Global Navigation Satellite System (GNSS) Radio Occultation (GNSS RO) is a remote sensing technique that observes the Earth's atmosphere, including the ionosphere, based on the degree of refraction and delay of GPS signals received from Low Earth Orbit (LEO) satellites. GNSS RO has the advantage of being able to providing high-resolution ionospheric information over the global range and altitude. Due to this advantage, the demand for GNSS RO data is increasing in various fields that require ionospheric monitoring. In Korea, the RO receiver is on board on Korea Multi-Purpose Satellite 5 (KOMPSAT-5) and is in operation. In order to obtain precise atmospheric profiles from the RO data and process the RO data not only from the domestically developed RO system, but also from other international RO missions, a new algorithm considering the characteristics of RO data from each mission and its own software are required.
In this dissertation, an algorithm for retrieving the ionospheric electron density through multi-antenna data filling was proposed. In the case of satellites such as Challenging Ministration Payload (CHAMP), Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and KOMPSAT-5, which use occultation antenna for monitoring the ionosphere, uncertainty may be included because the total electron content (TEC) outside the LEO orbit (auxiliary side TEC) is built through modeling during the TEC calibration process. Instead of using modeled auxiliary-side TEC, the proposed method uses the auxiliary-side TEC observed by a precision orbit determination (POD) and connects the data by modeling the gap between the POD antenna and the occultation antenna.
Second, this dissertation develops a software for retrieving the ionospheric electron density from GNSS RO data. The algorithm in the software was based on the existing COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC)’s algorithm. As a result of comparative analysis with CDAAC’s algorithm, it was confirmed that the 1st Constellation System for Meteorology Ionosphere and Climate (COSMIC-1) electron density retrieved by the developed software are within the tolerance range accuracy requirement. In addition, the electron density profiles from GRACE RO retrieved by the proposed algorithm have similar trends with the CDAAC’s output, and also have good agreement with the electron density profiles observed by the collocated incoherent scatter radar (ISR).
Third, the performance assessment of the ionospheric electron density retrieved from KOMPSAT-5 RO by applying the proposed algorithm has been done. To validate the output from KOMPSAT-5 RO with reliable truth observations, digital ionosonde (digisonde) data, the incoherent scatter radar and COSMIC-2 RO data were used as reference dataset. The comparisons between digisonde NmF2 and KOMSPAT-5 RO NmF2 reveal a high degree of correlation of 0.90. The comparisons with both observations from ISR and COSMIC-2 RO show that the profiles retrieved from KOMPSAT-5 RO data have good agreement with the electron density profiles from the both ISR and COSMIC-2 RO.
Lastly, this dissertation proposes the methodology for assessing the performance of RO data, and applies the methodology to assess the performance of GeoOptics’ Community Initiative for Cellular Earth Remote Observation (CICERO) CubeSat RO by comparing it with the COSMIC missions. The results from performance assessment demonstrate that the miniature version of the GNSS RO receiver could satisfy certain accuracy requirements of the GNSS RO measurements.
Global Navigation Satellite System (GNSS) 전파 엄폐 (GNSS Radio Occultation, GNSS RO)는 저궤도 (Low Earth Orbit, LEO) 위성에서 수신된 GPS 신호의 굴절 및 지연 정도를 기반으로 전리권을 포함한 지구 대기를 관측하는 원격탐사 기법이다. GNSS RO는 전 지구적 범위, 그리고 고도에 대한 높은 해상도의 전리권 정보를 관측할 수 있다는 장점을 갖고 있어, 전리권 모니터링이 필요한 여러 분야에서 GNSS RO 전리권 데이터에 대한 수요가 증가하고 있다. 국내에서도 다목적실용위성 5호 (Korea Multi-Purpose Satellite 5, KOMPSAT-5)에 RO 수신기를 탑재하여 운용 중에 있다. 국내 개발 RO 시스템을 포함하여 국외 다른 RO 미션으로부터의 데이터를 자체적으로 처리하고, 보다 정밀한 산출물을 얻기 위해서는, 각 RO 미션 별 데이터 특성을 고려한 전자밀도 산출 알고리즘과 자체 전리권 전자밀도 산출 소프트웨어가 필요하다.
이 학위 논문에서는 우선 결측 구간이 존재하는 RO 데이터에 대하여 다중 안테나 기반의 데이터 보상을 통해 전리권 전자밀도를 산출하는 기법을 제안하였다. 기존 COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC) 내 알고리즘에서는 Challenging Ministration Payload (CHAMP), Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), KOMPSAT-5와 같은 위성의 경우 궤도 내 전리권 정보를 얻기 위한 전리권 총전자량 (total electron content, TEC) 보정 단계에서, 모델링을 통해 LEO 궤도 바깥 쪽 TEC (auxiliary-side TEC)를 구축하기 때문에 이로 인한 불확실성이 포함될 수 있다. 본 학위 논문에서는 정밀궤도결정 안테나 (Precise orbit determination, POD)를 통해 auxiliary-side TEC를 관측하고, POD 안테나와 전리권 관측 안테나 사이의 공백을 모델링 함으로써 데이터를 연결하는 기법을 제안하였다.
두번째로 GNSS RO 데이터로부터 전리권 전자밀도를 산출하는 소프트웨어를 개발하였다. 소프트웨어 내 알고리즘은 CDAAC 내 알고리즘을 기반으로 하며, 제안한 다중 안테나 기반 데이터 보상 알고리즘을 적용하였다. 기존 CDAAC 산출물과의 비교 분석 결과 개발한 소프트웨어 활용 시 첫 번째 Constellation System for Meteorology Ionosphere and Climate (COSMIC-1)에 대하여 오차허용 범위 내의 전자밀도를 산출할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 GRACE 미션에 대하여 제안하는 알고리즘을 적용하여 산출된 전자밀도를 동시간, 동지점대의 비간섭 산란 레이더 (incoherent scatter radar, ISR)에서 관측한 전자밀도 프로파일과 비교할 때 그에 상응하는 결과값을 가지는 것을 확인하였다.
세번째로 본 학위논문에서 제안한 기법을 KOMPSAT-5 RO 데이터에 적용하여 산출되는 전리권 전자밀도의 성능평가를 수행하였다. 비교대상으로는 디지털 이오노존데 (digisonde), ISR, 그리고 COSMIC-2 RO로부터의 전자밀도 관측치를 사용하였다. Digisonde의 NmF2와 KOMPSAT-5 RO NmF2 간의 상관관계 분석 결과 0.9 정도로, 기존 사전연구 결과들에서 다뤄졌던 다른 시스템과 비교하여 상응하는 상관관계를 보이는 것을 확인할 수 있었다. ISR과 COSMIC-2 RO로부터의 전자밀도 프로파일 비교 결과 동지점 관측치에 대해 비슷한 형태의 프로파일을 갖는 것을 확인하였다.
마지막으로 RO 성능 평가를 위한 RO 미션 간의 성능 비교 분석 방법론을 제안하고, 이를 활용하여 GeoOptics의 큐브샛 RO 위성인 Community Initiative for Cellular Earth Remote Observation (CICERO)의 성능 검증을 수행하였다. 비교 대상으로는 COSMIC 미션으로부터의 산출물을 활용하였다. 해당 방법론을 적용한 CICERO 성능 분석을 통해, 큐브샛 RO 위성으로부터 COSMIC 위성과 상응하는 성능의 데이터를 획득할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
