전리층 내에는 대기가 매우 희박하며 매우 강한 에너지를 지닌 자유전자가 존재한다. Global Navigation Satellite System (GNSS) 신호가 자유전자를 통과할 때 굴절 및 회절 현상이 발생하고, 신호의 진폭과 위상에 심각한 영향을 미치게 되는 데, 이를 전리층 섬광이라고 부른다. 전리층 섬광 현상은 GNSS 신호의 품질 및 정확도에 큰 영향을 끼치며, 이를 검출하 기 위해서는 진폭의 변화 감지 기법인 S_4와 반송파 측정치를 활용하는 sigma_phi 등의 방법이 사용된다. 하지만 상기 지 표의 경우 일반적으로 50 Hz 이상의 고속 출력을 제공하는 고가의 수신기를 이용해야 하며, 신호 강도 측정을 위해 전리층 감시 전용 수신기를 사용해야 한다는 문제점이 존재한다. 본 논문에서 제시하는 Rate of TEC (ROT) 기법은 1 Hz의 저속으 로 데이터가 출력되는 일반 상용 수신기에서도 관측 가능한 방법이며, 별도의 전용 수신기가 필요하지 않다는 점에서 비용 적인 이점이 있다. GNSS 신호의 반송파 측정치에 포함된 전리층 관련 오차 (Total Electron Content, TEC)의 경우 주파수 에 따라 그 크기가 상이하게 반영된다. 따라서 이중 주파수를 지원하는 안드로이드 스마트 기기의 주파수 간 반송파 측정 치를 활용하여 Geometry-free 조합을 생성하면, 위성 시계 오차, 사용자 시계 오차, 위성 궤도 오차, 대류층 오차 등은 모두 제거되고 전리층 오차만이 남게 되며, 이를 시간 차분하여 ROT 값을 쉽게 구할 수 있다. 일반적으로 ROT는 평균값이 zero 에 가까운 백색잡음 형태를 지니며, 전리층 불균질을 통과하는 ROT는 상승과 하강의 고유한 패턴을 가지므로 이를 간단히 검출할 수 있다. 따라서 전 세계의 여러 지역에서 수집한 안드로이드 스마트기기 GNSS 데이터를 바탕으로 클라우드 시스 템을 운용하고 ROT 기법을 적용을 통해 작은 규모의 지역 전리층 불균질의 분포를 예측하는 새로운 지표가 될 수 있다.

Android Cloud System for ROT-based Ionospheric Irregularity Monitoring

Jeonghyeon Yun, Cheolsoon Lim, Yongjun Lee, Yebin Lee, Eunyeong Lee, Byungwoon Park*

In the ionosphere, the atmosphere is very thin, and free electrons with very strong energy exist. When a Global Navigation Satellite System (GNSS) signal passes through free electrons, refraction and diffraction occur, which severely affects the amplitude and phase of the signal, which is called ionospheric scintillation. The ionospheric scintillation has a great influence on the quality and accuracy of the GNSS signal, and to detect this, S_4, a technique that detects amplitude variation, and sigma_phi, which utilizes the measured carrier-phase, are mainly used. However, in the case of the above indicators, there are a problem in that an expensive receiver that provides a high-speed output of 50 Hz or more must be used, and a receiver dedicated to ionospheric monitoring must be used to measure signal strength. The Rate of TEC (ROT) method, proposed in this paper, is a method that can be observed even in a general commercial receiver that outputs data at a low speed of 1 Hz, and has a cost advantage in that a separate dedicated receiver is not required. In the case of the Total Electron Content (TEC) included in the carrier-phase measurement of the GNSS signal, the size is reflected differently depending on each frequency. Therefore, when a geometry-free combination is created using the inter-frequency carrier-phase measurements of a dual-frequency Android smart device, satellite clock bias, receiver clock bias, satellite orbit errors, and tropospheric errors are all removed and only ionospheric errors remain, the ROT value can be easily obtained by time difference. In general, the ROT has a form of white noise whose average value is near zero, and since the ROT passing through the ionospheric irregularity has a unique pattern of rising and falling, it can be detected simply. Therefore, it can be a new indicator for predicting the distribution of small-scale regional ionospheric irregularity by operating a cloud system based on Android GNSS data collected from various regions of the world and applying the ROT technique.

Speaker 윤정현 세종대학교