Global Positioning System (GPS) 전파 엄폐 (GPS Radio Occultation, GPS-RO)는 저궤도 (Low Earth Orbit, LEO)위성에서 수신된 GPS 신호의 굴절 및 지연 정도를 기반으로 전리권을 포함한 지구 대기를 관측하는 원격탐사 기법이다. GPS-RO 데이터 기반의 전리권 전자밀도 연직분포는, LEO 위성에서 수신한 GPS 이중 주파수 반송파 측정치로부터 전리권 총전자 량 (total electron content, TEC)을 계산하고, 위성 궤도 내 TEC, 즉 위성 고도 아래 TEC로부터 아벨 역산 (Abel inversion)을 통해 산출할 수 있다. LEO 위성에서 수신한 GPS 신호로부 터 계산된 TEC (occultation-side TEC)는 GPS 위성과 LEO 위성 사이의 관측치를 모두 포함하므로, LEO 위성 궤도 내 TEC를 산출하기 위해서는 occultation-side TEC로부터 LEO 위성 고도 위 TEC (auxiliary-side TEC)를 제하는 과정이 필요하다. COSMIC RO 미션과 같이 한 안테나에서 occultations-side와 auxiliary-side TEC를 모두 관측할 수 있는 경우, occultation- side TEC로부터 auxiliary-side TEC를 직접 제함으로써 LEO 위성 궤도 내 TEC를 산출할 수 있다. 반면 CHAMP, GRACE처럼 occultation 안테나가 occultation-side TEC만 제공하는 경 우 auxiliary-side TEC를 모델링을 통해 구축한 후 제해야 하기 때문에 이로 인한 불확실성이 포함되게 된다. 본 연구에서는 auxiliary-side 전리권 전체를 모델링하는 기존 방법 대신, precise orbit determination (POD) 안테나로부터의 실제 auxiliary-side TEC 관측치를 occultation 안테나로부터의 occultation-side TEC와 연결함으로써 LEO 위성 궤도 내 TEC를 산출하 는 알고리즘을 제안한다. 연결 과정에서 POD 안테나와 occultation 안테나의 서로 다른 하드웨어 오차 (differential code bias, DCB)로 인한 바이어스를 제거하기 위해, occultation 안테 나 TEC 관측치를 POD 안테나 TEC 관측치에 맞춰주는 ‘leveling’ 과정을 수행한다. POD와 occultation 안테나 관측치 간의 공백이 존재하는 경우, 전리권 전자밀도가 지수함수 형태로 감소한다는 가정을 적용하여 각 안테나로부터의 TEC 관측치를 연결한다. 최종적으로 본 연구에서 제안한 기법을 기존 RO 시스템에 적용하여 산출된 전리권 전자밀도 분포의 사전 결 과를 분석한다.

Electron Density Retrieval Improvement Method by Using Data from POD Antenna of GPS-RO Mission

Hyeyeon Chang, Jaehee Chang, Kiyoung Andrew Sun, Woo Kyoung Lee, Jiyun Lee*

GPS Radio Occultation (GPS-RO) is a remote sensing technique for sounding ionosphere by measuring the bending and delay of GPS signals received by occulting low earth orbit (LEO) satellites. The dual-frequency carrier phase measurements are used to estimate total electron content (TEC) between GPS and LEO satellite. Calibration is required to extract the TEC below LEO orbit altitude, which is also known as ‘calibrated TEC’. The calibrated TEC can be inverted into electron density using Abel inversion. To obtain the calibrated TEC, we need to subtract auxiliary-side TEC from the occultation-side TEC. COSMIC RO satellite has tilted POD antenna, which boresight vector is tilted toward the flight direction, so it can observe both auxiliary-side and occultation-side TEC. Therefore, the calibrated TEC can be estimated by directly subtracting auxiliary-side TEC from occultation-side TEC. However, if an occultation antenna provides only the occultation-side TEC, like CHAMP and GRACE, the auxiliary-side TEC should be modeled for the calibration. Therefore, the uncertainty due to the model will be included. In this study, we propose new calibration method which uses TEC observation from POD antenna as auxiliary-side TEC. In order to remove the bias due to the different hardware error (differential code bias, DCB) between the POD antenna and the occultation antenna, we do leveling process. If a gap exists between the POD and occultation antenna observations, we connect the TEC observations from each antenna by applying the assumption that the ionospheric electron density decreases exponentially with increasing altitude. Finally, we analyze the preliminary result of the ionospheric electron density profile obtained by using the proposed algorithm.

Keywords: GPS radio occultation, ionosphere, electron density profiles

Speaker 장혜연 한국과학기술원