KR20200042150A - Galileo NeQuick 모델을 이용한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

실시간 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법에 관한 것이며, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법은, (a) Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출하는 단계; (b) 상기 추출된 Galileo 전리층 변수를 고려하여, 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하는 단계; 및 (c) 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

Galileo NeQuick 모델을 이용한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD OF IONOSPHERIC SCALE FACTOR DETERMINATION FOR LOW EARTH ORBITING SATELLITES USING GALILEO NEQUICK MODEL}
본원은 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 저궤도위성용 Galileo NeQuick 모델을 이용한 저궤도위성용 실시간 전리층 지연 척도인자 결정 장치 및 방법에 관한 것이다.
2000 km 이하의 저궤도위성의 궤도 결정을 위해 GNSS(global navigation satellite system)를 이용한 위치 추정 방법이 주로 사용된다. 이중주파수를 활용할 수 있는 수신기가 탑재된 경우에는 geometry-free 선형조합을 사용하여 신호에 포함된 전리층 지연을 제거할 수 있지만, L1 단일주파수 수신기가 탑재된 경우에는 위와 같은 방법으로 전리층 지연 제거가 불가능하다. 전리층에 의한 신호 지연이 GNSS 신호 오차의 50% 이상을 차지하기 때문에 이를 보정하지 않을 경우에는 위치 오차가 급격히 증가하게 된다.
전리층은 상공 70 km ~ 1000 km에 분포하며, GNSS 신호가 해당 영역을 통과하면 신호 지연이 발생한다. 지상 사용자의 경우에는 GNSS 시스템의 고도에서부터 지상까지의 길이만큼 전리층의 영향을 받지만, 저궤도위성의 경우에는 저궤도위성 고도부터 GNSS 위성 고도까지의 경로만큼만 전리층의 영향을 받는다.
이때, 전리층 지연 보정을 수행할 수 있는 방법으로 IGS(International GNSS Service)에서 제공하는 전세계 전리층 지도나 GPS 항법메시지에서 전송되는 전리층 변수를 사용하는 Klobuchar 모델, 및 SBAS(satellite-based augmentation system) 보정 정보를 사용하는 방법이 있다. 그런데, 이러한 종래의 전리층 지연 보정 방법들은 지상 사용자를 대상으로 개발된 모델(즉, 지상 기반 전리층 지연 보정 모델)로서, 지상 수신기에서 수신되는 신호의 지연과 저궤도위성에서 수신되는 신호의 지연의 크기가 다르기 때문에 저궤도위성의 전리층 지연 보정 수단으로서 사용할 수 없는 문제가 있다.
지상의 전리층 지연과 저궤도위성의 전리층 지연의 비율은 약 0.15~0.60으로 나타나는데, 이는 저궤도위성에서 수신되는 신호가 지상에서 수신되는 신호보다 전리층에 의한 영향이 더 작아서 신호 지연의 크기가 더 작음을 의미한다.
지상 기반 전리층 지연 보정 모델을 저궤도위성에서 사용하고자 할 경우에는 전리층 지연값에 척도인자를 적용하여 사용하는 방법이 있다. 이러한 척도인자는 저궤도위성의 위치, 시간, 그리고 태양활동 및 지자기활동에 따라 변화하는 변수를 의미하며, 척도인자는 지상 환경과 저궤도위성 환경의 차이를 고려하여 계산할 수 있다.
척도인자를 계산하기 위해서는 저궤도위성 환경에서의 전리층 지연 크기를 추정할 수 있어야 한다. 이때, 종래 전리층 지연 보정 방법인 GPS Klobuchar 모델과 SBAS 전리층 보정 정보를 사용하는 방법은 실시간으로 전리층 지연 보정값을 계산할 수 있지만, 이들은 2차원 전리층분포를 나타내는 모델로서 고도에 따른 전리층 분포를 알 수 없기 때문에 저궤도위성 환경에서의 전리층 지연 크기를 추정할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 척도인자를 계산하기 위해서는 3차원 전리층분포를 사용하는 모델을 이용해야 한다.
종래에 3차원 전리층분포를 제공하는 모델로는 IRI(international reference ionosphere) 모델과 NeQuick 모델이 있다.
IRI 모델은 사용자의 위도, 경도, 고도, 시간, 그리고 태양활동 및 지자기활동 등의 환경변수를 사용하여 사용자 위치에서 나타나는 총 전자수(TEC) 등을 계산할 수 있는 모델을 의미한다. IRI 모델을 사용하는 경우 특정 고도에서 전리층 지연량을 계산할 수 있기 때문에 GNSS 위성 고도부터 지상까지의 전체 전리층 지연량에 대한 상층부 전리층 지연량의 비율을 계산할 수 있다. 다만, IRI 모델을 저궤도위성에서 실시간으로 사용하기 위해서는 별도의 우주 데이터 통신망을 이용하여 환경변수를 실시간으로 전송할 때 가능한데, 이는 지상관제소의 가시성에 한계가 있으며, 저궤도위성용으로 별도의 실시간 전송망을 구축하는 것에 어려움이 있다.
일예로, 종래에 공지된 문헌 ["IRI 모델을 이용한 저궤도 전리층 지연값 배율 결정", 대한원격탐사학회지, pp. 331-339, 2014, 김정래, 김민규]에는 IRI 모델을 이용하여 저궤도위성 전리층 척도인자를 계산하는 기술이 개시되어 있다.
상기의 문헌과 같이 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 계산(결정)에 IRI 모델을 사용할 경우, 모델에 사용되는 변수들을 실시간으로 우주 통신망(우주 데이터 통신망)을 통해 전송해야 한다. 그런데, 지상관제소의 저궤도위성 가시성은 제한되며, 전 세계에 실시간 모델 변수 전송망을 구축하기 어렵기 때문에, IRI 모델을 이용한 저궤도위성 전리층 척도인자의 계산(결정)은 실시간 계산이 어려운 문제가 있다.
즉, 저궤도위성 전리층 척도인자의 계산함에 있어서, IRI 모델을 저궤도위성의 항법에 사용할 경우, IRI 환경변수를 별도의 우주 데이터 통신망으로 전송해주어야 하는데, 현실적으로 IRI 환경변수 전송용 통신망을 전 세계에 설치하는 것은 불가능하므로, IRI 모델을 이용해 계산된 저궤도위성 전리층 척도인자는 실시간으로 사용하기 어려운 문제가 있다.
NeQuick 모델은 Di Giovanni와 Radicella가 1990년대에 제안한 DGR 프로파일 기반의 3차원 전리층 모델을 의미한다. NeQuick 모델은 전리층 구성요소인 E, F1, F2 층의 두께, 임계주파수, 그리고 최대 전자밀도를 계산하고, 입력된 사용자의 위치에 따라 상층부와 하층부 모델을 이용하여 총 전자밀도를 계산할 수 있는 모델을 의미한다. 즉, NeQuick 모델을 통해서는 입력된 2개 지점의 위도, 경도 및 고도로부터 신호 경로를 획득한 후 경로 내 적분 점을 계산하고, 적분 점에서 계산된 전자밀도의 적분을 통해 최종적으로 총 전자밀도를 계산할 수 있다. 이러한 NeQuick 모델은 사용자 입력 조건에 따라 사용되는 모델 식이 존재하며, 관측 데이터로부터 생성된 모델 데이터를 기반으로 하기 때문에 모델 데이터도 필요하다.
NeQuick 모델에는 총 3가지 버전의 모델로서 NeQuick 1 모델, NeQuick 2 및 NeQuick G 모델이 존재한다. NeQuick 1 모델은 2000년에 ITU-R (international telecommunication union-radiocommunication sector)에서 채택된 전리층 지연 보정 모델을 의미한다. NeQuick 2 모델은 Radicella와 Leitinger가 NeQuick 1 모델에서 형상 상수와 임계주파수 계산 식 등을 개선한 모델을 의미한다. NeQuick G는 Galileo 항법시스템에서 제공하는 전리층 변수를 사용하는 모델을 의미한다.
이때, Galileo는 유럽에서 개발된 항법위성시스템으로서 GPS와 같이 지구 전역에 항법메시지를 제공할 수 있으며, 총 27대가 운용될 예정이고 현재는 22대가 운용되고 있다. 항법메시지에 포함된 전리층 변수 3개는 전리화 지수를 나타내며, 전송 간격은 1일이다. NeQuick 1과 NeQuick 2는 후처리가 된 태양활동을 모델 입력값으로 사용하기 때문에 실시간으로 전리층 지연 계산이 불가능하지만, Galileo항법시스템에서 사용하는 NeQuick G 모델은 Galileo용 수신기만 탑재되어 있다면, 별도의 하드웨어나 실시간 우주 통신망이 없더라도 실시간 사용이 가능하다.
한편, 척도인자를 사용하여 저궤도위성용으로 수정된 전리층 보정값은 위치해 계산에서 관측값에 영향을 주며, 이러한 전리층 보정값을 수정하지 않으면 위성의 위치해에 대한 오차가 크게 증가하게 된다. 일례로, 지상과 500 km 상공의 저궤도위성의 전리층 지연 비율은 0.15에서 0.60까지 변화하는데, 저궤도위성에 지상 전리층 지연 보정값을 사용할 경우 관측값의 크기가 실제보다 작아지면서 시선 방향의 위치 오차가 증가하게 되고, 이는 실시간 저궤도위성 위치 추정시 큰 오차를 유발하게 된다.
전리층에 의한 영향은 GNSS를 활용하는 저궤도위성뿐만 아니라 저궤도에서 운용되는 원격탐사위성에서도 크게 작용한다. 원격탐사위성은 레이더나 라디오 신호 등을 사용하여 구름, 지상, 해양 등의 정보를 획득하는 것을 목적으로 한다. 저궤도 원격탐사위성에서는 지상에 신호가 도달할 때 전리층에 의한 위상(phase) 이동이 발생하는데, 특히 단파에서 그 영향이 두드러지게 나타난다. 원격탐사위성에서 전리층 보정은 주로 주파수, 방위각, 그리고 전리층 총 전자수(TEC)에 관한 모델식을 사용하여 이루어진다. 이러한 전리층에 의한 위상 이동 보정을 수행하지 않는 것은 사진이나 영상에 왜곡을 일으켜 사진이나 영상의 품질을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래에 전리층 지연에 대한 척도인자를 실시간으로 계산할 수 없었던 문제를 해소할 수 있는 Galileo NeQuick 모델을 이용한 실시간 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법은, (a) Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출하는 단계; (b) 상기 추출된 Galileo 전리층 변수를 고려하여, 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하는 단계; 및 (c) 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 추출된 Galileo 전리층 변수, 지상 위치 및 저궤도위성 위치를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 Galileo NeQuick 모델을 통해 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 계산할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는, 상기 지상 전리층 지연량에 대한 상기 저궤도위성 전리층 지연량의 비율을 이용하여 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자는 식 1을 만족할 수 있으며, 식 1은
Figure pat00001
이고, 여기서,
Figure pat00002
는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i번째 GNSS 위성과 저궤도위성 사이의 전리층 지연값,
Figure pat00003
는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i 번째 GNSS 위성과 지상 사이의 전리층 지연값,
Figure pat00004
는 i 번째 GNSS 위성에 대한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 Galileo 수신기는 저궤도위성에 탑재된 Galileo 수신기이고, 상기 (c) 단계는, 상기 (a) 단계에서 추출된 Galileo 전리층 변수를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 실시간으로 결정할 수 있다.
한편, 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치는, Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출하는 추출부; 상기 추출된 Galileo 전리층 변수를 고려하여, 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하는 계산부; 및 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정하는 결정부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 계산부는, 상기 추출된 Galileo 전리층 변수, 지상 위치 및 저궤도위성 위치를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 Galileo NeQuick 모델을 통해 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 계산할 수 있다.
또한, 상기 결정부는, 상기 지상 전리층 지연량에 대한 상기 저궤도위성 전리층 지연량의 비율을 이용하여 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정할 수 있다.
또한, 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자는 하기 식 2를 만족하고, 식 2는
Figure pat00005
이고, 여기서,
Figure pat00006
는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i번째 GNSS 위성과 저궤도위성 사이의 전리층 지연값,
Figure pat00007
는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i 번째 GNSS 위성과 지상 사이의 전리층 지연값,
Figure pat00008
는 i 번째 GNSS 위성에 대한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 Galileo 수신기는 저궤도위성에 탑재된 Galileo 수신기이고, 상기 결정부는, 상기 추출부에서 추출된 Galileo 전리층 변수를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 실시간으로 결정할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, Galileo NeQuick 모델을 이용하여 실시간으로 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하고, 이들의 비율(즉, 지상 전리층 지연량에 대한 저궤도위성 전리층 지연량의 비율)을 통해 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 실시간으로 계산할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 저궤도위성에 Galileo 수신기를 탑재하는 것만으로, 이를 기반으로 Galileo NeQuick 모델을 사용해 저궤도위성용 전리층지연 척도인자를 실시간으로 계산할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치에서 계산부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치에서 결정부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치를 사용하여 척도인자를 결정한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법에 대한 동작 흐름도이다
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치(100)에서 계산부(120)의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치(100)에서 결정부(130)의 구성을 나타낸 도면이다.
이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치(100)를 설명의 편의상 본 장치(100)라 하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 장치(100)는 Galileo NeQuick 모델을 이용해 실시간으로 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정(계산)할 수 있는 Galileo NeQuick 모델을 이용한 실시간 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치에 관한 것이다.
본 장치(100)는 추출부(110), 계산부(120) 및 결정부(130)를 포함할 수 있다.
추출부(110)는 Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수(1)를 추출할 수 있다. 여기서, Galileo 수신기는 저궤도위성에 탑재된 Galileo 수신기를 의미할 수 있다.
추출부(110)는 Galileo 수신기를 사용하여 Galileo 항법메시지를 수신하고, 수신된 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수(1)를 추출할 수 있다. 이때, 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출하는 기술은 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 기술이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
계산부(120)는 추출부(110)에서 추출된 Galileo 전리층 변수(1)를 고려하여, 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 계산할 수 있다.
계산부(120)는 추출부(110)에서 추출된 Galileo 전리층 변수(1), 입력된 지상 위치(2) 및 입력된 저궤도위성 위치(3)를 Galileo NeQuick 모델(10)에 적용함으로써, Galileo NeQuick 모델(10)을 통해 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 계산할 수 있다.
다시 말해, 계산부(120)는 입력된 지상 위치(2)와 저궤도위성 위치(3), 및 추출부(110)에서 추출된 Galileo 전리층 변수(1)를 Galileo NeQuick 모델(10)의 입력으로 적용할 수 있다. 이를 통해 계산부(120)는 Galileo NeQuick 모델(10)을 통해 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 계산할 수 있다.
Galileo NeQuick 모델(10)은 Galileo 전리층 변수(1), 지상 위치(2) 및 저궤도위성 위치(3)를 입력 값으로 하고, 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 출력 값으로 할 수 있다.
여기서, 지상 전리층 지연량(4)은 지상 고도(0 km)뿐만 아니라 저궤도위성 고도보다 낮은 범위의 고도를 포함하는 고도에 대응하는 전리층 지연량을 의미할 수 있다. 달리 말해, 지상 전리층 지연량(4)에는 지상 고도(0 km)에 대응하는 전리층의 지연량 및 일예로 항공기와 같이 저궤도위성 고도보다 낮은 범위의 고도에 대응하는 전리층의 지연량이 포함될 수 있다.
계산부(120)는 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 해당 고도를 입력값으로 한 Galileo NeQuick 모델(10)을 사용하여 계산할 수 있다.
즉, 계산부(120)는 Galileo 전리층 변수(1)를 Galileo NeQuick 모델(10)에 적용한 이후, 지상 전리층 지연량(4)을 계산하기 위해 해당 고도로서 지상 위치(2)를 Galileo NeQuick 모델(10)의 입력값으로 적용함으로써, Galileo NeQuick 모델(10)을 통해 지상 전리층 지연량(4)을 계산, 달리 말해, Galileo NeQuick 모델(10)로부터 지상 전리층 지연량(4)을 획득할 수 있다. 또한, 계산부(120)는 Galileo 전리층 변수(1)를 Galileo NeQuick 모델(10)에 적용한 이후, 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 계산하기 위해 해당 고도로서 저궤도위성 위치(3)를 Galileo NeQuick 모델(10)의 입력값으로 적용함으로써, Galileo NeQuick 모델(10)을 통해 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 계산, 달리 말해, Galileo NeQuick 모델(10)로부터 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 획득할 수 있다.
달리 표현하여, 계산부(120)에서의 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 전리층 지연량(5)은, Galileo 전리층 변수(1), 지상 위치(2) 및 저궤도위성 위치(3)를 이용하여 Galileo NeQuick 모델(10)로 계산될 수 있다.
결정부(130)는 계산부(120)에서 계산된 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 결정할 수 있다. 이러한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)는 간단히 척도인자(6)라 달리 표현될 수 있다. 또한, 결정부(130)를 통해 결정되는 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)는 입력된 지상 위치(2)뿐만 아니라 저궤도위성 위치(3), 태양활동 및 지자기활동에 따라 변화하는 변수를 의미할 수 있다.
저궤도위성의 환경과 지상 환경의 차이로 의해 전리층의 영향이 발생한다. 전리층은 고도 70 km ~ 1000 km 사이에 분포하는데, GNSS 신호가 전리층을 통과하면서 신호 지연이 발생한다. 지상 사용자의 경우 지상에서부터 GNSS 위성 고도까지 분포된 전리층의 영향을 받고, 저궤도위성의 경우 저궤도위성 고도에서부터 GNSS 위성 고도까지 분포된 전리층의 영향을 받기 때문에, 지상 사용자와 저궤도위성 각각의 전리층 지연의 크기가 다르다. 따라서, 지상 기반 전리층 지연 보정 모델을 저궤도위성에서 사용하고자 할 경우에는 지상의 전리층 지연량과 저궤도위성의 전리층 지연량의 비율로 계산된 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 적용해야 할 필요가 있다.
전리층 지연 척도인자는 3차원 전리층분포가 제공되는 모델을 사용하여 계산(결정)할 수 있다. 다만, 종래 3차원 전리층분포를 제공하는 모델 중 하나인 IRI 모델을 저궤도위성에서 실시간으로 사용하기 위해서는 별도의 우주 데이터 통신망을 이용하여 환경변수를 실시간으로 전송할 때 가능한데, 지상관제소의 가시성에 한계가 있고, 저궤도위성용으로 별도의 실시간 전송망을 구축하는 것에 한계가 있는바, IRI 모델을 이용하는 것으로는 전리층 지연에 대한 척도인자를 실시간으로 계산(결정)할 수 없다.
다시 말해, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 계산(결정)에 IRI 모델을 사용할 경우, 모델에 사용되는 변수들을 실시간으로 우주 통신망(우주 데이터 통신망)을 통해 전송해야 하는데, 지상관제소의 저궤도위성 가시성이 제한되고, 현실적으로 전 세계에 실시간 모델 변수를 전송하기 위한 통신망(전송망)을 구축하기 어려우므로, IRI 모델을 이용하는 것으로는 저궤도위성 전리층 척도인자를 실시간으로 계산(결정)하지 못하는 문제가 있다.
따라서, 본 장치(100)의 결정부(130)는 계산부(120)에서 Galileo NeQuick 모델(10)을 이용해 계산된 지상 전리층 지연량(4)과 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 이용하여, 실시간으로 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 계산(결정)할 수 있다.
결정부(130)는 지상 전리층 지연량(4)에 대한 저궤도위성 전리층 지연량(5)의 비율을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 실시간으로 결정할 수 있다.
저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)는 하기 식 1을 만족할 수 있다. 달리 말해, 결정부(130)는 하기 식 1을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 결정(계산, 산출)할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 Galileo NeQuick모델(10)을 통해 획득된 i번째 GNSS 위성과 저궤도위성 사이의 전리층 지연값, 즉 계산부(120)에서 계산된 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 나타낸다.
Figure pat00011
는 Galileo NeQuick모델(10)을 통해 획득된 i 번째 GNSS 위성과 지상 사이의 전리층 지연값, 즉 계산부(120)에서 계산된 지상 전리층 지연량(4)을 나타낸다.
Figure pat00012
는 i 번째 GNSS 위성에 대한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 나타낸다.
결정부(130)는 추출부(110)에서 추출된 Galileo 전리층 변수(1)를 Galileo NeQuick 모델(10)에 적용함으로써 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 실시간으로 결정(계산, 산출)할 수 있다.
본 장치(100)는 Galileo NeQuick 모델(10)을 이용하여, 실시간으로 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량(4) 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량(5)을 계산하고, 이들의 비율(즉, 지상 전리층 지연량에 대한 저궤도위성 전리층 지연량의 비율)을 통해 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 실시간으로 계산할 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 장치(100)는 저궤도위성용 전리층 지연 보정값 생성부(미도시)를 포함할 수 있다.
저궤도위성용 전리층 지연 보정값 생성부(미도시)는 Galileo NeQuick 모델(10)을 사용해 결정부(130)에서 실시간으로 계산된 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 지상 기반 전리층 지연 보정 모델에 적용함으로써, 실시간으로 저궤도위성용 전리층 지연 보정값을 생성(계산)할 수 있다.
여기서, 지상 기반 전리층 지연 보정 모델은 전리층 지연 보정을 위해 지상 사용자를 대상으로 개발된 모델로서, 일예로 IGS(International GNSS Service)에서 제공하는 전세계 전리층 지도를 이용하는 모델, GPS 항법메시지에서 전송되는 전리층 변수를 사용하는 Klobuchar 모델, SBAS(satellite-based augmentation system) 보정 정보를 이용하는 모델 등을 의미할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 지상 기반 전리층 지연 보정 모델에는 종래에 공지되거나 향후 개발되는 지상 기반 전리층 지연 보정 모델이 적용될 수 있다.
특히, SBAS 보정 정보는 지상 및 항공기용으로 개발되었는데, 실시간으로 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 계산할 수 있으면, 저궤도위성용 SBAS 전리층 보정 정보의 사용이 가능하다. 다시 말해, 본 장치(100)에 의하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 실시간으로 계산할 수 있음에 따라, 본원은 저궤도위성용 SBAS 전리층 보정 정보를 실시간으로 생성(계산)하여 사용할 수 있다.
이러한 본원은 저궤도위성용 전리층 지연 보정값 생성부(미도시)에 의해 실시간으로 생성되는 저궤도위성용 전리층 지연 보정값을 통해, 보다 향상된 저궤도위성의 위치추정 정확도 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 저궤도위성의 GNSS 신호 전리층 보정뿐만 아니라, 거리 관측값을 처리해 정보를 생성하는 저궤도에서 운용되는 원격탐사위성이나 SAR 위성 등에서는 총 전자수(TEC)를 사용하여 위상(phase) 이동 보정을 수행하게 되는데, 이때, 본원은 지상과 저궤도 경로의 총 전자수(TEC)를 계산할 때 지상 기반 전리층 지연 보정 모델에 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 적용할 수 있다. 이러한 본원에 의하면, 지상 기반 전리층 지연 보정 모델에 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 적용하여 계산된 총 전자수(TEC)를 이용해 전리층에 의한 위상 이동 보정을 수행할 수 있어, 전리층에 의한 위상 이동 보정을 수행하지 않음에 따라 야기되는 영상(또는 사진)의 왜곡에 의한 영상(또는 사진)의 품질 저하 문제를 해소할 수 있다. 달리 말해, 본원에 의하면 보다 양질(높은 품질)의 사진이나 영상을 획득할 수 있다.
다시 말해, 본원은 Galileo NeQuick모델을 이용해 결정된 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자(6)를 사용하는 경우, 지상 기반 전리층 지연 보정 모델로서 예를 들어 SBAS 전리층 보정 정보에 척도인자(6)를 적용함으로써 저궤도위성의 전리층 지연에 대한 보정값(즉, 저궤도위성용 전리층 지연 보정값)을 획득할 수 있다.
이러한 본원은 종래에 후처리방식 또는 저궤도위성에서 실시간으로 척도인자(저궤도위성용 전리층 지연 척도인자)를 결정할 수 없다는 한계를 극복할 수 있다. 또한, 본원은 일예로 SBAS 전리층 보정 정보와 같이 실시간 지상 기반 전리층 보정값을 저궤도위성에서 활용할 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 Galileo NeQuick모델을 이용한 실시간 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치(100)를 사용하여 척도인자(6, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자)를 결정(계산)한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
본원의 일 실시예에 따른 실험에서, 저궤도위성은 미국 NASA/DLR의 GRACE(gravity recovery and climate experiment) 위성을 사용하였고, 2015년 한 해 저궤도위성의 전리층 지연 척도인자를 이중주파수 수신기 관측값과 IGS 전 세계 전리층 지도의 조합 및 Galileo NeQuick모델을 사용하여 계산하였다.
도 4를 참조하면, 본 장치(10)에 의해 결정(계산, 산출)된 저궤도위성 전리층 지연 척도인자(6)는 0.10~0.40 사이에서 변화하는 것으로 나타났다. 또한, 관측값(Measurement)으로 계산된 척도인자의 평균값은 0.269, Galileo NeQuick모델(NeQuick G)로 계산된 척도인자의 평균값은 0.274로서, 두 값이 거의 동일하게 나타났다.
본원은 Galileo NeQuick 모델을 사용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정(계산, 산출)할 수 있다. Galileo NeQuick 모델은 Galileo위성에서 제공하는 전리층 변수만 수신할 수 있다면 실시간으로 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 계산할 수 있다. 따라서, 본원은 저궤도위성에 Galileo 수신기(Galileo 항법 수신기)를 탑재함으로써 실시간으로 저궤도위성의 전리층 척도인자를 계산할 수 있다.
즉, 본원은 저궤도위성에 탑재된 Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출하고, 추출된 Galileo 전리층 변수, 지상 위치 및 저궤도위성 위치를 Galileo NeQuick 모델의 입력값으로 적용함으로써, 실시간으로 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정(계산, 산출)할 수 있다.
이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 5에 도시된 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법은 앞서 설명된 본 장치(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 본 장치(100)에 대하여 설명된 내용은 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 단계S11에서는, Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출할 수 있다. 이때, Galileo 수신기(Galileo 항법 수신기)는 저궤도위성에 탑재된 Galileo 수신기일 수 있다.
다음으로, 단계S12에서는, 단계S11에서 추출된 Galileo 전리층 변수를 고려하여, 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량을 계산할 수 있다.
이때, 단계S12에서는 단계S11에서 추출된 Galileo 전리층 변수, 지상 위치 및 저궤도위성 위치를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 Galileo NeQuick 모델을 통해 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 전리층 지연량을 계산할 수 있다.
다음으로, 단계S13에서는, 단계S12에서 계산된 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 전리층 지연량을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정할 수 있다.
이때, 단계S13에서는, 지상 전리층 지연량에 대한 저궤도위성 전리층 지연량의 비율을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정할 수 있다.
또한, 단계S13에서 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자는 상기 식 1을 만족할 수 있다. 이때, 식 1에 대한 설명은 앞서 설명했으므로, 이하 생략하기로 한다.
단계S13에서는, 단계S11에서 추출된 Galileo 전리층 변수를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 실시간으로 결정할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S11 내지 S13은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
본원의 일 실시 예에 따른 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 전술한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치
110: 추출부
120: 계산부
130: 결정부

Claims (11)

  1. 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법에 있어서,
    (a) Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출하는 단계;
    (b) 상기 추출된 Galileo 전리층 변수를 고려하여, 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하는 단계; 및
    (c) 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정하는 단계,
    를 포함하는 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 추출된 Galileo 전리층 변수, 지상 위치 및 저궤도위성 위치를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 Galileo NeQuick 모델을 통해 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 지상 전리층 지연량에 대한 상기 저궤도위성 전리층 지연량의 비율을 이용하여 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정하는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자는 하기 식 1을 만족하고,
    [식 1]
    Figure pat00013

    여기서,
    Figure pat00014
    는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i번째 GNSS 위성과 저궤도위성 사이의 전리층 지연값,
    Figure pat00015
    는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i 번째 GNSS 위성과 지상 사이의 전리층 지연값,
    Figure pat00016
    는 i 번째 GNSS 위성에 대한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 나타내는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 Galileo 수신기는 저궤도위성에 탑재된 Galileo 수신기이고,
    상기 (c) 단계는, 상기 (a) 단계에서 추출된 Galileo 전리층 변수를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 실시간으로 결정하는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 방법.
  6. 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치에 있어서,
    Galileo 수신기로부터 수신된 Galileo 항법메시지에서 Galileo 전리층 변수를 추출하는 추출부;
    상기 추출된 Galileo 전리층 변수를 고려하여, 지상 고도에서의 전리층 지연량인 지상 전리층 지연량 및 저궤도위성 고도에서의 전리층 지연량인 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하는 계산부; 및
    상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 이용하여 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정하는 결정부,
    를 포함하는 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 계산부는,
    상기 추출된 Galileo 전리층 변수, 지상 위치 및 저궤도위성 위치를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 Galileo NeQuick 모델을 통해 상기 지상 전리층 지연량 및 상기 저궤도위성 전리층 지연량을 계산하는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 결정부는,
    상기 지상 전리층 지연량에 대한 상기 저궤도위성 전리층 지연량의 비율을 이용하여 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 결정하는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자는 하기 식 2를 만족하고,
    [식 2]
    Figure pat00017

    여기서,
    Figure pat00018
    는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i번째 GNSS 위성과 저궤도위성 사이의 전리층 지연값,
    Figure pat00019
    는 Galileo NeQuick모델을 통해 획득된 i 번째 GNSS 위성과 지상 사이의 전리층 지연값,
    Figure pat00020
    는 i 번째 GNSS 위성에 대한 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 나타내는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 Galileo 수신기는 저궤도위성에 탑재된 Galileo 수신기이고,
    상기 결정부는, 상기 추출부에서 추출된 Galileo 전리층 변수를 Galileo NeQuick 모델에 적용함으로써 상기 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자를 실시간으로 결정하는 것인, 저궤도위성용 전리층 지연 척도인자 결정 장치.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
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