[논문]GPS기반 준실시간 위치추적을 위한 IGS 예측궤도력 이상 검출

하지현; 허문범; 남기욱

doi:10.12673/jant.2011.15.6.953

문제 정의

이 논문에서는 NANU 메시지의 2번 항목에 실린이벤트 정보를 이용하여 URO-P에서 발생할 수 있는 궤도 이상 감시 성능을 분석하였다. 먼저 IGS 정밀궤도력과 URO-P를 비교하여 위성별 궤도력 이상 발생 현황을 분석하였으며, 임의의 위성에서 궤도력 이상이 발생했을 때 해당 날짜의 NANU를 이용하여 이벤트 여부를 점검하였다.
이 논문에서는 NANU와 BRDC를 이용하여 IGS 예측궤도력(URO-P)의 궤도 이상 검출 가능성을 확인하고 성능을 분석하였다. 먼저, URO-P의 궤도 이상 발생 현황 점검을 위하여 2010년 1월 1월부터 12월 31일까지, 1년간 생성된 IGS 정밀궤도력과 URO-P를 서로 비교하였으며, 그 결과 년간 48일간동안 총 93회의 궤도 이상이 발생하였다.
이 논문에서는 URO-P의 궤도 이상 발생 현황을 분석하고, 이를 바탕으로 NANU와 BRDC-P 기반 궤도 이상 검출 기법의 성능을 분석하였다. URO-P의이상 발생 현황을 분석을 위하여 2010년 1월 1일부터 12월 31일까지, 1년간 생성된 IGS 정밀궤도력과 URO-P를 이용하였다.
이 논문에서는 표 2의 2010년 URO-P의 궤도 이상 발생 현황 결과를 바탕으로 NANU와 BRDC-P를 활용한 궤도 이상 검출 성능을 분석하였다. 3-2절에서 NANU를 이용한 URO-P의 궤도력 이상 성능 분석 결과를, 3-3절에서 BRDC-P를 이용한 성능 분석 결과를 기술하였다.

제안 방법

이 논문에서는 표 2의 2010년 URO-P의 궤도 이상 발생 현황 결과를 바탕으로 NANU와 BRDC-P를 활용한 궤도 이상 검출 성능을 분석하였다. 3-2절에서 NANU를 이용한 URO-P의 궤도력 이상 성능 분석 결과를, 3-3절에서 BRDC-P를 이용한 성능 분석 결과를 기술하였다.
즉, NANU를 적용할 경우 URO-P의 궤도 이상 발생을 88% 수준으로 검출 가능한 것이다. 궤도 이상이 검출되지 않은 11건에 대하여 BRDC기반 예측 궤도(BRDC-P)를 생성하여 URO-P와 서로 비교하였다. 그 결과, NAUN를 이용하였을 때 검출되지 않은 11건 중 6건에 대하여 궤도 이상 검출이 가능하였으며, 이는 NANU만 이용한 경우에 대하여 7% 수준의 검출 성능을 향상시킨 것이다.
서론에서 기술한 바와 같이 초신속궤도력은 6시간 간격으로 하루에 4번 제공되며, 정밀궤도력은 하루에 1번 제공된다. 따라서 이 논문에서는 정밀궤도력 365개, 초신속궤도력 1,460개를 이용하였으며, 6시간 주기로 구분하여 각 위성별 좌표를 비교하였다. 일반적으로 예측궤도력은 정밀궤도력에 대하여 평균 5~10cm, 최대 1m 수준의 3차원좌표 오차를 보이는 것으로 알려져 있다[1,7].
일반적으로 예측궤도력은 정밀궤도력에 대하여 평균 5~10cm, 최대 1m 수준의 3차원좌표 오차를 보이는 것으로 알려져 있다[1,7]. 따라서이 논문에서는 정밀궤도력을 기준으로 예측궤도력의 위성별 좌표 오차가 1m 이상인 경우를 궤도 이상이 발생한 경우로 간주하였다.
이 논문에서는 NANU 메시지의 2번 항목에 실린이벤트 정보를 이용하여 URO-P에서 발생할 수 있는 궤도 이상 감시 성능을 분석하였다. 먼저 IGS 정밀궤도력과 URO-P를 비교하여 위성별 궤도력 이상 발생 현황을 분석하였으며, 임의의 위성에서 궤도력 이상이 발생했을 때 해당 날짜의 NANU를 이용하여 이벤트 여부를 점검하였다. 궤도력 이상이 발생한 위성의 이벤트 정보가 NANU 메시지에 기록되어 있는 경우 NANU를 이용한 궤도 이상 점검이 가능한 것으로 판단하였다.
궤도력 이상이 발생한 위성의 이벤트 정보가 NANU 메시지에 기록되어 있는 경우 NANU를 이용한 궤도 이상 점검이 가능한 것으로 판단하였다. 반면, 임의의 위성이 궤도력 이상이 발생 하였음에도 불구하고 NANU 메시지에 포함되지 않은 경우 방송궤도력을 이용하여 궤도 이상 검출을 실시하고 성능을 분석하였다. 방송궤도력기반 URO-P 궤도 이상 검출 방법을 다음 절에 기술하였다.
5km 수준의 오차를 가진다[9]. 이 논문에서는 IGS BRDC을 이용하여 BRDC-P를 생성한 후 해당 시간의 URO-P와 비교함으로써 각 위성별궤도 이상을 검출하였다. 궤도 이상 검출 시 시간에 따른 BRDC-P의 평균 오차를 고려하여 오차 중간값으로부터 500m 이상의 오차가 발생한 경우에 대하여 궤도 이상이 발생한 것으로 간주하였다.
이 논문에서는 NANU를 이용하여 궤도 이상이 검출이 되지 않는 11건에 대하여 BRDC-P를 이용하여 이상 검출을 시도하였다. 2절에서 기술한 바와 같이 BRDC-P는 시간이 경과함에 따라 오차가 증가하므로 BRDC-P와 URO-P를 비교하였을 때, 위성별 3차원 좌표 차이가 중간값으로부터 500m 이상 발생한 경우를 궤도 이상으로 간주하였다.
즉, 이와 같이 NANU에 예보된 시간 이외의 이벤트가 발생하거나 NANU에 예보되지 않은 갑작스런 이상 현상이 발생할 경우 NANU 이외의 방법을 이용하여 이상 현상을 검출해야 한다. 이 논문에서는 NANU를 이용했을 때 검출이 불가능한 경우에 대하여 BRDC-P를 이용하여 궤도 이상 검출을 실시하고, 그 성능을 분석하였다.
이 논문에서는 URO-P의 궤도 이상 검출을 위하여 2010년 1년간의 IGS 정밀궤도력과 URO-P를 이용하여 궤도 이상 발생 현황을 점검하였으며, NANU(Current Notice Advisories to NAVSTAR Users)와 방송궤도력을 이용하여 궤도 이상 검출 성능을 분석하였다. 제 II장에서 URO-P의 궤도 이상 검출 기법을 설명하고, 제 III장에서 검출 성능 분석 결과를 기술하였다.
방송궤도력은 사용자가 실시간으로 수집하는 것과 IGS에서 제공하는 것으로 구분할 수 있다. 이 논문에서는 특정 관측소에서 생성된 방송궤도력이 아닌 IGS에서 제공하는 방송궤도력을 이용하였다. IGS 방송궤도력은 일반적으로 BRDC라고 명명된다[8].
이 논문에서는 URO-P의 궤도 이상 검출을 위하여 미해양경비대에서 제공하는 NANU 메시지를 이용하였다. 표 2에 나타낸 궤도력 이상 발생 현황에 대한 검출 성능 분석을 위하여 해당 48일간의 NANU 메시지를 분석하였다. 그 결과 93회 중 82회에 대하여 NANU 예보가 사전에 발표된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 전체 궤도 이상 발생 건수 중 88% 수준에 달하는 것이다.

대상 데이터

이 논문에서는 URO-P의 궤도 이상 발생 현황을 분석하고, 이를 바탕으로 NANU와 BRDC-P 기반 궤도 이상 검출 기법의 성능을 분석하였다. URO-P의이상 발생 현황을 분석을 위하여 2010년 1월 1일부터 12월 31일까지, 1년간 생성된 IGS 정밀궤도력과 URO-P를 이용하였다. 서론에서 기술한 바와 같이 초신속궤도력은 6시간 간격으로 하루에 4번 제공되며, 정밀궤도력은 하루에 1번 제공된다.

이론/모형

이 논문에서는 URO-P의 궤도 이상 검출을 위하여 미해양경비대에서 제공하는 NANU 메시지를 이용하였다. 표 2에 나타낸 궤도력 이상 발생 현황에 대한 검출 성능 분석을 위하여 해당 48일간의 NANU 메시지를 분석하였다.

성능/효과

BRDC-P를 이용한 경우에도 궤도 이상 검출이 되지 않는 5건에 대하여 최대오차를 표 3에 나타내었다. 5건에 대한 최대 오차를 보면 모두 500m 이내의 좌표 차이를 보였으며, 작게는 40m에서 최대 320m 수준의 오차가 나타났다. 이는 BRDC-P의 오차 범위에 포함되는 수준으로 검출이 되지 않은 것으로 판단된다.
표 3을 보면, BRDC-P를 이용할 경우 11건 중 6건에 대하여 궤도 이상 검출이 가능한 것을 알 수 있으며, 이는 NANU로 검출이 되는 않는 경우에 대하여 50% 이상의 검출 성능을 보이는 것이다. NANU와 BRDC-P를 동시에 적용할 경우 년간 발생하는 총 궤도 이상 발생 건수(93회)에서 88건을 검출할 수 있는 것이며, 이는 95% 수준의 궤도 이상 검출 성능을 보이는 것이다. BRDC-P를 이용한 경우에도 궤도 이상 검출이 되지 않는 5건에 대하여 최대오차를 표 3에 나타내었다.
이는 년간 생성되는 예측궤도력 대비 6% 수준이며, 관측일자 대비 13% 수준이다. URO-P의 궤도 이상 검출을 위하여 궤도 이상이 발생한 날의 NANU 메시지를 이용하여 해당 위성의 궤도 조정, 유지보수 등의 이벤트 기록을 점검하였으며, 그 결과 93회 중 82건에 대하여 검출이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 즉, NANU를 적용할 경우 URO-P의 궤도 이상 발생을 88% 수준으로 검출 가능한 것이다.
표 2에 나타낸 궤도력 이상 발생 현황에 대한 검출 성능 분석을 위하여 해당 48일간의 NANU 메시지를 분석하였다. 그 결과 93회 중 82회에 대하여 NANU 예보가 사전에 발표된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 전체 궤도 이상 발생 건수 중 88% 수준에 달하는 것이다. 검출이 되지 않은 11건은 궤도 이상이 있음에도 불구하고 NANU에 예보되지 않았거나, 예보된 시간을 초과하여 지속적인 궤도 이상이 발생된 경우이다.
궤도 이상이 검출되지 않은 11건에 대하여 BRDC기반 예측 궤도(BRDC-P)를 생성하여 URO-P와 서로 비교하였다. 그 결과, NAUN를 이용하였을 때 검출되지 않은 11건 중 6건에 대하여 궤도 이상 검출이 가능하였으며, 이는 NANU만 이용한 경우에 대하여 7% 수준의 검출 성능을 향상시킨 것이다. 따라서 URO-P의 궤도 이상 검출을 위하여 NANU와 BRDC-P를 함께 이용할 경우 95% 수준의 이상 검출이 가능하며, 이는 향후 실시간(준실 시간) 위성항법 응용에 있어 URO-P 궤도 이상 발생에 대한 사전 경보시스템 구축에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
이 논문에서는 NANU와 BRDC를 이용하여 IGS 예측궤도력(URO-P)의 궤도 이상 검출 가능성을 확인하고 성능을 분석하였다. 먼저, URO-P의 궤도 이상 발생 현황 점검을 위하여 2010년 1월 1월부터 12월 31일까지, 1년간 생성된 IGS 정밀궤도력과 URO-P를 서로 비교하였으며, 그 결과 년간 48일간동안 총 93회의 궤도 이상이 발생하였다. 이는 년간 생성되는 예측궤도력 대비 6% 수준이며, 관측일자 대비 13% 수준이다.
이 시각의 URO-P의 궤도력 오류 발생 현황(표 2)을 살펴보면 PRN 21번 위성은 DOY 254일 12시에 생성된 URO-P에서 궤도 이상이 발생한 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 BRDC-P를 이용할 경우 수만 km 이상의 궤도력 이상뿐만 아니라 1km 이내의 이상 발생 시에도 검출이 가능함을 확인할 수 있다.
표 3에 NANU를 이용할 때 검출되지 않은 11건에 대하여 BRDC-P를 이용한 궤도 이상 검출 결과를 나타내었다. 표 3을 보면, BRDC-P를 이용할 경우 11건 중 6건에 대하여 궤도 이상 검출이 가능한 것을 알 수 있으며, 이는 NANU로 검출이 되는 않는 경우에 대하여 50% 이상의 검출 성능을 보이는 것이다. NANU와 BRDC-P를 동시에 적용할 경우 년간 발생하는 총 궤도 이상 발생 건수(93회)에서 88건을 검출할 수 있는 것이며, 이는 95% 수준의 궤도 이상 검출 성능을 보이는 것이다.

후속연구

그 결과, NAUN를 이용하였을 때 검출되지 않은 11건 중 6건에 대하여 궤도 이상 검출이 가능하였으며, 이는 NANU만 이용한 경우에 대하여 7% 수준의 검출 성능을 향상시킨 것이다. 따라서 URO-P의 궤도 이상 검출을 위하여 NANU와 BRDC-P를 함께 이용할 경우 95% 수준의 이상 검출이 가능하며, 이는 향후 실시간(준실 시간) 위성항법 응용에 있어 URO-P 궤도 이상 발생에 대한 사전 경보시스템 구축에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
이는 BRDC-P의 오차 범위에 포함되는 수준으로 검출이 되지 않은 것으로 판단된다. 향후 NANU와 BRDC-P를 이용할 경우에도 검출되지 않은 5% 수준의 궤도 이상을 검출하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NANU란?	NANU는 미공군과 미해양경비대에서 제공하는 GPS 위성의 운영 현황 및 상태에 관한 보고서로서, 군용서비스는 미공군 홈페이지[6]를 통해, 일반 사용자는 미국 해양경비대 홈페이지[5]를 통해 하루에 한번 제공받을 수 있다. NANU는 GPS 위성의 궤도 조정이나 정비를 위한 일시적 운영 정지, 새로운 위성 발사 등에 대한 이벤트 사항에 대한 메시지를 담고있다.
	궤도 이상이 검출되지 않은 BRDC기반 예측 궤도와 URO-P와 비교한 결과는?	궤도 이상이 검출되지 않은 11건에 대하여 BRDC기반 예측 궤도(BRDC-P)를 생성하여 URO-P와 서로 비교하였다. 그 결과, NAUN를 이용하였을 때 검출되지 않은 11건중 6건에 대하여 궤도 이상 검출이 가능하였으며, 이는 NANU만 이용한 경우에 대하여 7% 수준의 검출 성능을 향상시킨 것이다. 따라서 URO-P의 궤도 이상 검출을 위하여 NANU와 BRDC-P를 함께 이용할 경우 95% 수준의 이상 검출이 가능하며, 이는 향후 실시간(준실 시간) 위성항법 응용에 있어 URO-P 궤도 이상 발생에 대한 사전 경보시스템 구축에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
	방송궤도력이란?	따라서 초신속궤도력은 실시간 혹은 준실 시간 정밀 항법 응용에 적합하다[8, 9]. 방송궤도력은 GPS 위성으로부터 방송되는 궤도력으로 흔히 항법 메시지(Navigation Message)라고 불린다. 방송궤도력은 GPS 수신 장비만 있으면 전 세계 어디에서든 실시간 수신 가능하기 때문에 실시간 항법 분야에서 널리 사용되고 있다.

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