GPS 위성 이상 신호의 발생 요인 중 위성 시계의 이상 현상은 GPS 측정치에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으나, 측정치에는 궤도 오차, 이온층 지연 오차, 대류층 지연 오차, 다중경로 오차, 수신기 시계 오차 등의 성분들이 포함되어 있어 위성 시계의 오차 범위가 다른 요소에 의한 오차보다 커지기 전에는 위성 시계의 이상 현상을 검출하기 어려운 문제가 있다. 위성 시계에 이상 현상이 발생하였을 때 이상 판별의 임계 범위를 최소화 하여 빠르고 정확하게 검출을 수행할 수 있도록, 본 논문에서는 이중 주파수 측정치로부터 반송파 스무딩 필터를 적용하고 수신기 시계 오차 및 다른 여러 가지 요인에 의한 오차를 보정한 후 정확한 위성 시계 오차를 추정하는 방법을 제시하였고 IGS 기관에서 제공하고 있는 위성 시계 정보와 비교를 통해 제시한 방법의 성능을 확인하였다.
GPS 위성 이상 신호의 발생 요인 중 위성 시계의 이상 현상은 GPS 측정치에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으나, 측정치에는 궤도 오차, 이온층 지연 오차, 대류층 지연 오차, 다중경로 오차, 수신기 시계 오차 등의 성분들이 포함되어 있어 위성 시계의 오차 범위가 다른 요소에 의한 오차보다 커지기 전에는 위성 시계의 이상 현상을 검출하기 어려운 문제가 있다. 위성 시계에 이상 현상이 발생하였을 때 이상 판별의 임계 범위를 최소화 하여 빠르고 정확하게 검출을 수행할 수 있도록, 본 논문에서는 이중 주파수 측정치로부터 반송파 스무딩 필터를 적용하고 수신기 시계 오차 및 다른 여러 가지 요인에 의한 오차를 보정한 후 정확한 위성 시계 오차를 추정하는 방법을 제시하였고 IGS 기관에서 제공하고 있는 위성 시계 정보와 비교를 통해 제시한 방법의 성능을 확인하였다.
The satellite clock anomalies, one of the abnormal signal factors of the GPS satellites, can have a significant impact on the GPS measurements. However, it can be difficult to detect the anomalies of the satellites clock before the range of the satellites clock error becomes bigger than the range of...
The satellite clock anomalies, one of the abnormal signal factors of the GPS satellites, can have a significant impact on the GPS measurements. However, it can be difficult to detect the anomalies of the satellites clock before the range of the satellites clock error becomes bigger than the range of the other factors, due to the measurement including error of the orbit, ionosphere delay, troposphere delay, multipath and receiver clock. In order to perform quick and accurate detection by minimization of critical range in anomalies of the satellites clock, this paper suggested a solution to detect precise anomalies of the satellites clock after application of carrier smoothing filter from measurement by dual-frequency and adjustment of errors which can be occurred by other factor and the receiver clock errors. The performance of the proposed method was confirmed by comparing to the satellite clock biases which are provided by IGS.
The satellite clock anomalies, one of the abnormal signal factors of the GPS satellites, can have a significant impact on the GPS measurements. However, it can be difficult to detect the anomalies of the satellites clock before the range of the satellites clock error becomes bigger than the range of the other factors, due to the measurement including error of the orbit, ionosphere delay, troposphere delay, multipath and receiver clock. In order to perform quick and accurate detection by minimization of critical range in anomalies of the satellites clock, this paper suggested a solution to detect precise anomalies of the satellites clock after application of carrier smoothing filter from measurement by dual-frequency and adjustment of errors which can be occurred by other factor and the receiver clock errors. The performance of the proposed method was confirmed by comparing to the satellite clock biases which are provided by IGS.
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문제 정의
이러한 위성시계 이상 현상을 검출하기 위한 다양한 기법들이 연구되어 왔으나[7-10], 이들 결과 대부분은 지상의 실험실에 설치되어 있는 원자시계로부터 직접 자료를 전송 받아 이상 현상을 검출하는 실험들에 의한 것으로서, GPS 측정치와 같이 여러 가지 요소에 의한 오차가 포함된 자료로부터 실시간으로 위성 시계 이상 현상을 검출하기 위해서는 정확하고 정밀한 위성 시계 오차를 결정하는 기술개발이 선행되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 여러 오차 요인이 내재하고 있는 GPS 측정치에서 신속하고 정확하게 위성 시계 이상 현상을 검출할 수 있도록 위성 시계 오차 추정 정확도를 향상시키는 기술에 초점을 맞추고자 한다. 위성 시계의 성향을 정확하게 파악하기 위해서 우선 GPS 측정치로부터 반송파 스무딩 필터를 적용해 잡음 크기를 낮추고 다른 여러 가지 요소에 의한 오차들을 최대한 정확하게 제거한 후 위성 시계 바이어스를 추정한다.
GPS 측정치에 포함된 오차 중 위성 시계 외의 오차 요소, 즉 위성의 위치, 이온층 지연, 대류층 지연, 수신기 시계에 의한 오차들을 최대한 제거하여야만 정확한 위성 시계 바이어스를 추정할 수 있다. 본 절에서는 제안한 위성 시계 바이어스 추정 방법에 대해서 기술한다.
본 연구에서는 여러 가지 오차 요소가 존재하는 GPS 반송파 위상과 코드 측정치로부터 위성 시계 이상 현상을 효과적으로 검출할 수 있도록 반송파 스무딩 필터를 적용하고 이온층, 대류층, 수신기 오차를 제거하여 정밀한 위성 시계 정보를 추정하도록 하였다. 일반 수신기 시계의 경우 외부적 환경의 영향을 쉽게 받아 안정되지 못한 상태를 보이므로 모델링이 어려운 단점이 있으나, IMT 수신기의 경우 연속적인 관계성을 이용하여 수신기 오차를 효과적으로 보정할 수 있었고 이를 통해 더욱 정확한 위성 시계 바이어스를 추정할 수 있었다.
가설 설정
수신기 시계 오차 추정치에는 바이어스 외에 잔여오차가 포함되어 있으므로 신뢰도를 저하시키는 것을 방지하기 위하여 이동 평균법 (moving averaging) 이용하여 잡음을 줄인다. 위성 이상을 감시하는 수신기 안테나는 다중경로 영향을 최대한 줄인 환경에 설치되어 있다고 가정하고 다중경로 오차는 고려하지 않는다.
제안 방법
따라서 본 논문에서는 여러 오차 요인이 내재하고 있는 GPS 측정치에서 신속하고 정확하게 위성 시계 이상 현상을 검출할 수 있도록 위성 시계 오차 추정 정확도를 향상시키는 기술에 초점을 맞추고자 한다. 위성 시계의 성향을 정확하게 파악하기 위해서 우선 GPS 측정치로부터 반송파 스무딩 필터를 적용해 잡음 크기를 낮추고 다른 여러 가지 요소에 의한 오차들을 최대한 정확하게 제거한 후 위성 시계 바이어스를 추정한다. 추정된 결과를 IGS(International GNSS Service) 기관으로부터 제공 되는 위성 시계 정보와 비교하여 성능을 확인한다.
추정된 결과를 IGS(International GNSS Service) 기관으로부터 제공 되는 위성 시계 정보와 비교하여 성능을 확인한다. 또한, LAAS의 위성신호 이상 검출 기법 중에 하나인 측정치 변화 검사 기법과의 비교를 통해 위성시계 이상 검출 신속성을 확인한다.
본 연구에서는 정밀 측지 및 시각분야에 사용되고 있는 JPL (Jet Propulsion Laboratory)에서 개발한 GIPSY–OASISII 소프트웨어를 사용하여 정확한 수신기 시계 바이어스를 추정하였다.
4 (b)에 나타내었다. 이동평균을 위한 포인트 개수는 상관계수가 가장 최대치를 갖는 경우를 찾아 적용하였다.
모델링을 통해 결정된 수신기 시계 오차를 보정하여 위성시계 오차를 추정하였다. Fig.
대상 데이터
위성 시계의 이상 현상을 검출하기 위해서 우선 위성 시계의 바이어스 정보를 획득한다. Fig.
데이터처리
위성 시계의 성향을 정확하게 파악하기 위해서 우선 GPS 측정치로부터 반송파 스무딩 필터를 적용해 잡음 크기를 낮추고 다른 여러 가지 요소에 의한 오차들을 최대한 정확하게 제거한 후 위성 시계 바이어스를 추정한다. 추정된 결과를 IGS(International GNSS Service) 기관으로부터 제공 되는 위성 시계 정보와 비교하여 성능을 확인한다. 또한, LAAS의 위성신호 이상 검출 기법 중에 하나인 측정치 변화 검사 기법과의 비교를 통해 위성시계 이상 검출 신속성을 확인한다.
느리게 변화가 나타나는 위성 시계 이상 현상에 대한 검출 성능을 확인하기 위해 정상적인 경우에 수집한 PRN18 위성 측정치에 위성 시계 이상에 의한 영향 즉, 0.005 m/sec으로 증가하는 오차를 추가 한 후 제시한 방법에 의한 결과와 기존의 LAAS에서 사용하는 측정치 변화 검사결과와 비교하였다. Fig.
이론/모형
일반적으로 수신기 시계 오차는 여러 위성으로부터 받은 측정치의 평균을 이용하여 구할 수 있다. 수신기 시계 오차 추정치에는 바이어스 외에 잔여오차가 포함되어 있으므로 신뢰도를 저하시키는 것을 방지하기 위하여 이동 평균법 (moving averaging) 이용하여 잡음을 줄인다. 위성 이상을 감시하는 수신기 안테나는 다중경로 영향을 최대한 줄인 환경에 설치되어 있다고 가정하고 다중경로 오차는 고려하지 않는다.
성능/효과
식(3)과 식(4)를 보면, 스무딩된 코드 의사거리는 코드와 반송파 위상 측정치의 평균값이 적용되어 현재의 반송파 위상 측정치에 포함된 측정 잡음에만 영향을 받음을 알 수 있다. 따라서 코드 측정치에 비해 측정 잡음의 영향이 줄어들어 위성 시계 바이어스 추정 시 더욱 정밀한 결과를 얻을 수 있고, 미지정수가 포함되어 있지 않으므로 미지정수를 결정하지 않고도 반송파 위상의 해상도를 가질 수 있다.
7은 측정치 변화 검사 중에 위성시계 이상 유무를 알 수 있는 Ramp 검사 기법을 이용한 결과로서, L1 반송파 위상 측정치의 시간각 차분치를 사용한 것이다. 모든 위성에 대한 시험 통계치를 통해 결정된 Ramp 검사의 임계치는 0.1 m/sec으로서 0.005 m/sec로 증가하는 위성 시계 이상 현상은 검사하지 못한 반면, Fig. 8과 같이 제안한 방법으로 얻은 결과의 경우에는 임계치를 6 m로 사용하였을 경우 위성 시계 오차가 0.005 m/sec으로 느리게 변화 하는 경우에도 약 1000초 이후에 이상 여부를 판단하는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 여러 가지 오차 요소가 존재하는 GPS 반송파 위상과 코드 측정치로부터 위성 시계 이상 현상을 효과적으로 검출할 수 있도록 반송파 스무딩 필터를 적용하고 이온층, 대류층, 수신기 오차를 제거하여 정밀한 위성 시계 정보를 추정하도록 하였다. 일반 수신기 시계의 경우 외부적 환경의 영향을 쉽게 받아 안정되지 못한 상태를 보이므로 모델링이 어려운 단점이 있으나, IMT 수신기의 경우 연속적인 관계성을 이용하여 수신기 오차를 효과적으로 보정할 수 있었고 이를 통해 더욱 정확한 위성 시계 바이어스를 추정할 수 있었다. 그 결과 위성 이상 유무 판단 임계 범위를 최소화함으로써 위성 이상 시 즉각적이며 효율적으로 감지 및 판단할 수가 있었다.
일반 수신기 시계의 경우 외부적 환경의 영향을 쉽게 받아 안정되지 못한 상태를 보이므로 모델링이 어려운 단점이 있으나, IMT 수신기의 경우 연속적인 관계성을 이용하여 수신기 오차를 효과적으로 보정할 수 있었고 이를 통해 더욱 정확한 위성 시계 바이어스를 추정할 수 있었다. 그 결과 위성 이상 유무 판단 임계 범위를 최소화함으로써 위성 이상 시 즉각적이며 효율적으로 감지 및 판단할 수가 있었다. 향후 IMT 수신기의 주기적인 특성에 대한 연구와 위성시계의 예측 결과와 상호 비교를 통해 이상 판단을 수행할 수 있는 모니터링 시스템을 구축하여 실시간 응용분야에 적용하기 위한 연구로 확장할 예정이다.
후속연구
그 결과 위성 이상 유무 판단 임계 범위를 최소화함으로써 위성 이상 시 즉각적이며 효율적으로 감지 및 판단할 수가 있었다. 향후 IMT 수신기의 주기적인 특성에 대한 연구와 위성시계의 예측 결과와 상호 비교를 통해 이상 판단을 수행할 수 있는 모니터링 시스템을 구축하여 실시간 응용분야에 적용하기 위한 연구로 확장할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위성 시계에 이상 현상이 발생하였을 때 이상 판별의 임계 범위를 최소화 하여 빠르고 정확하게 검출을 수행할 수 있도록 본 논문에서 제시한 방법은 무엇인가?
GPS 위성 이상 신호의 발생 요인 중 위성 시계의 이상 현상은 GPS 측정치에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으나, 측정치에는 궤도 오차, 이온층 지연 오차, 대류층 지연 오차, 다중경로 오차, 수신기 시계 오차 등의 성분들이 포함되어 있어 위성 시계의 오차 범위가 다른 요소에 의한 오차보다 커지기 전에는 위성 시계의 이상 현상을 검출하기 어려운 문제가 있다. 위성 시계에 이상 현상이 발생하였을 때 이상 판별의 임계 범위를 최소화 하여 빠르고 정확하게 검출을 수행할 수 있도록, 본 논문에서는 이중 주파수 측정치로부터 반송파 스무딩 필터를 적용하고 수신기 시계 오차 및 다른 여러 가지 요인에 의한 오차를 보정한 후 정확한 위성 시계 오차를 추정하는 방법을 제시하였고 IGS 기관에서 제공하고 있는 위성 시계 정보와 비교를 통해 제시한 방법의 성능을 확인하였다.
GPS 위성 이상 신호의 발생 요인 중 위성 시계의 이상 현상을 검출하기 어려운 이유는?
GPS 위성 이상 신호의 발생 요인 중 위성 시계의 이상 현상은 GPS 측정치에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으나, 측정치에는 궤도 오차, 이온층 지연 오차, 대류층 지연 오차, 다중경로 오차, 수신기 시계 오차 등의 성분들이 포함되어 있어 위성 시계의 오차 범위가 다른 요소에 의한 오차보다 커지기 전에는 위성 시계의 이상 현상을 검출하기 어려운 문제가 있다. 위성 시계에 이상 현상이 발생하였을 때 이상 판별의 임계 범위를 최소화 하여 빠르고 정확하게 검출을 수행할 수 있도록, 본 논문에서는 이중 주파수 측정치로부터 반송파 스무딩 필터를 적용하고 수신기 시계 오차 및 다른 여러 가지 요인에 의한 오차를 보정한 후 정확한 위성 시계 오차를 추정하는 방법을 제시하였고 IGS 기관에서 제공하고 있는 위성 시계 정보와 비교를 통해 제시한 방법의 성능을 확인하였다.
항공분야와 같이 사용자의 생명과 직결되는 응용분야에서는 신뢰성 있는 위성 정보를 확보하기 위해 필요한 기술은 무엇인가?
고성능의 위치 정보를 요구하는 항공분야에서 신뢰성 있는 위성 신호를 확보하기 위해서는 무엇보다도 즉각적으로 위성 이상 신호의 검출 및 원인을 파악하여 대처할 수 있는 기술이 중요하다. 위성 신호 이상을 가져 올 수 있는 요소로는 위성 자체적인 문제, 위성 신호 전송 중 대류층, 이온층 상태에 의한 문제, 그 밖의 여러 가지 환경적 요인이 있다.
참고문헌 (13)
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Grover, B., "Receiver autonomous integrity monitoring, Global Positioning System: Theory and Applications", Vol. II, American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 1996.
Gang, X., "Optimal On-Airport Monitoring of the Integrity of GPS-Based Landing Systems", Stanford University, 2004.
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