[논문 리뷰] GNSS Radio Occultation on Aerial Platforms with Commercial Off-The-Shelf Receivers

Bryan Chan, Ashish Goel외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Precipitation Measurement and Analysis참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 상용 기술 제품(COTS) GNSS 수신기를 사용하여 고고도 기상 방적선 및 비행기용 저비용, 확장 가능한 GNSS 라디오 우회(RO) 시스템을 제안한다. 닫힌 루프 추적과 새로운 회수 알고리즘을 활용하여 고해상도, 지속적인 RO 탐측을 달성하였으며, 다일간 기상 방적선 비행 동안 위성 기반 시스템의 모든 운영 중인 RO 소스를 합산한 것과 비교해 거의 7배 높은 탐측 밀도를 기록하였다. 신호 추적은 2–3km 고도까지 가능했다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상용 기술 제품(COTS) GNSS 수신기만을 사용하여 공중 플랫폼용 저비용, 확장 가능한 GNSS-RO 시스템을 개발하기.
• 기존 기상 방적선에 대한 GNSS-RO 배치를 제한해 온 높은 비용과 복잡성의 장벽을 극복하기.
• 특히 극심한 기상 현상 모니터링을 위해 지역적 관심 영역에서 지속적이고 고시간 해상도의 RO 탐측을 가능하게 하기.
• 고고도 기상 방적선과 고정익 비행기에서의 비행 테스트를 통해 기술 실현 가능성을 입증하기.
• 장기 비행 기상 방적선 임무와 상업 항공 플랫폼에 GNSS-RO 통합의 상업적 가능성 탐색하기.

제안 방법

• 기상 우회 동안 안정적인 신호 수신을 위해 닫힌 루프 추적 기능을 갖춘 COTS 기반 GNSS 수신기(Trimble R10 및 SwiftNav Piksi)를 사용하였다.
• 실시간 임무 관리, 데이터 기록, 자율 비행 제어를 위한 맞춤형 기상 방적선 재프로그래밍 가능 통합 컴퓨터(BRIC)를 개발하였다.
• 초과 위상 및 도플러 시프트 데이터를 굴절 각도 및 굴절률 프로파일로 처리하기 위해 새로운 기상 방적선 기반 RO 회수 알고리즘을 구현하였다.
• 수신기 위치/속도 오차 및 처리 잔상과 같은 오차 원인을 평가하기 위해 종단 간 시뮬레이션 연구를 수행하였다.
• 정확도 평가 및 하층 대류권에서의 편향 식별을 위해 결과를 ERA5 재분석 프로파일과 비교 검증하였다.
• 고고도 기상 방적선 및 고정익 비행기 비행 캠프를 다수 실시하여 150시간 이상의 GNSS-RO 데이터를 수집하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 COTS GNSS 수신기가 고고도 기상 방적선 환경에서 GNSS-RO에 적합한 추적 안정성과 신호 대 잡음 성능을 확보할 수 있는가?
• RQ2 기상 방적선 정지 유지 및 고도진단 알고리즘의 향상이 LEO 위성 임무 대비 RO 탐측의 공간 및 시간 샘플링 밀도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 특히 대류권 경계층에서 COTS 기반 기상 방적선 기반 RO 시스템의 굴절률 회수 정확도에 영향을 주는 주요 오차 원인은 무엇인가?
• RQ4 1kg 이하의 질량과 1,000달러 이하의 비용을 갖춘 소형 저비용 GNSS-RO 센서가 장기 비행 기상 방적선 또는 상업 항공 플랫폼에 실질적으로 통합될 수 있는가?
• RQ5 기존 고고도 기상 방적선 및 상업 항공 네트워크에 COTS 기반 GNSS-RO를 구현할 수 있는 실현 가능한 상업적 길이 존재하는가?

주요 결과

• 다일간 고고도 기상 방적선 비행 동안 300개 이상의 GNSS-RO 탐측을 수집하여, 모든 운영 중인 위성 기반 RO 소스를 합산한 것과 비교해 거의 7배 높은 탐측 밀도를 달성하였다.
• 시스템은 지표면 상공 2–3km까지의 신호 추적 능력을 입증하여 대류권 경계층에서 고해상도 관측이 가능함을 확인하였다.
• GROOT 시스템에서 유도된 굴절률 프로파일은 4.5km 이상에서는 ERA5 재분석 결과와 양호한 일치를 보였지만, 저고도에서는 유의미한 양의 N-편향이 나타났다.
• 종단 간 시뮬레이션 결과, 수신기 위치/속도 오차 및 처리 잔상(예: 초과 위상의 스무딩)이 관측된 편향의 주요 기여 요소임을 밝혀냈다.
• 차세대 소형 설계인 항공기 현장 및 라디오 우회(AIRO) 장치는 2021년 말에 NASA DC-8 연구 비행기에서 비행이 예정되어 있다.
• 이 연구는 질량 1kg 이하, 비용 1,000달러 이하의 Playing card 크기의 GNSS-RO 센서가 대량 생산 가능하다는 것을 확인하였다.