[논문 리뷰] Magnetospheric disturbances, and the GPS operation

É. L. Afraimovich, O. S. Lesyuta외 1명|ArXiv.org|2000. 09. 06.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 지구 자기폭풍 기간 동안 망원경권의 간섭이 GPS 신호 무결성에 미치는 영향을 분석하기 위해 세계 곳곳의 GPS 수신기 네트워크를 통해 위상 슬립 밀도를 분석함으로써 조사한다. 폭풍 기간 동안 중위도에서 위상 슬립 비율이 한두 계단대 증가하며, 태양 쪽에 있는 위성은 5–10배 높은 슬립 비율을 보이며, 이는 이온층 불규칙성으로 인한 신호 산산조각 내림과 강하게 상관된다.

ABSTRACT

We have investigated a dependence of the relative density of phase slips in the GPS navigation system on the disturbance level of the Earth's magnetosphere. The study is based on using Internet-available selected data from the global GPS network, with the simultaneously handled number of receiving stations ranging from 160 to 323. The analysis used four days from the period 1999-2000, with the values of the geomagnetic field disturbance index Dst from 0 to -300 nT. During strong magnetic storms, the relative density of phase slips on mid latitudes exceeds the one for magnetically quiet days by one-two orders of magnitude as a minimum, and reaches a few and (for some of the GPS satellites) even ten percent of the total density of observations. Furthermore, the level of phase slips for the GPS satellites located on the sunward side of the Earth was by a factor of 5-10 larger compared with the opposite side of the Earth. The high positive correlation of an increase in the density of phase slips and the intensity of ionospheric irregularities during geomagnetic disturbances as detected in this study points to the fact that the increase is slips is caused by the scattering of the GPS signal from ionospheric irregularities.

연구 동기 및 목표

• 자기폭풍 기간 동안 망원경권의 간섭이 GPS 신호 무결성, 특히 항법 솔루션에서의 위상 슬립에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• Dst 및 Kp 지수로 측정된 지구 자기 활동 수준과 세계 곳곳의 GPS 수신기 네트워크를 통해 관측된 위상 슬립 밀도 간의 상관관계를 정량화하기 위해.
• 지구 자기권의 태양 쪽과 반대 쪽 사이의 위상 슬립 발생에 대한 공간적 비대칭성을 조사하기 위해.
• 지구 자기폭풍 기간 동안 증가한 위상 슬립의 주요 원인이 이온층 불규칙성인지 규명하기 위해.
• 이러한 영향이 고정밀 GPS 응용 및 글로벌 모니터링 시스템에 미치는 운영적 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 인터넷을 통해 전 세계에 산재한 160~323개 수신기에서 실시간으로 확보한 GPS 데이터를 GLOBDET 글로벌 탐지 시스템을 통해 처리함.
• 군집 지연 측정보다 더 민감한 신호 열화에 대한 L1-L2 캐리어 위상 차이에서 위상 슬립을 측정함.
• 폭풍 강도 영향을 평가하기 위해 위상 슬립 밀도를 지구 자기 지수 Dst (−300에서 0 nT) 및 Kp (2에서 9)와 상관시킴.
• 조용한 상태와 활동적인 자기폭풍 상태를 비교하여 위상 슬립의 시간적 및 공간적 패턴을 위도 및 현지 시간대별로 분석함.
• 이중 주파수 GPS 측정을 통해 유도된 TEC(총 전자 농도) 자료를 사용하여 이온층 불규칙성 활동을 교차 검증함.
• 상대적 위상 슬립 밀도를 계산하기 위해 통계적 필터링 및 정규화를 적용하여, 다양한 위치 및 일자 간 비교가 가능하도록 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 자기폭풍 수준(Dst 및 Kp 지수)이 증가함에 따라 GPS 시스템에서 위상 슬립의 상대 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 지구 자기권의 태양 쪽과 반대 쪽에 있는 GPS 위성 간에 위상 슬립 발생에 공간적 비대칭성이 존재하는가?
• RQ3 지구 자기폭풍 기간 동안 증가한 위상 슬립은 어느 정도 이온층 불규칙성과 상관되는가?
• RQ4 왜 L1-L2 위상 슬립은 L1 전용 위상 측정보다 간섭에 더 민감한가?
• RQ5 지구 자기폭풍 기간 동안 위상 슬립을 유발하는 주요 물리적 메커니즘이 이온층 불규칙성으로 규명될 수 있는가?

주요 결과

• 강력한 자기폭풍 기간 동안 중위도에서 위상 슬립의 상대 밀도는 조용한 날의 수준을 한두 계단대 초과함.
• 특정 GPS 위성의 경우 강력한 폭풍 기간 동안 위상 슬립 밀도가 총 관측치의 최대 10%에 이를 정도로 심각한 신호 열화를 나타냄.
• 지구의 태양 쪽에 있는 GPS 위성은 반대 쪽에 있는 위성보다 위상 슬립 비율이 5–10배 높음.
• 위상 슬립 밀도와 이온층 불규칙성 강도 사이에 강한 정적 상관관계가 존재하여, 소규모 F2층 불규칙성으로 인한 신호 산산조각 내림이 주요 원인임을 시사함.
• L1-L2 위상 슬립 비율은 L1 전용 슬립보다 현저히 높으며, 보조 주파수(f₂ = 1227.60 MHz)에서의 열화가 주요 원인임을 시사함. 이는 이 주파수의 전송 전력이 낮기 때문임.
• 위상 슬립은 적도 및 극지방 위도에서 가장 두드러지며, 중위도의 증가는 폭풍 강화로 인한 불규칙성이 이 지역으로 확장되기 때문임.