오늘날 자동차 네비게이션이나 측량 장치 등 정밀한 위치 정보가 5필요한 곳에 GPS(Global Positioning System) 수신기가 널리 사용되고있다. 그러나 용도에 따라 사용되는 GPS 수신기의 종류와 가격, 그리고 GPS 수신기가 가지는 오차율은 천차만별이다. 일반적인 GPS수신기는 수신율과 기상상태에 따라 다르기는 하지만, 대략 최대 30m까지의 오차범위를 가진다. 그에 비해 RTK(Real-Time Kinematic)와 DGPS (Differential Global Positioning System)장비는 높은 정확성을 가지는 반면 가격 부담으로 인해 일반인이 쉽게 이용할 수가 없는 단점을 가지고 있으며 장비들의 크기가 커서 휴대성도 떨어진다. 따라서 일반인들이 정밀 위치 정보를 사용하기 위해서는 낮은 가격, 휴대의 편리성을 갖추는 것이 중요하다. 본 논문에서는 DGPS 방식을 응용하여 일반 GPS 수신기보다 높은 정확도를 가지는 위치 정보를 제공하면서 PDA와 같은 보편화된 휴대 장비에서 사용 가능한 시스템을 제공하여 사용자 편리성을 증대시키는 방안을 제시한다.
오늘날 자동차 네비게이션이나 측량 장치 등 정밀한 위치 정보가 5필요한 곳에 GPS(Global Positioning System) 수신기가 널리 사용되고있다. 그러나 용도에 따라 사용되는 GPS 수신기의 종류와 가격, 그리고 GPS 수신기가 가지는 오차율은 천차만별이다. 일반적인 GPS수신기는 수신율과 기상상태에 따라 다르기는 하지만, 대략 최대 30m까지의 오차범위를 가진다. 그에 비해 RTK(Real-Time Kinematic)와 DGPS (Differential Global Positioning System)장비는 높은 정확성을 가지는 반면 가격 부담으로 인해 일반인이 쉽게 이용할 수가 없는 단점을 가지고 있으며 장비들의 크기가 커서 휴대성도 떨어진다. 따라서 일반인들이 정밀 위치 정보를 사용하기 위해서는 낮은 가격, 휴대의 편리성을 갖추는 것이 중요하다. 본 논문에서는 DGPS 방식을 응용하여 일반 GPS 수신기보다 높은 정확도를 가지는 위치 정보를 제공하면서 PDA와 같은 보편화된 휴대 장비에서 사용 가능한 시스템을 제공하여 사용자 편리성을 증대시키는 방안을 제시한다.
Nowadays, GPS is used widely, especially in case which needs precise position information, such as car navigation systems and various kinds of position measuring instruments in an outdoor environment. According to their applications, there are many kinds of GPS receivers with different costs and err...
Nowadays, GPS is used widely, especially in case which needs precise position information, such as car navigation systems and various kinds of position measuring instruments in an outdoor environment. According to their applications, there are many kinds of GPS receivers with different costs and error rates. The maximum error range of the general-purpose GPS receiver is within 30m, though the error rate depends on receiving rate of signal and weather condition. RTK(Real-Time Kinematic) and DGPS(Differential Global Positioning System) have more precise accuracy than the general-purpose GPS. However end users can't afford use them because of their high price and large size of equipments. In order for the end user to obtain precise position information, it is important that GPS receivers has portability and low price. In this study, we introduce a new system that offers precise position information using the DGPS mechanism satisfying low cost and portability.
Nowadays, GPS is used widely, especially in case which needs precise position information, such as car navigation systems and various kinds of position measuring instruments in an outdoor environment. According to their applications, there are many kinds of GPS receivers with different costs and error rates. The maximum error range of the general-purpose GPS receiver is within 30m, though the error rate depends on receiving rate of signal and weather condition. RTK(Real-Time Kinematic) and DGPS(Differential Global Positioning System) have more precise accuracy than the general-purpose GPS. However end users can't afford use them because of their high price and large size of equipments. In order for the end user to obtain precise position information, it is important that GPS receivers has portability and low price. In this study, we introduce a new system that offers precise position information using the DGPS mechanism satisfying low cost and portability.
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문제 정의
따라서 모든 기준국에서 방송하는 RTCM 데이터를 서버가 대신하여 제공할 수 있기 때문에 일반 사용자는 RTCM 데이터 수신을 위한 DGPS장비나, 비콘 수신기를 가지고 있지 않아도 그 데이터를 획득할 수가 있다[7]. DGPS에 있어 기준국과 이동하는 수신기간의 거리가 짧을수록 오차를 줄일 수 있어 정밀도가 증가하기 때문에 클라이언트와 가장 근접한 곳의 RTCM 데이터를 제공해주는 것이 유리하다⑻.
일반 GPS수신기 만을 사용해서는 원하는 정밀도를 얻기 위해서는 기존 기준국에서 제공하는 RTCM 데이터를 활용해야 하는데, 수신기의 거리가 기준국으로부터 떨어져 있으면 정확성이 떨어진다. 따라서 본 논문에서는 휴대성을 높이기 위하여 CDMA 무선망을 통하여 RTCM 데이터를 PDA로 전송할 수 있도록 하며 또한 정밀도를 높이기 위하여 각 기준국(전국 11개국) 가까이에서 비콘 수신기로 RTCM 데이터를 획득하여 서버로 전송하면, 서버는 GPS 수신기의 요청에 따라 가장 가까운 기준국의 RTCM 데이터를 전송해 주면 이를 활용하여 정밀 위치 보정을 할 수 있도록 하는 시스템을 제안하고 그 성능을 실제 상황에서 검증해 보고자 한다. 은 DGPS기법을 응용하여 5m이내의 정밀 위치 정보를 저가형 장비로 얻을 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
오차의 원인을 살펴본다. 또한 이러한 일반 GPS를 개선하기 위해 사용하고 있는 DGPS와 RTK의 원리와 그 단점에 대하여 알아본다.
본 장에서는 DGPS 기법을 응용하여 새롭게 디자인한 시스템을 제안하고 일반 GPS 시스템과 비교했을 때 어떠한 성능 차이가 있는지 보인다.
이때 데이터의 관리 기준은 기준국의 ID로 관리되며 ID로서 해당 기준국의 위치를 파악하게 된다. 비콘수신기와 서버는 블루투스 무선 네트웤 (Bluetooth Wireless Network)을 사용하여, 비콘 수신기를 설치하는데 있어 제약사항들을 줄이고자 하였다. 기준국 별로 RTCM 데이터를 관리하는 이유는 PDA로 자신의 위치를 측정하고자 하는 이용자가 자신의 위치정보를 CDMA 무선 네트워크를 통해 서버로 전송하게 되면 서버는 그 이용자와 가장 가까이 위치한 기준국을 선택하여 그 기준국으로부터 수신한 RTCM데이터를 이용자에게 전송할 수 있기 때문이다.
따라서 본 논문에서는 휴대성을 높이기 위하여 CDMA 무선망을 통하여 RTCM 데이터를 PDA로 전송할 수 있도록 하며 또한 정밀도를 높이기 위하여 각 기준국(전국 11개국) 가까이에서 비콘 수신기로 RTCM 데이터를 획득하여 서버로 전송하면, 서버는 GPS 수신기의 요청에 따라 가장 가까운 기준국의 RTCM 데이터를 전송해 주면 이를 활용하여 정밀 위치 보정을 할 수 있도록 하는 시스템을 제안하고 그 성능을 실제 상황에서 검증해 보고자 한다. 은 DGPS기법을 응용하여 5m이내의 정밀 위치 정보를 저가형 장비로 얻을 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
테스트 프로그램은 NMEA 데이터 파싱을 통해 얻은 경위도 좌표를 TM127 좌표로 변환하였다[10]. 이는 지역 상시관측소의 절대좌표와의 거리를 측정하여 데이터의 오차를 확인하고자 함이다. (그림 9) (b)는 실험을 위해 제작한 GPS 장비로서 GPS 수신기와 PDA는 블루투스 네트워크를 통해 데이터의 송수신이 이루어지므로 편리한 테스트가 가능하다.
제안 방법
GPS 수신기기가 제공한 파싱되지 않은 형태의 NMEA 데이터를 수신하여, 위성의 정보, 수신기의 위치 정보 등을 얻어내기 위한 NMEA 데이터 파싱을 수행하게 된다. 파싱된 위치 정보는 나중에 서버로 클라이언트 자신의 현재 위치 정보를 제공하기 위해 사용되며 DGPS 정보 생성 시 향상된 정밀도의 위치 정보를 확인하는데 사용된다.
보정값으로 수신하였다. 그리고 위치 측정을 위한 GPS 데이터 수신 실험은 경일대학교에 있는 상시관측소(위도 : 35-54-22.7033, 경도: 128-48-07.081& GRS 80 타원체기준[9])에서 측정하였다. (그림 9)의 (a)는 GPS의 데이터 수신을 확인하기 위해 제작한 프로그램의 인터페이스이다.
기존 시스템에서는 여러 개의 기준국으로부터 수신한 데이터를 취합하여 단순히 클라이언트에 RTCM 데이터를 제공하는 방식이지만 본 논문에서 제안하는 시스템에는 RTCM 데이터의 무결성을 실시간으로 검사하여 오차정보를 더욱 향상 시키고자 한다[9].
실험은 일반 GPS를 사용한 경우와, 일반 DGPS장비를 사용한 경우, 그리고 제안한 시스템으로 구성한 DGPS 시스템을 사용한 경우에 대하여 실시하였다. 일반 GPS를 사용했을 경우의 데이터 분포도는 (그림 10)의 (a)와 같이 나타났으며 오차의 평균은 3.
이 장에서는 GPS 수신기가 위성으로부터 신호를 수신하여 자신의 위치 데이터를 얻게 되는 원리와 GPS 수신기가 출력하는 위치 데이터가 실제 위치 데이터와 비교했을 때 발생하는 오차의 원인을 살펴본다. 또한 이러한 일반 GPS를 개선하기 위해 사용하고 있는 DGPS와 RTK의 원리와 그 단점에 대하여 알아본다.
제안하는 시스템은 정밀 위치 정보 획득을 위해 서버, 클라이언트(PDA), RTCM 수신부로 구성된다. 먼저 서버는 여러 비콘 수신기로부터 RTCM 데이터를 수신하여 이를 기준국 별로 관리를 하며 이렇게 수집된 RTCM 데이터를 필요로 하는 클라이언트로 전송하는 역할을 한다.
(그림 9)의 (a)는 GPS의 데이터 수신을 확인하기 위해 제작한 프로그램의 인터페이스이다. 테스트 프로그램은 NMEA 데이터 파싱을 통해 얻은 경위도 좌표를 TM127 좌표로 변환하였다[10]. 이는 지역 상시관측소의 절대좌표와의 거리를 측정하여 데이터의 오차를 확인하고자 함이다.
대상 데이터
RTCM 데이터는 연속적인 이진데이타열(binary data stream)로써 크게 헤더 (header)와 몸체(body)로 구성된다. <표 1>은 헤더의 필드들을 설명하고 있는데 이중 Station Number는 각 기준국에 할당된 ID로서 이를 통해 기준국을 구별하게 된다.
본 논문에서 제안한 시스템의 성능 테스트를 위한 실험은 영남대학교 내에 비콘 수신기를 설치하고, 여기에서 가장 가까운 기준국인 호미곶 기준국 (ID: 732)에서 방송하는 RTCM데이터를 보정값으로 수신하였다. 그리고 위치 측정을 위한 GPS 데이터 수신 실험은 경일대학교에 있는 상시관측소(위도 : 35-54-22.
성능/효과
기존의 일반 DGPS 장비는 (그림 11)과 같은 분포를 가졌으며, 오차평균은 1.848m, 최대 오차값은 2.79m, 2dRMS (95%)는 2.648m로 나타났다. 본 논문에서 제안한 시스템의 경우 데이터 분포는 (그림 12)와 같이 나타났으며, 오차평균은 1.
수 있다. 또한 제안한 DGPS를 사용했을 경우와 일반 DGPS를 사용한 경우를 비교해 보면 평균오차는 약 25% 감소, 최대 오차는 약14% 증가, 2dRMS는 약 13% 감소함을 알 수 있다. 물론 위의 자료들은 한 측정점을 대상으로 한 자료이므로 일반적인 결론을 내릴 수 없겠지만, 제안한 시스템의 성능을 확인할 수 있는 근거는 충분히 된다고 판단된다.
또한 제안한 DGPS를 사용했을 경우와 일반 DGPS를 사용한 경우를 비교해 보면 평균오차는 약 25% 감소, 최대 오차는 약14% 증가, 2dRMS는 약 13% 감소함을 알 수 있다. 물론 위의 자료들은 한 측정점을 대상으로 한 자료이므로 일반적인 결론을 내릴 수 없겠지만, 제안한 시스템의 성능을 확인할 수 있는 근거는 충분히 된다고 판단된다.
648m로 나타났다. 본 논문에서 제안한 시스템의 경우 데이터 분포는 (그림 12)와 같이 나타났으며, 오차평균은 1.392m, 최대 오차값은 3.182m, 2dRMS(95%)는 2.307m 로 나타났다.
본 연구에서는 휴대성을 높이기 위하여 CDMA 무선망을 통하여 RTCM 데이터를 PDA로 전송할 수 있도록 하며 또한 정밀도를 높이기 위하여 각 기준국(전국 11개국) 가까이에서 비콘 수신기로 RTCM 데이터를 획득하여 서버로 전송하면, 서버는 GPS 수신기의 요청에 따라 가장 가까운 기준국의 RTCM데이터를 전송해 주면 이를 활용하여 정밀 위치보정을 할 수 있도록 하는 시스템을 제안였으며, 그 성능을 실제 상황에서 검증해 본 결과, 5m이내의 정밀 위치 정보를 저가형 장비로 얻을 수 있었다.
연구의 초점은 낮은 가격으로 최대의 정밀도를 얻을 수 있도록 GPS 시스템을 구성하는데 맞추었으며, 실험 결과에서 보듯이 제안된 시스템은 기존의 DGPS를 이용한 시스템보다 더 우수하거나 최소한 유사한 성능을 보인다. 그런데 제안한 DGPS 시스템의 경우는 가격적 측면에서 일반 DGPS 보다 훨씬 저렴하게 시스템을 구축할 수 있다.
위의 결과에서 보는바와 같이 DGPS 시스템은 일반 GPS 보다 오차평균에 있어서 2배 이상의 효과를 내는 것을 확인할 수 있다. 또한 제안한 DGPS를 사용했을 경우와 일반 DGPS를 사용한 경우를 비교해 보면 평균오차는 약 25% 감소, 최대 오차는 약14% 증가, 2dRMS는 약 13% 감소함을 알 수 있다.
그런데 제안한 DGPS 시스템의 경우는 가격적 측면에서 일반 DGPS 보다 훨씬 저렴하게 시스템을 구축할 수 있다. 즉, 보편화된 휴대 장비인 PDA를 사용함에 따라 장비비용을 경감시킬 수 있고 휴대성 및 이동성을 향상 시킬 수 있다. CDMA망을 이용함에 따라 통신거리 제약에 따른 측정불능지역을 제거할 수가 있다.
후속연구
또한 이동성과 휴대성 향상으로 작업의 능률이 향상될 것이며 정밀위치 측정 장비의 보급확대에 기여할 수가 있다. 특히 최근에 널리 보급되고 있는 PDA를 사용하여 정밀 위치 정보 서비스를 낮은 가격으로 제공할 수 있게 되었으며, 본 연구에서 제안한 시스템 구성을 따른다면 PDA를 가지고 있는 누구라도 쉽게 정밀 위치정보 서비스를 받을 수 가 있다.
추 후 고려해야할 사항이다. 향후 연구로는 위의 시스템에 GIS개념을 도입하는 것이다. 현재 자동차 네비게이션에서 널리 사용하고 있는 수치지형도를 사용한 맵매칭 방식을 적용하여 더욱 정밀한 좌표를 얻는 방안을 제시한다면 여러 방면에 유용하게 활용 될 것으로 판단된다.
향후 연구로는 위의 시스템에 GIS개념을 도입하는 것이다. 현재 자동차 네비게이션에서 널리 사용하고 있는 수치지형도를 사용한 맵매칭 방식을 적용하여 더욱 정밀한 좌표를 얻는 방안을 제시한다면 여러 방면에 유용하게 활용 될 것으로 판단된다.
참고문헌 (11)
Ahmed El-Rabbany, 'Introduction To GPS', Artech House Boston . London, pp.27-46, pp,101-115, 1996.
Philip Moore and Peter Crossley, 'GPS applications in power systems. I. Introduction to GPS', Power Engineering Journal, Vol.13, pp.33-39, 1999
Will E. Featherstone, 'A compendium of earth constants relevant to Australian geodetic science', Geomatics Research Australasia No.64, pp.65-74, 1996
Fell, F, 'Preliminary comparisons of the WGS84(EGM 96) geoid with national vertical datums', MTS/IEEE Conference and Exhibition, Vol.1, pp.571-574, 2001
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