전리층 전자밀도는 전자기적 효과와 중성 대기 성분 변화로 인해 시간적, 공간적으로 변동될 수 있다. 특히, 불규칙한 전리층 전자밀도 분포는 위성항법시스템 (Global Navigation Satellite System, GNSS) 신호 에 영향을 줄 수 있으며, 이는 GNSS 기반 인프라의 성능 저하로 이어질 수 있다. 이러한 전리층 불규칙성은 주로 저위도와 고위도에서 빈번하게 발생하고, 중위도에서는 비교적 그 빈도가 낮 은 것으로 알려 져 있다. 중규모 이동성 전리층 교란 (MSTID)과 같은 매우 작은 진폭의 전리층 전자밀도 변동 현상이 중위도에서 종종 관측되지만, 그 영향이 미미하여 GNSS 사용자에게 직접적인 영향을 주 지는 않는다. 그 럼에도 중위도 지역의 높은 인구 밀도와 그로인한 높은 GNSS 사용률로 인해 중위도 전리층 활동 및 그 영향에 대한 연구의 중요성이 꾸준히 언급되고 있다. 이와 관련하여, 한국천문연구원에 서는 중위도 전 리층 전자밀도 감시를 위한 시스템을 구축하여 운영하고 있다. 2023년 11월 5일 발생한 지자기 폭풍과 관련하여, 한국천문연구원의 전리층 전자밀도 감시 시스템은 한반도에서 약 3시간 이상 지속되는 매우 심각한 전리층 GNSS 신틸레이션 사례가 발생했음을 확인하였다. 이례적으로 극심한 GNSS 신틸레이션은 다양한 GNSS 위성군 및 위성 기반 보정 시스템 (Satellite-Based Augmentation System, SBAS) 신호 모두에서 발생했으며, 위성 및 지상 관측 자료 분석을 통해 중위도 전리층의 전자밀도가 급격히 변화했음을 확인했다. 다만, 극심한 신틸레이션 및 전리층 전자밀도 불균질 현상은 아시아 지 역에 국한되어 발 생하였고, 유럽 및 미국 지역에서는 거의 나타나지 않았다. 이러한 사건은 중위도 지역 또한 특정 조건에 따라 심각한 전리층 전자밀도 교란이 발생할 수 있고, 그로부터 안전한 지역이 아니라 는 것을 시사한 다. 이번 발표에서 해당 사례를 공유하고, 이에 대한 메커니즘에 대해 논의할 것이다.

A Case Study of Severe GNSS Scintillation Event over Korean Peninsula During Geomagnetic Storm on November 5, 2023

Junseok Hong1, Byung-Kyu Choi, Jong-Kyun Chung, Woo Kyoung Lee, Hyosub Kil, Hyuck-Jin Kwon

The ionospheric electron density can vary temporally and spatially due to electromagnetic effects and changes in neutral atmospheric constituents. In particular, irregular ionospheric electron density distributions can affect Global Navigation Satellite System (GNSS) signals, leading to degraded performance of GNSS-based infrastructure. Such ionospheric irregularities are known to occur frequently at low and high latitudes, while their occurrence is relatively low at mid-latitudes. Although small amplitude ionospheric electron density fluctuations, such as Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbances (MSTIDs), are often observed at mid-latitudes, their impact is negligible and does not directly affect GNSS users. Nevertheless, due to the high population density and consequently high GNSS usage in mid- latitude regions, the importance of studying mid-latitude ionospheric activity and its effects has been continuously emphasized. In this regard, the Korea Astronomy and Space Science Institute has installed and operates a system for monitoring mid-latitude ionospheric electron density. In relation to the geomagnetic storm that occurred on November 5, 2023, the ionospheric electron density monitoring system confirmed a very severe case of ionospheric GNSS scintillation lasting for about 3 hours over the Korean Peninsula. The exceptionally severe GNSS scintillation occurred in all GNSS constellations including Satellite-Based Augmentation System signals, and analysis of satellite and ground-based observation data confirmed a rapid change in the electron density of the mid-latitude ionosphere. However, the extreme scintillation and ionospheric electron density irregularities were confined to the Asian region and were hardly observed in both American and European region. This event suggests that even mid-latitude regions can experience severe ionospheric electron density disturbances under certain conditions and are not immune. In this presentation, we will share this case and discuss the underlying mechanisms.

Keywords: GNSS, scintillation, ionosphere, geomagnetic storm

Speaker 홍준석* 한국천문연구원