The Effect of Equatorial Spread F on Relative Orbit Determination of GRACE Using Differenced GPS Observations

In this paper, relative orbit of Low Earth Orbit satellites is determined using only GPS measurements and the effects of Equatorial Spread-F (ESF), that is one of biggest ionospheric irregularities, are investigated. First, relative orbit determiation process is constructed based on doubly differenced GPS observations. In order to see orbit determination performance, relative orbit of two GRACE satellites is estimated for one month in 2004 when no ESF is observed. The root mean square of the achieved baselines compared with that from K-Band Ranger sensor is about 2~3 mm and average of 95% of ambiguities are resolved. Based on this performance, the relative orbit is estimated for two weeks of two difference years, 2003 when there are lots of ESF occurred, and 2004 when only few ESF occurred. For 2003, the averaged baseline error over two weeks is about 15 mm. That is about 4 times larger than the case of 2004 (3.6 mm). Ionospheric status achieved from K-Band Ranging sensor also shows that more Equatorial Spread-F occurred at 2003 than 2004. Investigation on raw observations and screening process revealed that the ionospheric irregualarities caused by Equatorial Spread-F gave significant effects on GPS signal like signal loss or enhancement ionospheric error, From this study, relative orbit determination using GPS observations should consider the effect of Equatorial Spread-F and adjust orbit determination strategy, especially at the time of solar maximum.

DGPS기반 GRACE의 상대궤도결정과 Equatorial Spread F의 영향

이 논문의 목적은 이온층의 대표적인 교란현상인 Equatorial Spread F(ESF)가 GPS 관측 값을 이용한 저궤도위성의 상대궤도결정에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 궤도결정은 우주기반의 Differential GPS(DGPS)방법을 이용했으며, 궤도결정 성능의 분석을 위해 ESF가 발생하지 않는 시점인 2004년 10월 한 달간에 대해 GRACE 두 위성의 상대궤도를 결정하였다. 궤도결정 정밀도를 검증하기 위해 상대궤도 정보로부터 계산된 기선거리를 K-Band Ranging 관측 값과 비교하였고, 그 결과 기선거리의 평균오차는 약 2~3mm($1{\sigma}$)였다. 이 결과를 바탕으로 하여 ESF가 우주기반 DGPS 자료처리에 미치는 영향을 분석하기 위해 ESF가 자주 발생한 2003년과 거의 발생하지 않은 2004년에 대해 2주씩 자료처리를 수행하였다. 그 결과 2003년의 2주간 평균 기선 거리 오차는 약 15mm로 2004년의 2주간 평균 3.5mm보다 상대적으로 켰으며, K-Band Ranging 센서를 통해 그 당시의 ESF로 보이는 이온층의 교란현상이 상대적으로 많이 발생하였음을 확인 하였다. 이 연구를 통해 ESF가 자주 발생할 것으로 예상되는 태양활동 극대기의 경우 우주기반 DGPS 자료처리 시 ESF의 영향을 고려해야 하며, 이를 극복하기 위한 방안이 필요함을 확인하였다.