KR101605385B1 - 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치 및 그 방법을 개시한다. 즉, 본 발명은 전리권의 전자 밀도 분포 예측의 정확도를 높이기 위해서 날짜, 태양 전파 플럭스 지수(또는 F10.7 index), 지구 자기장 교란 지수(또는 Ap index), 태양 복사 플럭스(0.1nm ~ 105.0nm), 이온 온도, 2차 광이온화 과정 등을 추가로 적용하여 위도 및 경도에 따른 위치별 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출함으로써, 기존 SAMI2 모델을 이용한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하는데 비해 보다 정밀하고 정확한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하여 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치 및 그 방법{Apparatus of predicting electron density distribution of ionosphere and method thereof}
본 발명은 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 전리권의 전자 밀도 분포 예측의 정확도를 높이기 위해서 날짜, 태양 전파 플럭스 지수(또는 F10.7 index), 지구 자기장 교란 지수(또는 Ap index), 태양 복사 플럭스(0.1nm ~ 105.0nm), 이온 온도, 2차 광이온화 과정 등을 추가로 적용하여 위도 및 경도에 따른 위치별 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
SAMI2 모델은 미 해군연구소에서 개발한 모델이며, 위도와 고도에 대한 2D 공간에 대한 전리권을 계산하는 모델이다.
여기서, 상기 SAMI2 모델의 메인 코드에서는 고도 85Km에서 20,000Km까지의 저·중위도 전리권의 7개의 이온종(H+, He+, N+, O+, N2+, NO+, O2+)과 전자의 화학적 및 역학적 진화를 계산한다.
이러한 상기 SAMI2 모델은 EUV 복사(5.0nm ~ 105.0nm)만을 이용하여 전리권의 상태를 산출함에 따라 실제 전리권에 영향을 미치는 태양 활동에 따른 X선 복사(0.1nm ~ 5.0nm)의 영향을 반영하지 못하고 있다.
또한, 상기 SAMI2 모델은 EUV 복사만을 이용하여 전리권의 상태를 산출함에 따라 플레어와 같은 태양 이벤트에 따른 2차 광이온화 과정 등의 영향을 반영하지 못하고 있다.
한국공개특허 제10-2015-0055491호 [명칭: 전리층의 전자 밀도 분석 방법]
본 발명의 목적은 전리권의 전자 밀도 분포 예측의 정확도를 높이기 위해서 날짜, X선 영역까지 확장시킨 태양 전파 플럭스 지수(또는 F10.7 index), 지구 자기장 교란 지수(또는 Ap index), 태양 복사 플럭스(0.1nm ~ 105.0nm), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도, 2차 광이온화 과정 등을 추가로 적용하여 위도 및 경도에 따른 위치별 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태의 전자 민도, 이온 온도, 전자 온도 등을 직교 좌표(cartesian coordinate)계로 변환하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치는 전리권의 전자 밀도를 산출하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치에 있어서, 외부 서버 또는 지자기 관측소로부터 전송되는 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전파 플럭스를 지수화한 F10.7 지수, 고층 대기 관측 위성인 TIMED 위성의 SEE 탑재체와 UARS 위성의 SOLSTICE 탑재체에 의해 측정된 태양 플럭스를 기반으로 만들어진 FISM 플럭스 데이터(Flare Irradiance Spectral Model Flux data), 지구 자기장 교란 지수 및 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 수집하는 통신부; 날짜, 상기 수집된 태양 전자 플럭스 지수인 F10.7 지수, 상기 FISM 플럭스 데이터 및 상기 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 근거로 미리 설정된 연속 방정식, 운동 방정식 및 온도 방정식에 따른 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 각각 산출하고, 상기 산출된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 좌표계를 직교 좌표계로 변환하는 제어부; 및 상기 직교 좌표계로 변환된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 3차원 형태로 각각 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 미리 설정된 위도 30°~ 45° 및 경도 120°~ 140°에 대해서 1도 간격으로 고도 90km ~ 1,000km에 대해서 10km 간격의 해상도를 갖도록 상기 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 각각 산출할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 아래의 수학식과 같은 연속 방정식을 통해 전리권의 전자 밀도의 변화량을 산출하며,
Figure 112016001166016-pat00001
, 상기 t는 시간을 나타내고, 상기 ni는 전자 밀도를 나타내고, 상기 Pi는 이온의 생성률을 나타내고, 상기 Li는 이온의 소멸률을 나타내고, 상기 vi는 이동 속도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00002
은 수송에 의한 변화율을 나타내며, 상기 전리권의 전자 밀도의 변화량은 전리권의 이온 밀도의 변화량과 같은 값을 가질 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 상기 날짜, 상기 태양 전자 플럭스 지수인 F10.7 지수, 상기 지구 자기장 교란 지수 및 상기 FISM 태양 플럭스를 근거로 상기 이온의 생성률 또는 전자의 생성률을 산출할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 람버트-비어(Lambert-Beer) 법칙을 통해 태양광이 대기 중을 통과하는 과정에서 흡수당하는 양을 고려하여, 태양의 천정각과 고도의 함수로 중성 대기 분자 또는 원자의 개수로부터 아래의 수학식을 통해 상기 전자의 생성률을 산출하며,
Figure 112016001166016-pat00003
상기
Figure 112016001166016-pat00004
는 특정 위치에서 파장이 람다(λ)인 빛의 세기를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00005
는 지구 대기에 의해 흡수되지 않은 상태의 태양 복사의 세기를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00006
는 광학적 깊이(optical depth)로 빛의 감소 정도를 계수화한 양을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00007
는 아래의 수학식을 통해 나타내며,
Figure 112016001166016-pat00008
상기
Figure 112016001166016-pat00009
는 파장에 따른 흡수 단면적(absorption cross section)을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00010
는 고도 z에서의 대기 구성 성분 i의 밀도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00011
는 아래의 수학식을 통해 나타내며,
Figure 112016001166016-pat00012
, 상기
Figure 112016001166016-pat00013
는 지표면에서의 대기 밀도를 나타내고, 상기 H는 높이 척도(scale height)를 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 상기 파장에 따른 태양 복사 에너지인
Figure 112016001166016-pat00014
를 근거로 고도와 입자에 따른 광 이온화율을 아래의 수학식을 통해 산출하며,
Figure 112016001166016-pat00015
, 상기
Figure 112016001166016-pat00016
는 고도와 입자에 따른 광 이온화율을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00017
는 고도와 입자에 따른 중성 대기 밀도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00018
는 광이온화 단면적(Photoionization cross section)을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00019
는 1차 광이온화로 인해 생성된 광전자로 인해 추가적으로 발생하는 2차 이온화되는 비율을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 전리권에 형성된 이온과 전자들이 대기층의 중성 기체들과 화학반응을 할 때, 미리 설정된 고도별 중성대기 분자 또는 원자들의 개수밀도를 통해서 이온들이 생성되고 소멸되는 개수를 각각 산출하고, 상기 산출된 생성되고 소멸되는 이온 개수를 근거로 전자의 소멸률을 산출할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 아래의 수학식을 통해, 전리권의 이온 속도를 산출하며,
Figure 112016001166016-pat00020
Figure 112016001166016-pat00021
, 상기
Figure 112016001166016-pat00022
는 이온 속도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00023
는 이온 밀도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00024
는 압력을 나타내고, 상기 E는 이온에 미치는 전기장을 나타내고, 상기 B는 이온에 미치는 자기장을 나타내고, 상기 g는 이온에 미치는 중력 가속도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00025
는 이온과 중성 대기 사이의 충돌에 의해 속도에 미치는 영향을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00026
는 이온과 다른 이온 사이의 충돌에 의해 속도가 영향을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00027
는 이온과 중성 대기의 충돌 빈도(frequency)를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00028
는 이온과 다른 이온 사이의 충돌 빈도를 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 아래의 수학식을 통해, 전리권의 전자 속도를 산출하며,
Figure 112016001166016-pat00029
, 상기
Figure 112016001166016-pat00030
는 전자의 밀도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00031
는 압력을 나타내고, 상기 E는 전자에 미치는 전기장을 나타내고, 상기 B는 전자에 미치는 자기장을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 제어부는, 상기 산출된 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 위도와 경도 1도 간격 및 고도 10km 간격에 해당하는 지점의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 데이터를 미리 설정된 보간법을 적용하여 직교 좌표계로 변환할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전리권의 전자 밀도 분포 예측 방법은 전리권의 전자 밀도를 산출하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 방법에 있어서, 통신부를 통해, 외부 서버 또는 지자기 관측소로부터 전송되는 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전파 플럭스를 지수화한 F10.7 지수, 고층 대기 관측 위성인 TIMED 위성의 SEE 탑재체와 UARS 위성의 SOLSTICE 탑재체에 의해 측정된 태양 플럭스를 기반으로 만들어진 FISM 플럭스 데이터(Flare Irradiance Spectral Model Flux data), 지구 자기장 교란 지수 및 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 수집하는 단계; 제어부를 통해, 날짜, 상기 수집된 태양 전자 플럭스 지수인 F10.7 지수, 상기 FISM 플럭스 데이터 및 상기 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 근거로 미리 설정된 연속 방정식, 운동 방정식 및 온도 방정식에 따른 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 각각 산출하는 단계; 상기 제어부를 통해, 상기 산출된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 좌표계를 직교 좌표계로 변환하는 단계; 및 표시부를 통해, 상기 직교 좌표계로 변환된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 3차원 형태로 각각 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 전리권의 전자 밀도 분포 예측의 정확도를 높이기 위해서 날짜, X선 영역까지 확장시킨 태양 전파 플럭스 지수(또는 F10.7 index), 지구 자기장 교란 지수(또는 Ap index), 태양 복사 플럭스(0.1nm ~ 105.0nm), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도, 2차 광이온화 과정 등을 추가로 적용하여 위도 및 경도에 따른 위치별 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출함으로써, 기존 SAMI2 모델을 이용한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하는데 비해 보다 정밀하고 정확한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하여 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태의 전자 민도, 이온 온도, 전자 온도 등을 직교 좌표계로 변환함으로써, 국지전리권 모델 개발에 의해 해상도가 향상된 3D 모델을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전리권의 전자 밀도 분포 예측 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전리권 총 전자량(TEC: Total Electron Content)의 결과를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 모델을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직교 좌표계로 변환된 전리권의 전자 밀도를 나타낸 도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)는 통신부(100), 저장부(200), 표시부(300), 음성 출력부(400) 및 제어부(500)로 구성된다. 도 1에 도시된 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)가 구현될 수도 있다.
상기 통신부(100)는 유/무선 통신망을 통해 내부의 임의의 구성 요소 또는 외부의 임의의 적어도 하나의 단말기와 통신 연결한다. 이때, 상기 외부의 임의의 단말기는 관측 장치, 서버 등을 포함할 수 있다. 여기서, 무선 인터넷 기술로는 무선랜(Wireless LAN: WLAN), 와이브로(Wireless Broadband: Wibro), 와이맥스(World Interoperability for Microwave Access: Wimax), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), IEEE 802.16, 롱 텀 에볼루션(Long Term Evolution: LTE), 광대역 무선 이동 통신 서비스(Wireless Mobile Broadband Service: WMBS) 등이 포함될 수 있다. 또한, 근거리 통신 기술로는, 블루투스(Bluetooth), 와이 파이(Wi-Fi), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association: IrDA), UWB(Ultra Wideband), 지그비(ZigBee), 인접 자장 통신(Near Field Communication: NFC), 초음파 통신(Ultra Sound Communication: USC), 가시광 통신(Visible Light Communication: VLC), BLE(Bluetooth Low Energy) 등이 포함될 수 있다. 또한, 유선 통신 기술로는, 전력선 통신(Power Line Communication: PLC), USB 통신, 이더넷(Ethernet), 시리얼 통신(serial communication), 광/동축 케이블 등이 포함될 수 있다.
또한, 상기 통신부(100)는 유니버설 시리얼 버스(Universal Serial Bus: USB)를 통해 상기 단말기와 정보를 상호 전송할 수 있다.
또한, 상기 통신부(100)는 상기 임의의 외부 서버 또는 지자기 관측소(미도시)로부터 전송되는 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전자 플럭스를 지수로 나타내는 F10.7 지수(또는 F10.7 Index/태양 전파 플럭스 지수), FISM 플럭스 데이터(Flare Irradiance Spectral Model Flux data)(또는 X선 플럭스를 포함하는 태양 복사 플럭스, 0.1nm ~ 105.0nm), 지구 자기장 교란 지수(예를 들어 3시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수, 24시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수 등 포함), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도 등을 수신한다.
상기 저장부(200)는 다양한 사용자 인터페이스(User Interface: UI), 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface: GUI) 등을 저장한다.
또한, 상기 저장부(200)는 상기 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)가 동작하는데 필요한 데이터와 프로그램 등을 저장한다.
또한, 상기 저장부(200)는 플래시 메모리 타입(Flash Memory Type), 하드 디스크 타입(Hard Disk Type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Multimedia Card Micro Type), 카드 타입의 메모리(예를 들면, SD 또는 XD 메모리 등), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크, 램(Random Access Memory: RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory: ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory) 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)는 인터넷(internet)상에서 저장부(200)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)를 운영하거나, 또는 상기 웹 스토리지와 관련되어 동작할 수도 있다.
또한, 상기 저장부(200)는 상기 통신부(100)를 통해 수신된 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전자 플럭스를 지수로 나타내는 F10.7 지수(또는 F10.7 Index/태양 전파 플럭스 지수), FISM 플럭스 데이터(Flare Irradiance Spectral Model Flux data)(또는 X선 플럭스를 포함하는 태양 복사 플럭스, 0.1nm ~ 105.0nm), 지구 자기장 교란 지수(예를 들어 3시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수, 24시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수 등 포함), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도 등을 저장한다.
상기 표시부(300)는 상기 제어부(500)의 제어에 의해 상기 저장부(200)에 저장된 사용자 인터페이스 및/또는 그래픽 사용자 인터페이스를 이용하여 다양한 메뉴 화면 등과 같은 다양한 콘텐츠를 표시할 수 있다. 여기서, 상기 표시부(300)에 표시되는 콘텐츠는 다양한 텍스트 또는 이미지 데이터(각종 정보 데이터 포함)와 아이콘, 리스트 메뉴, 콤보 박스 등의 데이터를 포함하는 메뉴 화면 등을 포함한다. 또한, 상기 표시부(300)는 터치 스크린 일 수 있다.
또한, 상기 표시부(300)는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display: TFT LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode: OLED), 플렉시블 디스플레이(Flexible Display), 3차원 디스플레이(3D Display), 전자잉크 디스플레이(e-ink display), LED(Light Emitting Diode) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 표시부(300)는 상기 제어부(500)의 제어에 의해 상기 통신부(100)를 통해 수신된 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전자 플럭스를 지수로 나타내는 F10.7 지수(또는 F10.7 Index/태양 전파 플럭스 지수), FISM 플럭스 데이터(또는 X선 플럭스를 포함하는 태양 복사 플럭스, 0.1nm ~ 105.0nm), 지구 자기장 교란 지수(예를 들어 3시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수, 24시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수 등 포함), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도 등을 표시한다.
음성 출력부(400)는 제어부(500)에 의해 소정 신호 처리된 신호에 포함된 음성 정보를 출력한다. 여기서, 음성 출력부(400)에는 리시버(receiver), 스피커(speaker), 버저(buzzer) 등이 포함될 수 있다.
또한, 음성 출력부(400)는 제어부(500)에 의해 생성된 안내 음성을 출력한다.
또한, 음성 출력부(400)는 제어부(500)의 제어에 의해, 상기 통신부(100)를 통해 수신된 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전자 플럭스를 지수로 나타내는 F10.7 지수(또는 F10.7 Index/태양 전파 플럭스 지수), FISM 플럭스 데이터(또는 X선 플럭스를 포함하는 태양 복사 플럭스, 0.1nm ~ 105.0nm), 지구 자기장 교란 지수(예를 들어 3시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수, 24시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수 등 포함), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도 등에 대응하는 음성 정보를 출력한다.
상기 제어부(500)는 상기 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치(10)의 전반적인 제어 기능을 실행한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 지자기 관측소에서 관측된 110.7cm 파장에서 관측되는 태양 전파 플럭스를 지수화한 F10.7 지수(또는 F10.7 Index/태양 전파 플럭스 지수)를 수집한다. 여기서, 상기 F10.7 지수는 현재 태양 활동의 상태를 파악하는 지표의 기능을 한다.
이때, 상기 제어부(500)는 기존의 SAMI2 모델이 사용하는 EUVAC 플럭스 대신에 X선에 대한 중성 대기의 이온화율을 결정하는 데이터를 포함하는 0.1nm ~ 105.0nm 범위의 플럭스(flux)를 추가로 수집한다. 여기서, 상기 X선을 포함하는 0.1nm ~ 105.0nm 범위의 플럭스에 대한 중성 대기의 이온화율을 결정하는 데이터는 FISM(Flare Irradiance Spectral Mode) 자료를 참조할 수 있다. 또한, 상기 FISM 자료는 미리 설정된 1분 단위로 태양 복사와 관련한 데이터를 제공하기 때문에, 실시간으로 변하는 태양 활동을 적용할 수 있다.
즉, 상기 제어부(500)는 고층 대기 관측 위성인 TIMED 위성(미도시)의 SEE 탑재체와 UARS 위성(미도시)의 SOLSTICE 탑재체에 의해 측정된 태양 플럭스를 기반으로 만들어진 FISM 플럭스 데이터(Flare Irradiance Spectral Model Flux data)를 수집한다.
이와 같이, 태양 플레어(solar flare)와 같은 현상이 발생하는 경우 방출되는 강한 X선에 의해 이온화가 생기며, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 태양 플레어와 같은 이벤트가 발생했을 때의 X선 파장에 의한 이온화 과정을 고려하기 위해서 상기 X선에 대한 중성 대기의 이온화율을 결정하는 데이터를 수집한다.
또한, 상기 제어부(500)는 복수의 지자기 관측소에서 각각 관측되는 지구 자기장 교란 지수(예를 들어 3시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수, 24시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수 등 포함)를 수집한다.
또한, 상기 제어부(500)는 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 수집하고, 상기 수집된 이온 온도 및 전자 온도를 SAMI2 모델에 입력한다. 여기서, 상기 IRI-2012 모델은 지상 전리권 관측기(Ionosonde)(미도시), 로켓, 위성 등의 관측 결과를 통해 만들어진 전지구 전리권 경험 모델이다.
또한, 상기 제어부(500)는 날짜, 상기 수집된 태양 전자 플럭스 지수(또는 F10.7 지수), 지구 자기장 교란 지수, X선 플럭스를 포함하는 FISM 태양 플럭스, IRI-2012 모델로부터 얻는 이온 온도 및 전자 온도 등을 근거로 미리 설정된 연속 방정식, 운동 방정식 및 온도 방정식에 따른 전리권의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 각각 산출한다. 이때, 상기 제어부(500)는 미리 설정된 위도 30°~ 45° 및 경도 120°~ 140°에 대해서 1도 간격으로 고도 90km ~ 1,000km에 대해서 10km 간격의 해상도를 갖도록 상기 전리권의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 각각 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 아래의 [수학식 1]과 같은 연속 방정식을 통해 전리권의 전자 밀도의 변화량을 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00032
여기서, 상기 t는 시간을 나타내고, 상기 ni는 전자 밀도를 나타내고, 상기 Pi는 이온의 생성률을 나타내고, 상기 Li는 이온의 소멸률을 나타내고, 상기 vi는 이동 속도(또는 이온 속도)를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00033
은 수송에 의한 변화율(또는 수평 방향: 자기장 플럭스 라인에서의 수송에 의한 변화율)을 나타낸다. 이때, 중성 대기가 광이온화되어 양이온과 전자로 분리되기 때문에, 이온 밀도의 변화량은 전자 밀도의 변화량과 같다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 날짜, 상기 태양 전자 플럭스 지수(또는 F10.7 지수), 상기 지구 자기장 교란 지수 및 상기 FISM 태양 플럭스를 근거로 상기 이온(또는 전자)의 생성률(Pi)을 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 아래의 [수학식 2]와 같은 람버트-비어(Lambert-Beer) 법칙을 통해 태양광이 대기 중을 통과하는 과정에서 흡수당하는 양을 고려하여, 태양의 천정각과 고도의 함수로 중성 대기 분자 또는 원자의 개수로부터 상기 전자의 생성률(또는 이온의 생성률)을 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00034
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00035
는 어느 위치(또는 특정 고도)에서 파장이 람다(λ)인 빛의 세기를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00036
는 지구 대기 최상층에 입사한 빛, 즉 지구 대기에 의해 흡수되지 않은 상태의 태양 복사의 세기를 나타내고,
Figure 112016001166016-pat00037
는 광학적 깊이(optical depth)로 빛의 감소 정도를 계수화한 양을 나타낸다.
따라서, 상기 [수학식 2]는 광학적 깊이를 통해 태양 빛이 지구 대기로 입사하며 지수함수적으로 감소하는 효과를 나타낸다.
또한, 상기 제어부(500)는 각 고도에서의 광학적 깊이(
Figure 112016001166016-pat00038
)를 아래의 [수학식 3]과 같이 나타낸다.
Figure 112016001166016-pat00039
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00040
는 파장에 따른 흡수 단면적(absorption cross section)을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00041
는 고도 z에서의 대기 구성 성분 i의 밀도를 나타낸다.
또한, 상기 [수학식 3]은 각 고도에서의 중성 대기 밀도에 광흡수 단면적의 곱으로써, 각 고도에서의 광학적 깊이를 계산하기 위해서 사용한다.
또한, 상기
Figure 112016001166016-pat00042
는 아래의 [수학식 4]와 같이 나타낸다.
Figure 112016001166016-pat00043
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00044
는 지표면에서의 대기 밀도를 나타내고, 상기 H는 높이 척도(scale height)를 나타낸다.
또한, 지표면과 평행한 대기층에 태양의 천정각(solar zenith angle) χ로 입사한 태양 복사 에너지를 적용시키면, 상기 [수학식 2]의 람버트-비어 법칙은 아래의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016001166016-pat00045
또한, 상기 제어부(500)는 상기 도출된 파장에 따른 태양 복사 에너지(I(λ))를 이용하여 아래의 [수학식 6]에 따른 고도와 입자에 따른 광 이온화율을 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00046
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00047
는 상기 [수학식 1]에서 나타낸 고도와 입자에 따른 광 이온화율을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00048
는 고도와 입자에 따른 중성 대기 밀도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00049
는 광이온화 단면적(Photoionization cross section)을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00050
는 1차 광이온화로 인해 생성된 광전자로 인해 추가적으로 발생하는 2차 이온화되는 비율을 나타낸다. 여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00051
는 본 발명의 기술적 특징에 따른 2차 광이온화 과정을 위해 추가한 항이다.
이와 같이, 전리권에서의 이온화는 1차적으로 태양 복사 에너지에 의해 이온화되어 이온과 전자로 분리되고, 상기 분리된 전자를 다시 다른 중성 대기 또는 이온들과 반응해 2차 이온과 과정이 진행되며, 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 1차 이온화 과정 및 2차 이온화 과정을 반영한다.
또한, 이와 같이, 본 발명의 실시예는 90km ~ 110km의 E층 전리권에 대한 광전자에 의한 2차 이온화 효과를 적용할 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 수학식들을 통해 광이온화율(또는 전자의 생성률, 이온의 생성률)을 산출한다. 이때, 상기 산출된 광이온화율은 시간에 따른 전자의 생성량 또는 이온의 생성량을 나타내므로, 상기 산출된 광이온화율 자체는 전자의 생성량에 대응하며, 최종적으로 전자 또는 이온의 생성량을 산출할 수 있다.
또한, 전리권에 형성된 이온과 전자들이 대기층의 중성 기체들과 다시 화학반응을 하는 경우, 상기 제어부(500)는 미리 설정된 고도별 중성 대기 분자 또는 원자들의 개수밀도를 통해서 이온들이 생성되고 소멸되는 개수를 각각 산출하고, 상기 산출된 생성되고 소멸되는 이온 개수를 근거로 전자의 소멸률(Li)(또는 이온의 소멸률과 동일함)을 산출한다.
즉, 대기층의 중성 기체가 태양 극자외선을 받으면 상기 중성 기체가 이온화되며 자유전자와 이온쌍을 형성하여 전리권을 형성한다. 상기 과정을 통해 생성된 이온과 전자들은 아래의 [표 1]과 같은 대기층의 중성 기체들과 다시 화학 반응을 거치게 된다. 여기서, 상기 [표 1]은 화학 과정들에 대한 반응률을 나타낸다.
Reaction Rate, ㎤s-1
H+ + O → O+ + H 2.2 * 10-11 T0 .5 (H+)
He+ + N2 → N2 + + He 3.5 * 10-10
He+ + N2 → N+ + N + He 8.5 * 10-10
He+ + O+ + O+ → O + He 8.0 * 10-10
He+ + O2 → O2 + + He 2.0 * 10-10
N+ + O2 → NO+ + O 2.0 * 10-10
N+ + O2 → O2 + + N(2D) 4.0 * 10-10
N+ + O → O+ + N 1.0 * 10-12
N+ + NO → NO+ + O 2.0 * 10-11
O+ + H → H+ + O 2.5 * 10-11 Tn 0 .5
O+ + N2 → NO+ + N k1
O+ + O2 → O2 + + O k2
O+ + NO → NO+ + O 1.0 * 10-12
N2 + + O → NO+ + N(2D) 1.4 * 10-10 T300 -0.44 (O+)
N2 + + O2 → O2 + + N2 5.0 * 10-11 T300 -0.5 (O+)
N2 + + O2 → NO+ + NO 1.0 * 10-14
N2 + + NO → NO+ + N2 3.0 * 10-10
O2 + + N → NO+ + O 1.2 * 10-10
O2 + + N(2D) → N+ + O2 2.5 * 10-10
O2 + + NO → NO+ + O2 4.4 * 10-10
O2 + + N2 → NO+ + NO 5.0 * 10-16
k1 = 1.53×10-12 - 5.92×10-13 T300 (O+) + 8.60×10-14 T300 2(O+) for T(O+) < 1700K
k1 = 1.73×10-12 - 1.16×10-12 T300 (O+) + 1.48×10-13 T300 2 (O+) for T(O+) > 1700K
k2 = 2.82×10-11 - 7.74×10-12 T300 (O+) + 1.07×10-12 T300 2 (O+) - 5.17×10-14 T300 2 (O+) + 9.65×10-16 T300 4 (O+)
T300 = T/300
또한, 상기 이온화된 분자 또는 원자 이온들은 전자들과 다시 결합하게 되며, 아래의 [표 2]의 화학 반응식을 통해 해리 재결합 반응을 수행하고 전리권의 이온 손실 과정이 된다.
Reaction Rate, ㎤s-1
H+ + e → H 4.43 * 10-12 / Te 0 .7
He+ + e → He 4.43 * 10-12 / Te 0 .7
N+ + e → N 4.43 * 10-12 / Te 0 .7
O+ + e → O 4.43 * 10-12 / Te 0 .7
N2 + + e → N2 1.80 * 10-7 / Te 0 .39
NO+ + e → NO 4.20 * 10-7 / Te 0 .85
O2 + + e → O2 1.60 * 10-7 / Te 0 .55
이와 같이, 상기 제어부(500)는 상기 [표 1]의 화학 반응에 따른 화학반응률들과 미리 설정된 고도별 고도의 중성 대기 분자 또는 원자들의 개수 밀도를 근거로 이온들이 생성되고 소멸되는 개수를 산출하고, 상기 산출된 생성되고 소멸되는 이온 개수를 근거로 전자의 소멸률(또는 이온의 소멸률과 동일한 값을 가짐)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 다음의 과정을 통해 상기 이동 속도(또는 이온 속도: vi)를 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 아래의 [수학식 7]의 운동 방정식을 통해 전리권의 이온 속도를 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00052
Figure 112016001166016-pat00053
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00054
는 이온 속도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00055
는 이온 밀도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00056
는 압력을 나타내고, 상기 E는 이온에 미치는 전기장을 나타내고, 상기 B는 이온에 미치는 자기장을 나타내고, 상기 g는 이온에 미치는 중력 가속도를 나타낸다.
또한, 상기
Figure 112016001166016-pat00057
는 이온과 중성 대기 사이의 충돌에 의해 속도에 미치는 영향을 계산하는 것이며, 상기
Figure 112016001166016-pat00058
는 이온과 다른 이온 사이의 충돌에 의해 속도가 영향을 받는 것을 계산하는 항(term)이다. 여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00059
및 상기
Figure 112016001166016-pat00060
는 각각 이온과 중성 대기, 이온과 다른 이온 사이의 충돌 빈도(frequency)를 나타낸다.
또한, 상기 제어부(500)는 아래의 [수학식 8]의 운동 방정식을 통해 전리권의 전자 속도를 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00061
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00062
는 전자의 밀도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00063
는 압력을 나타내고, 상기 E는 전자에 미치는 전기장을 나타내고, 상기 B는 전자에 미치는 자기장을 나타내고, 전자는 질량이 매우 작기 때문에 관성이 무시된다. 따라서, 전자의 충돌 텀은 무시될 수 있다.
또한, 상기 [수학식 7]의 운동 방정식을 풀기 위해 필요한 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수(
Figure 112016001166016-pat00064
) 및 상기 이온과 이온 간의 충돌 빈도수(
Figure 112016001166016-pat00065
)는 다음의 [수학식 9] 및 [수학식 10]을 통해 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00066
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00067
는 7개 각각 이온(H+, He+, N+, O+, N2+, NO+, O2+)과 중성 대기 성분(H, He, N, O, N2, NO, O2) 사이의 충돌 빈도 계수를 나타낸다.
Figure 112016001166016-pat00068
여기서, 상기 람다(
Figure 112016001166016-pat00069
)는 이온과 다른 이온 사이의 충돌 빈도 계수를 나타낸다.
또한, 상기 제어부(500)는 자기력선에 수평한 방향의 이온 속도를 각각 산출하고, 상기 산출된 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수와 이온-이온 충돌 빈도수를 더한 전체 충돌 빈도수를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 수평한 방향의 이온 속도를 상기 산출된 전체 충돌 빈도수로 나누어 충돌에 의한 이온 속도를 산출한다.
또한, 상기 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수를 산출할 때, 상기 제어부(500)는 이온 질량과 중성 대기 성분 질량으로 이온-중성 대기 성분의 충돌 빈도수를 산출한다. 또한, 상기 제어부(500)는 미리 설정된 7개의 이온종에 대한 7개의 중성 대기 성분별 충돌 빈도수를 산출하고, 상기 산출된 7개의 이온종별 충돌 빈도수를 합산하여 상기 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수를 산출한다.
또한, 상기 이온과 이온 간의 충돌 빈도수를 산출할 때, 상기 제어부(500)는 이온 질량과 이온 온도로 미리 설정된 서로 다른 이온에 대한 람다를 산출하고, 미리 설정된 7개의 이온에 대해 해당 이온을 제외한 나머지 6개 이온 간의 충돌 빈도수를 각각 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 NRLMSISE00 모델로부터 얻은 중성 대기 성분들의 밀도와 HWM07 모델로부터 얻은 중성 대기의 속도를 이용하여 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 산출하며, 상기 산출된 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 H+, He+ 및 O+의 온도를 산출하여 전체 이온의 온도를 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 아래의 [수학식 11]의 온도 방정식을 통해 전리권의 이온 온도를 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00070
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00071
는 이온 온도를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00072
는 열 플럭스를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00073
은 이온과 중성 대기의 충돌 가열항(collisions heating term)을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00074
는 이온과 다른 이온의 충돌 가열항을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00075
는 이온과 전자의 충돌 가열항을 나타낸다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 11]의 이온 온도 방정식을 풀 때 필요한 충돌 가열항을 각 중성종별로 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 속도를 고려하여 상기 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 상기 이온과 중성 대기의 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00076
)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 질량, 이온 온도 및 이온 밀도를 근거로 상기 이온-이온 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00077
)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 전자 질량, 전자 온도 및 전자 밀도를 근거로 상기 이온-전자 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00078
)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 상기 이온과 중성 대기의 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00079
), 상기 이온-이온 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00080
) 및 상기 이온-전자 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00081
)을 근거로 미리 설정된 시간별 전체 이온 온도를 각각 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 아래의 [수학식 12]의 온도 방정식을 통해 전리권의 전자 온도를 산출한다.
Figure 112016001166016-pat00082
여기서, 상기
Figure 112016001166016-pat00083
는 전자의 개수 밀도를 나타내고, 상기 k는 볼츠만 상수를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00084
는 자기력선 방향의 자기장을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00085
는 하나의 자기력선 안에서의 미소 거리(또는 한 개의 자기력선을 아주 잘게 나누었을 때, 한 지점에서 바로 옆 지점까지의 거리)를 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00086
은 전자와 중성 대기의 충돌 가열항을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00087
는 전자와 이온의 충돌 가열항을 나타내고, 상기
Figure 112016001166016-pat00088
는 전자와 광전자의 충돌 가열항을 나타낸다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 전체 충돌 빈도수와 미리 설정된 각 격자 정보(또는 미리 설정된 1도 간격의 위/경도 정보 및 10km 간격의 고도 정보)를 근거로 경계 조건에 따른 시간별 이온 속도를 산출한다.
이와 같이, 미리 설정된 중성 대기에 대한 경험 모델인 NRLMSISE00 모델과 HWM07 모델을 적용하여 이온 속도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 전자의 생성률, 상기 전자의 소멸률 및 상기 미리 설정된 각 격자 정보(또는 미리 설정된 1도 간격의 위/경도 정보 및 10km 간격의 고도 정보)를 근거로 경계 조건에 따른 시간별 전자 밀도(또는 이온 밀도)를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 NRLMSISE00 모델로부터 얻은 중성 대기 성분들의 밀도와 HWM07 모델로부터 얻은 중성 대기의 속도를 이용하여 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 H+, He+ 및 O+의 온도를 산출하여 전체 이온의 온도를 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 이온 온도 방정식을 풀 때 필요한 충돌 가열 항을 각 중성종별로 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 속도를 고려하여 상기 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 이온-중성 대기의 충돌 가열항(Qin)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 질량, 이온 온도 및 이온 밀도를 근거로 이온-이온 충돌 가열항(Qij)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 전자 질량, 전자 온도 및 전자 밀도를 근거로 이온-전자 충돌 가열항(Qie)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 전자-중성 대기의 충돌 가열항(Qen), 전자-이온 충돌 가열항(Qei) 및 전자-광전자 충돌 가열항(Qphe)을 근거로 미리 설정된 시간별 전체 전자 온도를 산출한다.
이와 같이, 상기 제어부(500)는 상기 수집된 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온과 전자의 온도를 이온 온도 방정식 및 전자 온도 방정식의 입력값으로 각각 사용하여, 실제 관측값에 가장 근접과 이온 온도 및 전자의 온도를 각각 산출할 수 있어, 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 좌표계를 직교 좌표계로 변환한다.
즉, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 위도와 고도에 대한 간격이 불규칙적인 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태(예를 들어 지구 자기력선처럼 휘어져 있는 각 그리드 형태)의 각 그리드에서의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 근거로 위도와 경도 1도 간격 및 고도 10km 간격에 해당하는 지점의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 데이터를 미리 설정된 보간법을 적용하여 직교 좌표계로 변환한다. 이때, 상기 위도, 경도 및 고도의 경계 초기 조건(boundary initial condition)은 상기 IRI-2012 모델 내의 값을 적용한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 직교 좌표계로 변환된 3차원 형태의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 상기 표시부(300)에 표시한다.
이와 같이, 전리권의 전자 밀도 분포 예측의 정확도를 높이기 위해서 날짜, X선 영역까지 확장시킨 태양 전파 플럭스 지수(또는 F10.7 index), 지구 자기장 교란 지수(또는 Ap index), 태양 복사 플럭스(0.1nm ~ 105.0nm), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도, 2차 광이온화 과정 등을 추가로 적용하여 위도 및 경도에 따른 위치별 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출할 수 있다.
또한, 이와 같이, 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태의 전자 민도, 이온 온도, 전자 온도 등을 직교 좌표계로 변환할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전리권의 전자 밀도 분포 예측 방법을 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전리권의 전자 밀도 분포 예측 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 제어부(500)는 지자기 관측소(미도시)에서 관측된 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전파 플럭스를 지수화한 F10.7 지수(또는 F10.7 Index/태양 전파 플럭스 지수)를 수집한다. 여기서, 상기 F10.7 지수는 현재 태양 활동의 상태를 파악하는 지표의 기능을 한다.
이때, 상기 제어부(500)는 기존의 SAMI2 모델이 사용하는 EUVAC 플럭스 대신에 X선에 대한 중성 대기의 이온화율을 결정하는 데이터를 포함하는 0.1nm ~ 105.0nm 범위의 플럭스(flux)를 추가로 수집한다. 여기서, 상기 X선을 포함하는 0.1nm ~ 105.0nm 범위의 플럭스에 대한 중성 대기의 이온화율을 결정하는 데이터는 FISM(Flare Irradiance Spectral Mode) 자료를 참조할 수 있다. 또한, 상기 FISM 자료는 미리 설정된 1분 단위로 태양 복사와 관련한 데이터를 제공하기 때문에, 실시간으로 변하는 태양 활동을 적용할 수 있다.
즉, 상기 제어부(500)는 고층 대기 관측 위성인 TIMED 위성(미도시)의 SEE 탑재체와 UARS 위성(미도시)의 SOLSTICE 탑재체에 의해 측정된 태양 플럭스를 기반으로 만들어진 FISM 플럭스 데이터를 수집한다.
이와 같이, 태양 플레어와 같은 현상이 발생하는 경우 방출되는 강한 X선에 의해 이온화가 생기며, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 태양 플레어와 같은 이벤트가 발생했을 때의 X선 파장에 의한 이온화 과정을 고려하기 위해서 상기 X선에 대한 중성 대기의 이온화율을 결정하는 데이터를 수집한다.
또한, 상기 제어부(500)는 복수의 지자기 관측소에서 각각 관측되는 지구 자기장 교란 지수(예를 들어 3시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수, 24시간 동안의 지자기 변화를 나타내는 Ap 지수 등 포함)를 수집한다.
또한, 상기 제어부(500)는 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 수집하고, 상기 수집된 이온 온도 및 전자 온도를 SAMI2 모델에 입력한다. 여기서, 상기 IRI-2012 모델은 지상 전리권 관측기(Ionosonde)(미도시), 로켓, 위성 등의 관측 결과를 통해 만들어진 전지구 전리권 경험 모델이다.
일 예로, 상기 제어부(500)는 날짜별로 복수의 관측소 및 GOES 위성으로부터 각각 관측되거나 측정된 태양 전자 플럭스 지수(또는 F10.7 지수), 지구 자기장 교란 지수, X선 플럭스를 포함하는 FISM 태양 플럭스, IRI-2012 모델로부터 얻는 이온 온도 및 전자 온도 등을 수집한다.
이와 같이, 상기 제어부(500)는 날짜별로 태양 전자 플럭스 지수(또는 F10.7 지수), 지구 자기장 교란 지수, X선 플럭스를 포함하는 FISM 태양 플럭스, IRI-2012 모델로부터 얻는 이온 온도 및 전자 온도 등을 수집한다(S210).
이후, 상기 제어부(500)는 날짜, 상기 수집된 태양 전자 플럭스 지수(또는 F10.7 지수), 지구 자기장 교란 지수, X선 플럭스를 포함하는 FISM 태양 플럭스, IRI-2012 모델로부터 얻는 이온 온도 및 전자 온도 등을 근거로 미리 설정된 연속 방정식, 운동 방정식 및 온도 방정식에 따른 전리권의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 각각 산출한다. 이때, 상기 제어부(500)는 미리 설정된 위도 30°~ 45° 및 경도 120°~ 140°에 대해서 1도 간격으로 고도 90km ~ 1,000km에 대해서 10km 간격의 해상도를 갖도록 상기 전리권의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 각각 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 1]과 같은 연속 방정식을 통해 전리권의 전자 밀도의 변화량을 산출한다. 이때, 중성 대기가 광이온화되어 양이온과 전자로 분리되기 때문에, 전자 밀도의 변화량은 이온 밀도의 변화량과 같다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 날짜, 상기 태양 전자 플럭스 지수(또는 F10.7 지수), 상기 지구 자기장 교란 지수 및 상기 FISM 태양 플럭스를 근거로 상기 이온(또는 전자)의 생성률(Pi)을 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 2]와 같은 람버트-비어 법칙을 통해 태양광이 대기 중을 통과하는 과정에서 흡수당하는 양을 고려하여, 태양의 천정각과 고도의 함수로 중성 대기 분자 또는 원자의 개수로부터 상기 전자의 생성률(또는 이온의 생성률)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 각 고도에서의 광학적 깊이(
Figure 112016001166016-pat00089
)를 상기 [수학식 3]과 같이 나타낸다.
또한, 상기
Figure 112016001166016-pat00090
는 상기 [수학식 4]와 같이 나타낸다.
또한, 지표면과 평행한 대기층에 태양의 천정각 χ로 입사한 태양 복사 에너지를 적용시키면, 상기 [수학식 2]의 람버트-비어 법칙은 상기 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 도출된 파장에 따른 태양 복사 에너지(I(λ))를 이용하여 상기 [수학식 6]에 따른 고도와 입자에 따른 광 이온화율을 산출한다.
이와 같이, 전리권에서의 이온화는 1차적으로 태양 복사 에너지에 의해 이온화되어 이온과 전자로 분리되고, 상기 분리된 전자를 다시 다른 중성 대기 또는 이온들과 반응해 2차 이온과 과정이 진행되며, 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 1차 이온화 과정 및 2차 이온화 과정을 반영한다.
또한, 이와 같이, 본 발명의 실시예는 90km ~ 110km의 E층 전리권에 대한 광전자에 의한 2차 이온화 효과를 적용할 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 수학식들을 통해 광이온화율(또는 전자의 생성률, 이온의 생성률)을 산출한다. 이때, 상기 산출된 광이온화율은 시간에 따른 전자의 생성량 또는 이온의 생성량을 나타내므로, 상기 산출된 광이온화율 자체는 전자의 생성량에 대응하며, 최종적으로 전자 또는 이온의 생성량을 산출할 수 있다.
또한, 전리권에 형성된 이온과 전자들이 대기층의 중성 기체들과 다시 화학반응을 하는 경우, 상기 제어부(500)는 미리 설정된 고도별 중성 대기 분자 또는 원자들의 개수밀도를 통해서 이온들이 생성되고 소멸되는 개수를 각각 산출하고, 상기 산출된 생성되고 소멸되는 이온 개수를 근거로 전자의 소멸률(Li)(또는 이온의 소멸률과 동일함)을 산출한다.
즉, 대기층의 중성 기체가 태양 극자외선을 받으면 상기 중성 기체가 이온화되며 자유전자와 이온쌍을 형성하여 전리권을 형성한다. 상기 과정을 통해 생성된 이온과 전자들은 상기 [표 1]과 같은 대기층의 중성 기체들과 다시 화학 반응을 거치게 된다. 여기서, 상기 [표 1]은 화학 과정들에 대한 반응률을 나타낸다.
또한, 상기 이온화된 분자 또는 원자 이온들은 전자들과 다시 결합하게 되며, 상기 [표 2]의 화학 반응식을 통해 해리 재결합 반응을 수행하고 전리권의 이온 손실 과정이 된다.
이와 같이, 상기 제어부(500)는 상기 [표 1]의 화학 반응에 따른 화학반응률들과 미리 설정된 고도별 고도의 중성 대기 분자 또는 원자들의 개수 밀도를 근거로 이온들이 생성되고 소멸되는 개수를 산출하고, 상기 산출된 생성되고 소멸되는 이온 개수를 근거로 전자의 소멸률(또는 이온의 소멸률과 동일한 값을 가짐)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 다음의 과정을 통해 상기 이동 속도(또는 이온 속도: vi)를 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 7]의 운동 방정식을 통해 전리권의 이온 속도를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 8]의 운동 방정식을 통해 전리권의 전자 속도를 산출한다.
또한, 상기 [수학식 7]의 운동 방정식을 풀기 위해 필요한 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수(
Figure 112016001166016-pat00091
) 및 상기 이온과 이온 간의 충돌 빈도수(
Figure 112016001166016-pat00092
)는 상기 [수학식 9] 및 [수학식 10]을 통해 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 자기력선에 수평한 방향의 이온 속도를 각각 산출하고, 상기 산출된 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수와 이온-이온 충돌 빈도수를 더한 전체 충돌 빈도수를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 수평한 방향의 이온 속도를 상기 산출된 전체 충돌 빈도수로 나누어 충돌에 의한 이온 속도를 산출한다.
또한, 상기 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수를 산출할 때, 상기 제어부(500)는 이온 질량과 중성 대기 성분 질량으로 이온-중성 대기 성분의 충돌 빈도수를 산출한다. 또한, 상기 제어부(500)는 미리 설정된 7개의 이온종에 대한 7개의 중성 대기 성분별 충돌 빈도수를 산출하고, 상기 산출된 7개의 이온종별 충돌 빈도수를 합산하여 상기 이온과 중성 대기 성분 간의 충돌 빈도수를 산출한다.
또한, 상기 이온과 이온 간의 충돌 빈도수를 산출할 때, 상기 제어부(500)는 이온 질량과 이온 온도로 미리 설정된 서로 다른 이온에 대한 람다를 산출하고, 미리 설정된 7개의 이온에 대해 해당 이온을 제외한 나머지 6개 이온 간의 충돌 빈도수를 각각 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 NRLMSISE00 모델로부터 얻은 중성 대기 성분들의 밀도와 HWM07 모델로부터 얻은 중성 대기의 속도를 이용하여 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 산출하며, 상기 산출된 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 H+, He+ 및 O+의 온도를 산출하여 전체 이온의 온도를 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 11]의 온도 방정식을 통해 전리권의 이온 온도를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 11]의 이온 온도 방정식을 풀 때 필요한 충돌 가열항을 각 중성종별로 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 속도를 고려하여 상기 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 상기 이온과 중성 대기의 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00093
)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 질량, 이온 온도 및 이온 밀도를 근거로 상기 이온-이온 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00094
)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 전자 질량, 전자 온도 및 전자 밀도를 근거로 상기 이온-전자 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00095
)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 상기 이온과 중성 대기의 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00096
), 상기 이온-이온 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00097
) 및 상기 이온-전자 충돌 가열항(
Figure 112016001166016-pat00098
)을 근거로 미리 설정된 시간별 전체 이온 온도를 각각 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 [수학식 12]의 온도 방정식을 통해 전리권의 전자 온도를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 전체 충돌 빈도수와 미리 설정된 각 격자 정보(또는 미리 설정된 1도 간격의 위/경도 정보 및 10km 간격의 고도 정보)를 근거로 경계 조건에 따른 시간별 이온 속도를 산출한다.
이와 같이, 미리 설정된 중성 대기에 대한 경험 모델인 NRLMSISE00 모델과 HWM07 모델을 적용하여 이온 속도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 전자의 생성률, 상기 전자의 소멸률 및 상기 미리 설정된 각 격자 정보(또는 미리 설정된 1도 간격의 위/경도 정보 및 10km 간격의 고도 정보)를 근거로 경계 조건에 따른 시간별 전자 밀도(또는 이온 밀도)를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 NRLMSISE00 모델로부터 얻은 중성 대기 성분들의 밀도와 HWM07 모델로부터 얻은 중성 대기의 속도를 이용하여 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 H+, He+ 및 O+의 온도를 산출하여 전체 이온의 온도를 산출한다.
즉, 상기 제어부(500)는 이온 온도 방정식을 풀 때 필요한 충돌 가열 항을 각 중성종별로 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 속도를 고려하여 상기 이온-중성 대기 성분 간 충돌 빈도수를 근거로 이온-중성 대기의 충돌 가열항(Qin)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 이온 질량, 이온 온도 및 이온 밀도를 근거로 이온-이온 충돌 가열항(Qij)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 전자 질량, 전자 온도 및 전자 밀도를 근거로 이온-전자 충돌 가열항(Qie)을 산출한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 전자-중성 대기의 충돌 가열항(Qen), 전자-이온 충돌 가열항(Qei) 및 전자-광전자 충돌 가열항(Qphe)을 근거로 미리 설정된 시간별 전체 전자 온도를 산출한다.
이와 같이, 상기 제어부(500)는 상기 수집된 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온과 전자의 온도를 이온 온도 방정식 및 전자 온도 방정식의 입력값으로 각각 사용하여, 실제 관측값에 가장 근접과 이온 온도 및 전자의 온도를 각각 산출할 수 있어, 정확도를 향상시킬 수 있다.
일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 빨간 실선은 오리지널 SAMI 모델이 자체적으로 계산한 이온 및 전자의 온도에 의해 계산된 총 전자량(TEC)을 나타낸다. 또한, 검은 실선은 FISM 플럭스를 적용하고 광전자에 의한 2차 이온화과정을 추가한 총 전자량(TEC)을 나타낸다. 또한, 파란 실선은 IRI-2012 모델의 이온 및 전자 온도를 적용한 총 전자량(TEC)을 나타낸다.
이와 같이, SAMI 모델의 총 전자량(TECT)은 관측값과 치아기 큰 반면에 IRI-2012 모델의 이온 및 전자 온도를 적용한 총 전자량(TEC)은 관측값과의 차이가 많이 줄어든 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 전자 온도 방정식을 풀 때 필요한 충돌 가열항(예를 들어 전자-중성 대기의 충돌 가열항(Qen), 전자-이온 충돌 가열항(Qei), 전자-광전자 충돌 가열항(Qphe) 등 포함)을 산출한다. 또한, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 전자-중성 대기의 충돌 가열항(Qen), 전자-이온 충돌 가열항(Qei) 및 전자-광전자 충돌 가열항(Qphe)을 근거로 미리 설정된 시간별 전체 전자 온도를 최종적으로 산출한다(S220).
이후, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 좌표계를 직교 좌표계로 변환한다.
즉, 상기 제어부(500)는 상기 산출된 위도와 고도에 대한 간격이 불규칙적인 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태(예를 들어 지구 자기력선처럼 휘어져 있는 각 그리드 형태)의 각 그리드에서의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 근거로 위도와 경도 1도 간격 및 고도 10km 간격에 해당하는 지점의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 데이터를 미리 설정된 보간법을 적용하여 직교 좌표계로 변환한다. 이때, 상기 위도, 경도 및 고도의 경계 초기 조건(boundary initial condition)은 상기 IRI-2012 모델 내의 값을 적용한다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 직교 좌표계로 변환된 3차원 형태의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 상기 표시부(300)에 표시한다.
일 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 경도 120°~ 140°에 대해서 21개의 경도를 모두 합쳐서 최종적으로 3D 모델을 생성한다.
다른 일 예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(500)는 미리 설정된 위도 30°~ 45° 및 경도 120°~ 140°에 대해서 1도 간격으로 고도 90km ~ 1,000km에 대해서 10km 간격의 해상도를 갖도록 상기 직교 좌표계로 변환된 전리권의 전자 밀도를 생성한다(S230).
본 발명의 실시예는 앞서 설명된 바와 같이, 전리권의 전자 밀도 분포 예측의 정확도를 높이기 위해서 날짜, X선 영역까지 확장시킨 태양 전파 플럭스 지수(또는 F10.7 index), 지구 자기장 교란 지수(또는 Ap index), 태양 복사 플럭스(0.1nm ~ 105.0nm), IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도, 2차 광이온화 과정 등을 추가로 적용하여 위도 및 경도에 따른 위치별 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하여, 기존 SAMI2 모델을 이용한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하는데 비해 보다 정밀하고 정확한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하여 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 앞서 설명된 바와 같이, 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태의 전자 민도, 이온 온도, 전자 온도 등을 직교 좌표계로 변환하여, 국지전리권 모델 개발에 의해 해상도가 향상된 3D 모델을 제공할 수 있는 효과가 있다.
전술된 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 전리권의 전자 밀도 분포 예측의 정확도를 높이기 위해서 날짜, 태양 전파 플럭스 지수(또는 F10.7 index), 지구 자기장 교란 지수(또는 Ap index), 태양 복사 플럭스(0.1nm ~ 105.0nm), 이온 온도, 2차 광이온화 과정 등을 추가로 적용하여 위도 및 경도에 따른 위치별 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출함으로써, 기존 SAMI2 모델을 이용한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하는데 비해 보다 정밀하고 정확한 전리권에서의 전자 밀도, 이온 온도, 전자 온도 등을 산출하여 신뢰성을 높일 수 있는 것으로, 전리권의 전자 밀도 분포 예측 분야, 전리권의 이온 온도 분포 예측 분야, 지구 자기장 관측 및 분석 분야 등에서 광범위하게 이용될 수 있다.
10: 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치
100: 통신부 200: 저장부
300: 표시부 400: 음성 출력부
500: 제어부

Claims (11)

  1. 전리권의 전자 밀도를 산출하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치에 있어서,
    외부 서버 또는 지자기 관측소로부터 전송되는 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전파 플럭스를 지수화한 F10.7 지수, 고층 대기 관측 위성인 TIMED 위성의 SEE 탑재체와 UARS 위성의 SOLSTICE 탑재체에 의해 측정된 태양 플럭스를 기반으로 만들어진 FISM 플럭스 데이터(Flare Irradiance Spectral Model Flux data), 지구 자기장 교란 지수 및 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 수집하는 통신부;
    날짜, 상기 수집된 태양 전자 플럭스 지수인 F10.7 지수, 상기 FISM 플럭스 데이터 및 상기 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 근거로 미리 설정된 연속 방정식, 운동 방정식 및 온도 방정식에 따른 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 각각 산출하고, 상기 산출된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 좌표계를 직교 좌표계로 변환하는 제어부; 및
    상기 직교 좌표계로 변환된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 3차원 형태로 각각 표시하는 표시부를 포함하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    미리 설정된 위도 30°~ 45° 및 경도 120°~ 140°에 대해서 1도 간격으로 고도 90km ~ 1,000km에 대해서 10km 간격의 해상도를 갖도록 상기 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 각각 산출하는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    아래의 수학식과 같은 연속 방정식을 통해 전리권의 전자 밀도의 변화량을 산출하며,
    Figure 112016001166016-pat00099

    상기 t는 시간을 나타내고, 상기 ni는 전자 밀도를 나타내고, 상기 Pi는 이온의 생성률을 나타내고, 상기 Li는 이온의 소멸률을 나타내고, 상기 vi는 이동 속도를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00100
    은 수송에 의한 변화율을 나타내며, 상기 전리권의 전자 밀도의 변화량은 전리권의 이온 밀도의 변화량과 같은 값을 가지는 것을 특징을 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 날짜, 상기 태양 전자 플럭스 지수인 F10.7 지수, 상기 지구 자기장 교란 지수 및 상기 FISM 태양 플럭스를 근거로 상기 이온의 생성률 또는 전자의 생성률을 산출하는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    람버트-비어(Lambert-Beer) 법칙을 통해 태양광이 대기 중을 통과하는 과정에서 흡수당하는 양을 고려하여, 태양의 천정각과 고도의 함수로 중성 대기 분자 또는 원자의 개수로부터 아래의 수학식을 통해 상기 전자의 생성률을 산출하며,
    Figure 112016001166016-pat00101

    상기
    Figure 112016001166016-pat00102
    는 특정 위치에서 파장이 람다(λ)인 빛의 세기를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00103
    는 지구 대기에 의해 흡수되지 않은 상태의 태양 복사의 세기를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00104
    는 광학적 깊이(optical depth)로 빛의 감소 정도를 계수화한 양을 나타내고,
    상기
    Figure 112016001166016-pat00105
    는 아래의 수학식을 통해 나타내며,
    Figure 112016001166016-pat00106

    상기
    Figure 112016001166016-pat00107
    는 파장에 따른 흡수 단면적(absorption cross section)을 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00108
    는 고도 z에서의 대기 구성 성분 i의 밀도를 나타내고,
    상기
    Figure 112016001166016-pat00109
    는 아래의 수학식을 통해 나타내며,
    Figure 112016001166016-pat00110

    상기
    Figure 112016001166016-pat00111
    는 지표면에서의 대기 밀도를 나타내고, 상기 H는 높이 척도(scale height)를 나타내는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 파장에 따른 태양 복사 에너지인
    Figure 112016001166016-pat00112
    를 근거로 고도와 입자에 따른 광 이온화율을 아래의 수학식을 통해 산출하며,
    Figure 112016001166016-pat00113

    상기
    Figure 112016001166016-pat00114
    는 고도와 입자에 따른 광 이온화율을 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00115
    는 고도와 입자에 따른 중성 대기 밀도를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00116
    는 광이온화 단면적(Photoionization cross section)을 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00117
    는 1차 광이온화로 인해 생성된 광전자로 인해 추가적으로 발생하는 2차 이온화되는 비율을 나타내는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    전리권에 형성된 이온과 전자들이 대기층의 중성 기체들과 화학반응을 할 때, 미리 설정된 고도별 중성대기 분자 또는 원자들의 개수밀도를 통해서 이온들이 생성되고 소멸되는 개수를 각각 산출하고, 상기 산출된 생성되고 소멸되는 이온 개수를 근거로 전자의 소멸률을 산출하는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    아래의 수학식을 통해, 전리권의 이온 속도를 산출하며,
    Figure 112016001166016-pat00118

    Figure 112016001166016-pat00119

    상기
    Figure 112016001166016-pat00120
    는 이온 속도를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00121
    는 이온 밀도를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00122
    는 압력을 나타내고, 상기 E는 이온에 미치는 전기장을 나타내고, 상기 B는 이온에 미치는 자기장을 나타내고, 상기 g는 이온에 미치는 중력 가속도를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00123
    는 이온과 중성 대기 사이의 충돌에 의해 속도에 미치는 영향을 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00124
    는 이온과 다른 이온 사이의 충돌에 의해 속도가 영향을 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00125
    는 이온과 중성 대기의 충돌 빈도(frequency)를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00126
    는 이온과 다른 이온 사이의 충돌 빈도를 나타내는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    아래의 수학식을 통해, 전리권의 전자 속도를 산출하며,
    Figure 112016001166016-pat00127

    상기
    Figure 112016001166016-pat00128
    는 전자의 밀도를 나타내고, 상기
    Figure 112016001166016-pat00129
    는 압력을 나타내고, 상기 E는 전자에 미치는 전기장을 나타내고, 상기 B는 전자에 미치는 자기장을 나타내는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 비-직교 그리드(non-orthogonal grid) 형태의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 위도와 경도 1도 간격 및 고도 10km 간격에 해당하는 지점의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 데이터를 미리 설정된 보간법을 적용하여 직교 좌표계로 변환하는 것을 특징으로 하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 장치.
  11. 전리권의 전자 밀도를 산출하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 방법에 있어서,
    통신부를 통해, 외부 서버 또는 지자기 관측소로부터 전송되는 10.7cm 파장에서 관측되는 태양 전파 플럭스를 지수화한 F10.7 지수, 고층 대기 관측 위성인 TIMED 위성의 SEE 탑재체와 UARS 위성의 SOLSTICE 탑재체에 의해 측정된 태양 플럭스를 기반으로 만들어진 FISM 플럭스 데이터(Flare Irradiance Spectral Model Flux data), 지구 자기장 교란 지수 및 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 수집하는 단계;
    제어부를 통해, 날짜, 상기 수집된 태양 전자 플럭스 지수인 F10.7 지수, 상기 FISM 플럭스 데이터 및 상기 IRI-2012 모델에서 제공하는 이온 온도 및 전자 온도를 근거로 미리 설정된 연속 방정식, 운동 방정식 및 온도 방정식에 따른 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 각각 산출하는 단계;
    상기 제어부를 통해, 상기 산출된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도의 좌표계를 직교 좌표계로 변환하는 단계; 및
    표시부를 통해, 상기 직교 좌표계로 변환된 전리권의 전자 밀도, 이온 온도 및 전자 온도를 3차원 형태로 각각 표시하는 단계를 포함하는 전리권의 전자 밀도 분포 예측 방법.
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