[논문]GPS 코드 기반 정밀시각비교기법의 대류층 천정지연모델 분석

유동희; 양성훈; 도재철; 이창복

doi:10.9708/jksci/2012.17.12.061

초록
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본 논문은 국제원자시(TAI)를 생성하고 세계협정시(UTC)를 결정하기 위해 GPS에서 전달되는 코드를 기반으로 한 시각비교 기법에 대한 연구 결과이다. 시각비교를 위한 국제표준 양식으로 CGGTTS가 사용되고 있는데, CGGTTS 표준은 시각용 GPS 수신기에서만 제공되고 측지용 GPS 수신기에서는 RINEX 형식으로 위성의 정보를 제공한다. 측지용 수신기를 시각비교용으로 사용하기 위해 ROB에서는 RINEX 형식의 데이터를 이용해서 CGGTTS 형식으로 변환하는 r2cggtts 프로그램을 제공하고 TAI link에 참여하는 전 세계 시각비교 연구실들은 해당 프로그램을 통해 GPS 코드 신호에 의한 시각비교 자료를 BIPM에 주기적으로 전송한다. 본 논문에서는 위성으로부터 수신기까지 코드 신호가 전달될 때 발생하는 오류 요소들과 그 보상 방법을 간단히 소개한다. 오류요소 중 대류층 지연에 대해 자세히 소개하고 기존 프로그램에 적용된 NATO 모델과 현재 가장 널리 사용되고 있는 Saastamoinen 모델을 비교 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper shows results of the precise time comparison technique based on GPS code transfer in order to determine the UTC(Universal Time Coordinated) and generate TAI(International Atomic Time). CGGTTS(CCTF Group on GNSS Time Transfer Standards) which is generated by GPS timing receivers is used as...

This paper shows results of the precise time comparison technique based on GPS code transfer in order to determine the UTC(Universal Time Coordinated) and generate TAI(International Atomic Time). CGGTTS(CCTF Group on GNSS Time Transfer Standards) which is generated by GPS timing receivers is used as the international standard format. For geodetic receivers which provide RINEX formats as GPS time transfer results, ROB(Royal Observatory of Belgium) developed a conversion program, r2cggtts, and have distributed the program to timing laboratories participating in TAI link all over the world. Timing laboratories generate the time comparison results of GPS code transfer by the program and send them to BIPM(Bureau International des Poids et Mesures) periodically. In this paper, we introduce the delay features generated while GPS code is transferred and the calibration methods of them. Then, we introduce the tropospheric delay and analyze the results of Saastamoinen model and NATO(North Atlantic Treaty organization) model. Saastamoinen model is the representative tropospheric zenith path delay model and NATO model is applied to the legacy r2cggtts program.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 세계협정시를 계산하기 위해 우리나라 한국표준과학연구원에서 수행하고 있는 GPS 코드를 이용한 시각비교 기법과 r2cggtts 프로그램에 대해 소개하였다. 국내 코드 기반의 시각비교기법에 사용되고 있는 ROB의 프로그램을 C 프로그램으로 변환하여 검증하였고, 향후 국내 실정에 맞게 여러 기법들을 적용하고 시각비교결과를 도출할 계획이다.

제안 방법

3 버전에 대해서 구현을 완료하였다. 본 연구를 기반으로 향후 다양한 기법 등을 적용할 계획이며 첫 번째로 코드기반 정밀시각비교기법의 대류층 지연에 대해 Saastamoinen 모델을 적용하고 기존 NATO(North Atlantic Treaty Organization) 모델과 시각비교 결과를 분석해 보았다[10][11]. Saastamoinen 모델은 현재 반송파를 이용한 정밀시각비교기법인 PPP를 구현한 ATOMIUM에서 대류층 천정지연모델로 사용되고 있으며[12], NATO 모델에 비해 안정도나 정확도가 좀 더 높은 것으로 평가받고 있다.
2시간마다 업데이트되어 방송되는 항법 메시지의 위성궤도를 이용해서 실측된 수신기 안테나의 좌표, 사냑 효과 등을 이용해서 거리에 의한 지연인 ρ를 구한다.
이에, 본 논문에서는 현재 대류층 지연모델 중 가장 많이 사용되고 있는 모델인 Saastamoinen 모델을 코드를 이용한시각비교에 적용하여 기존의 NATO 모델과 시각 비교결과를 비교 분석한다.
그림 3과 같이, 대류권의 지연오차는 크게 두 가지로 나누는데 건조공기에 의한 건조지연(dry delay)과 습윤공기에 의한 습윤 지연(wet delay)으로 구별된다. 지표로부터 11~12km 사이에 수증기가 존재하는 습윤층, 그 상층의 40~50km 까지를 건조층으로 구분하여 대류층 지연을 계산한다.
Saastamoinen 모델은 지표면으로부터 11~12km까지는 습윤층, 그 이상에서 50km까지를 건조층으로 양분하여 표준 모델 식을 아래와 같이 제안하였다.
첫 번째 적용 분야로 기존 NATO 모델에 비해 안정성이나 정확성이 높아 정밀시각비교기법에서 주로 사용되고 있는 Saastamoinen 모델을 대류층 지연의 천정지연모델에 적용하고 그 결과를 비교분석해 보았다.

이론/모형

GPS 신호는 DS-CDMA (Direct-Spread Code Division Multiple Access) 변조방식을 사용하고 PN(Pseudo random Noise) 코드로는 C/A 코드와 P 코드가 있다. L1 대역은 C/A 및 P 코드 신호가 직교함수로서 같이 송신되고 L2 대역은 P 코드 신호만 사용된다.
이를 이용하면 단일채널 동시측정법에 비해 시각주파수 비교에 정밀도가 3배 정도 개선된다. 본 연구는 다채널 측정법을 이용한다.

성능/효과

이 경우 각 채널마다 하루 89개의 데이터 수신이 가능하다. 이를 이용하면 단일채널 동시측정법에 비해 시각주파수 비교에 정밀도가 3배 정도 개선된다. 본 연구는 다채널 측정법을 이용한다.
이는 20도 이하의 낮은 앙각에 대한 결과가 다 적용되었기 때문이다. 그러나 60도 이상의 앙각에 대해서는 두 모델이 전체 값에 비해서는 안정적인 결과를 타내었고 특히 Saastamoinen 모델의 결과 값이 더 안정적임을 확인할 수 있다.
네모 박스로 표시한 부분은 앙각이 60도 이상의 구간이다. 두 모델 모두 비교적 안정적인 값을 나타내고 있음을 알 수 있고 Saastamoinen 모델의 경우 낮은 앙각에서 시각비교 결과가 많이 커지는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 전체 시각 비교값이 편차가 심한 결과를 보인 것이다.
현재 NATO모델을 적용한 r2cggtts 결과는 낮은 앙각의 경우 상대적으로 지연의 범위가 작아 20도 이상의 값들로 시각비교결과를 제공하고 있다. 반송파의 대류층 지연에 사용되는 Saastamoinen 모델의 적용 결과 고도가 높은 경우에는 매우 안정적인 결과 값을 보이고, 고도각이 낮은 경우는 안정도가 많이 떨어짐을 알 수 있다. 향후 Saastamoinen 모델의mapping function으로 사용되는 Niell의 mapping function을 적용하고 시각비교 결과를 분석하고 검증할 계획이다.

후속연구

국내의 경우 한국표준과학연구원에서 ROB에서 제공하는 코드 기반의 정밀시각기법을 활용 위주로 이용해 왔다. 향후국내의 독자적인 기술력을 확보하고 다양한 정밀시각기법들을 분석 적용하고, 나아가 고정밀 시각비교기법인 PPP(Precise Point Positioning) 등을 국내 자체적으로 연구 개발하기 위해서는 본 논문에서 제시하는 코드기반의 정밀시각기법에 대한 자세한 분석이 필요하다. 그리고 가독성 및 활용의 다각화를 위해 고급언어로의 개발이 요구되어 C 언어로 4.
본 논문에서는 세계협정시를 계산하기 위해 우리나라 한국표준과학연구원에서 수행하고 있는 GPS 코드를 이용한 시각비교 기법과 r2cggtts 프로그램에 대해 소개하였다. 국내 코드 기반의 시각비교기법에 사용되고 있는 ROB의 프로그램을 C 프로그램으로 변환하여 검증하였고, 향후 국내 실정에 맞게 여러 기법들을 적용하고 시각비교결과를 도출할 계획이다. 첫 번째 적용 분야로 기존 NATO 모델에 비해 안정성이나 정확성이 높아 정밀시각비교기법에서 주로 사용되고 있는 Saastamoinen 모델을 대류층 지연의 천정지연모델에 적용하고 그 결과를 비교분석해 보았다.
반송파의 대류층 지연에 사용되는 Saastamoinen 모델의 적용 결과 고도가 높은 경우에는 매우 안정적인 결과 값을 보이고, 고도각이 낮은 경우는 안정도가 많이 떨어짐을 알 수 있다. 향후 Saastamoinen 모델의mapping function으로 사용되는 Niell의 mapping function을 적용하고 시각비교 결과를 분석하고 검증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다채널 측정법은 최대 몇개의 GPS위성 신호를 수신 가능한가?	다채널 수신 출력은 단일 파일로 저장되는데, 다채널 수신법을 이용하면 단일채널의 경우처럼 수신기의 수신 스케줄조정 등을 필요로 하지 않는다. 이 방법은 최대 12개의 GPS위성의 신호 수신이 가능하나 지형지물이 복잡한 도시의 경우, 안정적 시각비교에 15도 이상의 앙각을 갖는 5~6개 정도의 위성이 이용된다. 이 경우 각 채널마다 하루 89개의 데이터 수신이 가능하다.
	GPS에서 송출되는 코드 신호를 이용한 시각비교에서 가장 중요한 것은 무엇인가?	GPS에서 송출되는 코드 신호를 이용한 시각비교는 기본적으로 위성으로부터 송출된 신호가 수신기까지 전달되는데 걸린 시간을 정확히 구하는 것이 가장 중요한데, 실제 여러가지 요인에 의해 오차가 발생한다. 이에 해당하는 오차들로는 그림 2와 같이 위성의 시계 오차, 위성의 궤도 오차, 수신기의 시계오차, 다중경로 오차, 대기를 통과할 때 발생하는 이온층 지연 및 대류층 지연 등이 포함된다.
	GPS 위성을 이용한 시각비교방법은 어떻게 구분되는가?	GPS 위성을 이용한 시각비교방법은 단일측정법, 동시측정법, 다채널측정법, 위상이용법 등 4가지 정도로 구분된다. 단일 측정법은 위성이 관측자의 상공을 통과할 때 그 신호를 수신하여 지상국 시각과 GPS 시각을 비교하는 방법이다.

참고문헌 (14)

D. W. Allan and C. Thomas, "Technical Directives for Standardization of GPS Time Receiver Software," Metrologia, 31, pp.69-79, 1994.

상세보기
J. Azoubib and W. Lewandowski, "CGGTTS GPS/GLONASS Data format version 02," 7th CGGTTS meeting, Nov. 1998.
G. Petit and E. F. Arias, "Use of IGS products in TAI applications," Journal of Geodesy, Vol. 83, Issue 3-4, pp327-334, March 2009.

상세보기
P. Defraigne, G. Petit and C. Bruyninx, "Use of Geodetic receivers for TAI," 33rd Precise Time and Time Interval (PTTI) meeting, pp.341-348, Nov. 2001.
P. Defraigne and C. Bruyninx, " Time Transfer for TAI using a geodetic receiver, An example with the Ashtech ZX11-T," GPS solutions, March 2001.
J. Levine, "Time transfer using multi-channel GPS receivers," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, UFFC-46, pp.392-398, 1999.
J. Kouba and T. Springer, "New IGS Station and Satellite Clock Combination," GPS Solutions, Vol. 4, No. 4, pp.1-36, 2001.
F. Roosbeek, P. Defraigne and C. Bruyninx, "Time Transfer Experiments Using GLONASS P-code Measurements from RINEX Files," GPS Solutions, Vol. 5, No. 2, pp. 51-62, 2001.

상세보기
P. Defraigne, Q. Baire and N. Guyennon, "GLONASS and GPS PPP for Time and Frequency Transfer," Frequency Control Symposium, 2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. pp909-913, May 2007.
NATO (North Atlantic Treaty Organization), North Atlantic Treaty Organization, Doc. 4294, pp. A-6-34 - A-6-37, 1993.
J. Saastamoinen, "Contributions to the theory of atmospheric refraction," In three parts. Bulletin Geodesique, No. 105, pp. 279-298; No. 106, pp. 383-397; No. 107, pp. 13-34, 1973.
P. Defraigne, A. H. Harmegnies and G. Petit, "Time and Frequency transfer combining GLONASS and GPS data," Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS), 2011 Joint Conference of the IEEE International, pp.1-5, May 2011.
V. B. Mendes and R. B. Langley, "Tropospheric zenith delay prediction accuracy for airborne GPS high-precision Positioning," Proceedings of The Institute of Navigation 54th Annual Meeting, Denver, CO, U. S. A. pp. 337-347, June 1998.
J. P. Collins, "Assessment and Development of a Tropospheric Delay Model for Aircraft Users of the Global Positioning System," M.Sc.E. thesis, Department of Geodesy and Geomatics Engineering Technical Report No. 203, University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada, Sept. 1999.

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