GNSS Radio Occultation (GNSS-RO)는 대기를 통과하는 GNSS 신호의 굴절 및 지연을 이용한 원격탐사 기법이다. GNSS-RO 데이터로부터 총전자량 (Total Electron Content, TEC)을 산출 하기 위해서는 단일 주파수 반송파 측정치에서 시계 오차와 기하학적 거리 등을 개별적으로 제거하거나, 이중 주파수 반송파 측정치의 조합을 통해 이러한 항들을 소거하여 전리층 지연 량을 추출할 수 있다. 이중 주파수 방식은 단일 주파수 방식보다 계산이 더 편리하여 보편적으로 사용되지만, 전리권에서의 신호 굴절에 의한 잔여 오차가 더 크다. 따라서 이중 주파수 방식의 대안으로써 단일 주파수 방식의 적합성 평가를 위해 단일 주파수 기반의 전리층 지연량과 TEC 산출 방법론에 대한 연구가 필요하다. COSMIC Data Analysis and Archive Center에 서 제공하는 전리층 지연량은 정밀 시계 오차 해를 보간하여 수신기 시계 오차를 제거한 결과물인데, 보간 오차로 인해 정확도가 낮아 이로부터 단일 주파수 기반 TEC를 산출하는 데에 는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 단일 차분을 활용한 전리층 지연량 산출 알고리즘을 구현한다. 본 알고리즘을 통해 산출된 전리층 지연량으로부터 단일 주파수 기반 TEC를 계산 하였고, 전리권 굴절 영향이 작은 조용한 지자기 조건에서 이중 주파수 기반 TEC와의 비교 분석을 통해 알고리즘의 성능 평가를 수행하였다.

Ionospheric Excess Phase Processing for Single Frequency-based GNSS-RO Total Electron Content Retrieval

Jaehee Chang, Hyeyeon Chang, Kiyoung Andrew Sun, Jiyun Lee

GNSS Radio Occultation (GNSS-RO) is a remote sensing technique that utilizes the bending and delay of the GNSS signal as it traverses Earth’s atmosphere. The Total Electron Content (TEC) can be retrieved from the GNSS-RO data using either a single- or dual-frequency approach. The former relies on external data for orbit and clock error removal, whereas the latter uses dual-frequency measurements to eliminate these common terms to extract the ionospheric excess phase from the phase measurement. Although the dual-frequency method is more conventionally used due to its computational efficiency, it yields a larger residual error compared to the single-frequency method due to signal bending in the ionosphere. In such cases when the dual-frequency TEC is not a viable option, the single-frequency TEC must be explored as an alternative, which necessitates the development of an ionospheric excess phase processing algorithm tailored for single frequency-based TEC retrieval. The ionospheric excess phase provided by the COSMIC Data Analysis and Archive Center exhibits a relatively low accuracy due to errors associated with interpolating the clock solution for the receiver clock bias removal. Therefore, we propose an ionospheric excess phase processing algorithm based on single-differencing. Using this algorithm, the single-frequency TEC was calculated and validated by comparing with the dual-frequency TEC under quiet geomagnetic conditions.

Keywords: GNSS radio occultation, ionosphere, total electron content, excess phase

Speaker 장재희 한국과학기술원