[논문]GPS 절대측위 정확도 분석

강준묵; 김욱남; 박정현; 이은수

[국내논문] GPS 절대측위 정확도 분석
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본 연구는 SA가동 중단 후 GPS절대 측위 정확도의 향상 정도를 파악하는데 있다. 이를 위해 SA가동 중단 전후의 GPS C/A코드 의사 거리를 이용하여 위성 시계 오차량과 관측점 좌표를 산출하였으며, 이를 JPL 정밀궤도력에 포함되어 있는 위성 시계 오차량 및 관측점의 기지성과와 비교하였다. 비교 결과, GPS 위성 시계 오차 보정량은 SA가동시 약 $\pm$ 40m폭으로 변동을 보인 반면, SA중단 후 $\pm$2m이내로 급격히 감소되었음을 알 수 있었으며, 3차원 좌표성과에 대한 95% 확률오차는 SA 가동시 약 $\pm$65m 였으나, 가동 중단후 X. Y는 약 $\pm$10m, Z는 약 $\pm$15m로 GPS 절대 측위 정확도가 상당히 향상되었음을 알 수 있었다.

The aim of this study is to know the GPS absolute positioning accuracy after discontinuing of Selective Availability (SA). The GPS satellite clock errors and the observation station coordinates were calculated using GPS C/A code pseudorange and compared with the JPL precise ephemerides and the previous known coordinates. As the results, the correction or the GPS clock errors in SA-on is about $\pm$40m but in SA-off $\pm$2m. The 95% probable errors for the measurements in SA-on are about $\pm$65m but in SA-off $\pm$10m in X, Y and SA-off $\pm$15m in Z.

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문제 정의

본 연구는 SA 가동 전후 절대측위의 정확도 향상 여부를 파악하는 것이 목적이므로 관측점의 좌표에 신뢰성 이 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 IGS 국내 상시 관측소 중 하나인 SUWN(수원)점의 GPS 관측 자료를 이용하였다.
항법 정확도의 저하를 목적으로 하는 SA는 궤도력을 조정하는 방법(e-process)을 이용하기 때문에 SA 가동 중단 전후의 방송궤도력을 이용하여 이를 비교하고자 하였다.

제안 방법

SA가 중단된 DOY 123, 154, 184, 215, 246, 302의 GPS C/A 코드 관측자료를 이용하여 절대 측위 방식으로 위성 시계 오차량과 XYZ좌표를 산출하고 위치 결정 정확도를 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구를 위해 SA가동 중단일인 DOY 123의 GPS 관 측자료를 이용하였으며, 정확도의 추이를 파악하기 위해 약 한달간격으로 DOY 154, DOY 184, DOY 215, DOY 246, DOY 302 관측자료를 전송 받았다. 또한, SA가동 전 후 위성 시계 오차의 향상정도를 파악하기 위해 JPL의 정밀궤도력을 전송 받았다. IGS 정밀궤도력은 약 15분 간 격으로 위성의 좌표 및 시계오차를 계산하고 있지만 JPL 의 정밀궤도력 중에는 30초 간격으로 위성의 좌표 및 시 계오차를 계산하여 놓은 high rate 정밀궤도력이 있다.
터에서 산출한 위성시계오차량과 비교하며, 기지점에 대해 절대측위 방식으로 위치를 산출하여 기지점의 좌표와 비교함으로써 SA 가동 중단 전후의 결과를 분석하고자 한다. 위성 시계 오차량은 GPS 항법메시지에 포함되어 있는 다항식 계수들을 이용하여 산출하고, 위성의 위치 는 GPS 항법파일에 2시간마다 기록되어 있는 궤도력 변 수들과 WGS84에서 정의된 상수들을 이용하여 계산하며, ICD-200의 내용을 바탕으로 절대측위 프로그램을 작 성한다본 연구에 대한 흐름도는 그림 1과 같다.

대상 데이터

본 연구는 SA 가동 전후 절대측위의 정확도 향상 여부를 파악하는 것이 목적이므로 관측점의 좌표에 신뢰성 이 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 IGS 국내 상시 관측소 중 하나인 SUWN(수원)점의 GPS 관측 자료를 이용하였다. 그림 2는 IGS 미러 (mirror) 사이트로 본 연 구에 사용되는 GPS 관측자료를 검색하고 있다.
본 연구를 위해 SA가동 중단일인 DOY 123의 GPS 관 측자료를 이용하였으며, 정확도의 추이를 파악하기 위해 약 한달간격으로 DOY 154, DOY 184, DOY 215, DOY 246, DOY 302 관측자료를 전송 받았다. 또한, SA가동 전 후 위성 시계 오차의 향상정도를 파악하기 위해 JPL의 정밀궤도력을 전송 받았다.
본 연구에서 사용한 GPS 관측 자료는 IGS 국내 상시 관측소인 SUWN 사이트에서 관측한 자료이다. 특별히 SUWN의 GPS 관측 자료를 선택한 이유는 SUWN 사 이트가 ITRF97에 포함되어 있기 때문이다.

성능/효과

1. GPS 위성 시계 오차 보정량은 SA 가동시 약 ±40 m폭으로 변동을 보인 반면, SA 중단 후 ±2이이내로 급격히 감소되었음을 알 수 있었으며, 궤도력에 대한 인 위적인 정확도 저하는 없었음을 알 수 있었다.
2. SA 가동시 C/A 코드 의사거리를 이용한 절대 위치 결정의 수평오차는 ±100m(95% 확률오차), 수직오 차는 ±156m(95% 확률오차>의 정확도임을 감안할 때, 중단 후 수평오차는 약 ±10m(95% 확률오차), 수직오차 는 약 ±15m(95% 확률오차)로 정확도가 크게 향상되었 음을 알 수 있었다.
3. SA 가동 중단은 비교적 낮은 정확도가 요구되는 차량관제, 선박항해, 항공기 운항, 레져분야 등 GPS를 이용한 절대 측위의 응용분야에 큰 전기를 마련한 것이 라 사료된다.
SA 가동 중단후 정확도의 추이를 파악하고자 DOY154, DOY 184, DOY 215, DOY 246, DOY 302의 GPS 관측자료를 추가로 처리한 결과는 그림 17~그림 21과 같으며, DOY 123, DOY 154, DOY 184, DOY 215, DOY 246, DOY 302의 95% 확률오차는 표 3과 같다. SA 가동 중단일인 DOY 123의 관측 자료 처리 결과 값에 대한 95% 확률오차는 SA 중단 전 약 X = +65 m, Y= ±69m, Z=±64m에서 중단 후 약 X=± 12m, Y=±llm, Z=±20m이었다. SA 중단 이후 약 1개월 주기로 5일의 GPS 관측자료를 처리한 결과, X, Y는 약 ±10m(95% 확률오차)이내이고 Z는 약 ± 15 m(95% 확률오차)전후이었다.
SA 중단 이후 약 1개월 주기로 5일의 GPS 관측자료를 처리한 결과, X, Y는 약 ±10m(95% 확률오차)이내이고 Z는 약 ± 15 m(95% 확률오차)전후이었다. SA 가동시 GPS 절 대 측위에서 C/A 코드 의사거리를 이용한 위치 결정의 수평오차는 ±100111(95% 확률오차), 수직오차는 ±156 m(95% 확률오차)의 정확도임을 감안할 때, SA 가동 중 단 후 얻어진 위 결과는 정확도가 상당히 향상되었음을 알 수 있다.
SA 가동 중단일인 DOY 123의 관측 자료 처리 결과 값에 대한 95% 확률오차는 SA 중단 전 약 X = +65 m, Y= ±69m, Z=±64m에서 중단 후 약 X=± 12m, Y=±llm, Z=±20m이었다. SA 중단 이후 약 1개월 주기로 5일의 GPS 관측자료를 처리한 결과, X, Y는 약 ±10m(95% 확률오차)이내이고 Z는 약 ± 15 m(95% 확률오차)전후이었다. SA 가동시 GPS 절 대 측위에서 C/A 코드 의사거리를 이용한 위치 결정의 수평오차는 ±100111(95% 확률오차), 수직오차는 ±156 m(95% 확률오차)의 정확도임을 감안할 때, SA 가동 중 단 후 얻어진 위 결과는 정확도가 상당히 향상되었음을 알 수 있다.
2000년 5월 2일 SUWN의 24시간 데이터를 자료처리 표 1. SUWN FTRF97 성과한 결과, GPS time 187590초 (2000년 5월 2일 04시 06분)를 시점으로 절대측위의 좌표 성과는 매우 안정된 수치가 나오고 있음을 알 수 있다. 2000년 5월 2일 SUWN의 24시간 데이터의 자료 처리 성과에 대한 전반 적인 양상은 그림 8과 같으며, SA 가동 중단 전 약 200여 m의 변동폭을 보이다가 가동 중단 시점인 187590초(GPS time)이후로 약 20여 m로 그 변동폭이 상당히 줄어들어 있음을 알 수 있다.
본 연구의 자료처리 결과를 ITRF97 SUWN 좌표성과 로부터 감하여 구한 편차들의 분포는 표 2와 같으며 표 2의 분포량을 누적하여 백분율로 재구성하여 이를 도시한 것은 그림 9, 그림 10, 그림 11, 그림 12와 같다. 누적비율 80%를 기준으로 할 때 평면오차는 SA 중단전 약 ±60 m의 편차를 보이는 반면, SA 중단 후 약 ±10 m이내의 편차를 보이고 있음을 그림 9, 그림 10에서 알 수 있다.
1점 측위 시 계산한 PRN 2 위성의 시계오차와 JPL 정밀궤도력에 포함되어 있는 시계 오차간의 편차량 및 이 편차량에 GPS신호 속도를 곱하여 산출한 거리 보정량은 그림 7과 같으며, SA 중단 전 약 ±40m의 폭을 보임을 알 수 있다. 특히, SA 중단 직전인 GPS time 180000- 187200 구간에서 볼 때, 시계오차에 의한 거리 보정량은 -7~30m의 불규칙한 양상을 보이나, SA 사용이 중단된 GPS time 187200이후에는 그 양이 ±2m 이내로 급격히 감소하고 있음을 알 수 있다.

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