지상보강항법시스템(Ground-Based Augmentation System, GBAS)은 공항 근처 지상국에서 GNSS 위치 정보에 대한 보정 정보와 무결성 파라미터를 사용자에게 제공하여 항공기의 정밀 접근 및 착륙을 지 원하는 시스템이다. 기존 상용 GBAS는 중위도 지역의 전리권 환경을 기준으로 개발되었으나, 저위도 지역에서는 플라즈마 버블(plasma bubble)과 같은 전리권 불균질(ionospheric irregularities) 현상으 로 인한 심각한 문제에 직면한다. GNSS 신호가 이러한 불균질 영역을 통과할 때 발생하는 전리권 신틸레이션(ionospheric scintillation)은 신호 추적 과정에 영향을 미쳐 시스템 성능을 저하시키는 주요 위협 요인이 된다. 특히 신틸레이션 하에서 위상 연속화(phase unwrapping) 과정 중 발생하는 위상 전이(phase transition)는 반송파 스무딩 과정에서 추가 오차를 발생시켜 GBAS 무결성에 심각한 영향을 미 치 지만, 기존 GBAS 오차 모델에서는 고려되지 않고 있다. 본 연구에서는 전리권 신틸레이션 환경에서 위상 전이로 인한 새로운 오차 요인을 규명하고 이를 GBAS 무결성 성능 평가에 반영하기 위한 종합 적 인 연구를 수행하였다. 첫째, 지자기 적도 부근 브라질 지역의 GNSS 데이터를 활용하여 신틸레이션으로 인한 위상 전이가 스무딩된 의사거리 측정치에 추가 오차를 발생시킴을 정량적으로 확인하였다. 둘째, 실측 데이터의 통계적 한계를 극복하기 위해, 위상 스크린 모델(phase screen model) 기반의 신틸레이션 시뮬레이션을 활용하여 위상 전이로 인한 새로운 오차 모델을 개발하였다. 셋째, 개발된 오 차 모델을 적용하여 보호 수준(protection level) 시뮬레이션을 수행함으로써 다양한 신틸레이션 환경 및 운용 조건에서의 시스템 성능을 분석하였다. 본 연구에서 개발한 위상 전이 오차 모델과 성능 평 가 방법론은 저위도 지역의 신틸레이션 환경에서의 GBAS 운용을 위한 설계 기준 개발에 활용할 수 있으며, 다양한 GNSS 항법 시스템의 신틸레이션 영향 분석을 위한 표준 평가 도구로 활용할 수 있다.

GBAS Integrity Under Ionospheric Scintillation

Kiyoung Sun, Jiyun Lee*

The Ground-Based Augmentation System (GBAS) provides local-area differential GNSS corrections for precision aircraft approach and landing, with protection levels computed to ensure navigation safety at extremely low failure probabilities. However, ionospheric scintillation introduces phase transitions, gradual full-cycle carrier phase changes during continuous tracking, that create unmodeled errors in carrier-smoothed pseudoranges, posing an integrity threat to GBAS operations in equatorial regions. This study presents a comprehensive error modeling framework to address this challenge through three main contributions. First, empirical analysis using high-rate GNSS data from Brazil demonstrates that phase transition-induced errors exceed current GBAS error models during scintillation. Second, we propose a stochastic modeling approach combining physics-based scintillation simulation with Poisson point process representation of phase transitions, enabling analytical derivation of conservative error bounds at aviation integrity probability levels. Third, vertical protection level (VPL) simulations using real scintillation scenarios evaluate the operational impact across different smoothing modes. This framework establishes that scintillation-specific error terms must be addressed in GBAS integrity calculations to maintain system safety in scintillation-prone regions.

Keywords: ionospheric scintillation, ground-based augmentation system (GBAS), integrity

Speaker 선기영 한국과학기술원