KR20220164170A - 단일 gnss 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법 - Google Patents

단일 gnss 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전리권 플라즈마 불균질 속력 결정 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 GPS 수신기로부터 수신한 L1 채널 신호 및 L2 채널 신호로부터 대역 필터링하여 각각의 굴절에 의한 떨림 성분을 도출하고, 상관계수를 산출하여 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력을 결정하는 방법에 관한 기술이다.

Description

단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법{METHOD TO DETERMINE THE HORIZONTAL SPEED OF IONOSPHERIC PLASMA IRREGULARITY USING SINGLE GNSS RECEIVER}
본 발명은, 전리권 플라즈마 불균질 속력 결정 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 GPS 수신기로부터 수신한 L1 채널 신호 및 L2 채널 신호로부터 대역 필터링하여 각각의 굴절에 의한 떨림 성분을 도출하고, 상관계수를 산출하여 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력을 결정하는 방법에 관한 기술이다.
전리권이란, 태양 극자외선 (extreme ultra violet), X선 (x-ray) 등에 의해 지구 대기가 광이온화 되어 전자와 이온의 형태, 즉 플라즈마 상태로 존재하는 층을 말한다. 전리권 신틸레이션 현상이란, 전리권의 전자밀도가 불균일한 지역을 통과하는 전파 신호의 진폭이나 위상이 매우 빠르게 변화하여, 정상적인 신호 수신이 어려운 현상이다.
종래에는 이러한 전리권 신틸레이션 현상을 관측하기 위해 전리권 신틸레이션 모니터를 이용하였다. 전리권 신틸레이션 모니터는, 전리권 신틸레이션을 관측하기 위해서 보통 50Hz 이상 100Hz 이하의 높은 시간 분해능으로 위성항법신호(GPS)를 수신하는 기기이다.
그러나, 전리권 신틸레이션 모니터를 통해 더욱 정밀한 전리권의 분석을 위해서, 전자밀도가 불균일한 지역의 플라즈마의 속력 및 이로 기인되는 여러 파라미터가 도출되어야 하나, 아직까지 전리권 플라즈마의 속력을 추론하기 어려운 문제가 있었다.
한국등록특허 제 10-0129134호("전리권 전전자수 관측장치", 1997.11.07.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, L1 채널 신호 및 L2 채널 신호를 플라즈마 예상 속력에 따른 프레넬 주파수를 이용하여 대역필터링 함으로써 굴절에 의한 위상 떨림 신호를 각각 추출하고, L1 채널 신호 및 L2 채널 신호의 위상 떨림 신호의 상관계수와 위상 성분 비율에 따라 조건에 맞는 예상 플라즈마 속력을 플라즈마 속력으로 결정하는, 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력을 결정하는 방법에 관한 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명은 전리권 플라즈마 속력 추론 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 프로세서가 (a) GPS 수신기로부터 제 1 채널 신호(L1) 및 제 2 채널 신호(L2)를 수신하는 단계와, (b) 소정의 플라즈마 예상 속력(vp)에 기초하여 상기 제 1 채널 신호(L1)와 상기 제 2 채널 신호(L2)를 각각 필터링하여 제 1 필터 출력 신호(L1B) 및 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 산출하는 단계와, (c) 상기 제 1 필터 출력 신호(L1B) 및 상기 제 2 필터 출력 신호(L2B) 사이의 상관계수(C)를 산출하는 단계, 및 (d) 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 변화시켜가며 상기 단계(b)와 단계(c)를 반복 수행하고, 변화된 상기 플라즈마 예상 속력(vp)에 따른 상기 단계(c)에서 산출된 상관계수(C)를 저장하고, 상기 상관계수(C)가 최대가 되는 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 플라즈마 속력 추정값(v)으로 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 (b)는, 상기 제 1 채널 신호(L1)를 소정의 제 1 프레넬 주파수(f1)에 기초하여 대역 필터링하여 제 1 필터 출력 신호(L1B)를 산출하는 제 1 대역 필터(B1)로 대역 필터링하고, 상기 제 2 채널 신호(L2)를 소정의 제 2 프레넬 주파수(f2)에 기초하여 대역 필터링하여 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 산출하는 제 2 대역 필터(B2)로 대역 필터링하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 대역 필터(B1)의 대역은, 0.1Hz 이상 제 1 프레넬 주파수(f1) 이하이고, 상기 제 2 대역 필터(B2)의 대역은, 0.1Hz 이상 제 2 프레넬 주파수(f2) 이하이인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 프레넬 주파수(f1)는, 하기 수식 1에 기초하여 산출되고, 상기 제 2 프레넬 주파수(f2)는, 하기 수식 2에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
상기 제 1 채널 신호(L1)의 주파수는, 1575.42MHz이고, 상기 제 2 채널 신호(L2)의 주파수는, 1227.60MHz인 것을 특징으로 한다.
상기 상관계수(C)는, 하기 수식 3에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00002
상기 단계 (d)는, 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 10m/s씩 증가시키며 상기 단계(b)와 단계(c)를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 예상 속력(????)의 초기값은 100m/s이고, 최대값은 2000m/s인 것을 특징으로 한다.
상기 단계 (d)는, 변화된 상기 플라즈마 예상 속력(vp)에 따른 상기 상관계수(C)가 0.9 이상이며, 성분 비율이 1.3 이상 1.9 이하인 상기 플라즈마 예상 속력(vp) 중에서, 상기 상관계수(C)가 최대가 되는 플라즈마 예상 속력(vp)을 플라즈마 불균질 수평방향 속력 추정값(v)으로 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따른 본 발명은, 불균일한 전자밀도를 갖는 고위도 전리권의 플라즈마 속력을 결정함으로써, 전리권 분석에 필요한 파라미터들을 더욱 정확히 도출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 전리권 플라즈마 속력 결정 방법의 흐름도
도 2는 본 발명의 바람직한 전리권 플라즈마 속력 결정 방법의 구성도
도 3은 본 발명의 구체적인 전리권 플라즈마 속력 결정 방법의 흐름도
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은, 전리권에서의 전자의 속력을 알고있을 때 굴절에 의한 떨림 성분을 추출하는 방법을 역으로 적용하여, 굴절에 의한 떨림 성분으로 전자의 속력을 결정하는 방법에 대한 것이다.
요약하자면, 도 1에 도시된 바와 같이, L1 채널 신호 및 L2 채널 신호를 플라즈마 예상 속력에 따른 프레넬 주파수를 이용하여 대역필터링 함으로써 굴절에 의한 위상 떨림 신호를 각각 추출하고, L1 채널 신호 및 L2 채널 신호의 위상 떨림 신호의 상관계수와 위상 성분 비율에 따라 조건에 맞는 예상 플라즈마 속력을 플라즈마 불균질 속력으로 결정한다.
더욱 구체적으로 설명하자면, 도 1에 도시된 바와 같이, 프로세서가 (a) GPS 수신기로부터 제 1 채널 신호(L1) 및 제 2 채널 신호(L2)를 수신하는 단계와, (b) 소정의 플라즈마 예상 속력(vp)에 기초하여 상기 제 1 채널 신호(L1)와 상기 제 2 채널 신호(L2)를 각각 필터링하여 제 1 필터 출력 신호(L1B) 및 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 산출하는 단계와, (c) 상기 제 1 필터 출력 신호(L1B) 및 상기 제 2 필터 출력 신호(L2B) 사이의 상관계수(C)를 산출하는 단계, 및 (d) 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 변화시켜가며 상기 단계(b)와 단계(c)를 반복 수행하고, 변화된 상기 플라즈마 예상 속력(vp)에 따른 상기 단계(c)에서 산출된 상관계수(C)를 저장하고, 상기 상관계수(C)가 최대가 되는 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 플라즈마 불균질 속력 추정값(v)으로 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 (b)는, 상기 제 1 채널 신호(L1)를 소정의 제 1 프레넬 주파수(f1)에 기초하여 대역 필터링하여 제 1 필터 출력 신호(L1B)를 산출하는 제 1 대역 필터(B1)로 대역 필터링하고, 상기 제 2 채널 신호(L2)를 소정의 제 2 프레넬 주파수(f2)에 기초하여 대역 필터링하여 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 산출하는 제 2 대역 필터(B2)로 대역 필터링하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 대역 필터(B1)의 대역은, 0.1Hz 이상 제 1 프레넬 주파수(f1) 이하이고, 상기 제 2 대역 필터(B2)의 대역은, 0.1Hz 이상 제 2 프레넬 주파수(f2) 이하이인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 프레넬 주파수(f1)는, 하기 수식 1에 기초하여 산출되고, 상기 제 2 프레넬 주파수(f2)는, 하기 수식 2에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
상기 제 1 채널 신호(L1)의 주파수는, 1575.42MHz이고, 상기 제 2 채널 신호(L2)의 주파수는, 1227.60MHz인 것을 특징으로 한다.
다시 말해서, 상기 제 1 채널 신호(L1)는 전리권의 1575.42MHz의 주파수를 가진 L1 채널 신호일 수 있으며, 상기 제 2 채널 신호(L2)는 전리권의 1227.60MHz의 주파수를 가진 L2 채널 신호일 수 있다.
따라서, 제 1 채널 신호(L1)의 파장(
Figure pat00004
)은 약 0.19m이고, 제 2 채널 신호(L2)의 파장(
Figure pat00005
)은 약 0.24m일 수 있다. 또한, 전리권의 고도(z)는 통상 350km으로 가정한다.
한편, 고위도에서는 전리권의 전자의 속도가 매우 빠르기 때문에 프레넬 주파수가 증가한다. 여기서 굴절 성분은 신호의 위상에 떨림 현상을 발생시킨다. 고위도 지역에서는 빠른 속도에 따른 프레넬 주파수 이상의 빠른 주파수 떨림만이 회절 성분이며, 그보다 느린 주파수의 떨림은 굴절 성분이다. 따라서 대역 필터의 대역은 0.1Hz 이상 프레넬 주파수 이하임이 바람직하며, 대역 필터를 통과한 채널 신호는 신호의 위상 굴절 성분만 남게 된다.
다시 말해서, 제 1 및 2 대역 필터(B1, B2)의 대역은 상기 수식 1 및 2로 계산한 제 1 프레넬 주파수(f1) 및 제 2 프레넬 주파수(f2)에 따라서 정해질 수 있다.
또한, 프로세서가 제 1 채널 신호(L1)를 제 1 대역 필터(B1)에 통과시켜 대역필터링하여 산출한 제 1 필터 출력 신호(L1B)는 제 1 채널 신호(L1)의 위상 떨림 성분을 포함하고, 제 2 채널 신호(L2)를 제 2 대역 필터(B2)에 통과시켜 대역필터링하여 산출한 제 2 필터 출력 신호(L2B)는 제 2 채널 신호(L2)의 위상 떨림 성분을 포함할 수 있다.
이때, 제 1 채널 신호(L1) 및 제 2 채널 신호(L2)의 굴절에 의한 위상 떨림 성분은 서로 높은 상관계수를 갖으며, 일정한 위상 성분 비율(L2/L1)을 갖게 된다.
상기 상관계수(C)는, 하기 수식 3에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00006
또한, 상기 위상 성분 비율(L2/L1)은, 제 1 필터 출력 신호(L1B)에 대한 제 2 필터 출력 신호(L2B)의 비율로 구할 수 있다. 즉, 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 제 1 필터 출력 신호(L1B)로 나눔으로써 산출된다.
상기 단계 (d)는, 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 10m/s씩 증가시키며 상기 단계(b)와 단계(c)를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 예상 속력(????)의 초기값은 100m/s이고, 최대값은 2000m/s인 것을 특징으로 한다.
전리권에서의 플라즈마는 고위도에서 통상적으로 100m/s 이상 2000m/s 이하의 속력을 가진다.
상기 단계 (d)는, 변화된 상기 플라즈마 예상 속력(vp)에 따른 상기 상관계수(C)가 0.9 이상이며, 위상 성분 비율이 1.3 이상 1.9 이하인 상기 플라즈마 예상 속력(vp) 중에서, 상기 상관계수(C)가 최대가 되는 플라즈마 예상 속력(vp)을 플라즈마 불균질 속력 추정값(v)으로 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 동작에 대해서 도 1 내지 3을 참고하여 구체적으로 설명한다.
프로세서가, 플라즈마 예상 속력(vp)을 초기값 100m/s으로 설정한 후, 제 1 채널 신호의 파장(
Figure pat00007
= 0.19m) 및 전리권의 고도(z=350km)를 상기 수식 1에 대입하여 계산한 제 1 프레넬 주파수(f1)는 약 0.274Hz이며, 제 2 채널 신호의 파장(
Figure pat00008
= 0.24m) 및 전리권의 고도(z=350km)를 상기 수식2에 대입하여 계산한 제 2 프레넬 주파수(f2)는 약 0.244Hz이다. 제 1 및 2 프레넬 주파수가 계산됨에 따라 제 1 및 2 대역 필터의 대역이 정해진다. 즉, 제 1 대역 필터(B1)의 대역은 0.1Hz 이상 0.274Hz 이하이며, 제 2 대역 필터(B2)의 대역은 0.1Hz 이상 0.244Hz 이하이다. 프로세서는 GPS 수신기로부터 수신한 제 1 채널 신호(L1)를 제 1 대역 필터(B1)로 필터링한 제 1 필터 출력 신호(L1B)를 산출하고, 제 2 채널 신호(L2)를 제 2 대역 필터(B2)로 필터링한 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 산출한다. 프로세서는, 제 1 및 2 필터 출력 신호를 수식 3에 대입하여 상관관계(C)를 산출한다. 이 값을 C100이라고 하자. 프로세서는 C100를 상관관계 데이터베이스(130)에 저장한다. 또한, 프로세서는 제 1 및 2 필터 출력 신호에 대한 위상 성분 비율(L2/L1)를 산출한다. 이 값을 L2/L1_100이라고 하자. 프로세서는 L2/L1_100을 비율 데이터베이스(140)에 저장한다.
다음으로 프로세서는 플라즈마 예상 속력(vp)을 10m/s 증가시킨 110m/s로 설정한 후, 상기한 과정을 반복한다. 프로세서는 C110를 상관관계 데이터베이스(130)에 저장하고, L2/L1_110을 비율 데이터베이스(140)에 저장한다.
이와 같이, 프로세서가 플라즈마 예상 속력(vp)을 10m/s씩 증가시켜 플라즈마 예상 속력(vp)이 2000m/s가 될 때까지 반복한다. 상관관계 데이터베이스(130)에는 C100부터 C2000까지 저장되고, 비율 데이터베이스(140)에는 L2/L1_100부터 L2/L1_2000까지 저장된다. 속력 산출부(150)는, 상관계수(C)가 0.9 이상이며, 위상 성분 비율이 1.3 이상 1.9 이하인 상기 플라즈마 예상 속력(vp) 중에서, 상관계수(C)가 최대가 되는 플라즈마 예상 속력(vp)을 플라즈마 불균질 속력 추정값(v)으로 제공한다.
이러한 구성으로, 전리권의 플라즈마 불균질의 속력을 결정할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
50 : GPS 수신기
100 : 프로세서
B1 : 제 1 대역 필터
B2 : 제 2 대역 필터
130 : 상관관계 데이터베이스
140 : 비율 데이터베이스
150 : 속력 산출부

Claims (9)

  1. 프로세서가,
    (a) GPS 수신기로부터 제 1 채널 신호(L1) 및 제 2 채널 신호(L2)를 수신하는 단계;
    (b) 소정의 플라즈마 예상 속력(vp)에 기초하여 상기 제 1 채널 신호(L1)와 상기 제 2 채널 신호(L2)를 각각 필터링하여 제 1 필터 출력 신호(L1B) 및 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 산출하는 단계;
    (c) 상기 제 1 필터 출력 신호(L1B) 및 상기 제 2 필터 출력 신호(L2B) 사이의 상관계수(C)를 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 변화시켜가며 상기 단계(b)와 단계(c)를 반복 수행하고, 변화된 상기 플라즈마 예상 속력(vp)에 따른 상기 단계(c)에서 산출된 상관계수(C)를 저장하고, 상기 상관계수(C)가 최대가 되는 상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 플라즈마 불균질 속력 추정값(v)으로 제공하는 단계;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (b)는,
    상기 제 1 채널 신호(L1)를 소정의 제 1 프레넬 주파수(f1)에 기초하여 대역 필터링하여 제 1 필터 출력 신호(L1B)를 산출하는 제 1 대역 필터(B1)로 대역 필터링하고,
    상기 제 2 채널 신호(L2)를 소정의 제 2 프레넬 주파수(f2)에 기초하여 대역 필터링하여 제 2 필터 출력 신호(L2B)를 산출하는 제 2 대역 필터(B2)로 대역 필터링하는 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 대역 필터(B1)의 대역은, 0.1Hz 이상 제 1 프레넬 주파수(f1) 이하이고,
    상기 제 2 대역 필터(B2)의 대역은, 0.1Hz 이상 제 2 프레넬 주파수(f2) 이하이인 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 프레넬 주파수(f1)는, 하기 수식 1에 기초하여 산출되고,
    상기 제 2 프레넬 주파수(f2)는, 하기 수식 2에 기초하여 산출되는 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
    Figure pat00009

  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 채널 신호(L1)의 주파수는, 1575.42MHz이고,
    상기 제 2 채널 신호(L2)의 주파수는, 1227.60MHz인 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상관계수(C)는, 하기 수식 3에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
    Figure pat00010

  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (d)는,
    상기 플라즈마 예상 속력(vp)을 10m/s씩 증가시키며 상기 단계(b)와 단계(c)를 반복 수행하는 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라즈마 예상 속력(????)의 초기값은 100m/s이고, 최대값은 2000m/s인 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (d)는,
    변화된 상기 플라즈마 예상 속력(vp)에 따른 상기 상관계수(C)가 0.9 이상이며, 위상 성분 비율이 1.3 이상 1.9 이하인 상기 플라즈마 예상 속력(vp) 중에서, 상기 상관계수(C)가 최대가 되는 플라즈마 예상 속력(vp)을 플라즈마 속력 추정값(v)으로 제공하는 것
    을 특징으로 하는 단일 GNSS 수신기를 이용한 고위도 전리권 플라즈마 불균질 수평방향 속력 결정 방법.
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한국등록특허 제 10-0129134호("전리권 전전자수 관측장치", 1997.11.07.)

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