GNSS Radio Occultation (GNSS-RO)은 저궤도 (Low Earth Orbit, LEO) 위성에서 GNSS 신호를 수신하여 대류권 및 전리권의 대기 물리량을 측정하는 기법이다. 전리권의 경우 GNSS 신호의 전리권 지연값을 통해 신호 경로에 포함된 총전자량 (Total Electron Content, TEC)을 산출할 수 있다. 일반적으로 TEC 산출을 위한 GNSS-RO 데이터는 피드백을 통해 위상 값을 추정하는 폐루프 추적 (closed loop tracking) 기법으로 수집된다. 하 지만 전리권 하층부, 특히 E층에서는 낮은 위성 고도각으로 인해 신호 세기가 약하며, Sporadic E 구간에서의 급격한 전자밀도 변동으로 인해 폐루프 데이터 손실이 발생할 수 있다. 반면 대류권 물리량 추정에 주로 활 용되는 개루프 추적 (open loop tracking) 시스템의 경우 폐루프 추적과 비교하여 신호 세기가 약한 상황에서 더욱 강건한 신호 추적이 가능하다. 본 연구에서는 전리권 하층부에서 폐루프 신호 추적 손실이 발생한 경 우, 개루프 신호를 활용하여 TEC 프로파일을 보완하는 방법을 제안한다. 본 알고리즘은 후처리 과정을 통해 개루프 I/Q 채널 신호로부터 위상 값을 구한 후, 이중 주파수 위상 측정치를 조합하여 TEC를 계산한다. 제안 한 알고리즘을 초소형 RO 위성인 Spire 데이터에 적용해 TEC를 계산하였고, 폐루프 손실이 일어난 총전자량 정보를 개루프 데이터를 활용하여 보완할 수 있음을 확인하였다.

TEC Retrieval in the Lower Ionosphere Using GNSS-RO Open-Loop Data

Jonghyeon Park, Jaehee Chang, Jiyun Lee*

GNSS Radio Occultation (GNSS-RO) is a technique that measures atmospheric parameters in the troposphere and ionosphere by receiving GNSS signals on Low Earth Orbit (LEO) satellites. For the ionosphere, the total electron content (TEC) along the signal path can be derived from the ionospheric delay of GNSS signals. Generally, GNSS-RO data for TEC estimation is collected using closed-loop tracking, a method that estimates phase values through feedback. However, in the lower ionosphere, particularly in the E-layer, the weakened signal strength due to low satellite elevation angles and the sudden electron density variations in sporadic E regions can cause closed-loop data loss. In contrast, the open-loop tracking system, primarily used for estimating tropospheric parameters, is more robust in tracking signals under weak signal conditions compared to closed-loop tracking. This study proposes a method to complement the TEC profile by using open-loop signals when closed-loop signal tracking loss occurs in the lower ionosphere. The proposed algorithm retrieves phase values from open-loop I/Q channel signals through post-processing and calculates TEC by combining dual-frequency phase measurements. When applied to Spire’s CubeSat RO data, the results confirmed that the total electron content information in the E-layer, where loss of closed-loop data occurred, could be supplemented using open-loop data.

Keywords: GNSS radio occultation (GNSS-RO), ionosphere, open-loop tracking, total electron content (TEC)

Speaker 박종현 한국과학기술원