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문제 정의
- 그러나 고정밀 GPS 자료 처리는 복잡할 뿐 아니라 과학기술용 소프트웨어가 필요하므로 일반 사용자들의 이용에 많은 제약이 따른다. 따라서 본 연구에서는 사용자의 편리성을 고려하여 인터넷을 기반으로 고정밀 GPS 자료 처리 시스템을 구축하였다. 이를 위해 시간과 장소에 구애받지 않고 사용자의 접근성을 우선적으로 고려하였다.
- 본 연구에서는 인터넷을 기반으로 사용자의 관측파일을 자동으로 처리하여 결과를 제공하는 시스템을 구축하였다. 웹을 통해 사용자의 관측파일을 입력받아 자료처리에 필요한 관련 파일들을 자동으로 다운로드 받고, 사용자와 근접한 상시관측소를 선정하여 네트워크 방식의 기선해석을 실행한다.
제안 방법
- OPUS-K 시스템의 효용성 검증을 위하여 국토지리정보원의 상시관측소 중 하나인 보은(BOEN) 관측소의 데이터를 사용자 관측 파일로 간주하여 2011년 1월 1일부터 7일까지 일주일간 처리하였다(표 3). 자료처리 결과는 상업용 데이터처리 소프트웨어로 국내에서 광범위하게 사용되는 TGO(Trimble Geomatics Office)의 결과와 비교하였다.
- OPUS-K를 이용한 자료처리를 위해 보은 관측소에서 사용하는 안테나 타입과 높이를 웹 페이지에 입력하고, 자료처리에서 제외할 상시관측소로 보은을 선택함으로써 보은을 제외한 3개의 상시관측소가 선택되어 기선해석을 수행할 수 있도록 하였다.
- OPUS-K와 TGO를 이용한 자료처리 결과를 국토지리원에서 고시한 보은 좌표와 각각 비교하여 그 차이를 지역 평면좌표로 산출하였다(그림 8). 결과적으로 수평오차의 일별 변화는 OPUS-K의 경우 남쪽, 동쪽 모두 mm 수준의 차이가 발생하였고, TGO의 결과는 남쪽으로 1cm 이내, 동쪽 방향으로는 1cm 이상의 오차가 발생하였다.
- TGO의 경우는 OPUS-K에서 선정된 세개의 관측소를 이용한 망조정을 수행하였다.
- 자료처리 서버에서는 사용자 관측 자료의 대략적인 위치 및 관측일자 등을 바탕으로 상시관측소를 선정하고, IGS 및 CODE 서버로부터 정밀 궤도력, 전지구 전리층 모델 등의 파일을 다운로드한다. 과학기술용 GPS 자료처리 소프트웨어를 이용하여 수동 다운로드 된 상시관측소와 사용자간의 기선을 형성하여 자료 처리를 진행하고, 자료처리결과 중 주요 내용을 보고서 형식으로 작성하여 사용자의 이메일로 전송한다(그림 4).
- 또한 대류권 지연오차 추정을 위해 선정된 세 개의 상시관측소의 대류권 지연오차를 모두 추정할 경우 각 관측소간의 짧은 거리에 의한 높은 상관관계로 인해 추정값의 안정성이 급격히 저하된다. 따라서 상시관측소 중 한 점을 모델값에 고정하여 상대적인 대류권 지연 오차를 추정한다. 이 외에 앞 단계에서 다운로드한 전리층 모델, 정밀 궤도력, 위성의 시계정보, 지구 자전축 움직임 등의 파일이 이용되며, JGM-3 중력 모델, IAU2000 장동모델 및 FES2004 해양 조석모델을 사용하며, Bernese의 BPE(Bernese Procession Engine) 기능을 이용하여 일련의 과정을 자동으로 처리할 수 있도록 하였다(표 2).
- 자료처리 결과파일은 세부적이고 복잡한 내용을 많이 포함하고 있으므로 일반 사용자들이 필요한 정보를 파악하기 쉽지 않다. 따라서 스크립트를 이용하여 결과파일 중 사용자 위치와 관련된 주요 정보를 텍스트 형식의 보고서로 작성한다. 그림 7에서와 같이 보고서는 사용자 관측파일에 관한 정보, 자료처리에 사용된 파일 및 소프트웨어 정보, 그리고 조정계산 된 사용자 위치정보를 포함한다.
- 현재 사용 가능한 안테나 타입은 310개 이며, 만일 사용한 안테나 타입이 목록에 없는 경우에는 제시된 목록 중 호환 가능한 안테나를 선택하도록 한다. 또한 상시관측소 중 사용자의 필요성 또는 관측소 자료의 일시적인 장애 등에 대처하기 위해 제외하고자 하는 기준점을 최대 5개 까지 선택할 수 있도록 하였다. 사용자 관측자료 업로드 이후 결과파일 전송까지의 총 소요시간은 24시간 관측파일을 기준으로 최대 5분이며, 신속궤도력 시간지연을 고려하여 사용자의 관측으로부터 2일 경과 후 본 시스템이 이용이 가능하다.
- 데몬은 컴퓨터 시스템에 상주하여 응용 프로그램이나 시스템이 특정한 조건을 만족할 때 자동으로 수행되는 시스템 프로그램이다. 본 시스템에서는 웹 서버에서 전달받은 관측자료 및 사용자 정보 등을 정기적으로 체크하여 새로운 자료가 입력되면 스크립트를 실행한다. 본 시스템은 한 번에 하나의 관측파일만을 처리하도록 되어 있으며, 만일 동시에 여러 사용자가 관측파일을 업로드 하였을 경우에는 관측파일과 사용자 정보파일들은 대기상태가 된다.
- TEQC는 GPS 자료의 수신율, 수신기 시계오차, 사이클 슬립, 다중경로 오차, GPS 위성의 고도각 및 방위각 등 다양한 정보를 제공하며(박관동 등, 2007), 미터 수준의 대략적인 위치 계산이 가능하다. 사용자의 대략적인 위치를 계산한 후, 그림 5에 제시한 바와 같이 사용자가 사용하기를 원치 않는 상시관측소를 제외하고 관측날짜에 사용가능한 상시관측소를 확인한다. 관측점으로부터 각 상시관측소까지의 거리를 계산하고, 기하학적인 배치를 고려하여 가장 가까운 3개의 상시관측소를 선정한다(그림 6)
- 사용자는 OPUS-K의 초기 화면에서 자료 처리에 필요한 각종 정보 및 관측파일을 업로드 한다. 사용자의 이름 및 소속과 자료처리 결과를 전송할 이메일 주소와 더불어 안테나 및 표석으로부터 안테나 기준선까지의 높이를 입력한다. 특히 사용자는 특수한 목적 또는 관측소의 일시적인 장애 등에 대처하기 위하여 자료처리에서 제외할 5개 이내의 상시관측소를 선택할 수 있다.
- 웹 서버는 오픈소스 서버용 소프트웨어인 Apache를 사용하여 구축하였으며, 관측파일을 비롯하여 사용자 정보, 안테나 종류 및 오프셋 등 GPS 자료처리에 필요한 정보를 입력받아 자료처리 서버로 전달하는 역할을 수행한다. 서버와 사용자간의 정보를 동적으로 주고받기 위한 CGI(Common Gateway Interface)는 Perl을 이용해 구현하였다.
- 선정된 3개의 상시관측소 자료를 고정국으로 하여 네트워크 방식으로 사용자의 관측자료를 처리한다. 사용자 자료는 Bernese GPS Software V5.
- 본 연구에서는 인터넷을 기반으로 사용자의 관측파일을 자동으로 처리하여 결과를 제공하는 시스템을 구축하였다. 웹을 통해 사용자의 관측파일을 입력받아 자료처리에 필요한 관련 파일들을 자동으로 다운로드 받고, 사용자와 근접한 상시관측소를 선정하여 네트워크 방식의 기선해석을 실행한다. 자료처리 결과 보고서는 보고서 형식의 텍스트 파일로 작성하여 사용자의 이메일로 전송된다.
- Bernese는 스위스 베른대학교의 천문연구소에서 개발한 과학기술용 소프트웨어로 두 수신기간의 직선거리에 대해 1억분의 2(20 ppb)의 정밀도로 위치를 결정할 수 있으며(최정민, 2000), PAGES는 미국 NGS에서 개발하여 GPS 기선처리 및 위성궤도 결정에 사용되는 소프트웨어로 높은 정밀도를 요구하는 다양한 프로젝트에 적합하다. 이 두 개의 소프트웨어에 의한 자료처리 결과는 GPS 자료처리 오차범위 내에서 동일한 수준의 정밀도를 제공한다. 두 개의 소프트웨어 중 사용자의 관측파일이 처리될 소프트웨어는 랜덤하게 선택되어 자료 처리를 실시한다.
- 따라서 본 연구에서는 사용자의 편리성을 고려하여 인터넷을 기반으로 고정밀 GPS 자료 처리 시스템을 구축하였다. 이를 위해 시간과 장소에 구애받지 않고 사용자의 접근성을 우선적으로 고려하였다.
- 대기상태로 들어간 파일들은 알파벳순으로 하나씩 자료처리가 진행된다. 자료처리 완료 후 결과 파일을 이용하여 사용자를 위한 보고서를 생성하여 이메일로 전송한 후 대기모드로 진입한다.
- 국토지리정보원에서 운영 중인 전국 46개 상시관측소 자료를 이용하여 사용자의 GPS 자료를 네트워크 방식으로 처리한다. 현재 사용 가능한 위성은 GPS이며, 국내에서 관측된 자료만을 처리하도록 지역적인 제한을 두었으며, 자료처리 결과의 정확도를 위하여 최소 관측시간을 2시간으로 제한하였다. 사용자는 측정 자료를 RINEX 포맷으로 변환하여 업로드 하여야 하며, 안테나 타입 및 표석으로부터의 높이를 정확하게 제공해야 한다.
대상 데이터
- 그림 7에서와 같이 보고서는 사용자 관측파일에 관한 정보, 자료처리에 사용된 파일 및 소프트웨어 정보, 그리고 조정계산 된 사용자 위치정보를 포함한다. 관측 정보는 안테나 종류와 높이, 관측 시작 및 종료 시간, 수신기의 종류, 수신간격, 관측 위성 리스트 등을 포함한다. 또한 자료처리에 사용된 소프트웨어, 상시관측소 목록, 좌표계 정보와 함께 최종적인 사용자의 위치를 직각좌표 및 측지좌표로 표시한다.
- 사용자의 대략적인 위치를 계산한 후, 그림 5에 제시한 바와 같이 사용자가 사용하기를 원치 않는 상시관측소를 제외하고 관측날짜에 사용가능한 상시관측소를 확인한다. 관측점으로부터 각 상시관측소까지의 거리를 계산하고, 기하학적인 배치를 고려하여 가장 가까운 3개의 상시관측소를 선정한다(그림 6)
- 국토지리정보원에서 운영 중인 전국 46개 상시관측소 자료를 이용하여 사용자의 GPS 자료를 네트워크 방식으로 처리한다. 현재 사용 가능한 위성은 GPS이며, 국내에서 관측된 자료만을 처리하도록 지역적인 제한을 두었으며, 자료처리 결과의 정확도를 위하여 최소 관측시간을 2시간으로 제한하였다.
- 이 스크립트는 사용자 파일의 관측 날짜에 해당하는 정밀궤도력(SP3), 위성의 시계정보(CLK), 지구자전축의 움직임에 관한 파일(ERP) 및 항법메시지를 IGS 서버로부터 다운로드 한다. 또한 모호정수 결정을 위해 전지구전리층모델(ION)과 수신기와 위성의 코드 바이어스(DCB)를 CODE 서버로부터 전송받는다. 국토지리정보원을 제외한 FTP 서버로부터의 관련파일 다운로드는 자동적으로 이루어진다(표 1).
- 사용자는 자료처리에 관한 여러 옵션을 선택할 수 있으며, 자료처리 방법으로 정지측량(static survey)과 신속정지측량(rapid static survey) 중 한 가지를 선택할 수 있다. 자료처리는 PAGES(Program for the Adjustment of GPS EphemerideS) 소프트웨어를 이용하며, 자료처리 결과는 리포트 형식으로 제공되고, 대상지역은 미국으로 한정되어 있다(OPUS, 2011).
- 사용자의 이름 및 소속과 자료처리 결과를 전송할 이메일 주소와 더불어 안테나 및 표석으로부터 안테나 기준선까지의 높이를 입력한다. 특히 사용자는 특수한 목적 또는 관측소의 일시적인 장애 등에 대처하기 위하여 자료처리에서 제외할 5개 이내의 상시관측소를 선택할 수 있다. 안테나 종류와 높이 정보는 사용자 관측파일의 헤더에서 얻을 수 있으나 해당 정보의 부정확 또는 누락 가능성으로 인해 자료처리에는 사용자가 웹에서 입력한 정보를 사용한다(그림 5).
- 또한 관측파일 업로드는 동시에 한 개의 파일만 가능하다. 현재 사용 가능한 안테나 타입은 310개 이며, 만일 사용한 안테나 타입이 목록에 없는 경우에는 제시된 목록 중 호환 가능한 안테나를 선택하도록 한다. 또한 상시관측소 중 사용자의 필요성 또는 관측소 자료의 일시적인 장애 등에 대처하기 위해 제외하고자 하는 기준점을 최대 5개 까지 선택할 수 있도록 하였다.
데이터처리
- OPUS-K 시스템의 효용성 검증을 위하여 국토지리정보원의 상시관측소 중 하나인 보은(BOEN) 관측소의 데이터를 사용자 관측 파일로 간주하여 2011년 1월 1일부터 7일까지 일주일간 처리하였다(표 3). 자료처리 결과는 상업용 데이터처리 소프트웨어로 국내에서 광범위하게 사용되는 TGO(Trimble Geomatics Office)의 결과와 비교하였다.
이론/모형
- Bernese를 이용한 자료처리를 위한 옵션은 표 2와 같으며, 이중 대류권에 의한 GPS 관측값 지연은 Niell 모델을 적용한다. Niell 모델은 입력 값으로 관측소의 위치와 연중 시간(time of year)만 필요로 하며, 독립적이고 정확하여 지상 기상학에 널리 사용되고 있는 모델이다(전재한 등, 2008).
- 이상적인 상시관측소의 배치를 위해서는 네트워크의 기하학적인 요소를 고려하여 사용자가 삼각형의 무게중심과 일치해야 하지만, 현재 운영중인 상시관측소는 좌표가 고정되어 있으므로 사용자가 상시관측소 네트워크 내부에 위치하도록 선정한다. 따라서 상시관측소 선정을 위해서는 사용자의 대략적인 위치가 필요하며, 이를 위해서 UNAVCO(University NAVstar Consortium)에서 개발해 일반에게 무상으로 제공하는 TEQC(Translation, Edition, and Quality-Checking) 프로그램을 사용하였다. TEQC는 GPS 자료의 수신율, 수신기 시계오차, 사이클 슬립, 다중경로 오차, GPS 위성의 고도각 및 방위각 등 다양한 정보를 제공하며(박관동 등, 2007), 미터 수준의 대략적인 위치 계산이 가능하다.
- 따라서 상시관측소 중 한 점을 모델값에 고정하여 상대적인 대류권 지연 오차를 추정한다. 이 외에 앞 단계에서 다운로드한 전리층 모델, 정밀 궤도력, 위성의 시계정보, 지구 자전축 움직임 등의 파일이 이용되며, JGM-3 중력 모델, IAU2000 장동모델 및 FES2004 해양 조석모델을 사용하며, Bernese의 BPE(Bernese Procession Engine) 기능을 이용하여 일련의 과정을 자동으로 처리할 수 있도록 하였다(표 2). BPE는 Bernese에서 제공하는 자동화된 자료처리 프로그램으로 PCF(Process control File)에 의해 처리과정이 정해지며, 사용자가 정해놓은 일련의 자료 처리 과정을 순서대로 자동으로 처리한다.
성능/효과
- OPUS-K와 TGO를 이용한 자료처리 결과를 국토지리원에서 고시한 보은 좌표와 각각 비교하여 그 차이를 지역 평면좌표로 산출하였다(그림 8). 결과적으로 수평오차의 일별 변화는 OPUS-K의 경우 남쪽, 동쪽 모두 mm 수준의 차이가 발생하였고, TGO의 결과는 남쪽으로 1cm 이내, 동쪽 방향으로는 1cm 이상의 오차가 발생하였다. 수직오차의 경우는 OPUS-K와 TGO 모두 3cm 수준의 차이를 보였나, TGO의 경우는 OPUS-K 보다 비교적 일별 오차가 고르지 않게 결정되었다.
- 수직오차의 경우는 OPUS-K와 TGO 모두 3cm 수준의 차이를 보였나, TGO의 경우는 OPUS-K 보다 비교적 일별 오차가 고르지 않게 결정되었다. 따라서 OPUS-K를 이용한 자료처리가 TGO보다 높은 신뢰성을 제공하는 것을 알 수 있다.
- 또한 상시관측소 중 사용자의 필요성 또는 관측소 자료의 일시적인 장애 등에 대처하기 위해 제외하고자 하는 기준점을 최대 5개 까지 선택할 수 있도록 하였다. 사용자 관측자료 업로드 이후 결과파일 전송까지의 총 소요시간은 24시간 관측파일을 기준으로 최대 5분이며, 신속궤도력 시간지연을 고려하여 사용자의 관측으로부터 2일 경과 후 본 시스템이 이용이 가능하다. 상시관측소의 좌표는 국토지리정보원에서 2010년 3월 12일 고시한 좌표를 사용하며(국토지리정보원, 2010), 별도의 속도 정보는 고려하지 않는다.
- 결과적으로 수평오차의 일별 변화는 OPUS-K의 경우 남쪽, 동쪽 모두 mm 수준의 차이가 발생하였고, TGO의 결과는 남쪽으로 1cm 이내, 동쪽 방향으로는 1cm 이상의 오차가 발생하였다. 수직오차의 경우는 OPUS-K와 TGO 모두 3cm 수준의 차이를 보였나, TGO의 경우는 OPUS-K 보다 비교적 일별 오차가 고르지 않게 결정되었다. 따라서 OPUS-K를 이용한 자료처리가 TGO보다 높은 신뢰성을 제공하는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 GPS 자료 처리에 대한 전문적인 지식이 없는 일반 사용자들도 시간과 장소에 구애받지 않고 쉽고 빠르게 접근할 수 있어 사용자들의 GPS 이용 증가와 새로운 분야로의 확대 등의 효과를 기대할 수 있다. 또한 온라인 자료상에서 GPS 자료를 자동으로 처리하기 위한 기술을 향후 대형 구조물 모니터링, 민간분야 공간정보 서비스 등 다양한 분야에 적용하기 위한 기반이 될 것으로 기대된다.
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