One of the most severe disruptions of Global Navigation Satellite System (GNSS) based aviation applications is caused by ionospheric scintillation. Under the scintillation, the GNSS signal intensity can drop below a certain threshold which event is referred to as deep fading, enough to lose the signal. In extreme cases, this leads to multiple signal loss which reduces the number of satellites available for use, consequently, degrades the navigation availability.
This scintillation impact can be mitigated by using dual-frequency GNSS signals which decreases the chance of complete satellite loss. In the use of signals in different frequencies, satellite loss occurs only when the signal losses in different signals overlap, mostly due to their concurrent deep fading. Hence, to assess the benefit from the use of dual-frequency signals under scintillation, it is necessary to consider the correlation level between their deep fades.
This thesis proposes new approaches on fading process model which can generate correlated fading processes on dual-frequency signals. Using high rate GPS L1/L5 dual-frequency measurements obtained from equatorial regions, the characteristics of deep fades are analyzed and utilized to construct the correlated fading process model. The availability simulations are assessed by considering scintillation impacts from correlated deep fades in the perspective of future GNSS aviation architectures. The results verified the availability improvement from aviation applications supporting dual-frequency GNSS over existing single-frequency systems. Also, new aviation receiver performance standards for dual-frequency GNSS based aviation applications were proposed by studying parametric analysis according to two parameters; probability of loss-of-lock and reacquisition time, which depends on the receiver tracking performance. This thesis can be used to evaluate the performance of GNSS-based aviation applications under various scintillation scenarios. Furthermore, this research can be extended to Multi-Constellation, Multi-Frequency (MCMF) based systems to guarantee aviation performance under severe scintillation.
전리권 신틸레이션은 Global Navigation Satellite System (GNSS) 기반 항행 시스템에 심각한 영향을 미치는 위협 요소로 작용한다. 신틸레이션 하에서는 GNSS 신호가 특정 세기 이하로 크게 약화되는 딥 페이딩이 발생할 수 있으며, 이는 GNSS 수신기의 신호 추적 과정에 영향을 미쳐 신호 손실을 야기할 수 있다. 심각한 경우, 다중의 위성 신호가 신틸레이션의 영향을 받아 손실되면 GNSS 기반 항행 시스템에서 가용 가능한 위성 수가 줄어들게 되고, 해당 시스템의 가용성이 크게 저하될 수 있다.
이러한 신틸레이션의 영향은 이중주파수 GNSS 신호를 활용함으로써 크게 완화될 수 있다. 이중주파수를 활용할 경우, 특정 위성의 위치 정보는 이중주파수 신호에서 동시에 발생하는 딥 페이딩으로 인해 두 신호 모두가 끊겼을 경우에만 손실이 발생한다. 따라서 신틸레이션 하의 GNSS 기반 항행 시스템에 대한 이중주파수 활용의 성능 향상을 평가하기 위해서는, 이중주파수 신호의 딥 페이딩에 대한 상관관계를 고려한 시뮬레이션이 수행되어야 한다.
본 논문에서는 이중주파수 신호의 상관관계를 고려하여 딥 페이딩을 생성할 수 있는 새로운 모델링 방법을 제시하였다. 적도 지역에서 획득한 GPS L1/L5 이중주파수 측정치를 활용하여 신호 페이딩의 특성을 분석하였으며, 이를 활용하여 실제 이중주파수 신호 딥 페이딩의 상관관계를 반영한 신호 페이딩 모델을 개발하였다. 해당 모델을 기반으로 GNSS 기반 항행 시스템의 항법 가용성 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과 신틸레이션 상황 시 이중주파수 GNSS 활용으로 인한 항법 가용성의 향상을 확인하였다. 또한, 딥 페이딩에 대한 신호 손실 발생 확률 및 신호 재획득 시간에 대한 항법 가용성의 매개변수 분석을 수행하였다. 해당 매개변수는 수신기의 추적 성능에 따라 결정될 수 있으며, 해당 분석을 통해 이중주파수 활용시 항행 가용성을 만족시킬 수 있는 수신기의 성능 기준을 제안할 수 있었다. 본 연구는 신틸레이션 발생시 GNSS 기반 항행 시스템의 성능 평가 연구에 기반이 될 수 있으며, Multi-Constellation, Multi-Frequency (MCMF)으로 확장된 시스템 개발 연구에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
