기 위해, GEO위성인 J07을 관측한 감시국 중 가장 많은 감시국이 사용하는 수신기인 NETR9 (TRIMBLE 사의 수신기)와 TRE G3TH DELTA (JAVAD 사의 수신기)를 사용하는 감시국을 선정하였다. NETR9 (TRIMBLE 사의 수신기)을 사용하는 감시국은 16개 (AIRA, AUCK, CAS1, CCJ2, DUND, FTNA, JFNG, KARR, KIR8, KZN2, PNGM, REUN, SOLO, STK2, UCAL, XMIS)이며, J07을 관측한 12개 감시국 중 8개 감시국이 해당 수신기를 사용한다.

이론/모형

본 연구에서는 NMF, VMF1, VMF3, GMF의 4가지 모델을 사용하여 비교/분석하였다.
KPS를 통한 고품질의 항법 서비스를 제공하기 위해서는 항법위성군을 구성할 정지궤도 (Geosynchronous Orbit, GEO) 및 경사지구동기궤도 (Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO) 위성들의 정밀궤도결정 (Precise Orbit Determination, POD)이 필수적이다. 이 연구는 정밀궤도결정 모듈의 핵심 구성 요소인 관측 모델 (Measurement Model)을 다룬다. 관측 모델을 구성하는 대류권지연모델 (Tropospheric Delay Models)들에 대한 해석적 연구와 검증을 통하여, KPS POD를 대상으로 하는 최적의 관측 모델 구성을 위한 대류권지연모델 조합을 제시한다.

성능/효과

2019년 1월 1일 24시간 동안의 데이터를 기반으로 대류권모델에 따른 관측 잔차를 비교한 결과, 관측 잔차의 편향은 수신기에 따라 차이가 있으나 감시국의 차이가 주된 원인일 수 있어 추가적인 분석이 필요하다. 기존에 알려진 바와 같이 두 가지 수신기에서 수신한 실제 관측치에 대한 결과는 모두 ZPD가 MF 보다는 지배적인 영향을 끼치는 모델이었으며, 종합적으로 ZPD는 GPT3_5를 사용하고 MF는 VMF1를 사용할 때 최적의 대류권지연모델이 구성되었다.

후속연구

3가지의 ZPD 모델과 4가지의 MF를 활용하여 GFZ에서 제공하는 정밀궤도력으로 관측 데이터를 모사하였으며, GEO 위성을 관측한 감시국이 많이 사용한 수신기 2종을 선정하여 관측데이터를 확보하여 분석하였다. 2019년 1월 1일 24시간 동안의 데이터를 기반으로 대류권모델에 따른 관측 잔차를 비교한 결과, 관측 잔차의 편향은 수신기에 따라 차이가 있으나 감시국의 차이가 주된 원인일 수 있어 추가적인 분석이 필요하다. 기존에 알려진 바와 같이 두 가지 수신기에서 수신한 실제 관측치에 대한 결과는 모두 ZPD가 MF 보다는 지배적인 영향을 끼치는 모델이었으며, 종합적으로 ZPD는 GPT3_5를 사용하고 MF는 VMF1를 사용할 때 최적의 대류권지연모델이 구성되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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