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문제 정의
- 본 연구는 MIT공대와 Scrips해양연구소가 학술연구용 소프트웨어로 공동 개발한 GPS 정밀기선해석과 3차원망조정의 GAMIT/GLOBK, 그리고 Leica 회사가 상용 소프트웨어로 개발한 LGO(Leica Geo Office)를 사용하여 국내 상시관측소(43개소)에서 관측된 GPS자료를 GPS연속관측시간대 및 기선거리, GPS위성궤도정보의 정밀궤도력과 방송궤도력, 그리고 각각의 학술연구용 및 상용소프트웨어 별로 좌표를 계산한 후에 성과변동량을 비교ㆍ분석하여 이를 기초로 GPS Network구축, 관측방법, 소프트웨어 사용 등과 같은 기준점 위치 결정시의 체계성 확립 도출을 목적으로 한다.
- 변동량은 상기한 바와 같이 GPS상시 96시간 연속 자료를 IGS 최종 정밀궤도력으로 GAMIT/GLOBK 소프트웨어에 의해 결정된 좌표값(XYZ)을 기준하였으며, GPS 관측시간을 변화시키면서 학술용 및 상용 소프트웨어별 비교, 정밀궤도력 및 방송궤도력 위성궤도 정보별 비교 등 다양한 유형으로 각각 계산하여 변동 벡터값을 산출하였다. 본 연구에서는 위 3가지 요소들이 GPS위치관측 정확도 확보와의 관계에서 그 영향성이 어느 정도 인지를 분석하기 위하여 수행하였다.
- 본 연구는 GPS를 활용한 장기선 측량에서 위치정확도 확보를 위한 방법도출을 목표로 수행되었으며 전국에 분포 되어있는 43개소의 위성기준점 GPS 상시관측 자료를 4일 96시간 동안 취득하여 GPS 연속관측 시간을 24시간, 전반 12시간(0~12), 후반12시간(12~24), 6시간, 3시간의 6가지 유형으로 모형 자료를 구성하여 각각의 조건에 따른 정확도의 분석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 본 연구에서의 비교·검토기준이 되는 기준좌표계산은 정밀성을 고도화시키기 위하여 전체 96시간 GPS 연속 관측자료를 사용, 수원(SUWN)위성 기준점 고시성과를 고정으로, 학술 소프트웨어 GAMIT/GLOBK에 의하여 정밀 기선해석과 3차원 망조정 계산을 실시하여 43개소의 위성기준점 좌표(XYZ)를 결정(GAMIT/GLOBK에 의한 기준좌표)하였다.
- 본 연구에서는 전국에 분포되어 있는 43개소의 위성 측량기준점을 선정하여 network으로 연결하는 장기선의 광역 기선망을 구성하고, 이들 기준점에서 상시 취득된 96시간(4일) 연속 관측자료를 추출하여 관측시간대별(96시간, 24시간, 12시간, 6시간, 3시간)로 수원(Suwn) 위성 기준점을 고정점으로 한 기선해석과 망조정 계산을 실시하였으며 이에 대한 각각의 관측시간대별 좌표의 변동량을 비교하였다. 이들 자료에 대한 기선해석과 3차원망조정 계산에는 학술용 GAMIT/GLOBK 소프트웨어와 상업용 LGO 소프트웨어가 활용되었다.
- 이들 자료에 대한 기선해석과 3차원망조정 계산에는 학술용 GAMIT/GLOBK 소프트웨어와 상업용 LGO 소프트웨어가 활용되었다. 이때 GPS궤도위치정보는 측량분야에서 상용되고 있는 방송궤도력과 장기선 국가기본측량(전자기준점 및 통합기준점) 및 학술연구용 등에 사용되고 있는 정밀궤도력으로 구분하여 각각의 학술용 및 상용 소프트웨어에 의해 계산하였고 그 흐름은 그림 1에 나타나 있다.
- GPS 연속관측시간량 및 시간대에 따른 결정위치의 정확성과 사용 소프트웨어에 따른 좌표변동량을 비교·분석하기 위하여 4일간의 연속 관측자료 중에 첫 번째 날(율리우스일 296) 자료를 24시간, 전반12시간(0~12시), 후반12시간(12~24시), 6시간(09~15시), 3시간(10시30분~13시30분)의 다양한 연속관측시간대별로 모형 자료를 선정하여 각기 학술용과 상용 소프트웨어에 의한 기선해석과 망조정 계산을 실시하였다.
- 기선해석이 완료되고 최종해를 결정한 후, 수원위성 기준점을 고정점으로 한 GLOBK 소프트웨어에 의한 망조정 계산을 실시하여 3차원 좌표(XYZ)를 산출하였다. 실용에서 필요한 경도, 위도, 타원체고 및 평면직교좌표는 상기한 3차원좌표에서 변환된 좌표값을 사용하고 있다.
- GPS 연속관측시간량 및 시간대에 따른 결정위치의 정확성과 사용 소프트웨어에 따른 좌표변동량을 비교·분석하기 위하여 4일간의 연속 관측자료 중에 첫 번째 날(율리우스일 296) 자료를 24시간, 전반12시간(0~12시), 후반12시간(12~24시), 6시간(09~15시), 3시간(10시30분~13시30분)의 다양한 연속관측시간대별로 모형 자료를 선정하여 각기 학술용과 상용 소프트웨어에 의한 기선해석과 망조정 계산을 실시하였다. 또한 GPS위성궤도 오차에 다른 기준점위치 변동량을 연구하기 위하여 상용 소프트웨어 사용에서는 정밀궤도력과 방송궤도력을 구분하여 기선해석과 망조정계산을 실시하였다. 한편 위성관측자료의 취득 조건은 위성고도 15°, 자료 취득 간격을 30초로 일정하게 하였다.
- GPS에 의한 망조정을 산출할 때 기지점인 고정점 수가 위치결정의 정확성에 미치는 영향을 분석하기 위해서 전체 작업지구에서 외곽지점 위성기준점 4점 (수원, 부산, 강릉, 장흥)을 고정점으로, 24시간 모형 관측자료에 의해 정밀궤도력, 방송궤도력, 학술연구용과 상용 소프트웨어로 구분한 좌표를 계산하였다. 이와 같이 다양한 유형에서 계산된 모든 좌표를 3차원 위치(XYZ)로 산출하였으며, 결과 자료는 연속관측시간대모형으로 구분한 위성궤도 정보와 사용 소프트웨어별로 정리하였다.
- GPS에 의한 망조정을 산출할 때 기지점인 고정점 수가 위치결정의 정확성에 미치는 영향을 분석하기 위해서 전체 작업지구에서 외곽지점 위성기준점 4점 (수원, 부산, 강릉, 장흥)을 고정점으로, 24시간 모형 관측자료에 의해 정밀궤도력, 방송궤도력, 학술연구용과 상용 소프트웨어로 구분한 좌표를 계산하였다. 이와 같이 다양한 유형에서 계산된 모든 좌표를 3차원 위치(XYZ)로 산출하였으며, 결과 자료는 연속관측시간대모형으로 구분한 위성궤도 정보와 사용 소프트웨어별로 정리하였다.
- 변동량은 상기한 바와 같이 GPS상시 96시간 연속 자료를 IGS 최종 정밀궤도력으로 GAMIT/GLOBK 소프트웨어에 의해 결정된 좌표값(XYZ)을 기준하였으며, GPS 관측시간을 변화시키면서 학술용 및 상용 소프트웨어별 비교, 정밀궤도력 및 방송궤도력 위성궤도 정보별 비교 등 다양한 유형으로 각각 계산하여 변동 벡터값을 산출하였다. 본 연구에서는 위 3가지 요소들이 GPS위치관측 정확도 확보와의 관계에서 그 영향성이 어느 정도 인지를 분석하기 위하여 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 전국에 분포되어 있는 43개소의 위성 측량기준점을 선정하여 network으로 연결하는 장기선의 광역 기선망을 구성하고, 이들 기준점에서 상시 취득된 96시간(4일) 연속 관측자료를 추출하여 관측시간대별(96시간, 24시간, 12시간, 6시간, 3시간)로 수원(Suwn) 위성 기준점을 고정점으로 한 기선해석과 망조정 계산을 실시하였으며 이에 대한 각각의 관측시간대별 좌표의 변동량을 비교하였다. 이들 자료에 대한 기선해석과 3차원망조정 계산에는 학술용 GAMIT/GLOBK 소프트웨어와 상업용 LGO 소프트웨어가 활용되었다. 이때 GPS궤도위치정보는 측량분야에서 상용되고 있는 방송궤도력과 장기선 국가기본측량(전자기준점 및 통합기준점) 및 학술연구용 등에 사용되고 있는 정밀궤도력으로 구분하여 각각의 학술용 및 상용 소프트웨어에 의해 계산하였고 그 흐름은 그림 1에 나타나 있다.
성능/효과
- GPS연속수신시간대를 모형별로 구성한 24시간, 전반 12시간(0시~12시), 후반12시간(13시~24시), 6시간, 3시간을 각기 별도로 기선해석과 망조정을 계산한 결과, 연속관측 시간대의 동일조건(자료수신간격 30초)에서 수신된 자료의 수량, 즉 GPS 수신 시간량에 따라 위치관측정확도가 변화되는 것을 알 수 있었다.
- 수신시간 24시간과 후반 12시간에서는 조정 변동량이 0.46cm와 0.64cm로 좌표값의 변화가 거의 없었으며, 전반 12시간, 6시간, 3시간으로, GPS연속수신시간을 반감시키는데 따른 조정 변동량은 1.0cm, 1.3cm, 2.6cm로 증가되는 현상이 나타났다. 특히 3시간대에서는 크게는 무주(MUJU)기준점이 7cm까지의 오차가 발생하였으며 전반적인 오차는 불규칙하게 분포되는 것으로 나타났다.
- 이는 24시간에 1점의 고정점(수원)을 둔 경우와 비교할 때 각 관측점 및 전체관측점 변동량이 미세한 차이로 거의 동일하게 좌표가 산출되었다는 것을 나타낸다. 이러한 결과 고정점의 수량과 배치가 전체 정확도에 미치는 영향이 거의 없다는 것이 확인되었다. 위와 같은 분석결과가 시사하는 바와 같이 학술용 소프트웨어에 의한 GPS 장기선 network에서 GPS 연속관측 시간량을 감소시킴에 따른 결과좌표의 변동량, 즉 오차분포는 크기가 증가되는 현상이 발생하였으며, 특이한 점은 고정점 수의 증가에 따른 결과의 변동량이 미세하다는 것이다.
- 이러한 결과 고정점의 수량과 배치가 전체 정확도에 미치는 영향이 거의 없다는 것이 확인되었다. 위와 같은 분석결과가 시사하는 바와 같이 학술용 소프트웨어에 의한 GPS 장기선 network에서 GPS 연속관측 시간량을 감소시킴에 따른 결과좌표의 변동량, 즉 오차분포는 크기가 증가되는 현상이 발생하였으며, 특이한 점은 고정점 수의 증가에 따른 결과의 변동량이 미세하다는 것이다.
- GPS수신시간대 모형자료는“나”항과 동일하게 하고, 상용 소프트웨어 사용과 위성궤도정보의 방송궤도력 적용에 따른 변동량 분석에서는“나”항의 정밀궤도력 사용과 미세한 차이로 거의 동일하게 한 경우 좌표 결과값의 산출은 정밀궤도력과 방송궤도력이 동일 수신시간대에 복수의 GPS 장비를 설치하는 상대위치관측방법에서 각기 관측점간 기선해석 벡터값 산출에 큰 영향이 없음을 알 수 있다.
- 그림 10과 같이 전체 43개소 기준점을 삼각형으로 구성하고 기선을 선택하여 상용소프트웨어로 해석·망조정 계산을 한 결과는 전체기선해석보다 조정 변동량에서 5.8cm로 정확도는 저하되는 현상을 확인하였다.
- 그러나 동일 자료를 상용소프트웨어로 처리한 경우는 시간대 모형에 관계없이 6cm이내, 변동량이 큰 곳은 10cm이상인 곳도 있다. 이러한 결과를 통해 학술연구용 소프트웨어는 GPS시간대 설정이 정확도 확보에 절대적 영향을 미치지만, 상용 소프트웨어는 광역 지역 간 장기선처리에서 한계성이 이 있음이 확인되었다.
- 그림 3에서 6까지는 학술용 소프트웨어의 경우 연속 관측 12시간 그리고 6시간까지는 조정변동량이 약간씩 증가하면서 불규칙하게 발생하였으나 그림 3과 같이 3시간대에서는 급격하게 변동량 크기가 증가되는 현상을 확인할 수 있다. 그림 7과 8의 24시간 연속관측에서 학술용 소프트웨어에서는 고정점수에 관계없이 전체 기준점의 좌표가 2cm이내의 변동량 갖는 것으로 나타났으나 상용소프트웨어는 고정점수와 정밀궤도력, 방송궤도력 구분에 관계없이 변동량분포가 크고 불규칙하게 나타났다. 그러나 상용소프트웨어는 연속관측시간대와 무관하게 조정변동량이 큰 것을 알 수 있다.
- 상용 소프트웨어 사용의 동일한 조건에서 정밀궤도력과 방송궤도력을 각기 적용하여 변동량을 분석한 결과, 그럼 3에서 9에 나타난 바와 같이 그 결과값은 거의 동일한 것을 확인되었다. 이것은 GPS장비의 사용 그리고 상대위치관측으로 해석되는 기선벡터값에 의해 위치를 결정하는 GPS측량 방식에서, 상용소프트웨어를 사용한 경우 위성궤도정보의 정밀궤도력과 방송궤도력에 의한 변동량 비교 차는 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다.
- 상용 소프트웨어 사용의 동일한 조건에서 정밀궤도력과 방송궤도력을 각기 적용하여 변동량을 분석한 결과, 그럼 3에서 9에 나타난 바와 같이 그 결과값은 거의 동일한 것을 확인되었다. 이것은 GPS장비의 사용 그리고 상대위치관측으로 해석되는 기선벡터값에 의해 위치를 결정하는 GPS측량 방식에서, 상용소프트웨어를 사용한 경우 위성궤도정보의 정밀궤도력과 방송궤도력에 의한 변동량 비교 차는 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다.
- GPS연속관측 12시간에 대한 전체기선해석에 의한 학술용 및 상용 소프트웨어별 변동량 비교는 상기 설명한 바와 같이 조정 1.0cm와 5.3cm로 정확성에 많은 차이가 나타남을 확인할 수 있었다. 그림 10과 같이 전체 43개소 기준점을 삼각형으로 구성하고 기선을 선택하여 상용소프트웨어로 해석·망조정 계산을 한 결과는 전체기선해석보다 조정 변동량에서 5.
- 3. 학술용 소프트웨어에 의한 결과값은 GPS관측시간이 12시간 이상이면 전체 조정변동량이 1cm이내로 발생되는 것을 확인하였으나, 동일 자료를 상용소프트웨어로 기선해석·망조정 계산한 경우에는 시간대에 관계없이 43점 전체의 조정변동량이 크기가 불규칙한 분포로 발생하였으며, 그 크기는 약 3cm 정도에서 최대 10cm 이상의 값으로도 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
- 이와 같은 결과는 GPS위치결정에서 전체기선해석에 의한 망조정 계산이 본 연구에서 선택한 기선해석 방법보다 정확도가 높다는 것을 알 수 있었다.
- 1. 학술용 소프트웨어(GAMIT/GLOBK) 사용의 경우 24시간과 후반 12시간에서는 전체기준점이 2cm 미만의 변동량분포를 나타냈으나, 전반 12시간과 6시간, 3시간으로 GPS 관측 자료량이 반감되는데 따른 변동량은 점차 증가되었다. 특히 3시간대에서는 크게 5~6cm까지의 불규칙한 변동량 분포를 확인하였다.
- 상용소프트웨어(LGO)의 사용에서는 시간모형에 따른 전체 유형에서 오차분포가 큰 곳은 최대 10cm이상까지 불규칙하게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 다만, LGO는 연구범위 외곽지역에 4점의 고정점(기지점)을 두고 기선해석 및 망조정 계산을 수행한 경우에는 43점의 조정변동량이 3cm까지 줄어드는 것으로 나타나고 있다.
- 상기한 결과에 따라 소요 정확도에 의한 GPS 수신 관측시간이 결정되어야 하며. 약 30km이상의 GPS 관측망이 구성되는 기준점 등의 측량에서는 최소한 6시간 이상의 GPS연속관측자료가 필요할 것으로 판단되었으며, GPS 장기선관측망계산에서 LGO의 사용이 불가피한 경우 작업지역을 감싸는 외곽에 정확도가 높은 다수의 고정점(기지점)을 배치하는 것이 적절하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 결과로부터 상용 소프트웨어가 학술용 소프트웨어와 비교하여 장기선 해석·처리 능력에서는 그 결과값의 정확도가 현저하게 낮다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 상용 소프트웨어 사용에서 전체 기선과 선택 기선 (삼각형도형) 적용에 대한 각각의 정확도 비교에서는 전체 기선이 약간 높은 정확도를 지니고 있는 것을 확인되었다.
- 4. 궤도정보의 정밀궤도력과 방송궤도력을 각기 적용하여 동일 GPS 관측조건에서 상용 소프트웨어로 처리한 결과 그 값의 비교에서 변동량이 거의 동일하게 나타나므로, 복수의 GPS 관측 장비를 동일 시간대로 관측하는 상대위치관측에서는 궤도정보 변경에 의한 관측점간 벡터값은 거의 일치한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 상용 소프트웨어 사용시 상대 위치관측방법에서는 정밀궤도력 또는 방송궤도력을 적용할 때 위치관측정확도 비교 차는 대등한 것이라 판단할 수 있다.
- 5. GPS에 의한 광역지구간의 장기선을 해석하고 위치 결정을 목표로 기선성분별 편차를 2cm 이내로 접근된 위치를 결정하는 경우, 본 연구에서 그 가능성을 실자료로 검증하고 분석한 결과 6시간 이상의 연속관측시간, 궤도정보의 정밀궤도력, 학술용 소프트웨어의 사용이 필수적임을 확인할 수 있었다.
- 이러한 결과로부터 상용 소프트웨어가 학술용 소프트웨어와 비교하여 장기선 해석·처리 능력에서는 그 결과값의 정확도가 현저하게 낮다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 6. 상기한 바와 같이 다양한 자료와 이에 의한 위치결정을 비교분석한 결과, 향후 GPS에 의한 장기선 처리, 기준점 등의 정밀측량 그리고 GPS 위치결정 등에서 본 연구결과가 작업규정 제·개정과 품셈 작성 등 다양한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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