북반구 오로라 영역에서 GPS 신호의 순간 위상변화 특성
저자
발행사항
인천 : 인하대학교 대학원 일반대학원, 2015
학위논문사항
학위논문(박사)-- 인하대학교 대학원 일반대학원 : 지리정보공학과 2015. 2
발행연도
2015
작성언어
한국어
주제어
DDC
623.893 판사항(21)
발행국(도시)
인천
기타서명
Characteristics of rapid phase variations of GPS signals in the northern auroral zone
형태사항
xi, 113 p. ; 26cm
일반주기명
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수:박관동
참고문헌 : p.105-111
소장기관
그린랜드 헬하임 빙하지역에는 빙하의 이동속도를 파악하고, 빙하지진 등을 연구하기 위해 GPS 관측소들이 수 km 간격으로 설치되어 있다. 이들 GPS 자료의 처리결과에서 짧은 시간에 이상값들이 나타났고, 전리권의 순간교란 현상 때문이라 추론하였다. 이를 입증하고 발생원인을 규명하기 위해 그린랜드를 중심으로 한 국지 및 광역규모에서 발생하는 전리권 순간교란 현상에 대해 분석하였다.
국지규모 순간교란 현상은 단일차분방법과 시선방향 전리권 지연량을 통해 확인하였다. 일반적으로 기선거리가 짧은 두 관측소간에 이루어지는 단일차분은 전리권 통과경로가 유사하여 0에 가까운 결과를 보이나 8.2km 떨어진 헬하임지역의 두 관측소를 대상으로 수행한 단일차분에서는 +- 2 TECU를 초과하여 +- 8 TECU까지 차이를 보이는 경우가 나타났다. 이를 기반으로 장기간 자료를 분석한 결과 교란현상이 17 UTC부터 7 UTC 사이에 높은 발생빈도를 보여 오후와 밤 사이에 주로 발생하고 있음을 알 수 있었다. 그리고 공간적 분석을 통해 교란현상이 동서를 잇는 띠형태로 발생률이 높게 나타나고 있음을 확인하였다. 이런 교란현상이 크게 나타나는 날의 해질녘 약 3분 동안 관측위성들의 시선방향 전리권 지연량을 분석하였다. 일부 위성들의 경우 지연량이 1분 이내에 5 TECU부터 9 TECU까지 변하는 것을 확인하였다. 그리고 동일 위성에 대한 4곳 관측소의 교란발생 순서는 관측소의 공간적 위치순서와 일치하였고, 시간차이는 관측소간의 기선거리 차이와 유사하였다. 또한 교란현상은 위성의 위치에 따라 다르게 나타나고 있었다.
공간적 범위를 확대하여 그린랜드 전역, 아이슬란드, 캐나다 동북부 지역을 포함한 광역규모에서 일어나는 전리권 순간 교란현상에 대해 분석하였다. 국지규모의 교란현상 분석시 사용한 단일차분법은 광역규모에 적용할 경우 기선거리가 멀어져 오차를 증가시킨다. 그래서 광역규모에서 보편적으로 사용할 수 있는 신틸레이션 대리지표 지수 DPR(Delta Phase Rate)을 사용하여 순간 교란현상을 분석하였다. GPS 관측소의 지자기 위도별로 산출한 DPR 시계열을 통해 순간 교란현상이 시간의 흐름에 따라 남북으로 이동하는 형태로 나타나고 있음을 확인하였다. 지자기 위도가 상대적으로 낮은 지역은 주로 밤 시간대에 교란현상이 나타났고, 높은 지역은 낮 시간대에 자주 발생하였다. 2분 간격으로 산출한 관측소별 DPR-RMS(Root Mean Square) 결과를 통해 순간 교란현상이 지자기 위도선과 평행하게 나타나는 경향이 있음을 알 수 있었다. 낮 시간대에는 주로 그린랜드 북부지역에 높은 값들이 분포하였고, 밤 시간대에는 남부지역에 높은 값들이 나타났다.
GPS 관측자료를 이용한 다양한 분석결과를 통해 순간 교란현상이 지자기 위도와 시간의 흐름에 따라 변하는 것을 확인하였다. 또한 교란현상 발생원인이 광범위한 영역까지 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 고위도 지역에서 이러한 현상을 유발하는 원인으로 오로라를 추정하였다. 그래서 오로라와 관련된 위성 관측자료, 오로라 활동지수, 지자기 관측값을 이용하여 DPR 결과와 비교하였고, 상호비교한 그림을 통해 관련성이 높게 나타나고 있음을 확인하였다. 향후 이들 간의 정량적인 분석과 다양한 관측자료의 비교분석을 통해 보다 직관적인 결과를 도출할 계획이다.
In the glacier areas of Helheim, Greenland, GPS stations are established at intervals of a few kilometers in order to determine the rate of glacial movement and study glacial earthquakes. The results of processing the GPS data revealed abnormal values in a short period of time, which are inferred to have been caused by rapid ionospheric variations. To prove this fact and clarify the cause, this study analyzed the rapid ionospheric variations occurring at the local and regional scale by focusing on Greenland.
Local-scale rapid variations were verified through GPS single difference method and slant total electron content (STEC). In general, single difference between two stations with short baseline has similar ionospheric path and thus shows a value closer to 0, but single difference targeting two sites in Helheim that are 8.2km apart exceeded +- 2 TECU and even went up to +- 8 TECU. As a result of analyzing the long-term data based on the above, it was found that variations showed high frequency between 17 UTC and 7 UTC, indicating that they mostly occurred between afternoon and night. Moreover, it was confirmed through a spatial analysis that the incidence of variations was high in the form of a band that connects the east and the west. This study analyzed the STEC of GPS satellites for approximately 3 minutes at sunset on day when these variations occurred greatly. For some satellites, the ionospheric delay changed to 5 TECU up to 9 TECU within 1 minute. Furthermore, the order of the disturbance occurs for four stations regarding the same satellite was consistent with the spatial arrangement of the stations, and the time difference of variation occurs was similar to the difference of baseline. In addition, it was found that variations occurred differently according to the position of the satellite.
This study also analyzed the rapid ionospheric variations occurring at the regional scale including Greenland, Iceland and northeastern area of Canada by expanding the spatial scope. The single difference method used in analyzing the local-scale increases errors when applied to the regional scale because the baseline becomes more distant. Thus, rapid variations were analyzed by using scintillation proxy index DPR (Delta Phase Rate) that can be universally applied at the regional scale. Through the DPR time series calculated per geomagnetic latitude of the GPS stations, it was found that rapid variations appeared in the form of moving toward the south and north with the passage of time. Areas with relatively low geomagnetic latitude showed variations mostly in the night time, whereas those with high geomagnetic latitude showed them mostly in the day time. The results of DPR-RMS (Root Mean Square) per station calculated at 2-minute intervals showed that rapid variations tend to appear in parallel to the geomagnetic latitude. High values were distributed mostly in the northern area of Greenland in the day time, while they were distributed mostly in the southern area in the night time.
Various analysis results using GPS data proved that rapid variations changed according to geomagnetic latitude and the time. Furthermore, it was found that the cause of variations has impacts on a vast area. It was estimated that this phenomenon in high latitude is caused by aurora. Thus, satellite observation data related to aurora, auroral electrojet index, and magnetic horizontal intensity are used to compare with DPR results, and it was found through the inter-comparison of figure that there is a high relevance. By quantitatively and comparatively analyzing various observation data, more reliable results will be produced in the future.
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