[論文レビュー] GNSS Radio Occultation on Aerial Platforms with Commercial Off-The-Shelf Receivers

Bryan Chan, Ashish Goel+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Precipitation Measurement and Analysis参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、商業用市販部品（COTS）GNSS受信機を用いて、高高度の気象気球および航空機向けに低コストでスケーラブルなGNSSラジオオカルトレーション（RO）システムを提案する。クローズドループ追跡と新規のリトリーブアルゴリズムを活用することで、高分解能で持続的なROソウンドイングを実現した。1つの長期間気球飛行において、空間基盤のシステムと比較して約7倍のソウンドイング密度を達成し、信号追跡を2–3 km高度まで可能にした。

ABSTRACT

In recent decades, GNSS Radio Occultation soundings have proven an invaluable input to global weather forecasting. The success of government-sponsored programs such as COSMIC is now complemented by commercial low-cost cubesat implementations. The result is access to more than 10,000 soundings per day and improved weather forecasting accuracy. This movement towards commercialization has been supported by several agencies, including the National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) and the U.S. Air Force (USAF) with programs such as the Commercial Weather Data Pilot (CWDP). This has resulted in further interest in commercially deploying GNSS-RO on complementary platforms. Here, we examine a so far underutilized platform: the high-altitude weather balloon. Such meteorological radiosondes are deployed twice daily at over 900 locations globally and form an essential in-situ data source as a long-standing input to weather forecasting models. Adding GNSS-RO capability to existing radiosonde platforms would greatly expand capability, allowing for persistent and local area monitoring, a feature particularly useful for hurricane and other severe weather monitoring. A prohibitive barrier to entry to this inclusion is cost and complexity as GNSS-RO traditionally requires highly specialized and sensitive equipment. This paper describes a multi-year effort to develop a low-cost and scalable approach to balloon GNSS-RO based on Commercial-Off-The-Shelf (COTS) GNSS receivers. We present hardware prototypes and data processing techniques which demonstrate the technical feasibility of the approach through results from several flight testing campaigns.

研究の動機と目的

• 商業用市販部品（COTS）GNSS受信機のみを用いて、航空機プラットフォーム向けに低コストでスケーラブルなGNSS-ROシステムを開発すること。
• 従来の気象気球用に限られたGNSS-ROの導入を妨げてきた高コストおよび高複雑性の障壁を克服すること。
• 特に深刻な気象現象の監視を目的として、地域的領域に対して継続的かつ高時間分解能のROソウンドイングを可能にすること。
• 高高度気球および固定翼機を用いた飛行試験を通じて、技術的実現可能性を実証すること。
• 長期間気球ミッションおよび商業航空機プラットフォームへのGNSS-ROの統合の商業的実現可能性を検討すること。

提案手法

• 閉ループ追跡を用いた商業用市販部品（COTS）GNSS受信機（Trimble R10およびSwiftNav Piksi）を採用し、大気オカルトレーション中でも安定した信号取得を実現した。
• リアルタイムのミッション管理、データログ、自律飛行制御を実行するためのカスタム開発されたバルーン再プログラマブル統合コンピュータ（BRIC）を構築した。
• 地上からのROリトリーブアルゴリズムを新規開発し、過剰位相およびドップラー変化データを屈折角および屈折率プロファイルに変換した。
• 受信機の位置・速度誤差や処理アーチファクトなどの誤差要因を特定するため、エンド・トゥ・エンドのシミュレーションスタディを実施した。
• 精度の評価とバイアスの特定のため、ERA5再解析プロファイルと照合して結果を検証した。特に低対流圏におけるバイアスに注目した。
• 高高度気球および固定翼機を用いた複数回の飛行キャンペーンを実施し、GNSS-ROデータを150時間以上収集した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業用市販部品（COTS）GNSS受信機は、高高度気球環境下において、GNSS-ROに必要な十分な追跡安定性および信号対雑音比性能を達成できるか？
• RQ2 気球のステーションキーピングおよび高度なリトリーブアルゴリズムは、低地球軌道（LEO）ミッションと比較して、ROソウンドイングの空間的・時間的サンプリング密度をどの程度向上できるか？
• RQ3 特に境界層に近い領域において、COTSベースの気球搭載ROシステムの屈折率リトリーブ精度に影響を与える主な誤差要因は何か？
• RQ4 1kg未満、1000ドル未満のコンパクトで低コストなGNSS-ROセンサ（1kg未満、1000ドル未満）を、長期間気球または商業航空機プラットフォームに実用的に統合できるか？
• RQ5 既存の高高度気球および商業航空機ネットワークに、COTSベースのGNSS-ROを展開する商業的道筋は存在するか？

主な発見

• 1つの長期間高高度気球飛行により、300件を超えるGNSS-ROソウンドイングを収集し、すべての運用中の宇宙基盤ROソースを合算した数値と比較して約7倍の高いソウンドイング密度を達成した。
• 本システムは、地表面から2–3 km以上の高度まで信号追跡が可能であり、境界層における高分解能観測を可能にした。
• GROOTシステムから得られた屈折率プロファイルは、4.5 km以上ではERA5再解析プロファイルと良好に一致したが、低高度では顕著な正のNバイアスが確認された。
• エンド・トゥ・エンドのシミュレーション結果から、受信機の位置・速度誤差および処理アーチファクト（例：過剰位相の平滑化）が観測バイアスの主な要因であると示された。
• 次世代のコンact設計である航空機搭載インラインおよびラジオオカルトレーション（AIRO）インストゥメントは、2021年末にNASA DC-8研究機に搭載される予定である。
• 本研究では、1枚の playing card ほどのサイズで、質量1kg未満、コスト1000ドル未満のGNSS-ROセンサが、大規模に実現可能であることが確認された。