Improvement of SBAS ionospheric correction generation using Chapman electron density distribution

Abstract

SBAS(Satellite Based Augmentation System)은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 사용자에게 전리층 보정 정보를 제공함으로써 사용자로 하여금 자신의 위치를 정확하게 추정할 수 있도록 한다. 전리층 보정 정보를 생성하기 위해 SBAS의 기준국에서는 경사 전리층 지연 값으로부터 IPP(Ionospheric Pierce Point)에서의 수직 전리층 지연 값을 추정하며 이 때 thin shell model의 obliquity factor를 이용한다. 하지만 obliquity factor는 단순히 위성 앙각에 따른 함수이다. 따라서 수직 전리층 지연 값이 부정확하게 추정되고 이로 인해 전리층 보정 정보 역시 부정확하게 생성이 된다. 본 논문에서는 SBAS 전리층 보정 정보의 정확성을 높이기 위해 경사 전리층 지연 값으로부터 수직 전리층 지연 값을 추정하는 새로운 방안을 제안하였다. 제안한 방안은 전리층의 수직 전자 밀도 분포를 모델링한 Chapman profile을 이용하였다. 이 때 Chapman profile의 parameter들은 주어졌고 거리에 따른 전리층 활동이 선형이라고 가정하였다. 또한 전리층을 여러 층으로 나누어 경사 지연 값으로부터 수직 전리층 지연 값을 구하였다. 검증 방안으로는 제안한 방법을 이용하여 수직 전리층 지연 값을 추정하고 그 값을 이용해 SBAS 전리층 보정 정보를 생성하였다. 이 때 검증을 위한 시뮬레이션 데이터로는 IRI(International Reference Ionosphere) 모델을 사용하였다. 결과적으로 제안한 방법을 이용해 전리층 보정 정보를 생성했을 때 thin shell 모델에 비해 정확도가 낮 시간의 경우 17.3%, 저녁 시간의 경우 10.2%, 밤 시간의 경우 2.1% 개선되는 것을 확인하였다. 또한 생성한 보정 정보를 이용해 SBAS 사용자의 경사 전리층 지연 값을 구하고 그 결과를 비교하였다. 이 경우 제안한 방법의 경사 전리층 지연 추정 오차가 thin shell 모델에 비해 RMS 는 23.6%, 최대 오차 값은 27.2% 감소한 것을 확인하였다.

Satellite Based Augmentation System (SBAS) gives ionospheric correction data to Global Navigation Satellite System (GNSS) users to make users can estimate their position more accurately. To generate the ionospheric correction data, reference stations of SBAS estimate vertical ionospheric delay at Ionospheric Pierce Point (IPP) from slant ionospheric delay by using obliquity factor of thin shell model. However, obliquity factor depends only on the elevation angle of satellites. As a result, vertical ionospheric delay can be estimated inaccurately when the thin shell model is used and it finally occurs the error in the ionospheric correction data. This paper proposed a method to estimate the vertical delay from the slant delay, which can improve accuracy of the ionospheric correction of SBAS. Proposed method used Chapman profile which is a model for the vertical electron density distribution of the ionosphere. In the proposed method, we assumed that parameters of Chapman profile are given and the vertical ionospheric can be modeled with linear function. We also divided ionosphere into multi-layer. For the verification, we converted slant ionospheric delays to vertical ionospheric delays by using the proposed method and generated the ionospheric correction of SBAS with vertical delays. We used International Reference Ionosphere (IRI) model for the simulation to verification. As a result, the accuracy of ionospheric correction from proposed method has been improved for 17.3% in daytime, 10.2% in evening, 2.1% in nighttime, compared with correction from thin shell model. Finally, we verified the method in the SBAS user domain, by comparing slant ionospheric delays of users. Using the proposed method, root mean square value of slant delay error decreased for 23.6% and max error value decreased for 27.2%.