[논문]Ionospheric Model Performance of GPS, QZSS, and BeiDou on the Korean Peninsula

Serim Bak; Beomsoo Kim; Su-Kyung Kim; Sung Chun Bu; Chul Soo Lee

doi:10.11003/jpnt.2023.12.2.113

[국내논문] Ionospheric Model Performance of GPS, QZSS, and BeiDou on the Korean Peninsula 원문보기

Journal of Positioning, Navigation, and Timing, v.12 no.2, 2023년, pp.113 - 119

Serim Bak (Satellite System Laboratory, LIG Nex1) , Beomsoo Kim (Satellite System Laboratory, LIG Nex1) , Su-Kyung Kim (Satellite System Laboratory, LIG Nex1) , Sung Chun Bu (Satellite System Laboratory, LIG Nex1) , Chul Soo Lee (Satellite System Laboratory, LIG Nex1)

Abstract ▼ AI-Helper

Satellite navigation systems, with the exception of the GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS), adopt ionosphere models and provide ionospheric coefficients to single-frequency users via navigation messages to correct ionospheric delay, the main source of positioning errors. A Global Navigation Satellite System (GNSS) mostly has its own ionospheric models: the Klobuchar model for Global Positioning System (GPS), the NeQuick-G model for Galileo, and the BeiDou Global Ionospheric delay correction Model (BDGIM) for BeiDou satellite navigation System (BDS)-3. On the other hand, a Regional Navigation Satellite System (RNSS) such as the Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) and BDS-2 uses the Klobuchar Model rather than developing a new model. QZSS provides its own coefficients that are customized for its service area while BDS-2 slightly modifies the Klobuchar model to improve accuracy in the Asia-Pacific region. In addition, BDS broadcasts multiple ionospheric parameters depending on the satellites, unlike other systems. In this paper, we analyzed the different ionospheric models of GPS, QZSS, and BDS in Korea. The ionospheric models of QZSS and BDS-2, which are based in Asia, reduced error by at least 25.6% compared to GPS. However, QZSS was less accurate than GPS during geomagnetic storms or at low latitude. The accuracy of the models according to the BDS satellite orbit was also analyzed. The BDS-2 ionospheric model showed an error reduction of more than 5.9% when using GEO coefficients, while in BDS-3, the difference between satellites was within 0.01 m.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Service coverages of QZSS and BDS-2.
그림 Fig. 2. F10.7 and maximum Kp index during the selected periods in 2019 and 2022.
그림 Fig. 3. Regional VTEC maps from different ionospheric models near Korean peninsula on December 20 2022 at 2:00 UT.
그림 Fig. 4. Ionospheric delay and errors on December 21, 2022.
그림 Fig. 5. Ionospheric delay and error of different ionospheric models along latitudes on December 20-23, 2022.
그림 Fig. 6. Comparison of modeled VTEC values along the IGS GIM in 3 different periods which is distinguished in solar activities.
그림 Fig. 7. Accuracy of BDS ionospheric models with different types of broadcast satellites.
표 Table 1. RMS errors of the ionospheric models relative to IGS GIM for 3 periods (unit: m).

AI 본문요약
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문제 정의

다만 과거 연구는 한반도로부터 먼 곳에 위치한 관측소 혹은 전세계를 범위로 전리층 지연 오차를 비교하였으며, QZSS Klobuchar (QZSK) 모델에 대한 분석은 수행되지 않았다. 본 논문에서는 GPS, QZSS, BDS의 전리층모델을 이용하여 한반도에서의 전리층 지연을 추정하고, International GNSS Service (IGS) GIM을 기준값으로 사용하여 전리층 지연 오차를 계산하였다. 또한 태양활동 및 지자기활동에 따른 영향도 분석하였고 추가로 BDS위성의 경우 전리층 계수를 방송하는 위성(GEO, IGSO, MEO)에 따른 전리층 지연값도 비교하였다.

제안 방법

Fig. 1은 QZSS와 BDS-2의 서비스 지역을 나타낸 것으로 위성항법시스템 간의 공통 서비스 지역이면서 한반도에서의 영향을 볼 수 있는 Japan-area를 중심으로 테스트 지역을 결정하였다. 또한, 참값으로 사용한 IGS GIM의 격자 간격과 동일하게 위도 2.
IGS, China Satellite Navigation Office-Test and Assessment Research Center (CSNO-TARC)의 BRoadCast ephemeris (BRDC) 파일의 Header에 포함된 전리층 보정 파라미터를 이용하여 전리층 지연 추정을 수행하였다. 2023년 1월 기준, IGS BRDC를 비롯한 (MGEX) 파일에는 BDGIM의 전리층 계수가 포함되지 않아 BDGIM의 전리층 계수는 CSNO-TARC 데이터를, 나머지 모델은 IGS BRDC 데이터를 이용하였다.
본 논문에서는 GPS, QZSS, BDS의 전리층모델을 이용하여 한반도에서의 전리층 지연을 추정하고, International GNSS Service (IGS) GIM을 기준값으로 사용하여 전리층 지연 오차를 계산하였다. 또한 태양활동 및 지자기활동에 따른 영향도 분석하였고 추가로 BDS위성의 경우 전리층 계수를 방송하는 위성(GEO, IGSO, MEO)에 따른 전리층 지연값도 비교하였다.
본 연구에서는 한반도 및 인근 지역에서의 전리층 모델에 따른 성능을 분석하기 위하여 분석 지역을 위도 22.5°N~50°N, 경도 110°E~160°E로 설정하였다
한반도 및 인근지역에서 현재 운용중인 GPS, QZSS, BDS-2의 Klobuchar 전리층 모델과 BDS의 자체적인 모델인 BDGIM의 성능을 분석하였다. 전리층 모델로 계산한 지연값은 IGS GIM을 기준으로 정확도를 평가하였으며, 태양 및 지자기활동에 따른 영향을 확인하기 위하여 3개 기간을 선정하였다.
한반도 및 인근지역에서 현재 운용중인 GPS, QZSS, BDS-2의 Klobuchar 전리층 모델과 BDS의 자체적인 모델인 BDGIM의 성능을 분석하였다. 전리층 모델로 계산한 지연값은 IGS GIM을 기준으로 정확도를 평가하였으며, 태양 및 지자기활동에 따른 영향을 확인하기 위하여 3개 기간을 선정하였다.

대상 데이터

IGS, China Satellite Navigation Office-Test and Assessment Research Center (CSNO-TARC)의 BRoadCast ephemeris (BRDC) 파일의 Header에 포함된 전리층 보정 파라미터를 이용하여 전리층 지연 추정을 수행하였다. 2023년 1월 기준, IGS BRDC를 비롯한 (MGEX) 파일에는 BDGIM의 전리층 계수가 포함되지 않아 BDGIM의 전리층 계수는 CSNO-TARC 데이터를, 나머지 모델은 IGS BRDC 데이터를 이용하였다.
태양활동에 따른 전리층 모델 성능 분석을 위하여 태양활동 세기에 따라 총 3개 기간을 선정하여 분석을 수행하였다. Fig.

성능/효과

또한 전세계를 대상으로 서비스를 하는 BDGIM도 중국 내부 관측 데이터를 주로 사용하기 때문에 GPSK와 비교하여 해당 지역의 특성을 더 잘 반영하는 것으로 판단된다. 1일 수직 전리층 지연 추정 결과, BDGIM은 최댓값이 Klobuchar 기반 모델들보다 2시간 더 빠른 시점에 발생하였다. 지자기위도에 따른 Klobuchar 모델의 성능을 비교한 결과 QZSK 모델은 사용 가능 구역의 경계인 저위도 부근에서 다른 모델과 비교하여 약 2배 이상 오차가 크게 발생하였다.
또한, 지자기폭풍 발생 시 전리층 지연값의 크기가 전체적으로 증가한 점을 제외하면 특별한 변화는 관측되지 않았다. BDGIM과 달리 GPSK, QZSK, BDSK 모델은 Klobuchar 모델의 특성상 밤 동안 고정된 값을 사용하므로, 원점 근처에서 IGS GIM이 0 m에 가까운 값을 가질 때, Klobuchar 모델들은 약 1.6 m의 편차가 발생하였다.
7은 BDSK 및 BDGIM의 계수에 따른 RMS 오차 그래프이다. BDSK 계수는 GEO, IGSO, MEO 순으로 우선순위가 권고되는데, 지자기 폭풍이 발생한 시점에서는 GEO 위성의 계수를 사용하는 경우 약 40% 이상 오차가 더 크게 발생하였다. BDGIM 모델은 위성에 따른 차이가 없거나 0.
Klobuchar 기반 전리층 모델들은 모두 동일한 시점에서 최댓값을 갖는 반면, BDGIM과 IGS GIM은 그보다 2시간 더 빠른 시점에서 최댓값을 갖는다. GPSK, BDSK, QZSK는 전리층 지연 최대값이 최대 5.06 m 차이 났으며, QZSK는 모델 중 유일하게 IGS GIM보다 전리층 지연을 작게 추정하는 경향이 있었다. BDGIM의 1일 RMS 오차가 1.
6은 태양 및 지자기활동에 따라 IGS GIM의 VTEC 값을 기준으로 모델 별 VTEC 값을 나타낸다. GPSK는 IGS GIM보다 전리층 지연을 더 크게, QZSK는 더 작게 추정하는 경향을 보이며, 태양활동이 강할 때 경향성이 크게 나타났다. 반면, BDS 모델들은 중심선을 기준으로 상대적으로 고르게 분포하며, 이는 전리층 지연 추정 성능이 안정적임을 나타낸다.
그리고 BDS 위성(GEO, IGSO, MEO)별 전리층 보정 계수로 계산한 전리층 오차를 분석하였는데, BDSK 모델은 GEO 위성 계수의 성능이 가장 우수했지만 지자기폭풍 시점에서는 약 40% 이상 오차가 더 크게 발생하였다. 그리고 BDGIM 모델은 IGSO와 MEO 위성에서 계수를 방송하는데, 위성 종류에 무관하게 모델의 성능 차이는 0.01 m 이하로 유사한 성능을 보였다.
10 m로 가장 안정적인 성능을 보였다. 그리고 BDS 위성(GEO, IGSO, MEO)별 전리층 보정 계수로 계산한 전리층 오차를 분석하였는데, BDSK 모델은 GEO 위성 계수의 성능이 가장 우수했지만 지자기폭풍 시점에서는 약 40% 이상 오차가 더 크게 발생하였다. 그리고 BDGIM 모델은 IGSO와 MEO 위성에서 계수를 방송하는데, 위성 종류에 무관하게 모델의 성능 차이는 0.
위경도에 따른 VTEC 분포는 GPSK 대비 다른 세 모델이 IGS GIM과 유사한 경향을 보였는데, 이는 QZSK와 BDSK가 아시아 지역에 최적화된 계수를 사용하기 때문이다. 또한 전세계를 대상으로 서비스를 하는 BDGIM도 중국 내부 관측 데이터를 주로 사용하기 때문에 GPSK와 비교하여 해당 지역의 특성을 더 잘 반영하는 것으로 판단된다. 1일 수직 전리층 지연 추정 결과, BDGIM은 최댓값이 Klobuchar 기반 모델들보다 2시간 더 빠른 시점에 발생하였다.
지자기위도에 따른 Klobuchar 모델의 성능을 비교한 결과 QZSK 모델은 사용 가능 구역의 경계인 저위도 부근에서 다른 모델과 비교하여 약 2배 이상 오차가 크게 발생하였다. 또한, 태양활동에 따른 모델의 오차를 분석한 결과 QZSK는 1.22 m의 큰 편차를 보이는 반면, GPSK와 BDSK 모델은 각각 0.15, 0.14 m의 작은 편차를 보였으며, BDGIM 모델은 0.10 m로 가장 안정적인 성능을 보였다. 그리고 BDS 위성(GEO, IGSO, MEO)별 전리층 보정 계수로 계산한 전리층 오차를 분석하였는데, BDSK 모델은 GEO 위성 계수의 성능이 가장 우수했지만 지자기폭풍 시점에서는 약 40% 이상 오차가 더 크게 발생하였다.
위경도에 따른 VTEC 분포는 GPSK 대비 다른 세 모델이 IGS GIM과 유사한 경향을 보였는데, 이는 QZSK와 BDSK가 아시아 지역에 최적화된 계수를 사용하기 때문이다. 또한 전세계를 대상으로 서비스를 하는 BDGIM도 중국 내부 관측 데이터를 주로 사용하기 때문에 GPSK와 비교하여 해당 지역의 특성을 더 잘 반영하는 것으로 판단된다.
1일 수직 전리층 지연 추정 결과, BDGIM은 최댓값이 Klobuchar 기반 모델들보다 2시간 더 빠른 시점에 발생하였다. 지자기위도에 따른 Klobuchar 모델의 성능을 비교한 결과 QZSK 모델은 사용 가능 구역의 경계인 저위도 부근에서 다른 모델과 비교하여 약 2배 이상 오차가 크게 발생하였다. 또한, 태양활동에 따른 모델의 오차를 분석한 결과 QZSK는 1.
10 m를 가진다. 지자기폭풍의 경우를 제외하면, 한반도에서 GPSK보다 중국 혹은 일본을 기반으로 한 모델들이 더 정확하며, 지자기폭풍이 발생하더라도, BDS 모델들은 GPSK보다 더 나은 추정 성능을 보였다.

후속연구

한반도에서 GPS 전리층 모델 및 계수를 적용하는 것보다 중국, 일본을 기반으로 한 모델들을 사용했을 때 대체로 우수한 성능을 보인 점을 고려하면, 2022년부터 개발에 착수한 KPS도 자체 전리층 모델이나 한반도 지역에 기반한 수정된 Klobuchar 보정 계수를 생성한다면 기존 모델인 GPS Klobuchar 모델보다 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 Line of sight에서의 경사 전리층 지연 추정이 수행되지 않았는데, 실제 관측값을 이용하여 각 모델의 경사 전리층 지연 추정 성능 분석이 향후 수행되어야 한다.
한반도에서 GPS 전리층 모델 및 계수를 적용하는 것보다 중국, 일본을 기반으로 한 모델들을 사용했을 때 대체로 우수한 성능을 보인 점을 고려하면, 2022년부터 개발에 착수한 KPS도 자체 전리층 모델이나 한반도 지역에 기반한 수정된 Klobuchar 보정 계수를 생성한다면 기존 모델인 GPS Klobuchar 모델보다 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 Line of sight에서의 경사 전리층 지연 추정이 수행되지 않았는데, 실제 관측값을 이용하여 각 모델의 경사 전리층 지연 추정 성능 분석이 향후 수행되어야 한다.

참고문헌 (16)

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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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