Construction of Ionospheric TEC Retrieval System Using Korean GNSS Network

국내 GNSS 관측 자료를 이용한 전리권 총전자밀도 산출 시스템 구축

이정덕^* 정회원, 신대윤^**, 김도형^**, 오승준^*

Construction of Ionospheric TEC Retrieval System Using Korean GNSS Network

Jeong-Deok Lee^* Regular Member, Daeyun Shin^**, Dohyeong Kim^**, Seung Jun Oh^*

요 약

기상청 국가기상위성센터에서는 우주기상 업무의 일환으로 국내 GNSS 관측자료를 이용한 기상 및 우주기상 활용체계를 구축하였 다. 본 연구에서는 국내 GNSS 관측망 자료를 이용한 준실시간 전리권 총전자밀도(TEC) 산출 시스템을 소개하고 산출된 결과를 제시하고자 한다. 국가기상위성센터의 준실시간 전리권 총전자밀도 산출 시스템에서는 국가지리정보원, 한국천문연구원, 위성항법 중앙사무소 및 기상청, 총 80여개의 GNSS 관측자료를 수집하고, 수집된 자료에 대하여 24시간 시간 창 기법(Time Windowing Method)을 적용하여 각 지점별 전리권 TEC 자료를 매시간 산출하고, 산출된 각 지점별 IPP(Ionospheric Pierce Point)에서의 TEC 값을 반스 내삽(Barnes Interpolation)을 사용하여 한반도 상공의 전리권 총전자밀도 격자자료를 생성하였다. 생성된 TEC 격자값을 IGS(International GNSS Service)에서 제공하는 전지구 전리권 총전자밀도 지도와 비교한 결과 한반도 상공의 전리권 상태를 더 잘 기술할 수 있음을 보였다.

Key Words : Ionosphere, TEC, GNSS, Korea, Near-real time

ABSTRACT

National Meteorological Satellite Center(NMSC) of Korea Meteorological Administration(KMA) has launched to implement the application development to get prepared for the space weather operation since 2010. As a action of KMA’s space weather work, NMSC constructed Global Navigation Satellite System(GNSS) application system for meteorology and space weather. We will introduce NMSC's space weather application system which derives regional TEC(Total Electron Content) in near real time using nation-wide GNSS network data. First, We constructed system for collecting GNSS data, which is currently collecting about 80 stations operated by agencies like NGII(National Geographic Information Institute), Central Office of DGPS(Differential GPS), and KASI(Korea Astronomy and Space Science) including KMA's own data of 2 stations. In order to retreive regional TEC over Korean peninsular, we build up the automatic processes running every 1-hour. In these processes, firstly, GNSS data of every stations with 24 hours time window are processed to derive DCBs(Differential Code Biases) of each GNSS station and TEC values on every ionosphere piercing point(IPP). Then we made gridded regional TEC map with resolution of 0.25 degree from 31N, 121E to 41N, 135E by combination of all station results within 30 minutes window with assumption that TEC of a given point during a given 30 minutes window would have a constant value. The grid points without TEC value are interpolated using Barnes objective analysis. We presentour regional TEC maps, which can describe better on the status of ionosphere over Korean peninsular compared to IGS TEC maps.

※이 논문은 기상청 국가기상위성센터 ‘전지구위성항법시스템의 기상분야 및 우주기상 활용체계 구축’ 사업의 지원으로 수행하였음.

*(주)에스이랩 부설연구소 ([email protected], [email protected])

**기상청 국가기상위성센터 위성기획과 ([email protected], [email protected])

접수일자 : 2012년 10월 30일, 수정완료일자 : 2012년 11월 7일, 최종게재확정일자 : 2012년 12월 3일

I. 서 론

지구의 전리권은 전리권 자체의 생성 및 변화에 대한 연구

의 대상임과 동시에 지구의 자기권을 포함한 우주환경의 중 요한 요소이다. 특히 태양으로부터 방출되는 하전입자의 흐 름인 태양풍과 지구자기장의 상호작용으로 변화를 일으키며

이러한 전리권의 변화는 각종 위성간의 통신과 지상에서의 유·무선 통신교란을 일으킨다[1]. 특히 전리권의 상태를 나타 내는 전리권의 총전자밀도(TEC, Total Electron Content)의 상태는 지상 및 위성의 무선 통신 뿐만 아니라, GNSS를 사 용한 측지의 정확성에 영향을 미친다.

전지구위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)은 전리권의 상태를 연구하는 있어서 새로운 방법을 제시하고 있다. 특히 이중 주파수를 관측하는 GNSS 상시관 측 자료에서는 두 주파수의 지연시간 차이를 이용해 GNSS 위성의 신호가 지나오는 시선방향의 전리권 전자밀도를 정 확하게 제공할 수 있다.

전 지구적 스케일에서는 TEC의 분포 및 변화는 전 세계 의 GNSS 네트워크를 이용하여 모니터링 되고 있고[2], IONEX(IONospheric map Exchange Format)라는 격자형 자료로 제공되고 있다. 그러나 현재 제공되는 전 지구 전리 권 총전자밀도 자료는 공간 해상도는 위도 방향으로 5도, 경 도 방향으로 10도이며, 시간 해상도는 2시간이다. 이러한 매 우 낮은 시공간 해상도는 지역적 전리권의 특성을 연구하는 데 매우 부족하다. 따라서 각 지역의 전리권 상태를 연구하 기 위하여 해당 지역 GNSS 관측 망을 사용하여 전리권의 총전자밀도를 산출하는 연구가 활발히 진행되고 있다[3][4].

국내에서는 한국천문연구원(KASI, Korean Astronomy and Space science Institute)에서 운영 중인 9개의 GNSS 상시관 측소 자료를 이용하여 한반도 전리권의 상태를 연구하고 있 다[5]. 그러나 산출에 사용하고 있는 GNSS 상시관측소의 수 가 9개에 그치고 있어 일본이나 유럽, 미국과 같은 고해상도 전리권 TEC 지도를 산출하는 데는 한계가 있다.

국내의 GNSS 상시관측소는 여러 기관에 의해 각기 다른 목적으로 운영되고 있다. 국토지리정보원(NGII, National Geographic Information Institute)에서는 정밀 지도제작을 위한 위성 측지기준망 구축을 위하여 46개소의 상시관측소 를 운영하고 있으며, 위성항법중앙사무소(Central Office of Differential GNSS, DGNSS)에서는 선박항해를 위한 지상기 준점 제공을 위하여 25개의 상시관측소를 운영하고 있고, 한 국천문연구원(KASI)에서는 지구자전, 지각변동, 지구기준 좌표계 실현 등의 위치천문 연구 및 지구과학 연구, DGPS 서비스를 위하여 9개소의 상시관측소를 운영하고 있다. 그 외 기상청(KMA, Korea Meteorological Administration) 및 기상연구소(NIMR, National Institute of Meteorological Research)에서는 한반도 지각변동 변화 감시 및 기상 응용 목적으로 상시관측소를 운영하고 있고 점차 그 수를 늘려가 고 있는 상황이다. 그러나 이런 상시관측소들은 각기 다른 기관에 의해 운영되고 있어 관측 자료 역시 각 기관에 의해 별도로 관리되고 있어 실시간 자료 이용에 한계가 있다.

따라서 고해상도의 지역 전리권 총전자밀도 지도를 산출 하기 위해서는 각 기관에서 운영 중인 GNSS 상시관측소 자 료를 통합 수집하고 처리하는 시스템이 필요하다. 본 연구에

서는 국내 GNSS 상시관측망 자료를 수집하여 전리권 총전 자밀도 자료를 산출하고 그 결과를 IGS(International GNSS Service) 전 지구 자료와 비교하였다.

Ⅱ. GNSS 관측자료 수집 및 처리 시스템

국가기상위성센터 GNSS 관측자료 수집시스템은 국토지 리정보원 46개소, 한국천문연구원 9개소 및 위성항법 중앙사 무소 26개소, 기상청 2개소, 기상연구소 4개소의 GNSS 관측 자료를 수집한다(그림 1). 국토지리정보원 46개소와 한국천 문연구원 9개소의 자료는 매 10분마다 한 번씩 자료가 수집 되고 있으며, 위성항법중앙사무소의 경우에는 오지에 위치 한 관측소가 많아 통신 환경에 의해 자료의 실시간 수집이 어려워 매일 1회 수집을 하고 있으며, 기상청 및 기상연구소 의 자료는 1시간 마다 1회씩 수집하고 있다.

국토지리정보원과 한국천문연구원의 자료는 각 기관에서 기상청 DMZ(Demilitarized Zone) 지역에 위치한 FTP 서버 에 매 10분마다 최근 10분간의 자료를 자동 전송하고 있고 이를 수집 서버로 이전하여 관리하고 있으며, 위성항법중앙 사무소의 자료와 기상청 및 기상연구소의 자료는 각 기관이 제공한 FTP 서버에 접속하여 자료를 가져오는 방식으로 수 집한다. 수집되는 각 기관의 GNSS 관측 자료는 RINEX (Receiver INdependent EXchange Format) 형식으로 수집 되고 있으나 한국천문연구원의 자료는 이진 바이너리 자료 로 수집한 뒤, RINEX 형식으로 변환하여 사용하고 있다.

수집된 자료는 자료처리 서버에서 매시간 최근 24시간의 자료로 재생성하여 1시간에 한번씩 TEC 자료를 산출하고 있다.

그림 1. 국가기상위성센터의 GNSS 관측자료 수집 및 자료 처리 시스템 개요

Ⅲ. 전리권 총전자밀도 산출

전지구위성항법시스템(GNSS)은 미국의 GPS(Global Po-

sitioning System)와 러시아의 GLONASS, 유럽연합의 Galilleo, 중국의 COMPASS 등을 포함하는 시스템이다. 그 러나 각 항법시스템에서 사용하는 주파수가 상이하기 때문 에 전리권총전자밀도 산출에는 미국의 GPS 시스템만을 사 용하였다. GNSS 상시관측소의 경우 GPS 위성에서 송신되 는 L1 (1574.42 MHz), L2 (1227.60 MHz) 주파수에서 신호를 수신한다. GNSS 상시관측소에서 수신되는 관측 정보는 각 L1, L2 주파수에서 수신되는 의사거리(pseudorange) P1, P2 및 위상거리 L1, L2가 관측된다. 의사거리(_^)는 단순히 GPS 위성에서 송신된 시각과 수신기에서 관측된 시간차 (_^)를 이용하여 계산한 거리에 해당하는 값으로 다음과 같 은 식으로 표현된다.

_^ _^ _^ _ ^        (1)

여기서 _^는 위성과 수신기 사이의 실제 거리를 의미하고

_과 ^는 각각 수신기와 위성의 시계오차, 는 전리권에 의한 신호지연, 는 대류권 중성 대기에 의한 신호지연,

는 의사거리의 다중경로 오차, 은 신호의 잡음 및 랜 덤 오차를 의미한다. 반면 위상거리 _^는

_^ _^ _ ^      _^    (2)

으로 주어지고 은 위상지연량의 다중경로 오차, 는 신호의 파장, _^는 위상신호의 모호 정수를 의미한다.

전리권에 의한 신호지연은 위성에서 송출된 전파신호가 전리권 플라즈마에 도달하게 되어 전리권의 자유전자로 인 하여 전파신호의 속도가 달라짐으로써 발생한다. 플라즈마 를 지나는 전파는 위상속도(phase velocity)는 진공상태의 빛의 속도보다 빨라지게 되고, 군속도(group velocity)는 빛 의 속도보다 느려지게 된다. 전리권의 위상굴절 및 군굴절 지표는 다음과 같이 주어진다[6].

_   ^

_

, _   ^

_

, _ _^ (3)

따라서 신호가 전달되는 경로를 따라 관측되는 관측거리 s와 위성과 수신기 사이의 직선에 해당하는 기하거리 s0는

 





로 주어진다. 따라서 전리권에 의한 위상지연량은

  ^





로 주어지게 된다.

같은 경로를 지나오는 두 주파수의 전파신호의 지연량 차 이는 수신기 및 위성의 시계오차, 중성대기에 의한 값은 상 쇄되고 오직 주파수와 전자밀도의 함수로만 주어지게 된다.

의사거리에 의한 총전자밀도 산출에 비해 위상거리는 정확 한 값을 측정할 수 있으나 의사거리를 이용하여 위상신호의 사이클 슬립 보정을 통해 모호 정수를 결정해주어야 한다.

최종적으로 위성과 수신기 사이의 전리권 총전자밀도는 다 음과 같이 주어진다.

_^_{ }



 





_^ 



















(6)

여기서 c는 전파의 속도이며, _과 _은 각각 위성 및 수신기에서 P1, P2 신호의 시간 차이에 의해 생기는 편이(Differential Code Bias)를 나타낸다.

그러나 이렇게 관측되는 지연량은 위성신호가 통과하는 지점의 연직방향의 값이 아니므로 이를 적절한 사상함수 (mapping function)를 이용하여 연직방향의 지연량으로 변 환해주는 과정이 필요하다(그림 2). 이 때, 전리권의 모든 전 자는 전리권의 높이 hi에 구각의 형태로 존재하는 것을 가정 한다. 관측된 위성의 고도가 θ일 때, 연직방향의 총전자밀도 (vTEC, vertical TEC)와 시선방향의 총전자밀도(sTEC)의 관계는 다음과 같이 주어진다. 여기서 RE는 지구의 반경 (RE=6371km)이며 전리권의 평균 높이 hi는 350km로 가정하 였다.

 ^{ }^ _ _ (7)

그림 2. 전리권과 위성 신호 및 수신기의 기하학적 구조.

위성이나 수신기의 DCB는 급격하게 변하는 값이 아니므로 위성의 DCB 값은 CODE(Center for Orbit Determination in Europe, ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE)에서 제공되는 자료 를 이용하였다. CODE에서는 주요한 IGS 지점에 대하여 각 지 점 수신기의 DCB 자료를 제공하고 있으나, 국내 상시 관측소

대부분에 대해서는 수신기의 DCB 값을 제공하고 있지 않다.

본 연구에서는 각 수신기의 DCB를 산출하기 위하여 최소 표 준편차 방법(Minimization of standard deviation method)을 사용하였다[7]. 이 방법에서는 먼저 CODE에서 주어진 각 위 성의 DCB를 보정한 후 주어진 시각에서의 연직방향 총전자 밀도의 표준 편차(σu)를 구하고, 모든 시각에 대한 표준편 차의 합(σt)이 최소가 되도록 하는 DCB를 수신기의 DCB로 결정한다. 각 시각에 대한 연직방향 총전자밀도의 표준편차 는 다음과 같이 주어진다.

_



  





 ^

(8)

각 상시관측소별로 산출한 결과를 이용하여 한반도 상공의 총전자밀도 지도를 산출하기 위하여 각 관측소별 위성 신호가 전리권을 통과하는 지점을 계산하였다. 관측소의 위경도가 φ, λ 이고, 관측된 GPS 위성의 고도 및 방위각이 e 및 a 일 때 위성신호가 통과하는 전리권의 위치(Ionospheric Pierce Point)의 위경도 φIPP, λIPP 는 다음과 같이 주어진다.

_  ^{ }         (9)

_    ^{ }   (10)

  

    ^{ }



_ 



각 관측소 별로 산출된 IPP에서의 총전자밀도 값을 이용하 여 한반도 상공의 전리권 총전자밀도 지도를 산출하였다. 30 분의 시간창 자료에 대하여 Barnes 내삽방법을 적용하여 한 반도 상공의 격자형 전자밀도 산출하였다. 그림 3의 (a)는 주어진 시각의 각 관측소의 IPP에 해당하는 총전자밀도의 값 을 나타낸 것이고, (b)는 Barnes 내삽법을 적용하기 위하여 30분 자료를 표출한 자료이다. 한반도 격자는 경위도 각 0.25도 간격의 57 x 41 크기의 격자로 생산되었고, 위도는 동 경 121도에서 135도, 북위 31도에서 41도의 범위를 갖는다.

그림 3. (a) 주어진 시각의 IPP에서의 총전자밀도 값 (b) 격자 자료 생성을 위한 30분 시간 창에서의 IPP에서의 총전 자밀도 값.

Ⅳ. 결과 및 토의

그림 4 및 그림 5는 한반도 GNSS 관측 자료를 이용하여 산 출한 전리권 총전자밀도 결과를 나타낸다. 그림 4는 2011년 11월 22일 15 UTC ~ 11월 23일 14 UTC 사이의 한반도 상공의 총전자밀도 지도 결과 예제이며, 그림 5는 한반도 전체 격자 에 대한 평균값(적색선)과 IGS에서 제공하는 전 지구 전리 권 맵에서 한반도 지역에 해당하는 격자의 총전자밀도 시계 열 값(회색 파선)에 대한 60일간의 시계열 결과를 나타낸다.

IGS에서 제공된 총전자밀도 값은 본 연구에서 산출된 밤 시 간대의 총전자밀도 값과 일치시키기 위하여 4 TECU(TEC Unit, 1 TECU = 10¹⁶/m²) 만큼 감소시켰다.

그림 4. 한반도 상공의 전리권 총전자밀도 지도

그림 5의 시계열 그림을 보면 본 연구에서 산출된 총전자 밀도는 밤 시간대에서 일정한 값을 지속적으로 가지는 반면 에 IGS에서 제공한 결과는 시간 분해능이 2h 인 관계로 밤 시간대의 전리권 총전자밀도의 최소값을 충분히 반영하지 못하고 있다. 또한 시계열 그래프에서 2012년 1월 23일 O3시 (UTC) 경에 발생한 X급 플레어에 의해 본 연구에서는 산출된 결과에서는 한반도의 전리권 총전자밀도가 상승한 것을 보 이고 있으나 IGS 자료에서는 오히려 감소한 결과를 보여주 고 있다. 이는 IGS는 전 세계 약 250여개의 GNSS 자료를 이 용하여 전리권 총전자밀도 맵을 생성하고 있으나 250여개의 관측지점은 대부분 육지 지역에 집중되어 있어 지역적 전리 권의 특성을 표현하기에는 무리가 따른다. 따라서 본 연구 에 의해 생성된 한반도 전리권 총전자밀도 지도는 한반도 상 공의 전리권의 변화에 대한 연구 및 국가기상위성센터에서 개발하고 있는 전리권 모델의 검증 및 동화모델 입력 자료로 서도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

그러나 현재 구축된 전리권 총전자밀도 산출 시스템은 1 시간의 시간분해능을 가진 0.25도 공간 분해능의 2차원 맵 의 형태로 제공되고 있다. 현재의 결과는 TID(Travelling Ionospheric Disturbance)과 같은 지역적인 전리권 요동을

검출하는 데는 한계가 있다. 따라서 더 높은 시간 분해능을 가진 자료를 생산할 필요가 있으며, 이를 위하여 산출자료 에 대한 후처리 기술의 추가 개발이 필요하다.

그림 5. 한반도 상공의 총전자밀도 시계열 결과.

참 고 문 헌

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Miyazaki, "A New Technique for Mapping of Total Electron Content using GPS network in Japan", Earth, Planet, and Space, Vol, 54, pp. 63-70, 2002

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Applications", Walter de Gruyter, Berlin, New York, p.531 [7] F. Arikan, H. Nayir, U. Sezen, O. Arikan, "Estimation of

single station interfrequency receiver bias using GPS/TEC", Radio Science, Vol. 43, p. 13, 2008

저자

이 정 덕(Jeong-Deok Lee)

․1997년 2월：서울대학교 천문학과 (이 학사)

․1999년 2월 : 서울대학교 천문학과 (이 학석사)

․2008년 2월 : 서울대학교 환경과학부 (이학박사)

․2008년 2월 ～ 2008년 12월 : 세종대학교 우주구조화진화 연 구센터 박사후연구원

․2009년 1월 ～ 현재：(주) 에스이랩 부설연구소 연구소장 <관심분야> : GNSS 자료처리, 우주기상, 전리권

신 대 윤(Daeyun Shin)

․2005년 2월 : 아주대학교 우주계측정 보공학과(공학석사)

․2011년 3월：University of Tokyo (환 경학 박사)

․1992년 2월 ～ 현재 : 기상청 근무

<주 관심분야> : GNSS Remote Sensing,, Space Weather

김 도 형(Dohyeong Kim)

․1996년 2월 : 서울대학교 지구과학교 육과 (이학사)

․1998년 2월 : 서울대학교 대기과학과 (이학석사)

․2003년 8월 : 서울대학교 대기과학과 (이학박사)

․2003년 9월 ～ 2004년 3월 : 서울대학교 지구환경과학부 박 사후 연구원

․2004년 4월 ～ 2007년 7월 : 샌디에고 주재 캘리포니아 대학 스크립스 해양연구소 박사후 연구원

․2007년 8월 ～ 현재 : 기상청 기상연구관

<주 관심분야> : 원격탐사, 대기복사, 위성복사검정

오 승 준(Seung Jun Oh)

․1991년 2월 : 서울대학교 천문학과 (이 학사)

․1994년 2월 : 서울대학교 천문학과 (이 학석사)

․2007년 8월 : 서울대학교 지구환경과학 부 (이학박사)

․2002년 8월 ～ 현재 : (주)에스이랩 대표이사 <주 관심분야> : 전리권 위성관측, 전리권 모델링