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인공지능 기반의 한반도 전리층 특화 모델을 이용한 우주 전자파 전파 해석

Analysis of Space EM Wave Propagation Using a Korean Peninsula-Specific Ionospheric Model based on Artificial Intelligence

  • 이도현 (Lee Do Hyeon, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

위성 통신, 위성 항법 시스템, 우주 감시 레이다 등 전자파가 대기권을 통과하는 상황에서 무선 시스템의 성능은 신호가 통과하는 대기권의 상태에 의해 결정된다. 특히 대기권의 90% 이상 영역을 차지하는 전리층은 비균질성, 비등방성, 분산성, 시공간적 변동성과 같은 복합적인 매질 특성을 나타내며, 전자파가 해당 영역을 통과하는 경우 굴절, 시간지연, 편파 회전, 신호 감쇠 등의 영향을 받게 된다. 따라서 정확한 우주 전파 해석을 위해서는 전리층의 전파 환경을 실제와 가깝게 모델링하고, 전파 특성을 정량적으로 분석하는 연구가 필수적이다. 먼저 2장에서는 우주 전파 특성 분석을 위한 대기권 3차원 전파 환경 모델링 방법을 서술한다. 대류권, 성층권 및 중간권의 전파 환경 모델링을 간략히 다루고, 핵심 영역인 전리층의 물리적 특성 및 모델링 방법을 자세히 서술하였다. 이후, 기존의 전 지구적 경험 모델의 한계를 극복하기 위해 개발한, 인공지능 기반의 한반도 특화 전리층 전자밀도 모델을 설명한다. 다음 3장에서는 구성된 통합 대기 환경을 바탕으로 주요 대기권 전파 특성을 정량적으로 분석하였다. 태양 활동 주기 및 주파수 대역에 따라 대기 굴절로 인한 거리 오차, 전리층 총 전자 함유량에 의한 시간 지연, 패러데이 회전으로 인한 편파각 변화, 그리고 신틸레이션으로 인한 등가 링크 마진 손실을 분석하였다. 마지막으로 4장에서는 앞선 분석 결과를 바탕으로 위성-지상간 전파 시나리오에 적용하여 전파 왜곡 영향을 종합적으로 분석하였다. 구체적으로, 위성 시스템에서 주로 사용되는 L/S/C/X-band 등 주요 주파수 대역별로 전파 특성을 정량화 하여 정리하였다. 본 논문의 연구 결과는 한반도 상공의 대기 환경, 특히 전리층의 영향을 받는 위성 통신, 우주 감시 레이다, 위성 항법 시스템 등의 전파 환경 모델링과 시스템 성능 분석 및 링크 버짓 설계에 신뢰성 높은 기초 자료로 활용될 수 있으며, 관련 시스템의 정확도 향상에 기여할 것으로 기대한다.

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목차

제 1 장 서론 1
제 2 장 통합 대기권 전자파 전파 환경 모델링 4
제 1 절 대기권 3차원 전파 환경 모델링 4
2.1.1 대류권 전파 환경 구성 6
2.1.2 전리층 전파 환경 구성 9
제 2 절 전리층 전파 환경 구축을 위한 데이터 수집 방법 17
2.2.1 Ionosonde 측정 17
2.2.2 IRI, Nequick 전지구적 경험 모델 20
제 3 절 인공지능 기반 한반도 특화 전리층 전자밀도 모델링 24
2.3.1 한반도 특화 전리층 모델의 필요성 24
2.3.2 하이브리드 기준 프로파일 27
2.3.3 U-Net 기반 SR-CNN 모델 아키텍처 31
2.3.4 AI 모델 학습 및 추론 32
2.3.5 모델 성능 검증 및 표준 IRI 모델과의 비교 34
제 3 장 대기권 주요 전자파 전파 특성 분석 39
제 1 절 대기권 굴절 특성 분석 44
제 2 절 전리층 TEC에 따른 시간 지연 분석 53
제 3 절 전리층 편파 회전 분석 60
제 4 절 전리층 신틸레이션에 따른 신호 감쇠 분석 67
제 4 장 위성-지상간 전자파 전파 특성 분석 74
제 1 절 위성-지상간 하향링크 전파 시나리오 구성 75
제 2 절 전파 특성 분석 결과 78
제 5 장 결론 86
참고문헌 88
Abstract 93

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