측량을 비롯한 여러 GPS응용분야에서 GPS 수신기에서 수집한 데이터를 빠른 시간 내에 처리하여 정밀 좌표를 산출할 필요성이 발생한다 GPS 데이터 처리에는 현재 네 종류의 GPS 위성궤도력을 이용할 수 있는데, 본 연구에서는 신속한 고정밀 데이터 처리에 가장 적합한 궤도력을 찾기 위해, 각 궤도력을 이용할 경우 성취할 수 있는 좌표성과의 정확성과 정밀도를 비교하였다. GPS 위성에서 제공되는 방송궤도력(broadcast orbits)과 ICS 등의 국제기관에서 제공하는 초신속궤도력(ultra-rapid orbits), 신속궤도력(rapid orbits), 그리고 정밀궤도력(precise orbits)을 이용하였다. 초신속궤도력을 이용하여 GIPSY로 데이터 처리를 하였을 때 일주일 평균 좌표 성과의 정확성이 1.5cm 이내였다. 본 연구를 통하여 GIPSY와 초신속궤도력을 이용하면, 신속한 데이터 처리가 가능한 동시에 고정밀 좌표성과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
측량을 비롯한 여러 GPS응용분야에서 GPS 수신기에서 수집한 데이터를 빠른 시간 내에 처리하여 정밀 좌표를 산출할 필요성이 발생한다 GPS 데이터 처리에는 현재 네 종류의 GPS 위성궤도력을 이용할 수 있는데, 본 연구에서는 신속한 고정밀 데이터 처리에 가장 적합한 궤도력을 찾기 위해, 각 궤도력을 이용할 경우 성취할 수 있는 좌표성과의 정확성과 정밀도를 비교하였다. GPS 위성에서 제공되는 방송궤도력(broadcast orbits)과 ICS 등의 국제기관에서 제공하는 초신속궤도력(ultra-rapid orbits), 신속궤도력(rapid orbits), 그리고 정밀궤도력(precise orbits)을 이용하였다. 초신속궤도력을 이용하여 GIPSY로 데이터 처리를 하였을 때 일주일 평균 좌표 성과의 정확성이 1.5cm 이내였다. 본 연구를 통하여 GIPSY와 초신속궤도력을 이용하면, 신속한 데이터 처리가 가능한 동시에 고정밀 좌표성과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
Rapid and accurate data processing is required in many GPS(Global Positioning System) applications including surveying. While one can use four different kinds of GPS satellite orbits, we evaluated the accuracy and precision of each kind of orbits to find the best candidate for rapid and accurate dat...
Rapid and accurate data processing is required in many GPS(Global Positioning System) applications including surveying. While one can use four different kinds of GPS satellite orbits, we evaluated the accuracy and precision of each kind of orbits to find the best candidate for rapid and accurate data processing. The four different kinds of orbits we: broadcast orbits from GPS satellites; and ultra-rapid orbits, rapid orbits, and precise orbits provided by international GPS data analysis centers such as IGS. With GIPSY and ultra-rapid orbits, we could get the positioning accuracy of 1.5cm from seven days of GPS data. From this study, we conclude that rapid and accurate data processing is achieved with GIPSY and ultra-rapid orbits.
Rapid and accurate data processing is required in many GPS(Global Positioning System) applications including surveying. While one can use four different kinds of GPS satellite orbits, we evaluated the accuracy and precision of each kind of orbits to find the best candidate for rapid and accurate data processing. The four different kinds of orbits we: broadcast orbits from GPS satellites; and ultra-rapid orbits, rapid orbits, and precise orbits provided by international GPS data analysis centers such as IGS. With GIPSY and ultra-rapid orbits, we could get the positioning accuracy of 1.5cm from seven days of GPS data. From this study, we conclude that rapid and accurate data processing is achieved with GIPSY and ultra-rapid orbits.
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문제 정의
그러나 데이터 수집시간이 24시간 미만일 때는 그 정확성이 감소될 수밖에 없을 것이다. 그래서, 본 연구에서는 관측시간이 2시간일 경우 GIPSY와 초신속궤도력으로 얻을 수 있는 좌표성과의 정확성을 비교해 보았다. 이를 위해 DAEJ로부터의 기선거리가 197.
RMS 오차란 기준이 되는 좌표성과와 해당 궤도를 이용한 좌표성과의 차이의 제곱평균을 의미한다. 만일 좌표성과 차이를 일주일 동안 단순 평균할 경우 양수와 음수 좌표성과 차이 값이 서로 상쇄되는 것을 방지하기 위하여 RMS 오차를 계산한 것이다. 그리고 평균 좌표성과에 대한 표준편차를 계산함으로써 좌표성과의 정밀도를 동시에 평가하였다.
그 정밀도는 기존의 상용 소프트웨어가 이중차분(double difference)을 이용하여 달성할 수 있는 정밀도보다 뛰어나며, 데이터 처리 속도도 아주 빠르다. 본 연구에서는 먼저 GPS 데이터 처리에 이용될 수 있는 각종 궤도력을 비교하고, 초신속궤도력을 이용한 데이터 처리기법과 국내 GPS 상시관측소 데이터를 준실시간으로 처리한 결과를 소개한다.
가설 설정
그 이유는 비교대상이 된 GPSurvey는 위상중심변화량을 고려하지 않기 때문이다. 본 연구에서는 단지 평균적인 위상 중심차이만 고려하였다. 따라서 본 연구에서 보여주는 좌표성과는 모두 안테나 기준점(ARP, Antenna Reference Point)의 좌표임을 밝혀둔다.
제안 방법
GPS 데이터를 준실시간으로 처리하기 위하여 네 가지 종류의 GPS 위성궤도력을 비교하고, 그 중 준실시간 처리에 가장 적합하다고 생각되는 초신속궤도력을 이용하여 그 정확성과 정밀도를 평가하였다. GIPSY와 초신속궤도력을이용하였을 때 좌표결정 정확성이 1.
3을 사용하였다. GPSurvey를 이용하여 데이터 처리를 할 때 IGS의 정밀궤도력과 방송궤도력 두 가지를 이용하였다.
IGS는 GPS 관련 국제 공동연구의 모체 역할을 하면서 정밀궤도력을 생성하고 있다. IGS 산하의 8개 데이터 분석센터는 매일 전세계적으로 고루 분포되어 있는 IGS 국제관측소 (Global Station)의 데이터를 수집하여 GPS 궤도력, 지구자전축 움직임 등 관련 요소들을 모두 추정한다. 이 과정에서 생성된 궤도력들이 한 곳에서 취합되어 최적 조합된 정밀궤도력이 만들어진다.
이용하여 정밀좌표를 결정하였다. 각 궤도력은 생성과정이나 정밀도의 차이가 있으므로, 이 장에서 네 종류의 궤도력의 특징을 소개하고 비교하였다.
만일 좌표성과 차이를 일주일 동안 단순 평균할 경우 양수와 음수 좌표성과 차이 값이 서로 상쇄되는 것을 방지하기 위하여 RMS 오차를 계산한 것이다. 그리고 평균 좌표성과에 대한 표준편차를 계산함으로써 좌표성과의 정밀도를 동시에 평가하였다. 비교의 기준이 되는 좌표성과는 본 연구에 사용된 일주일간의 데이터를 정밀궤도력을 이용하여 산출된 좌표성과이다.
3km 인 MKPO의 2003년 4월 10일 데이터를 2시간 간격으로 처리하였다. 다시 말해 두 시간의 관측으로 얻을 수 있는 좌표성과의 정확성을 비교한 것이다. 그 결과를 그림 3에 나타내었다.
비교의 기준이 되는 좌표성과는 본 연구에 사용된 일주일간의 데이터를 정밀궤도력을 이용하여 산출된 좌표성과이다. 다시 말해, 정밀궤도력으로 산출된 좌표 평균값을 실제 좌표 값이라 가정하고 세 가지 다른 궤도력으로 산출된 좌표 값과의 차이를 비교한 것이다. 참고로 정밀궤도력을 이용하여 GIPSY로 정밀단독측위 기법으로 고정밀 데이터 처리를 할 경우 NEV 좌표계에서, 수평방향으로 대략 2-4mm, 수직 방향으로 6-9mm 정도의 절대 좌표 정밀도를 보인다(Park, 2000).
GIPSY와 GPSurvey를 이용하여 앞서 언급한 일주일간의 데이터를 처리하고 매일 추정된 좌표성과의 평균값을 비교에 이용하였다. 데이터 처리의 좌표성과는 ECEF 좌표 계인 ITRF2000의 XYZ값으로 산출되며, 이를 해당 관측 소의 위도와 경도를 이용하여, NEV 좌표계로 변환하였다 (NEV는 local north, east, and vertical 좌표계를 나타내며, 본 논문에서는 남-북, 동•서, 그리고 수직으로 지칭한다). 표 3에서 GIPSY의 결과는 세 가지 다른 종류의 GPS 위성 궤도력을사용하여 데이터 처리한좌표성과와 정밀궤도력 을 이용하여 산출된 좌표성과를 비교한 것이다.
본연구에서는 GPSurvey 소프트웨어를 이용한 데이터 처리에는 ® 정밀궤도력을, GIPSY를 이용한 데이터 처리에는 JPL(Jet Propulsion Laboratory) 정 밀궤도력을 사용하였다. JPL의 정밀궤도력을 이용한 이유는 JPL의 궤도력이 IGS 정밀궤도력 산출에 가장 크게 기 여하며, 본 연구에서 사용되는 GIPSY에 최적화 되어 있기 때문이다.
하지만, GIPSY로 정밀단독측위를 할 경우, 기선거리에 비례하여 증대하는 오차는 감소하거나 없어지게 된다. 이를 증명하기 위하여 그림 2에서처럼, DAEJ으로부터의 기선거리에 따른 3 차원 RMS 오차를 비교하였다.
초신속궤도력을 이용한 좌표성과의 정확성(accuracy)과 정밀도(precision)를 비교하기 위하여, 네 종류의 GPS 위성궤도력을 이용하여 정밀좌표를 결정하였다. 각 궤도력은 생성과정이나 정밀도의 차이가 있으므로, 이 장에서 네 종류의 궤도력의 특징을 소개하고 비교하였다.
데이터 처리의 좌표성과는 ECEF 좌표 계인 ITRF2000의 XYZ값으로 산출되며, 이를 해당 관측 소의 위도와 경도를 이용하여, NEV 좌표계로 변환하였다 (NEV는 local north, east, and vertical 좌표계를 나타내며, 본 논문에서는 남-북, 동•서, 그리고 수직으로 지칭한다). 표 3에서 GIPSY의 결과는 세 가지 다른 종류의 GPS 위성 궤도력을사용하여 데이터 처리한좌표성과와 정밀궤도력 을 이용하여 산출된 좌표성과를 비교한 것이다. GPSurvey 의 결과는 DAEJ의 좌표를 표 2의 DAEJ 좌표에 고정시키고，나머지 8개 관측소의 좌표성과를 정밀궤도력과 방송궤 도력을 이용하여 산출한 결과를 표 2의 좌표성과와 비교한 것이다.
이 때는 일빈적으로 Cesium이나 H-maser와 같은 외부기준시계(external reference clock)가 연결되어 있는 관측소를 이용한다. 한국천문연구원 GPS 상시관측소 중에 외부기준시계가 연결되어 있는 관측소는 DAEJ이므로(Cesium이 연결됨), 본연구에서는 DAEJ의 외부기준시계를 기준으로 나머지 관측소 시계 오차 해를 추정하였다. 기준 시계를 제공하는 관측소의 좌표는 추정하지 않기 때문에 DAEJ의 좌표 값은 추정하지 않았다.
대상 데이터
네 가지 다른 종류의 GPS 위성궤도력을 이용한 신속한 좌표 결정 의 정확성을 비교하기 위하여 2003년 4월 10일부터 16일까지 일주일동안 수집된 한국천문연구원 상시 관측소 9곳의 데이터를 처리하였다. 표 2는 각 관측소의 위치와 1999년 3월부터 2002년 11 월까지의 데이터를 GIPSY와 정밀궤도력으로 처리한 결과로 산출된 좌표성과를 보여준다(본 연구에 이용된 일주일의 중간 날짜인 2003년 4 월 13 일의 좌표).
예를 들어 2003년 4월 10일에 해당하는신속궤도력에는 2003년 4월 9일 21 시부터 4월 11일 03시까지의 GPS 위성 궤도력이 포함된다. 본 연구에서는 JPL 에서 제공하는 신속궤도력을 이용하였다(표 1 참고). 표 1 에서 보는 바와 같이, 신속궤도력은 정밀궤도력에서 제공하는 정보가 모두 포함되어 있기 때문에 데이터 처리 과정에서 별도로 위성 시계 오차를 추정할 필요가 없다.
그래서, 본 연구에서는 관측시간이 2시간일 경우 GIPSY와 초신속궤도력으로 얻을 수 있는 좌표성과의 정확성을 비교해 보았다. 이를 위해 DAEJ로부터의 기선거리가 197.3km 인 MKPO의 2003년 4월 10일 데이터를 2시간 간격으로 처리하였다. 다시 말해 두 시간의 관측으로 얻을 수 있는 좌표성과의 정확성을 비교한 것이다.
데이터처리
GIPSY와 GPSurvey를 이용하여 앞서 언급한 일주일간의 데이터를 처리하고 매일 추정된 좌표성과의 평균값을 비교에 이용하였다. 데이터 처리의 좌표성과는 ECEF 좌표 계인 ITRF2000의 XYZ값으로 산출되며, 이를 해당 관측 소의 위도와 경도를 이용하여, NEV 좌표계로 변환하였다 (NEV는 local north, east, and vertical 좌표계를 나타내며, 본 논문에서는 남-북, 동•서, 그리고 수직으로 지칭한다).
이용한 결과이다. 기선거리에 따른 RMS 오차의 상관관계를 비교하기 위하여 상관계수(correlation coefficient)를 계산하였다. 그 결과 (3)의 경우에는 상관계수가 097로 거의 1에 가까운 높은 상관계수를 보였다.
이론/모형
GPS 데이터 처리에는 GIPSY-OASIS(GIPSY-OASIS는 GPS Inferred Positioning System - Orbit Analysis and Simulation Software의 약어이며, 이화 GIPSY라고 호칭함)와 GPSurvey를 사'용하였다. GPSurvey는 Trimble 사에서 공급하는 상용 소프트웨어이며, 본 연구에는 버전 2.
성능/효과
정밀도를 평가하였다. GIPSY와 초신속궤도력을이용하였을 때 좌표결정 정확성이 1.5cm 이내였고, 좌표성과의 표준편차도 3차원 각 방향으로 1cm 이내로 나타났다. GIPSY와 신속궤도력을 이용한 경우는 3차원 RMS 오차가 1.
수 있다. 그 정밀도는 기존의 상용 소프트웨어가 이중차분(double difference)을 이용하여 달성할 수 있는 정밀도보다 뛰어나며, 데이터 처리 속도도 아주 빠르다. 본 연구에서는 먼저 GPS 데이터 처리에 이용될 수 있는 각종 궤도력을 비교하고, 초신속궤도력을 이용한 데이터 처리기법과 국내 GPS 상시관측소 데이터를 준실시간으로 처리한 결과를 소개한다.
1cm의 차이를 보인다. 따라서 관측시간이 짧아질수록, 수평방향의 좌표성과 오차는 크게 증가하지 않지만, 수직방향은 약 2-3배정도 증가함을 알 수 있었다. 그림 3에 나타낸 12개 좌표성과의 RMS 오차는 남-북 방향으로 0.
본 연구에서는 단지 평균적인 위상 중심차이만 고려하였다. 따라서 본 연구에서 보여주는 좌표성과는 모두 안테나 기준점(ARP, Antenna Reference Point)의 좌표임을 밝혀둔다.
5cm 이하이며, 데이터 처리속도 또한 GPSurvey에 비하여 월등하게 빨랐다. 또한 2시간 간격으로 데이터 처리한 결과 수평 방향으로는 2cm 이내, 그리고 수직방향으로는 최대 5.1cm의 정확성을 얻을 수 있었다. 이들 연구결과를 토대로 측량을 비롯한 각종 응용분야에서 신속한 GPS 데이터 처리를 필요로 할 경우 GIPSY와 초신속궤도력을 이용하면 매우 높은 정확성과 정밀도의 좌표성과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
1cm로 초신속궤도력의 경우보다 정확하지만, 준 실시간 데이터 처리에 신속궤도력을 사용할 수 없다. 상용소프트웨어인 GPSurvey를 이용할 경우는 좌표성과의 정확성이 사용된 궤도력에 무관하게 4cm 정도였으나, 기준국으로부터의 기선거리에 비례하여 오차가 증대됨을 보였다. 초신속궤도력과 GIPSY를 이용하여 준실시간 데이터 처리를 할 때의 좌표성과의 정확성과 정밀도 모두 1.
1cm이다. 신속궤도력과 초신속궤도력의 경우 모두, 표준편차는 각 방향으로 1cm 이하로 본 연구의 좌표성과의 정밀도가 매우 높았다. 방송궤도력을 이용한 경우의 3차원 RMS 오차는 남-북 방향으로 3.
5cm 이내로 정확하게 산출되었음을 알 수 있다. 신속궤도력의경우 각 방향으로 모두 1cm 이내의 정확성을 보이고, 3차원 오차는 1.1 cm로 매우 정확함을 알 수 있다. 초신속궤도력또한 거의 신속궤도력의 정밀도에 근접하는 정확한 결과를 보였으며, 특히 남-북 방향 오차는 0.
1cm의 정확성을 얻을 수 있었다. 이들 연구결과를 토대로 측량을 비롯한 각종 응용분야에서 신속한 GPS 데이터 처리를 필요로 할 경우 GIPSY와 초신속궤도력을 이용하면 매우 높은 정확성과 정밀도의 좌표성과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
상용소프트웨어인 GPSurvey를 이용할 경우는 좌표성과의 정확성이 사용된 궤도력에 무관하게 4cm 정도였으나, 기준국으로부터의 기선거리에 비례하여 오차가 증대됨을 보였다. 초신속궤도력과 GIPSY를 이용하여 준실시간 데이터 처리를 할 때의 좌표성과의 정확성과 정밀도 모두 1.5cm 이하이며, 데이터 처리속도 또한 GPSurvey에 비하여 월등하게 빨랐다. 또한 2시간 간격으로 데이터 처리한 결과 수평 방향으로는 2cm 이내, 그리고 수직방향으로는 최대 5.
1 cm로 매우 정확함을 알 수 있다. 초신속궤도력또한 거의 신속궤도력의 정밀도에 근접하는 정확한 결과를 보였으며, 특히 남-북 방향 오차는 0.1cm이다. 신속궤도력과 초신속궤도력의 경우 모두, 표준편차는 각 방향으로 1cm 이하로 본 연구의 좌표성과의 정밀도가 매우 높았다.
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