전리권 전자밀도 불균질 구조에 의한 전리권 신틸레이션 (ionospheric scintillation)은 Global navigation satellite system (GNSS) 기반 보강시스템의 운용에 심각한 위협 요소로 작용한다. 지자기 적도 지역에서는 불균질 구조인 플 라즈마 버블 (plasma bubble)이 위성 신호의 세기를 크게 변동하여 딥 페이딩 (deep fading)을 발생시키는데, 이는 GNSS 수신기 신호 추적의 손실로 이어질 수 있다. 특히 이중주파수 GNSS 활용 시 두 신호에 딥 페이딩이 동시에 발생하면 해당 위성의 손실로 이어져 가용성 저하의 직접적인 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 딥 페이딩의 특성은 신틸레이션 환경에 따라 달라질 수 있기 때문에 신틸레이션 하의 항법 가용성 평가를 위해서는 발생 가능한 모 든 신틸레이션 환경에 대한 딥 페이딩 특성 분석이 필수적으로 선행되어야 한다. 본 저자의 사전 연구에서는 딥 페이딩의 확률적 생성 모델을 개발하여 신틸레이션 하의 이중주파수 GNSS 기반 보강시스템의 가용성 평가를 수행 하였다. 하지만 해당 연구는 단일의 특정한 신틸레이션 환경을 모델링했기 때문에 해당 지역에서 발생 가능한 모든 신틸레이션 환경에 대한 가용성 평가를 수행하는데 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 저위도 지역에서 발 생 가능한 모든 신틸레이션 환경에 대한 딥 페이딩 특성 분석을 수행하였다. 신틸레이션 환경의 특성화를 위해 power law phase screen 모델을 활용하였으며, 그에 따른 신틸레이션 생성 시뮬레이션을 수행하여 phase screen 파라미터 (산란 강도 U, 위상 스펙트럼 지수 p, Fresnel 주파수 fF)에 대한 딥 페이딩 발생 특성의 변동성을 분석하였다. 분석 결과, 파라미터 셋에 따른 이중주파수 딥 페이딩 동시 발생의 경향성을 확인하였으며 p가 4.4~4.6, fF가 1~1.5 Hz인 범위에서 이중주파수 딥 페이딩의 동시 발생이 가장 높은 빈도를 보였다.

Analysis of Variability in Deep Fading Characteristics of Equatorial Ionospheric Scintillations Using Power Law Phase Screen Modeling

Kiyoung Sun, Jiyun Lee*

Ionospheric scintillation caused by irregular structures in ionosphere poses a severe threat to operations of global navigation satellite system (GNSS)-based augmentation systems. Especially in the equatorial region, electron density irregularities called equatorial plasma bubbles (EPBs) may cause frequent and strong amplitude scintillations. Deep and frequent amplitude fading of GNSS signals during the scintillation is a direct threat to cause losses of lock in a GNSS receiver’s tracking loop. In particular, in dual-frequency GNSS-based systems, concurrent deep fading on both of the signals lead to satellite loss and thus may cause direct loss of navigation availability. Since such characteristics of deep fading may vary with scintillation conditions, an analysis on the deep fading characteristics according to a full-range of scintillation conditions is required for the availability evaluation under equatorial scintillations. Our previous study assessed the availability benefit of dual-frequency GNSS under scintillation by simulating correlated deep fading process of dual-frequency signals based on a real scintillation data. However, this study was implemented with a single scintillation event for fading process modeling which represents a specific scintillation condition only, thus cannot cover a full range of variability in equatorial scintillation conditions. In response, this study analyzes the characteristics of deep fading (concurrent deep fading) according to all possible scintillation conditions in the equatorial region. Physics-based model called power law phase screen model was utilized to characterize each scintillation condition into a compact set of phase screen parameters, and the variability of the deep fading characteristics was analyzed according to the phase screen parameters (scattering strength U, phase spectral index p, and Fresnel frequency fF) by simulating the corresponding scintillation time series. The analysis results show a strong dependence of the rate of concurrent deep fading in dual-frequency signals on a given set of phase screen parameters, where the maximum rate of concurrent deep fading was found in the range 4.4~4.6 of p and 1-1.5 Hz of fF.

Keywords: dual-frequency GNSS, ionospheric scintillation, power law phase screen model

Speaker 선기영 한국과학기술원