KR102077253B1 - 미세전리층 교란시점 분석방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예는, 위성항법신호를 수신하고, 상기 수신된 위성항법신호로부터 시간별 경사총전자량(STEC)을 파악하는 신호수신부; 상기 파악된 경사총전자량을 고정시간간격으로 3차수치미분하고, 상기 3차수치미분된 결과로부터 미세전리층의 교란이 발생된 시점을 적어도 두 시점 이상을 특정하는 3차원수치미분처리부; 상기 3차수치미분된 결과를 기초로 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 미세전리층의 교란에 대한 3차원시변데이터를 산출하는 시변데이터처리부; 및 상기 산출된 3차원시변데이터를 시간간격의 변화에 따라 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 특정된 적어도 두 시점의 시점 중에서 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란시점을 결정하는 시변데이터분석부;를 포함하는 미세전리층 교란시점 분석장치를 개시한다.

Description

미세전리층 교란시점 분석방법 및 그 장치 {Method of detecting small-scale ionospheric disturbances and apparatus thereof}

본 발명은 미세전리층 교란시점 분석방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 미세전리층에서 관측되는 교란이 지상을 원인으로 하는 교란인지 또는 지상 외의 요인에 의한 교란인지 여부를 분석할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

미국의 GPS를 포함한 위성항법시스템은 항법신호원을 송출하는 다수의 인공위성으로 구성된다. 일반적인 위성항법의 사용은, 지상의 사용자가 항법 신호를 수신하여 자신의 위치를 계산하는 것이다. 이 때, 위성 신호의 전파전달 경로상에 존재하는 전리층은 위성 신호의 전달 지연을 유발하는 오차 요인으로 인식된다. 전리층 오차의 정확한 추정을 위해, 항법위성은 2개의 주파수에서 신호원을 방송하고 지상의 위성항법 수신기는 각 주파수에서 발생한 지연의 차이를 이용하여 전리층 지연량을 추정하고 오차를 보정할 수 있다.

위성항법의 본래 용도 이외에, 위성항법 신호원을 이용하여 전리층을 관측하는 원격측정(remote sensing)분야가 있다. GPS를 예로 들면, GPS 신호는 L1 주파수(1575.42MHz)와 L2 주파수(1227.60MHz)에서 동시에 방송된다. 전리층은 분산매질(dispersive medium)특성을 갖기 때문에, 전리층을 통과하는 신호원의 주파수의 제곱에 반비례하는 지연량을 일으킨다. 따라서 두 개 주파수에서 수신된 신호의 차이로부터 위성과 사용자를 잇는 전리층 통과점에 대한 전리층 지연량을 계산할 수 있다.

이러한 위성항법 전리층 원격 측정 분야는 전리층의 다양한 특성을 관측하는데 적용되고 있다. 전리층은 태양 활동, 지구 지자기 변화 등의 대규모 또는 중규모의 변화 뿐 아니라 지상에서 발생하는 지진, 화학 폭발, 지하 핵실험 등의 원인에 의한 미세한 규모의 변화를 겪게 된다. 본 특허는 이들 중, 지상의 원인에 의해 발생하는 전리층의 미세한 교란을 검출하는 것을 대상으로 한다.

위성항법을 이용하여 지진, 화학 폭발, 지하 핵실험에 의한 미세 전리층의 교란을 검출하는 다수의 연구가 있어 왔다. 전리층의 미세한 수준의 변화를 검출하기 위해서는 전리층의 일변화와 같은 주된 경향성을 제거해야 한다. 이러한 경향성 제거 방식으로 는 크게 2가지 방법이 있다.

첫째는, 위성의 고도각 변화에 따른 전리층 지연량의 변화를 특정 함수로 모델링하고, 실제 전리층의 변화를 모델링 결과와 차분하는 방법이다. 실제 전리층 관측값 TECU (Total Electron Content Unit) 단위로 관측이 되는 장점이 있으나 전리층 교란원의 발생 시점을 특정하기 어려운 한계가 있다.

둘째는, 전리층 관측값을 수치 미분하여 변화량을 이용하는 방식이다. 최근의 연구에서는 전리층 관측값을 3차 수치미분하는 방식으로 지하 핵실험에 의한 아주 미세한 전리층 교란을 검출한 바 있다. 수치 미분 방식은 전리층 교란원의 변화를 미세하게 확인할 수 있는 장점이 있으나, 다수의 전리층 교란원에 의해 영향을 받기 때문에 교란원을 구분하는데 어려움이 있다.

수치 미분에 따른 미세 전리층 교란 검출 방식은 참고 논문(Jihye Park, Ph.D. Dissertation, Ohio State University, 2011)에서 확인할 수 있다.

도 1은 수치 미분에 따른 미세 전리층 교란 검출 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 중국에서 관측된 데이터로 1시~5시 까지의 전리층 관측 결과를 보이고 있으며, 지진계 및 관련 전문가의 기초 연구에 의해 밝혀진 지하 핵실험 정보를 근거로 하여, 도 1의 2시에 발생한 전리층의 교란이 지하의 핵실험에 의한 것으로 확인이 되는 것을 알 수 있다.

도 2는 수치 미분에 따른 미세 전리층 교란 검출 방식에 있어서 지상을 원인으로 하는 미세전리층의 교란을 구분하기 어려운 종래의 기술을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 도 1의 3차 수치미분에 의한 전리층 교란 검출 결과를 다른 지역에서 0시부터 5시까지 도시한 결과이며, 도 1과는 다르게 1시간 이전의 결과를 포함하여 도시하였다. 도 2에서는 1시~1.5시 사이에 발생한 지하 핵실험에 의한 전리층 교란(230) 이외에도 0.5시 이전에 상당히 큰 전리층 교란(210)이 있음을 확인할 수 있다. 즉, 위성항법신호에 따른 경사총전자량을 이용하여 지상원인에 의한 전리층의 미세 교란을 확인할 수는 있으나, 그 이외의 다양한 원인에 의한 전리층 교란도 같이 관측이 되기 때문에 위성항법을 이용한 전리층 교란 검출 기법을 활용하는 분야는 후처리로 제한되는 한계가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1387659호 (2014.04.21 등록공보 발행)

1. Ionospheric monitoring by the Global Positioning Satellite System (GNSS), Jihye Park, Ph.D.Dissertation, Ohio State University, 2012 2. GPS discrimination of traveling ionospheric disturbances from underground nuclear explosions and earthquakes, Jihye Park et. al., NAVIGATION: Journal of The Institute of Navigation, Vol 61, No.2, Summer 2014

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 수치미분에 의한 미세 전리층 교란(Traveling Ionospheric Disturbance, TID) 검출에 있어, 지상에서 발생한 원인에 의한 전리층 교란을 다수의 잡음들로부터 구분하는 방법 및 그 방법을 구현하기 위한 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 위성항법신호를 수신하고, 상기 수신된 위성항법신호로부터 시간별 경사총전자량(STEC)을 파악하는 신호수신부; 상기 파악된 경사총전자량을 고정시간간격으로 3차수치미분하고, 상기 3차수치미분된 결과로부터 미세전리층의 교란이 발생된 시점을 적어도 두 시점 이상을 특정하는 3차원수치미분처리부; 상기 3차수치미분된 결과를 기초로 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 미세전리층의 교란에 대한 3차원시변데이터를 산출하는 시변데이터처리부; 및 상기 산출된 3차원시변데이터를 시간간격의 변화에 따라 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 특정된 적어도 두 시점의 시점 중에서 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란시점을 결정하는 시변데이터분석부;를 포함한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 방법은, 위성항법신호를 수신하고, 상기 수신된 위성항법신호로부터 시간별 경사총전자량(STEC)을 파악하는 신호수신단계; 상기 파악된 경사총전자량을 고정시간간격으로 3차수치미분하고, 상기 3차수치미분된 결과로부터 미세전리층의 교란이 발생된 시점을 적어도 두 시점 이상을 특정하는 3차원수치미분처리단계; 상기 3차수치미분된 결과를 기초로 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 미세전리층의 교란에 대한 3차원시변데이터를 산출하는 시변데이터처리단계; 및 상기 산출된 3차원시변데이터를 시간간격의 변화에 따라 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 특정된 적어도 두 시점의 시점 중에서 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란시점을 결정하는 시변데이터분석단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예는, 상기 방법을 구현하기 위한 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독가능한 기록매체를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 위성항법신호를 수신하여 산출된 경사총전자량(STEC)을 분석하여, 미세 전리층의 교란의 원인이 지상에서 발생한 사건에 의한 것인지 그 외의 원인에 의한 것인지를 정확하게 파악할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 미세 전리층 교란을 검출하기 위한 방법을 시간 도메인에서 구현함에 따라서 주파수 도메인에서 연산을 수행하는 종래의 방법에 비해 분해능의 감소가 없는 장점이 있다.

도 1은 수치 미분에 따른 미세 전리층 교란 검출 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 수치 미분에 따른 미세 전리층 교란 검출 방식에 있어서 지상을 원인으로 하는 미세전리층의 교란을 구분하기 어려운 종래의 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 미세전리층 교란시점 분석장치의 일 예의 블록도를 도시한 도면이다.
도 4는 시변데이터처리부가 산출한 미세전리층 교란에 대한 3차원시변데이터를 시각적으로 도시한 도면이다.
도 5는 수치미분의 시간간격 dt의 변화에 따른 3차 수치미분의 상대적인 크기 변화를 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 0.5시의 교란 시점의 데이터를 dt에 따라 도 5와 동시에 도시한 도면이다.
도 7은 도 4의 1~1.5시의 교란 시점의 데이터를 dt에 따라 도 5와 동시에 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 미세전리층 교란시점 분석방법의 일 예의 흐름도를 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시 예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시 예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시 예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징을 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 미세전리층 교란시점 분석장치의 일 예의 블록도를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 미세전리층 교란시점 분석장치(300)는 신호수신부(310), 3차수치미분처리부(330), 시변데이터처리부(350) 및 시변데이터분석부(370)를 포함하는 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 신호수신부(310), 3차수치미분처리부(330), 시변데이터처리부(350) 및 시변데이터분석부(370)는 적어도 하나 이상의 프로세서(processor)에 해당하거나, 적어도 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 따라, 신호수신부(310), 3차수치미분처리부(330), 시변데이터처리부(350) 및 시변데이터분석부(370)는 마이크로 프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.

먼저, 신호수신부(310)는 위성항법신호를 수신하고, 수신된 위성항법신호로부터 시간별 경사총전자량(STEC: Slant Total Electron Content)을 파악한다. 위성항법 상시기준국은 위성항법 수신기를 정밀 측위된 고정점에 설치하고 상시 운용함으로써, 위성항법 신호를 수신하고 저장하는 기능을 수행한다. 이러한 상시기준국에 의해 수집, 저장된 위성항법신호 데이터는 원격 전리층을 감시하는 데에 사용된다. 위성항법신호가 저장되는 주기는 1초 간격 또는 30초 간격 중 어느 하나의 주기로 저장된다. 본 발명에 따른 미세전리층 교란시점 분석장치(300)는 위성항법 상시기준국과 유선케이블 또는 무선통신망을 통해 연결되어 위성항법 상시기준국에 의해 제어되는 위성항법 수신기로부터 수신되는 위성항법신호를 전달받을 수 있다. 실시 예에 따라, 본 발명에 따른 미세전리층 교란시점 분석장치(300)는 위성항법 상시기준국에 포함되는 형태로 구현될 수도 있다.

3차수치미분처리부(330)는 신호수신부(310)에서 파악된 경사총전자량을 고정시간간격으로 3차수치미분하고, 3차수치미분된 결과로부터 미세전리층의 교란이 발생된 시점을 적어도 두 시점 이상을 특정하는 기능을 수행한다.

먼저, 3차수치미분처리부(330)는 신호수신부(310)에서 파악된 경사총전자량을 고정시간간격으로 3차수치미분을 수행한다. 여기서, 고정시간간격은 상수값으로서, 이하에서 dt로 호칭될 수 있으며, 선택적 일 실시 예로서, 고정시간간격은 30초 간격일 수 있다.

수학식 1 및 수학식 2는 위성항법 수신기에서 획득되는 L1, L2 이상 2개 주파수에서의 반송파 측정치에 대한 모델링에 이용되는 수학식을 의미한다. 수학식 1 및 수학식 2에서 아래첨자 1은 L₁ 대역 주파수, 아래첨자 2는 L₂ 대역 주파수를 각각 의미하고, 위첨자 i는 임의의 가시위성을 의미한다. 또한, 수학식 1 및 수학식 2에서 L은 반송파 측정치, d는 수신와 위성간의 실제 거리, δR은 위성의 3차원 위치 오차에 의해 발생되는 스칼라거리측정오차, b는 위성시계오차, I는 전리층 지연오차, T는 대류층 지연오차, B는 수신기 시계오차, λ는 반송파 위상, N은 미지정수, ε는 측정 잡음을 의미한다. 수학식 1 및 수학식 2의 2중 주파수 측정치를 차분하여 경사전리층 지연 추정값을 계산할 수 있다.

수학식 3은 경사전리층 지연 추정값에 대한 수학식을 나타낸다. 수학식 3에서

는 경사전리층 지연 추정값, f는 주파수, bias는

에 해당하는 값으로 임의의 바이어스 상수값을 의미한다. 경사전리층 지연 추정값에는 경사전리층 지연량, 위성 및 수신기의 하드웨어 지연, 측정 잡음 등이 포함되어 있다.

따라서, 경사전리층 추정값으로부터 경사전리층 지연량을 추정하기 위해서는 위성 및 수신기의 하드웨어 지연과 측정 잡음을 제거해야 한다. 위성 및 수신기의 하드웨어 지연과 측정 잡음을 제거하는 방법은 선행기술문헌으로 소개한 문헌(Ionospheric monitoring by the Global Positioning Satellite System (GNSS), Jihye Park, Ph.D.Dissertation, Ohio State University, 2012 또는, GPS discrimination of traveling ionospheric disturbances from underground nuclear explosions and earthquakes, Jihye Park et. al., NAVIGATION: Journal of The Institute of Navigation, Vol 61, No.2, Summer 2014)에 개시되어 있으므로, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략하기로 하며, 경사전리층 지연 추정값은 이미 하드웨어 지연과 측정 잡음이 제거된 것으로 가정한다.

경사전리층 지연량은 경사총전자량(STEC)과 주파수에 비례하는 경향성을 갖고 있으므로, 이러한 비례관계를 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

수학식 4는 GPS L₁ 주파수에 대해 i번째 위성에서 관측한 경사총전자량을 나타내는 수학식이다. 수학식 4에서

는 i번째 위성에서 관측한 경사총전자량, f₁은 L₁ 대역 주파수,

는 경사전리층 지연 추정값을 의미한다. 도 3의 신호수신부(310)가 파악하는 경사총전자량은 수학식 4를 통해 산출될 수 있다.

이어서, 3차수치미분처리부(330)는 신호수신부(310)에 의해 파악된 경사총전자량을 수학식 5 내지 7과 같이 고정시간간격으로 3차수치미분한다.

수학식 5 내지 수학식 7은 경사총전자량을 고정시간간격인 30초 간격으로 3차수치미분한 결과를 순차적으로 나타낸 수학식이다. 수학식 5는 수학식 4를 1차 수치미분한 결과이고, 수학식 6은 수학식 4를 2차 수치미분한 결과이며, 수학식 7은 수학식 4를 3차 수치미분한 결과이다. 수치미분하기 위해 사용된 고정시간간격은 30초간격이다. 수학식 5 내지 수학식 7에서는 수학식 4와 달리 i번째가 아니라 임의의 위성을 가정하기 위해 위첨자 i는 생략되었으며, 대신 아래첨자 k를 사용함으로써, 임의의 샘플 시점을 표현했다.

3차수치미분처리부(330)는 수학식 7에 따른 결과를 실제 지상 원인에 의한 전리층 교란이 있었던 데이터에 적용하여, 도 2와 같은 결과를 얻을 수 있다. 그 결과 실제 지상원인에 의한 전리층 교란과 그 외의 원인으로 한 전리층 교란이 발생한 정보를 파악할 수 있으나, 도 2에서와 같이 두 가지 교란 시점 중 어느 시점이 지상의 원인에 의한 전리층 교란인지 구분할 수 없다.

시변데이터처리부(350)는 3차수치미분된 결과를 기초로 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 미세전리층의 교란에 대한 3차원시변데이터를 산출한다.

시변데이터처리부(350)가 3차원시변데이터를 산출하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 시변데이터처리부(350)는 수학식 7에 따른 3차수치미분결과에 대해서 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행한다. 시변데이터처리부(350)는 3차 수치미분시 적용되는 샘플의 간격을 dt로 정의하고, 이 값을 적어도 두 가지 시간간격에 대해서 총 n번에 대한 데이터를 계산한다. 일 예로서, 시변데이터처리부(350)는 1초부터 30초까지의 시간간격을 1초마다 변화시켜가면서 총 30회의 데이터를 계산할 수 있다. 시변데이터처리부(350)가 dt가 적용된 3차수치미분을 계산하면 수학식 8 내지 수학식 10과 같은 과정을 통해서 3차원시변데이터가 산출될 수 있다.

수학식 8 내지 수학식 10은 시변데이터처리부(350)가 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 대해서 수치미분을 수행하는 과정에서 이용하는 수학식을 나타내고 있다. 수학식 8 내지 수학식 10은 수학식 5 내지 수학식 7과 마찬가지로 각각 1차, 2차, 3차 수치미분에 대한 수학식을 의미한다. 도 2에서 설명한 것과 같이 수학식 7에 따른 3차수치미분 결과는 2차원의 데이터이고, 검출이 필요한 지상원인에 의한 결과와 그 외의 원인에 의한 잡음 특성 간의 구분이 불가능한 반면, 수학식 10에 따른 수치미분 결과는 시간에 따른 2차원 결과와 더불어 시간 차분 간격 dt에 대한 차원이 부가되어 최종적으로 3차원의 결과가 산출될 수 있으며, 산출된 결과는 도 4와 같다.

도 4는 시변데이터처리부가 산출한 미세전리층 교란에 대한 3차원시변데이터를 시각적으로 도시한 도면이다.

도 4를 도 2와 비교하면, 도 2는 x, y축으로 표현되는 2차원 데이터인 반면, 도 4는 x, y, z축으로 표현되고, 특히, z축은 시변데이터처리부(350)가 채택한 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 대한 값들(dt)로 표현되는 것을 직관적으로 알 수 있다. 도 4는, 시변데이터처리부(350)가 1초 내지 30초를 1초마다 달리한 시간간격으로 3차수치미분한 결과에 따라 산출한 3차원시변데이터를 도시한다.

선택적 일 실시 예로서, 시변데이터처리부(350)는 3차수치미분된 결과를 기초로 1초 내지 30초 중 미리 설정된 시간간격으로 구분하고, 그 구분된 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 도 4와 같은 3차원시변데이터를 산출할 수 있다. 본 선택적 실시 예에서 미리 설정된 시간간격은 바람직하게는 1초일 수 있으며, 1초가 아니라 2초 또는 3초 간격으로 구분되어 3차수치미분이 수행될 수 있다.

시변데이터분석부(370)는 시변데이터처리부(350)에 의해 산출된 3차원데이터를 시간간격의 변화에 따라 분석하고, 분석된 결과로부터 도 2와 같은 2차원데이터에 특정된 적어도 두 시점의 시점 중에서 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란시점을 결정한다.

시변데이터분석부(370)는 3차원데이터를 시간간격의 변화에 따라 분석하여, 도 2에 따른 2차원의 결과로부터 지상의 원인에 의한 전리층 교란을 구분할 수 있다. 보다 구체적으로, 시변데이터분석부(370)는 수학식 8 내지 수학식 10을 적용하는 데에 사용한 다양한 시간간격을 순서에 맞춰서 변화시켜가면서 3차원데이터를 분석할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해서 도 2 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 시변데이터분석부(370)는, 전술한 것처럼, 도 2에 따르면 전리층의 교란이 감지된 시점은 특정할 수 있으나, 전리층의 교란이 어떤 원인에 의한 것인지는 파악할 수 없다. 반면, 시변데이터분석부(370)는 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행한 결과로 산출된 도 4와 같은 3차원시변데이터를 분석하면, 0.5시에 발생한 교란과 1~1.5시에서 발생한 교란을 dt에 따라 구분할 수 있다.

도 4를 참조하면, 0.5에서 발생한 교란은 차분 시간간격의 변화(30초에서 1초까지의 변화)에 대해서도 값을 유지하는 반면, 1~1.5시에 발생한 교란은 차분 시간간격을 30초에서 1초까지 줄여가는 동안 그 크기가 선형적으로 줄어드는 특징을 보인다. 위와 같은 결과는, 지상읜 원인에 의해 발생되는 전리층의 교란은 매우 미약하여 그 외의 강력한 원인에 의한 전리층의 교란 대비 저주파의 진동 특성을 보이기 때문에 관측된다. 저주파 신호일수록 수치 미분의 간격을 좁혀갈수록 변화율의 크기가 작아지는 특성을 갖는 반면, 일반적인 잡음 또는 강력한 원인에 의한 전리층의 교란은 고주파의 특성을 갖게 되어, 수치 미분의 간격에 따라 변화율의 크기변화가 미미하다. 본 발명은 위와 같은 특성을 이용하여 3차원 데이터의 시간간격(dt)에 따른 크기변화를 관찰하고 분석함으로써, 도 2의 2차원 데이터에서 획득된 2개의 후보 시점 중 실제 지상 원인에 의한 교란 시점을 특정할 수 있다.

수학식 8 내지 수학식 10에 따른 차분과정을 통해서, 전리층의 평균적인 변화는 제거된다고 가정하고, 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란의 특성은 이하 수학식 11 내지 14를 통해 모델링할 수 있다.

수학식 11은 미세전리층 교란의 특성을 모델링하기 위한 수학식으로서, 수학식 11에서 A₀은 미세전리층 교란의 크기이고, T는 교란의 주기를 의미한다. 수학식 11과 같이 미세전리층 교란을 가정할 때, 수학식 8 내지 수학식 11의 차분 과정에 따른 전리층 교란 (STEC_TID)의 차분값의 크기는 시간간격 dt에 따라 수학식 12 내지 수학식 14와 같이 모델링할 수 있다.

수학식 12 내지 수학식 14는 수학식 11의 순차적으로 차분한 값의 크기에 대한 수학식을 의미한다. 정리하면, 수학식 14에서 보인바와 같이 3차 수치미분의 크기는 차분 시간간격 dt가 주기의 절반인 T/2보다 작은 경우에 대해서 dt크기에 비례하고, T에 반비례하는 경향성을 갖는다. 따라서, 시변데이터분석부(370)는 목표로 하는 미세전리층 교란의 주기 T를 가정한 후, dt에 따른 수학식 14에 의한 3차 수치미분의 크기의 변화 특성과 도 3의 3차원데이터 변화특성을 종합적으로 고려하여, 지상의 원인에 의한 전리층 교란 시점을 정확하게 구분할 수 있다.

선택적 일 실시 예로서, 시변데이터분석부(370)는 기설정된 적어도 하나 이상의 미세전리층 교란의 주기에 대한 정보를 정규화하고, 정규화된 정보를 3차원시변데이터와 비교한 결과를 기초로 하여 지상의 원인에 의한 미세전리층의 교란시점을 결정할 수도 있다.

지진 또는 지상의 폭발 등에 의해 발생되는 전리층 미세 교란의 주기는 60초 가량(즉, T=60을 의미)으로 알려져 있으며 이에 대한 수학식 14를 따르는 이론적인 3차 수치미분의 dt에 따른 크기 변화는 도 5와 같다. 이때, 시변데이터처리부(350)는 3차 수치미분의 dt에 따른 크기는 최대값이 1이 되도록 정규화하며, dt는 시변데이터처리부(350)가 수치미분을 수행하는 데에 사용한 시간간격을 의미하고, 전술한 것에 따르면 1초 내지 30초 중 어느 하나가 될 수 있다.

도 5는 수치미분의 시간간격 dt의 변화에 따른 3차 수치미분의 상대적인 크기 변화를 도시한 도면이다.

여기서, 수치미분의 시간간격 dt의 변화에 따른 3차 수치미분은 수학식 14에 따르며, 직관적인 이해를 위해서 최대값이 1이 되도록 정규화된다. 도 5의 이론적인 dt에 따른 3차 수치미분의 크기 변화는 dt=30에서 최대치를 보이고, dt=10에서 전체 크기의 10%가량만이 유지된다. 이러한 경향성을 도 4의 0.5시에 발생한 교란과 1~1.5시에 발생을 교란에 적용하면, 0.5시의 경우는 dt에 대해 크기변화가 크지 않은 반면, 1~1.5시에 발생한 교란은 dt가 감소하면서 같이 줄어드는 특징을 보이므로 지상의 원인에 의해 발생한 교란의 특성과 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 비교를 통해 지상 원인에 의한 교란과 그 외의 잡음 구분이 가능하다.

도 5는 주기 T를 60으로 가정한 결과로서, 전술한 것과 같이 주기는 가정되는 값으로서 실시 예에 따라서, 30 또는 120과 같이 다양한 값이 될 수도 있으며, 그에 따라 도 5의 그래프의 형태는 수학식 14에 의해 도 5와 다른 곡선형태를 보일 수 있다는 것은 자명하다.

도 6은 도 4의 0.5시의 교란 시점의 데이터를 dt에 따라 도 5와 동시에 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 도 4에서 0.5시의 교란 시점의 관측데이터(610)는 dt가 28일 때 최대치를 보이다가, dt가 5일 때, 전체 크기의 60% 가량이 유지되는 것을 알 수 있다. 반면, 도 6을 참조하면, 도 6의 이론데이터(630)는 dt가 10에서 3차 수치미분의 크기변화가 전체 크기의 약 10%가량 유지된다.

여기서, 도 6의 이론데이터(630)는 T가 60초일 때를 가정하여 지상 원인에 의한 전리층 변화율의 크기가 dt에 따라 변화하는 이론식에 따른 그래프를 의미하고, 도 5와 일치한다.

도 7은 도 4의 1~1.5시의 교란 시점의 데이터를 dt에 따라 도 5와 동시에 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 도 4에서 1~1.5시의 교란 시점의 관측데이터(710)는 dt가 29일 때 최대치를 보이다가, dt가 5일 때, 전체 크기의 0%에 가깝게 도달하는 것을 알 수 있다. 반면, 도 7을 참조하면, 도 7의 이론데이터(730)는 dt가 30일 때 최대치를 보이다가, dt가 5일 때, 전체 크기의 0%에 가깝게 도달하는 것을 알 수 있다.

여기서, 도 7의 이론데이터(730)는 T가 60초일 때를 가정하여 지상 원인에 의한 전리층 변화율의 크기가 dt에 따라 변화하는 이론식에 따른 그래프를 의미하고, 도 5와 일치한다.

시변데이터분석부(370)는 도 6 및 도 7에서 각각의 그래프를 비교한 결과를 통해 정량적으로 상관성을 확인하기 위해서 각 샘플(시간간격 dt)에서 이론치와 관측값의 차이 크기의 제곱을 모두 합산하는 방식으로 관측교란데이터와 이론교란데이터간의 비상관성을 산출할 수 있다.

수학식 15는 시변데이터분석부(370)가 비상관성을 산출하기 위해 사용하는 수학식의 일 예이다. 수학식 15에서 각각의 변수는 수학식 11 내지 수학식 14에서 설명한 바 있으므로 생략하기로 한다.

수학식 15를 도 6 및 도 7에 적용하면, 도 6에 해당하는 0.5시에서의 교란의 비상관성은 2.15, 도 7에 해당하는 1~1.5시에서의 교란의 비상관성은 0.71로 산출될 수 있다. 즉, 시변데이터분석부(370)는 도 2를 통해서 적어도 두 가지 이상의 교란시점을 특정한 후에, 도 4를 통해서 관측교란데이터와 이론교란데이터의 격차를 산출하여, 산출된 격차값을 이용하여, 지상의 원인으로 인한 미세전리층의 교란시점을 구분할 수 있다. 시변데이터분석부(370)는 1~1.5시에 대한 비상관성이 0.71로서 2.15보다 더 낮은 것을 파악하고, 1~1.5시에서 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란이 발생했다고 결정할 수 있다.

실시 예에 따라서, 시변데이터분석부(370)는 비상관성의 값에 대한 최소값을 미리 저장하고 있다가 산출된 비상관성값과 비교하여, 적어도 두 가지 이상의 비상관성이 산출되었으나 모두 최소값을 초과하는 경우에는, 미세전리층의 교란은 있었으나, 지상의 원인으로 하는 미세전리층의 교란은 감지되지 않은 것으로 결정할 수도 있다.

도 8은 본 발명에 따른 미세전리층 교란시점 분석방법의 일 예의 흐름도를 도시한 도면이다.

도 8은 도 3에 따른 미세전리층 교란시점 분석장치(300)에 의해 구현될 수 있으므로, 이하에서는 도 3을 참조하여 설명하고, 도 3에서 설명한 것과 중복된 설명은 생략하기로 한다.

신호수신부(310)는 위성항법신호를 수신한다(S810).

신호수신부(310)는 위성항법신호로부터 시간별 경사총전자량(STEC)를 파악한다(S820)

3차수치미분처리부(330)는 고정시간간격의 3차수치미분결과를 획득하고, 이 때의 고정시간간격은 30초가 될 수 있다(S830).

시변데이터처리부(350)는 3차수치미분된 결과를 기초로 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 대해서 3차수치미분을 수행한다(S840).

시변데이터처리부(350)는 단계 S840에서 수행한 각각의 시간간격에 대한 3차수치미분을 시간간격 dt의 순서에 따라서 순차적으로 나열하여 도 4와 같은 3차원시각적시변데이터(3차원시각적데이터)를 산출한다(S850).

시변데이터분석부(370)는 3차원시각적데이터의 경향성이 기저장된 정보와 일치하는지 파악하고(S860), 일치하면, 3차원 시각적 데이터에서 지상원인에 의한 전리층 교란부분을 검출하고(S870), 일치하지 않으면, 지상원인에 의한 전리층 교란 부분은 없는 것으로 결정할 수 있다(S880).

기존의 미세전리층 교란을 검출하는 기법은 경사전리층 지연량의 평균 변화율을 추정하고 잔여지연량을 이용하는 방법과 경사전리층 지연량을 차분하여 평균 변화율을 제거하는 방법이 알려져 있고. 지상원인에 의한 미세한 전리층 교란의 경우 교란의 크기가 작기 때문에 첫 번째 방식은 적용하기 어렵기 때문에, 차분하는 방식을 적용하는 것이 일반적이었다.

차분 데이터를 이용하는 방법은 미세한 변화까지도 검출할 수 있는 장점이 있으나 지상원인 이외의 원인에 의한 잡음에 의해 실제 지상원인을 구분해내기 어려운 단점이 있으므로, 이를 보완하기 위한 방법으로 고속푸리에변환(FFT) 및 웨이블릿(wavelet) 등을 적용하는 주파수 분석 기법이 활용되었다. 다만, 두 가지 방법 모두 실제 시간 영역의 신호에서 해당 주파수 성분을 특정할 수 없거나, 주파수-시간 모두에서 의 분해능을 높일 수 없는 한계점이 존재하였다.

반면, 본 발명에 따르면, 단순한 시간영역에서의 차분 방식으로 구현이 가능하여 계산에 소요되는 처리프로세서의 제약이 없다. 또한, 이 방식은 시간 영역에서 모든 연산이 이루어지기 때문에 실제 신호상에서 전리층 교란 시점을 특정하기 위한 분해능의 손실이 없는 장점이 있다.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시 예는 컴퓨터상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.

한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (9)

1. 위성항법신호를 수신하고, 상기 수신된 위성항법신호로부터 시간별 경사총전자량(STEC)을 파악하는 신호수신부;
   상기 파악된 경사총전자량을 고정시간간격으로 3차수치미분하고, 상기 3차수치미분된 결과로부터 미세전리층의 교란이 발생된 시점을 적어도 두 시점 이상을 특정하는 3차원수치미분처리부;
   상기 3차수치미분된 결과를 기초로 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 미세전리층의 교란에 대한 3차원시변데이터를 산출하는 시변데이터처리부; 및
   상기 산출된 3차원시변데이터를 시간간격의 변화에 따라 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 특정된 적어도 두 시점의 시점 중에서 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란시점을 결정하는 시변데이터분석부;를 포함하는 미세전리층 교란시점 분석장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고정시간간격은,
   30초인 것을 특징으로 하는 미세전리층 교란시점 분석장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 시변데이터처리부는,
   상기 3차수치미분된 결과를 기초로 1초 내지 30초 중 미리 설정된 시간간격으로 구분하고, 상기 구분된 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 3차원시변데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 미세전리층 교란시점 분석장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 시변데이터분석부는,
   기설정된 적어도 하나 이상의 미세전리층 교란의 주기에 대한 정보를 정규화하고, 상기 정규화된 정보를 상기 산출된 3차원시변데이터와 비교한 결과를 기초로 하여 상기 미세전리층 교란시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 미세전리층 교란시점 분석장치.
5. 위성항법신호를 수신하고, 상기 수신된 위성항법신호로부터 시간별 경사총전자량(STEC)을 파악하는 신호수신단계;
   상기 파악된 경사총전자량을 고정시간간격으로 3차수치미분하고, 상기 3차수치미분된 결과로부터 미세전리층의 교란이 발생된 시점을 적어도 두 시점 이상을 특정하는 3차원수치미분처리단계;
   상기 3차수치미분된 결과를 기초로 적어도 두 가지 이상의 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 미세전리층의 교란에 대한 3차원시변데이터를 산출하는 시변데이터처리단계; 및
   상기 산출된 3차원시변데이터를 시간간격의 변화에 따라 분석하고, 상기 분석된 결과로부터 상기 특정된 적어도 두 시점의 시점 중에서 지상의 원인에 의한 미세전리층 교란시점을 결정하는 시변데이터분석단계;를 포함하는 미세전리층 교란시점 분석방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 고정시간간격은,
   30초인 것을 특징으로 하는 미세전리층 교란시점 분석방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 시변데이터처리단계는,
   상기 3차수치미분된 결과를 기초로 1초 내지 30초 중 미리 설정된 시간간격으로 구분하고, 상기 구분된 시간간격에 따라 3차수치미분을 수행하여 3차원시변데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 미세전리층 교란시점 분석방법
8. 제5항에 있어서,
   상기 시변데이터분석단계는,
   기설정된 적어도 하나 이상의 미세전리층 교란의 주기에 대한 정보를 정규화하고, 상기 정규화된 정보를 상기 산출된 3차원시변데이터와 비교한 결과를 기초로 하여 상기 미세전리층 교란시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 미세전리층 교란시점 분석방법.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하기 위한 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독가능한 기록매체.

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