전리권 신틸레이션은 전자밀도가 불균일한 지역을 위성항법시스템 신호가 통과할 때, 진폭과 위상이 빠르게 변화하면서 신호가 정상적으로 수신되지 않는 것을 말한다. 이는 고분해능의 위성항법시스템 신호 수신을 통해 관측할 수 있다. 저위 도에서는 프레넬 (Fresnel) 반경보다 작은 크기의 전리권 전자밀도 불균일이 진폭 신틸레이션을 발생시키며, 고위도에서는 프레넬 반경보다 큰 수 킬로미터 정도의 전리권 불균일이 위상 신틸레이션을 발생시키는 것으로 알려져있다. 최근 연구에 서는 고위도에서 프레넬 반경보다 큰 규모의 전리권 불균일에 의해 야기되는 신호의 굴절이 전리권 신틸레이션으로 잘못 해석될 수 있다는 의견이 제시되었다. 프레넬 반경보다 작은 규모의 전리권 불균일이 야기하는 신호의 회절은 매우 빠른 주기의 떨림을 생성하며 그 강도는 신호의 주파수와 상관관계를 갖는 반면, 신호의 굴절은 보다 느린 주기의 떨림을 생성 하며 신호의 주파수에 관계없이 동일한 강도의 효과를 발생시킨다. 본 연구에서는 단일 수신기의 100 Hz 고분해능 이중 주파수 관측을 통해 서로 다른 두 개의 주파수를 갖는 신호가 나타내는 굴절에 의한 효과를 분석하여 전리권 플라즈마 불 균일 현상의 속력을 추론한다. 열권 및 전리권 고도의 바람은 위성 현장 관측에 의존해야 하기 때문에 데이터가 매우 한정 적이며, 지상 관측 장비를 통한 안정적이고 지속적인 관측 방법 개발이 매우 중요하다. 기존 연구에서는 2개 이상의 수신 기에서 동시 관측을 통해 전리권 플라즈마 불균일의 이동 속도를 추론하는 방법과, 단일 수신기에서 관측한 진폭 및 위상 신틸레이션 지수의 관계식을 통해 저위도 지방의 플라즈마 불균일 속력을 추론하는 방법이 제안되었다. 본 연구에서 제안 하는 방법은 플라즈마 속도가 빠른 고위도 지역에서 적용 가능한 방법이다. 고위도 특성상 관측기기가 매우 부족하기 때문 에 단일 수신기 관측으로 전리권 플라즈마의 속력을 추론하는 방법은 매우 유용할 것이다.

Estimation of the Ionospheric Irregularity Speed using High-resolution Dual Frequency Measurements from a Single GPS Receiver

Junseok Hong*, Jong-Kyun Chung, Yong Ha Kim, Young-Bae Ham, Young-Sil Kwak, Changsup Lee, Jeong-Han Kim, Geonhwa Jee

Ionosphere scintillation means rapid changes of signal amplitude or phase when a radio wave such as Global Positioning System (GPS) signal passes through the ionospheric area of uneven electron density. Extreme irregularity of the ionospheric electron density could cause the loss of signal lock. Ionospheric scintillation can be observed through high-resolution observation of satellite signal. It is well known that the ionospheric irregularity smaller than the Fresnel radius causes amplitude scintillation at low latitudes, while larger irregularity than the Fresnel radius causes phase scintillation at high latitudes. In a recent study, it has been suggested that the refraction of the signal caused by the ionospheric irregularity larger than the Fresnel radius at high latitudes can be misinterpreted as ionospheric scintillation and it should be considered. The diffraction of the signal caused by the ionospheric irregularity smaller than the Fresnel radius produces a very fast periodic oscillation correlated to the signal frequency. On the other hand, the refraction of the signal produces a slower periodic oscillation which is not related to the signal frequency, so that the refraction effects for different frequencies appear in same magnitude. In this study, the speed of the ionospheric irregularity is inferred by analyzing the refraction effects of the GPS signals with two different frequencies through 100 Hz high-resolution observation from a single receiver. Because of difficulties for investigating the thermospheric/ionosphere winds, it is necessary to develop new method to observe these areas through ground-based instruments. In previous study, a method of inferring the velocity of the ionospheric irregularity through simultaneous observation from two or more receivers has been suggested. Although another method of inferring the ionospheric irregularity speed from a single receiver has been suggested based on the ionospheric scintillation indices, it can only be applied for low latitude case. The method proposed in this study is applicable to high latitude regions where the ionospheric plasma moves very fast. Because instruments are very scarce at high latitudes, it would be very worthful to infer the speed of the ionospheric irregularity from a single receiver observation.

Speaker 홍준석* 한국천문연구원