Journal of Advanced Navigation Technology (한국항행학회논문지)

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Analysis of Frequency of Seismogenic Ionospheric Disturbance by using GNSS Signal

GNSS 신호를 이용한 지진에 의한 전리층 교란의 주파수 분석

  • Kim, Bu-gyeom (School of Mechanical and Aerospace Engineering and Institute of Advanced Aerospace Technology, Seoul National University) ;
  • Kang, Seon-ho (School of Mechanical and Aerospace Engineering and Institute of Advanced Aerospace Technology, Seoul National University) ;
  • Han, Deok-hwa (School of Mechanical and Aerospace Engineering and Institute of Advanced Aerospace Technology, Seoul National University) ;
  • Song, June-sol (Ecole Nationale de l'Aviation Civile (ENAC)) ;
  • Kee, Chang-don (School of Mechanical and Aerospace Engineering and Institute of Advanced Aerospace Technology, Seoul National University)
  • 김부겸 (서울대학교 기계항공공학부, 정밀기계연구소) ;
  • 강선호 (서울대학교 기계항공공학부, 정밀기계연구소) ;
  • 한덕화 (서울대학교 기계항공공학부, 정밀기계연구소) ;
  • 송준솔 (프랑스 국립 항공대학교) ;
  • 기창돈 (서울대학교 기계항공공학부, 정밀기계연구소)
  • Received : 2018.10.17
  • Accepted : 2018.12.17
  • Published : 2018.12.31
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Abstract

Energy which is released by a huge earthquake can reach the ionosphere and induce disturbances. Those disturbances can detected by analyzing the global navigation satellite system (GNSS) satellite's signal. For detecting those disturbances, band-pass filter is generally used. Therefore, it is important to select proper pass band that can contain disturbance's frequency. In this paper, we analyzed a frequency of the ionospheric disturbances which are induced by earthquake by using GNSS signal. For analyzing seismogenic ionospheric disturbances, we calculated a geometry free combination of carrier phase to obtain a ionospheric delay. After that, the fast Fourier transform was applied to the 1 mHz high-passed ionospheric delay. As a result of analyzing disturbances, the frequency band of earlier disturbances was 4.5 mHz~11mHz and the representative frequency was 5.7 mHz. The frequency band of subsequent disturbances was 6 mHz~10 mHz and the representative frequency was 7.3 mHz.

규모가 큰 지진에 의해 발생한 에너지는 전리층까지 도달하여 교란을 발생시킨다. GNSS (global navigation satellite system) 위성의 신호의 전리층 지연을 분석하면 해당 교란을 검출할 수 있다. 지진에 의한 교란 검출에는 주로 band-pass filter가 사용되는데, 교란의 주파수에 맞는 주파수 대역 설정이 중요하다. 따라서 본 논문에선 GNSS 신호를 통해 지진에 의한 전리층 교란의 주파수를 분석하였다. 전리층 교란의 주파수 분석은 반송파의 geometry free combination으로 산출한 전리층 지연을 1 mHz high-pass filter로 처리한 후, fast Fourier transform을 통해 수행했다. 교란의 주파수 분석결과 초기 교란의 주파수는 4.5 mHz~11 mHz의 범위를 가지며, 5.7 mHz가 대표 주파수이다. 후속 교란의 경우 6 mHz~10 mHz의 주파수 대역을 가지며, 7.3 mHz가 대표 주파수로 관찰되었다.

Keywords

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그림 1. GFC 예시 Fig. 1. Example of a GFC.

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그림 2. High-pass filter를 적용한 GFC 결과 예시 Fig. 2. Example of a high-passed GFC.

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그림 3. Tohoku 지진 진앙지 및 사용 기준국 Fig. 3. Epicenter of the Tohoku earthquake and reference stations.

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그림 4. 정상 상황 분석 영역 Fig. 4. Analysis area of the undisturbed GFCs.

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그림 5. 정상 상황의 주파수 분석 결과 Fig. 5. Analysis result of the frequency of undisturbed GCFs.

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그림 6. 정상 상황의 주파수 분석 결과 (평균값) Fig. 6. Analysis result of the frequency of undisturbed GCFs (mean).

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그림 7. PRN 26, PRN 5번의 IPP track Fig. 7. IPP track of PRN 26, PRN 5.

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그림 8. 초기 교란 분석 영역 (PRN 5) Fig. 8. Analysis area of the earlier disturbances (PRN 5).

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그림 9. 초기 교란의 주파수 분석 결과 Fig. 9. Analysis result of the frequency of earlier disturbances.

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그림 10. 초기 교란의 주파수 분석 결과 (평균값) Fig. 10. Analysis result of the frequency of earlier disturbances (mean).

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그림 11. 초기 교란의 주파수 분석 결과 (>3 mHz) Fig. 11. Analysis result of the frequency of earlier disturbances (>3 mHz).

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그림 12. 후속 교란 분석 영역 Fig. 12. Analysis area of the subsequent disturbances.

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그림 13. 후속 교란의 주파수 분석 결과 Fig. 13. Analysis result of the frequency of subsequent disturbances.

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그림 14. 후속 교란의 주파수 분석 결과 (평균값) Fig. 14. Analysis result of the frequency of subsequent disturbances (mean).

References

  1. S. Jin, G. Occhipnti, and R. Jin, "GNSS ionospheric seismology: Recent observation evidences and characteristics," Earth-Science Reviews,, Vol. 147, pp. 54-64, Aug, 2015. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2015.05.003
  2. T. Tsugawa, A. Saito, and Y. Otsuka, "Ionospheric disturbances detected by GPS total electron content observation after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake," Earth Planets Space, Vol. 63, pp. 875-879, July, 2011. https://doi.org/10.5047/eps.2011.06.035
  3. J. Y. Liu, C. H. Chen, and C. H. Lin, "Ionospheric disturbances triggered by the 11 March 2011 M9.0 Tohoku Earthquake," Journal of Geophysical Research, Vol. 116, A06319 pp. 1-5, June, 2011.
  4. P. Lognonne, E. Clevede, and H. Kanamori, "Computation of seismograms and atmospheric oscillations by normal-mode summation for a spherical earth model with realistic atmosphere," Geophysical Journal International, Vol. 135, Issue 2, pp. 388-406, June, 1988 https://doi.org/10.1046/j.1365-246X.1998.00665.x
  5. J. Y. Liu, H. F. Tsai, and C. H. Lin., "Coseismic ionospheric disturbances triggered by the Chi-Chi earthquake," Journal of geophysical research, Vol. 115, A08303, pp. 1-12, Aug, 2010
  6. G. Occhipinti, A. Komjathy, and P. Lognonne, "Tsunami Detection by GPS," GPS World, pp. 50-57, Feb, 2002
  7. M. Matsumura, A. Saito, and T. Iyemori, "Numerical simulations of atmospheric waves excited by the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake," Earth, Planets and Space, Vol. 63, Issue 7, pp. 63-68, July, 2011
  8. G. Occhipinti, L. Rolland, and P. Lognonne, "From Sumatra 2004 to Tohoku-Oki 2011: The systematic GPS detection of the ionospheric signature induced by tsunamigenic earthquakes," Journal of geophysical research, Vol. 118, Issue 6, pp. 3626-3636, June, 2013
  9. J. H. Park, D. Grejner-Brzezinska, and R. R. B von Frese, "GPS discrimination of traveling ionospheric disturbances from underground nuclear explosions and earthquakes," Navigation, Vol. 61, Issue 2, pp. 125-134, June, 2014 https://doi.org/10.1002/navi.56