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문제 정의
- 본 연구에서는 L1 단일 주파수 수신기만을 이용하여 신속하고도 정밀한 측위가 가능하도록 하기 위한 대체 기법의 한 형태로 의사 거리의 측정 오차를 최소화하기 위해 반송파 측정 자료를 활용하 는 위상 가중 평활화(weighted phase smoothing)기법과 신호 끊김 현상(cycle slip)에 의한 자료 처리 오차를 보완하기 위한 위치 평활화(position domain smoothing) 기법을 적용하여 모호 정수를 결정 하지 않고도 측위 정확도 및 정밀도를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다.
- 이를 해결하기 위하여 대부분 이중 주파수(L1/L2)를 모두 수신할 수 있는 고가의 장비를 사용하고 있다. 이것은 두 개의 반송파 위상 자료를 이용하여 보다 신속하게 모호 정수를 결정하고, 두 위상 자료를 조합함으로써 대기에 의한 오차를 최대한 줄이거나 제거하기 위한 목적이다. 반송파 위상 자료 처리에 대한 기본적인 모델 및 모호 정수 결정 방법(Teunissen & Kleusberg 1997)들은 현재 까지도 지속적으로 연구되어지고 있다.
제안 방법
- 또한 본 논문에서는 위상신호 끊김 현상등 민감한 오차에 의한 자료 처 리 결과를 보완하기 위해 위치 평활화 기법을 적용하여 위상 가중 평활화 기법 적용에 의한 결과와 비교하 였다. 그리고 각 기선별 자료 처리에 대한 분석을 위해 평균 오차(mean error)와 표준 편차(standard deviation)를 계산하고, 다양한 결과에 대한 분석 및 부가적인 설명을 하였다.
- 대전 상시관측소 기준점으로부터 직선거리로 5km 떨어진 지점에서 10여분간의 관측된 자료를 이 용하여 위상가중 평활화 기법을 적용한 결과를 적용전 결과와 비교하였다. 그림 1은 도심지역에서 측정된 자료로써 신호 끊김 현상이 빈번히 발생했음을 자료 처리 결과로 알 수 있는데 신호 끊김 발 생시에는 그림 2처럼 위치 평활화 기법 적용이 더 안정적임을 알 수 있다.
- 각 기선별 자료 처리 결과, 전체적으로 위상 가중 평활화 기법 적용 후 향상된 정밀도를 보였지만 관측 환경이 좋지 않은 5km 지점과 10km 지점은 다른 지점(30km, 40km)보다 정밀도가 약간 더 떨어 짐을 알 수가 있었다. 또한 본 논문에서는 위상신호 끊김 현상등 민감한 오차에 의한 자료 처 리 결과를 보완하기 위해 위치 평활화 기법을 적용하여 위상 가중 평활화 기법 적용에 의한 결과와 비교하 였다. 그리고 각 기선별 자료 처리에 대한 분석을 위해 평균 오차(mean error)와 표준 편차(standard deviation)를 계산하고, 다양한 결과에 대한 분석 및 부가적인 설명을 하였다.
- 단기선(5km이하) 보다는 실제 필드에서 수행될 수 있는 중.장기선(5km, 10km, 30km, 40km, 150km)을 채택하여 대략 10여분간의 관측을 수행하였다. 각 지점에서 수신된 이중 주파수(L1/L2) 데이터를 모두 사용하여 상용 고정밀 GPS 자료처리 프로그램인 GPSURVEY Ver 2.
- 제안된 가중 평활화 기법의 상대 측위 정밀도를 비교 검증하기 위해 서로 다른 여러 기선을 설정하 여 자료 처리에 이용하였다. 단기선(5km이하) 보다는 실제 필드에서 수행될 수 있는 중.
대상 데이터
- GPS 관측 환경이 다른 지점보다 열악한 곳(도로 옆, 남쪽이 산으로 막힘)에서 관측된 자료를 이용하였다. 차량 등에 의한 다중 경로 오차와 주위의 다양한 환경적 요소로 인하여 자료 처리 결과(그 림 3, 4)가 좋지 않았으며, 관측치 자체의 질이 떨어지기 때문에 가중 평활화 기법을 사용해도 커다란 정밀도 향상효과가 나타나지 않았다.
- 3(Trimble 1999)에 의해 정밀한 위치해(그림 1〜 10에서 0지점을 의미)를 산출하고 본 논문에 서 제안한 L1 단일 주파수만을 활용한 가중 평활화 기법의 결과와 비교하였다. 상대 측위를 이용하여 관측 시간별(epoch-by-epoch) 자료 처리가 가능하도록 하기 위해, 본 논문에서 자료 처리에 사용 된 자료는 1Hz의 L1 위상 자료와 C/A 코드 자료이다.
데이터처리
- 장기선(5km, 10km, 30km, 40km, 150km)을 채택하여 대략 10여분간의 관측을 수행하였다. 각 지점에서 수신된 이중 주파수(L1/L2) 데이터를 모두 사용하여 상용 고정밀 GPS 자료처리 프로그램인 GPSURVEY Ver 2.3(Trimble 1999)에 의해 정밀한 위치해(그림 1〜 10에서 0지점을 의미)를 산출하고 본 논문에 서 제안한 L1 단일 주파수만을 활용한 가중 평활화 기법의 결과와 비교하였다. 상대 측위를 이용하여 관측 시간별(epoch-by-epoch) 자료 처리가 가능하도록 하기 위해, 본 논문에서 자료 처리에 사용 된 자료는 1Hz의 L1 위상 자료와 C/A 코드 자료이다.
이론/모형
- 한편, 다중 경로(multipath) 오차는 관측치 자체의 질(quality)을 감소시키기 때문에 위상 가중 평활화 기법만을 이용하여 정밀한 위치해를 구하는데 많은 영향을 미친다. 이러한 문제점을 해결하 기 위하여 상대 기선 성분만을 이용하는 위치 평활화 기법을 적용하였다. 식(4)는 GPS 관측치를 이 용하여 위치해를 구하는 일반적인 선형 방정식이며, 여기에서 H와 #는 각각 디자인 행렬과 관측 행 렬 이 다(Hofman-Wellenhof et al.
- 그러나 모호 정수를 결정하기 위해서는 많은 GPS 자료가 필요하고, 정확한 통계적 검증을 거 쳐야 하므로 자료 처리 시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 관측 자 료의 오차를 줄여 모호 정수 결정 기술과 유사한 결과를 얻기 위해서 위상 가중 평활화 기법이 적용 되었다. 코드의 의사 거리에 포함된 측정 오차를 최소화하기 위하여 위상 데이터를 이용한 위상 가중 평활화 기법이 적용된 의사 거리는 어느 시점(k)에서 다음과 같이 나타낼 수 있다(Benet al.
성능/효과
- 10km 지점의 자료 처리 결과, 평균 오차는 오히려 위상 가중 평활화 적용 이후 더 안 좋은 결과 가 산출되었고, 반면 표준 편차는 위상 가중 평활화 적용 이전에 0.8799에서 적용 이후 0.4157 그리 고 위치 평활화 기법을 적용한 결과 0.2042로 향상되었다.
- 40km 지점의 관측 자료를 이용한 처리 결과, 평균 오차는 이전 세 지점(5km, 10km, 30km)보다 가장 작게 산츨되었고, 표준 편차는 위상 가중 평활화 적용 이전에 0.6375에서 적용 이후 0.1063, 그 리고 위치 평활화 기법을 적용한 결과 0.1233로 향상되 었다.
- 5km지점의 자료 처리결과, 표준 편차는 위상 가중 평활화 적용 이전에 0.9162에서 적용 이후 0.3142 그리고 위치평활화 기법을 적용한 결과 0.1105로 향상되었다.
- GPS 관측 자료를 이용한 가중 평활화 기법 적용으로 L1 수신기만을 사용하는 상대측위에서도 1m 이내의 정밀도를 갖는 안정적인 결과를 얻을 수 있었다. 표 1의 자료 처리 결과에서 보듯이 비교 적 중.
- 각 기선별 자료 처리 결과, 전체적으로 위상 가중 평활화 기법 적용 후 향상된 정밀도를 보였지만 관측 환경이 좋지 않은 5km 지점과 10km 지점은 다른 지점(30km, 40km)보다 정밀도가 약간 더 떨어 짐을 알 수가 있었다. 또한 본 논문에서는 위상신호 끊김 현상등 민감한 오차에 의한 자료 처 리 결과를 보완하기 위해 위치 평활화 기법을 적용하여 위상 가중 평활화 기법 적용에 의한 결과와 비교하 였다.
- 기준점으로부터 직선거리로 대략 30km 지점으로 관측 환경이 비교적 좋은 곳에서 관측이 수행되 었으며 신호 끊김 현상과 GPS 위성의 변화 없이 자료가 전체적으로 안정적이었다. 30km 지점 자료 처리 결과(그림 5, 6)는 이전에 자료 처리된 두 지점(5km, 10km) 보다 상대적으로 기선 거리가 멀 지만 관측 환경이 좋기 때문에 안정적인 결과가 산출되었다.
- 즉, LI RTK에 있어서 40km 지점도 대기(이온층, 대류층)에 의한 오차만 충분히 보정된다면 좋은 결과를 산출할 수 있다. 상대적 으로 기선이 위의 세 지점보다 멀지만 가장 안정적인 결과를 산출하였다. 이처럼 실제 필드테스트 수행에 있어서 상대 기선 증가에 따른 여러 오차 요인뿐만 아니라 주위 환경에 의한 오차도 충분히 고려되어야 할 필요성이 있다.
- 장기선임에도 불구하고 대부분 각 성분별 평균 오차가 30cm 이내로 향상된 측위 정밀도를 보 였으며 특히 이러한 측위 정밀도 향상과 함께 주목할 것은 표준 편차의 급격한 감소이다. 위상 가중 평활화 기법 적용 후 표준 편차는 적용 전보다 50% 이상 향상되 었고, 위치 평활화 기법은 평균적으로 70 ~ 80%가 향상되 었다.
- 장기선인 150km지점의 자료 처리결과, 표준 편차는 위상 가중 평활화 적용 이전에 1.149에서 적 용 이후 1.017로 커다란 차이점이 없었고 그러나 위치 평활화 기법을 적용한 결과 0.1139로 많이 향상되었다.
- 좋은 관측 환경으로 인해 30km 지점의 자료 처리 결과, 표준 편차는 위상 가중 평활화 적용 이전 에 0.7739에서 적용 이후 0.2370, 그리고 위치 평활화 기법을 적용한 결과 0.0984로 향상되 었다.
- 30km 지점과 마찬가지로 안정적인 결과(그림 7, 8)를 보이고 있다. 즉, LI RTK에 있어서 40km 지점도 대기(이온층, 대류층)에 의한 오차만 충분히 보정된다면 좋은 결과를 산출할 수 있다. 상대적 으로 기선이 위의 세 지점보다 멀지만 가장 안정적인 결과를 산출하였다.
- GPS 관측 환경이 다른 지점보다 열악한 곳(도로 옆, 남쪽이 산으로 막힘)에서 관측된 자료를 이용하였다. 차량 등에 의한 다중 경로 오차와 주위의 다양한 환경적 요소로 인하여 자료 처리 결과(그 림 3, 4)가 좋지 않았으며, 관측치 자체의 질이 떨어지기 때문에 가중 평활화 기법을 사용해도 커다란 정밀도 향상효과가 나타나지 않았다.
후속연구
- 다양한 상대 기선 처리와 서로 다른 관측 환경이 오히려 자료 처리에 많은 도움을 주었으며 향후 많은 분야에 적용 가능할 것으로 판단된다. 그러나 아직도 많은 부분에 대해 보완해야 될 점이 있다.
- 또한 대기 모델(이온충, 대류층)에 대한 보다 정밀한 모델 개발이 필수적이며, 위의 고려 사항들 과 잘 접목이 된다면 충분히 LI RTK의 측위 정밀도를 개선시킬 수 있을 것이다. 앞에서 언급하였듯 이 위상 가중 평활화 기법은 모호 정수 결정으로 인한 결과 보다는 상대적으로 위치 결정 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
- 신호 끊김과 같은 현상에 민감하다는 유사성을 갖고 있지만, 본 논문에서는 그러한 부분을 위치 평활화 기법을 적용해 어느 정도 해결되었다고 판단된다. 앞으로 보다 향상된 위상 가중 평활화 기법과 위치 평활화 기법의 개발과 이들의 적절한 활용 방법에 대한 연구를 통해 더욱 향상된 측위 정밀도를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.
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