저궤도(Low Earth Orbit, LEO)위성에서 수신된 Global Positioning System (GPS) 신호의 굴절 및 지연 정도를 기반으로 전리권을 관측하는 GPS 전파 엄폐 (GPS Radio Occultation, GPS-RO) 기술에 대한 활용도가 전 세계적으로 증가하고 있다. GPS-RO는 기존 다른 관측 센서 (예: 이오노존데, GPS 지상국)와 비교하여 높은 수직해상도를 가지는 전 지구적 범위의 전리권 정보를 획득할 수 있다는 장점을 갖고 있다. GPS-RO를 활용한 전리권 파라미터 산출은 기존 GPS 지상국에서의 산출 방식처럼 GPS 이중 주파수 반송파 (carrier) 측정치를 기반으로 한다. 하지만 GPS-RO의 경우 LEO위성의 빠른 움직 임과 낮은 신호세기로 인해, 수신된 반송파 측정치의 품질을 저하시키는 사이클슬립 (cycle slip) 및 특이점 (outlier)이 많이 발생하는 문제점을 지니고 있다. 높은 정확도의 전리권 파라미터 산출을 위해 서는, LEO위성이 수신한 GPS 측정치 내 품질저하 요소들을 제거해주는 전처리 (pre-processing) 과정이 필수적이다. 본 연구에서는 LEO위성에서 수신된 GPS-RO 관측자료 특성을 고려한 전처리 알고 리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 사이클슬립 검출, 특이점 제거, 평활화 (smoothing), 수준화 (leveling) 과정을 포함한다. 사이클슬립 및 특이점 검출을 위해, 최소 가용 신호대비잡음비 (signal-to- noise ratio, SNR) 값을 지정하고, GPS-RO 관측자료의 고도에 따른 특성을 파악하여 경험적인 검출 임계값을 설정하였다. 코드 측정치 내 잡음 및 다중경로오차로 인한 오차를 완화시키기 위해, 코드 측 정치 기반 산출물의 평활화를 수행하였다. 반송파 측정치 기반 전리권 파라미터 산출 시, 반송파 측정치에 존재하는 모호정수 (integer ambiguity)를 제거해주기 위해 코드 측정치 기반 전리권 산출물을 이용하는 수준화 과정을 거친다. 최종적으로, 본 전처리 알고리즘을 통해 산출된 전리권 파라미터를 검증된 해와 비교 분석함으로써 알고리즘의 성능 평가를 수행하였다.

Research on Pre-processing Algorithm for Ionospheric Parameter Estimation Using GPS-RO Data

Hyeyeon Chang, Kiyoung Andrew Sun, Jiyun Lee*

The uses of GPS Radio Occultation (GPS-RO), which observe the ionosphere by measuring the bending and delay of GPS signals received by occulting low earth orbit (LEO) satellites, continue increasing worldwide. In comparison with other existing observation sensors (e.g., ionosonde, GPS ground station), GPS-RO can acquire ionospheric information more efficiently because of its advantages of high vertical resolution and global distribution. The dual-frequency carrier measurement technique which is commonly used in ground-based GPS ionospheric parameter estimation, is also applied to LEO based ionospheric parameter estimation. However, the LEO GPS measurements suffer more frequent occurrence of cycle slips and outliers because of the quick movement of LEO satellite and low signal-to-noise ratio (SNR). These error sources would degrade the quality of GPS-RO ionospheric parameter estimation. Therefore, it is necessary to pre-process the LEO GPS measurements to enhance the accuracy of GPS-RO ionospheric parameter. In this study, we present a pre-processing algorithm for ionospheric estimation using GPS-RO data by considering the characteristics of GPS-RO observations. The pre-processing algorithm includes cycle slip and outlier detection, code-carrier smoothing, and leveling. We empirically determine the minimum usable SNR and detection threshold to detect the cycle slips and outliers in carrier-derived ionospheric parameters. A code-carrier smoothing is applied to mitigate multipath errors on the code measurements. To remove ambiguities in carrier measurements, we include a leveling process which fits the carrier-derived ionospheric parameter to the code-derived parameter. Finally, we assess the performance of the proposed algorithm by comparing with the best solution of ionospheric parameter.

Keywords: GPS radio occultation (GPS-RO), remote sensing, ionosphere

Speaker 장혜연 한국과학기술원