위성을 이용한 측위 시스템인 광역위성항법시스템(GNSS : Global Navigation Satellite System)은 측량 및 항법 등에 정확한 위치, 속도 그리고 시간 정보를 제공함으로써 위치결정의 중요한 도구가 되어왔다. 미 국방성에 의해 개발되어 운용되고 있는 범세계적위치결정시스템인 GPS는 GNSS 시장에 독점적인 존재이므로, GNSS 사용자는 GPS에 의존할 수 밖에 없는 상황이다. 이런 독점 상황을 극복하기 위하여 러시아, 유럽 그리고 일본은 독자적인 위성항법시스템을 개발하기 시작하였다. 특히 유럽의 Galileo 시스템은 2008년 발사 목표로 진행되고 있다. 본 연구는 위성궤도를 생성하고 분석할 수 있도록 제작한 GIMS2005 프로그램을 이용하여 차세대 GNSS인 Galileo 시스템을 GPS와 비교 분석함에 있다. 본 실험은 GPS 단독 처리의 한계와 GPS/Galileo 결합 시스템의 이점을 인식할 수 있게 한다. 기하구조 분석은 가시위성수, 정밀도 저하율, 내부 신뢰도 그리고 외부 신뢰도를 GPS 단독 처리와 비교하여 분석된다.
위성을 이용한 측위 시스템인 광역위성항법시스템(GNSS : Global Navigation Satellite System)은 측량 및 항법 등에 정확한 위치, 속도 그리고 시간 정보를 제공함으로써 위치결정의 중요한 도구가 되어왔다. 미 국방성에 의해 개발되어 운용되고 있는 범세계적위치결정시스템인 GPS는 GNSS 시장에 독점적인 존재이므로, GNSS 사용자는 GPS에 의존할 수 밖에 없는 상황이다. 이런 독점 상황을 극복하기 위하여 러시아, 유럽 그리고 일본은 독자적인 위성항법시스템을 개발하기 시작하였다. 특히 유럽의 Galileo 시스템은 2008년 발사 목표로 진행되고 있다. 본 연구는 위성궤도를 생성하고 분석할 수 있도록 제작한 GIMS2005 프로그램을 이용하여 차세대 GNSS인 Galileo 시스템을 GPS와 비교 분석함에 있다. 본 실험은 GPS 단독 처리의 한계와 GPS/Galileo 결합 시스템의 이점을 인식할 수 있게 한다. 기하구조 분석은 가시위성수, 정밀도 저하율, 내부 신뢰도 그리고 외부 신뢰도를 GPS 단독 처리와 비교하여 분석된다.
Global Navigation Satellite System (GNSS) has become an indispensable tool for providing precise position, velocity and time information for many applications like traditional surveying and navigation etc. However, Global Positioning System (GPS), which was developed and is maintained and operated b...
Global Navigation Satellite System (GNSS) has become an indispensable tool for providing precise position, velocity and time information for many applications like traditional surveying and navigation etc. However, Global Positioning System (GPS), which was developed and is maintained and operated by the U.S. Department of Defence (DoD), has monopolized the world industry and market, and hence there exists the situation that most of GNSS users absolutely depend upon the GPS. In order to overcome the monopoly, some countries, such as Russia, Japan and European Union (EU), have developed their own GNSSs, so-called GLONASS, JRANS and Galileo systems. Among them, the most prospective system in near future is EU's Galileo system scheduled to launch in 2008. This research has focused on the next generation GNSS system based on GPS and Gralileo system with developing a GNSS simulation software, named as GIMS2005, which generates and analyzes satellite constellation and measurements. Based on the software, a variety of simulation tests have been carried out to recognize limits of GPS-only system and potential benefits of integrated GPS/Galileo positioning. Geometry simulation results have showed that comparing with GPS-only case, the number qf visual satellites, Dilution of Precision (DOP) values, internal reliabilities and external reliabilities.
Global Navigation Satellite System (GNSS) has become an indispensable tool for providing precise position, velocity and time information for many applications like traditional surveying and navigation etc. However, Global Positioning System (GPS), which was developed and is maintained and operated by the U.S. Department of Defence (DoD), has monopolized the world industry and market, and hence there exists the situation that most of GNSS users absolutely depend upon the GPS. In order to overcome the monopoly, some countries, such as Russia, Japan and European Union (EU), have developed their own GNSSs, so-called GLONASS, JRANS and Galileo systems. Among them, the most prospective system in near future is EU's Galileo system scheduled to launch in 2008. This research has focused on the next generation GNSS system based on GPS and Gralileo system with developing a GNSS simulation software, named as GIMS2005, which generates and analyzes satellite constellation and measurements. Based on the software, a variety of simulation tests have been carried out to recognize limits of GPS-only system and potential benefits of integrated GPS/Galileo positioning. Geometry simulation results have showed that comparing with GPS-only case, the number qf visual satellites, Dilution of Precision (DOP) values, internal reliabilities and external reliabilities.
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문제 정의
가시 위성 수 관측과 동일한 시간대에 부산 지역에 대한 정 밀도 저하율을 분석하여 위성의 기하 구조가 측량에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 먼저 GPS 단독 처리 시에는 정밀 도 저하율의 평균값이 2.
동일 시간대에 대한 내부 신뢰도 분석을 수행하여 기하학적 으로 관찰이 얼마나 잘 이루어졌는지 분석하였으며 과대오차 와 정오차를 검사하여 향후 제공될 Galileo 위성을 이용한 측 위가 부산 지역에서 어떤 영향을 미칠지에 대해서 분석하고자 하였다. 24시간 모니터링 한 결과 GPS 단독 처리 시에는 내부 신뢰도의 평균값 14.
본 연구에서는 과대 오차 로 인한 영향을 분석하기 위해 수평 외부 신뢰도와 수직 외부 신뢰도를 구분하여 분석하였다. 먼저 시간대를 동일하게 설정 하여 위성 수신 고도각을 10°와 30。로 구분하여 다양한 환경 에서 분석하고자 하였다.
본 논문에서는 GalHeo 시스템에 대한 영향을 분석하고자 상 용 프로그램이 아닌 MATLAB을 이용한 GNSS 분석 프로그램을 제작하였다. 개발한 프로그램의 명칭은 GIMS2005 (GNSS Integrity Monitoring Software 2005)로 명명하였다.
이런 과대 오차가 관측값에 미치는 영향의 크기로서 외부 신뢰도를 나타낸다. 본 연구에서는 과대 오차 로 인한 영향을 분석하기 위해 수평 외부 신뢰도와 수직 외부 신뢰도를 구분하여 분석하였다. 먼저 시간대를 동일하게 설정 하여 위성 수신 고도각을 10°와 30。로 구분하여 다양한 환경 에서 분석하고자 하였다.
현재 해상 항법 등에서도 널리 사용되고 있는 GPS는 미 국에 의한 기술적, 전략적 의존이 높은 현실이다. 이에 본 논 문은 이런 국제적 상황을 극복할 수 있는 Galileo 시스템을 국내 최초로 적용하여 분석하였다. 분석한 결과 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
1. 새로운 위성항법시스템을 적용하기 위해 GNSS 해석 프로그 램인 GIMS2005을 자체 개발하였다. 상업용 프로그램과 비교 검증하여 개발한 프로그램의 사용가능성을 입증하였다.
3. Galileo 위성의 실질적인 적용을 위해 부산지역에 대한 국 부적인 영향을 분석하였다. 24시간 모니터링을 통해 GPS/ Galileo 결합 시스템이 GPS 단독 처리에 비해 가시위성수 에서는 205.
이는 다른 궤도와 고도를 가지고 있는 GPS와 Galileo에 대해 기하 학적 구조를 분석하고 GPS와 Galileo GNSS의 영향을 분석할 수 있으며, 향후 우리나라에 미치는 영향을 분석 할 수 있다. Galileo 위성 배치는 3개의 원형궤도에 30개의 궤도 위성으 로 구성하였으며 적도면과 54° 경사각과 고도 23, 000km 그리고 위성의 궤도 주기는 14시간 21분 6초로 계획하였다.
또한 정확도 와 다른 의미인 신뢰도를 평가하여 본 논문에서 제시하는 성 과값이 실제 관측값과 일치할 수 있는 판단 기준으로 하였다. 내부 신뢰도를 평가하여 기하학적 관찰이 얼마나 잘 수행되었 는지 그리고 과대오차를 검출해 내고 정오차를 검사하는 능력 을 평가하였다. 마지막으로 검출되지 않는 오차가 관측값에 미치는 영향에 대해 분석하고자 외부 신뢰도를 평가하였다.
위성의 기하구조를 분석하기 위해 측점에서 먼저 위성 측량 이 가능하도록 할 수 있는 가시 위성 수를 분석하였고 이를 바탕으로 각 지점에서 생성한 DOP을 분석하였다. 또한 정확도 와 다른 의미인 신뢰도를 평가하여 본 논문에서 제시하는 성 과값이 실제 관측값과 일치할 수 있는 판단 기준으로 하였다. 내부 신뢰도를 평가하여 기하학적 관찰이 얼마나 잘 수행되었 는지 그리고 과대오차를 검출해 내고 정오차를 검사하는 능력 을 평가하였다.
내부 신뢰도를 평가하여 기하학적 관찰이 얼마나 잘 수행되었 는지 그리고 과대오차를 검출해 내고 정오차를 검사하는 능력 을 평가하였다. 마지막으로 검출되지 않는 오차가 관측값에 미치는 영향에 대해 분석하고자 외부 신뢰도를 평가하였다. 이는 다른 궤도와 고도를 가지고 있는 GPS와 Galileo에 대해 기하 학적 구조를 분석하고 GPS와 Galileo GNSS의 영향을 분석할 수 있으며, 향후 우리나라에 미치는 영향을 분석 할 수 있다.
먼저 GIMS2005를 검증하기 위해 상업용 소프트웨어와 비 교하였다. 사용한 프로그램은 Topcon사의 Pinacle 소프트웨어 이며, 검증의 신뢰성을 제공하기 위해 현재 추적 가능한 GPS almanac을 이용하였다.
먼저 대상 지역에서 관측 가능한 가시 위성 수를 분석하였다. 2시간 단위로 모니터링한 결과 GPS 단독 처리 시에는 하 루 평균 7.
먼저 GIMS2005를 검증하기 위해 상업용 소프트웨어와 비 교하였다. 사용한 프로그램은 Topcon사의 Pinacle 소프트웨어 이며, 검증의 신뢰성을 제공하기 위해 현재 추적 가능한 GPS almanac을 이용하였다.
GPS 위치결정 정확도는 위성의 기하학적 배치상태에 의존 한다. 새로이 추가되는 Galileo 위성의 기하 구조를 분석하기 위해 위성 수신 고도각 10°에 따른 전 세계에 걸친 정밀도 저 하율에 대하여 분석하였다.
위성의 기하구조를 분석하기 위해 측점에서 먼저 위성 측량 이 가능하도록 할 수 있는 가시 위성 수를 분석하였고 이를 바탕으로 각 지점에서 생성한 DOP을 분석하였다. 또한 정확도 와 다른 의미인 신뢰도를 평가하여 본 논문에서 제시하는 성 과값이 실제 관측값과 일치할 수 있는 판단 기준으로 하였다.
위성에 관한 변수는 GPS almanac과 생성한 Galileo almanac 를 각각 지정하여 준다. 이렇게 설계된 프로그램은 관측 조건의 변화에 민감히 대처할 수 있도록 설계하였으며, 설정된 변수들 에 의해 위성과 측점의 좌표를 산출할 수 있었으며, 그에 따른 의사거리, 가시 위성 개수, DOP, 내부 신뢰도 및 외부 신뢰도를 생성할 수 있었다.
Fig. 9는 위성 수신 고도각이 10。일 때의 DOP 수치를 채색 도 형식으로 도시하였다. GPS 단독 처리 시에는 대부분 지역 에서 5.
전세계에 걸쳐 경도, 위도 1°에 걸쳐 PDOP을 생성하였으며, 측정 위치의 고도는 동일하게 50m로 지정하였으며, 앙각 은 IV로 지정하여 비교 분석하였다. 특정시간을 지정하여 대표적인 네 곳의 PDOP 값을 표기 하였으며, 가장 큰 값을 나타내는 동북아시아의 Osora 지역에 대해서는 24시간 관측하여 시간대별로 그 성과값을 나타내었다.
측점에 대한 조건은 먼저 측점 고도를 타원체고 50.0m로 설 정하였고, 위성 수신 고도각은 10°와 30°로 변화를 주었으며 측점 간격은 경, 위도 1° 간격으로 생성하여 전 세계 어느 지 역에서든 성과값을 알 수 있도록 하였다.(Gunter, 1993; Steue et al, 2004; Lee, 2004)
전세계에 걸쳐 경도, 위도 1°에 걸쳐 PDOP을 생성하였으며, 측정 위치의 고도는 동일하게 50m로 지정하였으며, 앙각 은 IV로 지정하여 비교 분석하였다. 특정시간을 지정하여 대표적인 네 곳의 PDOP 값을 표기 하였으며, 가장 큰 값을 나타내는 동북아시아의 Osora 지역에 대해서는 24시간 관측하여 시간대별로 그 성과값을 나타내었다.
성능/효과
2. 범세계적인 기하 구조를 분석하기 위해 가시위성수, 정밀도 저하율, 내부신뢰도, 외부 신뢰도를 분석하였으며 GPS 단 독 처리에 의한 방법보다 GPS/Galileo 결합 형태가 안정적 인 위치 결정에 기여함을 알 수 있었다.
동일 시간대에 대한 내부 신뢰도 분석을 수행하여 기하학적 으로 관찰이 얼마나 잘 이루어졌는지 분석하였으며 과대오차 와 정오차를 검사하여 향후 제공될 Galileo 위성을 이용한 측 위가 부산 지역에서 어떤 영향을 미칠지에 대해서 분석하고자 하였다. 24시간 모니터링 한 결과 GPS 단독 처리 시에는 내부 신뢰도의 평균값 14.756m임을 알 수 있었으며, GPS/ Galileo 결합 시에는 평균 9.207m임을 알 수 있었다. 따라서 내부 신뢰 도에 있어 GPS/Galileo 결합 형태가 GPS 단독 처리보다 62.
Galileo 위성의 실질적인 적용을 위해 부산지역에 대한 국 부적인 영향을 분석하였다. 24시간 모니터링을 통해 GPS/ Galileo 결합 시스템이 GPS 단독 처리에 비해 가시위성수 에서는 205.45% 증가, 정밀도 저하율에서는 59.96% 향상됨 을 알 수 있었으며, 내부신뢰도는 62.40% 그리고 외부신뢰 도는 13.12% 수준임을 알 수 있었다.
먼저 대상 지역에서 관측 가능한 가시 위성 수를 분석하였다. 2시간 단위로 모니터링한 결과 GPS 단독 처리 시에는 하 루 평균 7.65개의 위성을 부산 지역에서 관측할 수 있었다. 하지만 GPS/Galileo 결합 시에는 205.
52임을 알 수 있었다. GPS/Galileo 시스템이 결합되었을 때, GPS 단독 처리 일 때 보다 하루 평균 59.96% 저감됨을 알 수 있었다.
207m임을 알 수 있었다. 따라서 내부 신뢰 도에 있어 GPS/Galileo 결합 형태가 GPS 단독 처리보다 62.40% 정도로 우수함을 알 수 있었다. 이는 단순히 가시 위성 수의 증대로 인한 위성 측량의 양적인 증대뿐만 아니라 과대 오차와 정오차를 소거 할 수 있는 질적인 증대를 증명한다.
가시 위성 수 관측과 동일한 시간대에 부산 지역에 대한 정 밀도 저하율을 분석하여 위성의 기하 구조가 측량에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 먼저 GPS 단독 처리 시에는 정밀 도 저하율의 평균값이 2.53임을 알 수 있었으며, GPS/Galileo 결합 시에는 정밀도 저하율의 평균값이 1.52임을 알 수 있었다. GPS/Galileo 시스템이 결합되었을 때, GPS 단독 처리 일 때 보다 하루 평균 59.
본 연구의 외부 신뢰도 분석 결과 수평 외부 신뢰도보다 수직 외부 신뢰도가 관측값에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 수직 외부 신뢰도가 2.
외부 신뢰도는 미지 변수 즉, 좌표, 변형변수의 추정값에 대해 발견할 수 없는 관측값의 과대오차의 영향을 설명한다. 부 산 지역에 대한 24시간 모니터링 한 결과 GPS 단독 처리 시 에는 평균 4.513m이었으며 GPS/Galileo 결합 시에는 평균 0.592m 임을 알 수 있었다.
새로운 위성항법시스템을 적용하기 위해 GNSS 해석 프로그 램인 GIMS2005을 자체 개발하였다. 상업용 프로그램과 비교 검증하여 개발한 프로그램의 사용가능성을 입증하였다.
20에서 도시하였다. 신뢰도가 2.0m에 해당하는 지역이 GPS 단독 처리 시는 99.42%로 대부분의 영역이지만, GPS/Galileo 결 합 관측 시에는 75.96%로 향상됨을 알 수 있었다.
12와 Fig. 13은 위성 수신 고도각이 10。와 30°일 때 GPS 단독 처리 시와 GPS/Galileo 결합 시의 VDOP 값을 도 시한 것으로 GPS 단독 처리보다 GPS/Galileo 결합이 VDOP 에서도 우수함을 알 수 있었다.
외부 신뢰도에 있어 GPS/Galileo 결합 시스템이 GPS 단독 처리 시보다 13.12% 정도의 값을 가짐을 알 수 있었다. Fig.
14는 전 세계에 걸쳐 경, 위도 1。씩에 해당하는 지점 즉, 64, 800 지점에 대해 평균 내부 신뢰도 값을 차지하는 지점 의 백분율로 도시하였다. 위성 수신 고도각이 10。일 때, GPS 단독 처리 시에는 10.0m 이하의 값을 가지는 지역이 100%에 가까웠지만 12.0m 이상의 값을 가지는 지역에서는 백분율이 현저히 적어짐을 알 수 있었다. 하지만, GPS/Galileo 결합 시 에는 대부분의 지역에서 10.
Fig. 6은 경, 위도 1°간격으로 총 64, 800점에 대하여 위성 수 신 고도각 10。일 때의 가시 위성 수를 나타내었으며 모든 지 역에서 GPS 단독 처리보다 GPS/Galileo 결합 형태가 두 배의 높은 값을 보임을 알 수 있다.
전 세계에 걸쳐 경, 위도 1。간격 즉, 64, 800 지점의 결과값을 생성하고 그에 따른 결과값을 백분율 로 표현하였다. 특히 수평 외부 신뢰도가 2.0m 값을 가지는 영역이 GPS 단독 처리 시에는 72.4%에 해당하지만 GPS/Galileo 결합 시에는 전 세계 지역에서 단지 1.5%만 해 당함을 알 수 있었다.
후속연구
따라서, 본 논문의 연구 결과는 향후 제공될 Galileo 시스템의 유용한 자료로 기대되며, 향후 Galileo 시스템의 다중 경로, 위성 궤도 오차 등과 같은 오차 원인에 대한 심화 연구가 수 행되어야 할 것이다.
마지막으로 검출되지 않는 오차가 관측값에 미치는 영향에 대해 분석하고자 외부 신뢰도를 평가하였다. 이는 다른 궤도와 고도를 가지고 있는 GPS와 Galileo에 대해 기하 학적 구조를 분석하고 GPS와 Galileo GNSS의 영향을 분석할 수 있으며, 향후 우리나라에 미치는 영향을 분석 할 수 있다. Galileo 위성 배치는 3개의 원형궤도에 30개의 궤도 위성으 로 구성하였으며 적도면과 54° 경사각과 고도 23, 000km 그리고 위성의 궤도 주기는 14시간 21분 6초로 계획하였다.
참고문헌 (13)
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