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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 분석의 신뢰성을 확보하기 위해서 실시간 측위 방식 중수 cm 의 높은 정밀도를 갖는 RTK를 기준 데이터로 선정하고, MMS(Mobile Mapping System) 차량에 RTK와 Network-RTK(VRS)의 두 안테나를 각각 설치하여 Network-RTK(VRS) 이동측위 정확도 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 수 cm 수준의 위치 정확도를 요구하는 실시간 이동 측위 분야에 Network-RTK(VRS)의 적용 가능성을 판단하기 위해 이동측위를 실시하고 정확도를 분석하였다.
제안 방법
- Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석을 위해 2011년 6월 24일과 2011년 6월 28일, 2일에 걸쳐 GNSS 위성 시야 확보가 용이한 경기도 과천시 어린이대공원 주차장 일원에서 데이터를 취득하였다. 6월 24일에는 RTK 측위에 사용되는 기준점 좌표를 결정하기 위하여 GPS 수신 환경이 용이한 곳에 기준점을 선점하고 6시간 동안 정지 측위를 수행하였다. 기준점의 좌표는 주변의 서울, 수원 상시 관측소들과 연결하여 결정하였으며, 계산에는 Leica에서 제공하는 LGO(Leica Geo Office)를 사용하였다.
- 기준점의 좌표는 주변의 서울, 수원 상시 관측소들과 연결하여 결정하였으며, 계산에는 Leica에서 제공하는 LGO(Leica Geo Office)를 사용하였다. 6월 28일에는 선점된 기준점에 RTK 기준국을 설치 한 후, 이동국안테나를 Network-RTK(VRS) 안테나와 함께 그림 3과 같이 MMS(Moblie Mapping System) 차량의 지붕에 각각 설치하여 1초 간격으로 15도의 임계앙각을 두고 취득하였다. 이동측위 시 차량의 속도는 시속 40km 이하로 주행하였으며, RTK 기준 국과 이동국 간의 기선거리는 최대 약 520m 이내로 이동측위를 실시 하였다.
- Network-RTK(VRS) 이동 측위의 정확도 분석을 위해, MMS(Mobile Mapping System) 차량에 RTK와 Network- RTK(VRS)가 가능한 안테나 및 수신기를 각각 설치하고, 이동측위를 수행하여 데이터를 취득하였다. 일반적으로 RTK는 기준국과의 거리가 10~15km 이내일경우, 이동 측위 정확도는 수 cm 수준으로 알려져 있기 때문에(Ayhan 등, 2006), 본 연구에서는 RTK를 Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석의 기준 데이터로 선정하였다.
- 일반적으로 RTK는 기준국과의 거리가 10~15km 이내일경우, 이동 측위 정확도는 수 cm 수준으로 알려져 있기 때문에(Ayhan 등, 2006), 본 연구에서는 RTK를 Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석의 기준 데이터로 선정하였다. 그러나 측위 정확도는 GNSS 수신기의 성능 및 수신환경에 따라 달라질 수 있으므로, RTK 데이터의 신뢰도를 평가하기 위해 이동 측위 전, RTK와 Network-RTK(VRS)의 정지 측위를 실시하였다. 정지 측위 분석 결과, RTK가 Network-RTK(VRS) 보다 더 높은 정밀도를 보이는 것을 확인한 후, 실제 MMS 차량을 주행하며 획득한 이동 측위 데이터를 이용하여 Network- RTK(VRS)의 이동 측위 정확도 분석을 실시하였다.
- 일반적으로 가시 위성의 확보가 용이한 개활지에서 RTK의 경우 정지 측위 시 1cm의 오차를 보이며(Leica Technical Reference Manual, 2008), Network-RTK(VRS)는 2~3cm 수준(한중희 등, 2010)이기 때문에 정지 측위 데이터를 이용한 오프셋산출에 무리가 없다고 판단된다. 다음으로, 이동 측위 데이터를 이용하여 매시각의 RTK 위치를 기준으로 하여 ENU 좌표계 상에서의 Network- RTK(VRS) 위치를 계산하였다. 이때 계산된 위치는 오프셋이 보정되지 않은 ENU 좌표계 상에서의 RTK를 기준으로 한 Network-RTK(VRS)의 위치 오차이다.
- 이동 측위 시 MMS 차량이 가로수 밑을 통과할 때, 가시위성의 개수가 줄어들어 Network-RTK(VRS)의 모호 정수가 유실된 구간이 1회 발생하였지만 RTK는 모호정수가 유실된 구간 없이 정상적으로 데이터를 취득하였다. 따라서 Network-RTK(VRS)의 이동 측 위 정확도를 모호 정수가 정상적으로 고정된 구간과, 모호 정수를 유실한 구간으로 나누어 분석하였다. 또한 Network-RTK(VRS) 이동 측위시 실시간으로 획득되는 위치 좌표의 정확도를 확인할 수 있는 인자를 분석하기 위하여 수신기 내부에서 실시간으로 제공되는 position quality 와 height quality를 이동 측위오차와 비교하였다.
- 따라서 건물과 구조물이 많은 도심지나, 산악지형 같이 위성의 수신환경이 좋지 않은 지역에서는 모호 정수가 상실될 확률이 크기 때문에 Network-RTK(VRS)를 통한 실시간 이동 측위 시, 수 cm 수준의 정확도를 유지하기에는 어려울 것으로 판단된다. 또한 Network-RTK(VRS) 이동 측위 시 수 cm 의 정확도를 확보하기 위해 고려해야 할 인자를 분석하기 위하여, 수신기 내부에서 실시간으로 위치 데이터와 함께 제공되는 quality 값들을 측위 오차를 비교하였다. quality 값들은 추정된 위치 좌표의 정보를 포함하고 있기 때문에, Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도와 비슷한 경향을 보였으며, quality 값들이 0.
- 따라서 Network-RTK(VRS)의 이동 측 위 정확도를 모호 정수가 정상적으로 고정된 구간과, 모호 정수를 유실한 구간으로 나누어 분석하였다. 또한 Network-RTK(VRS) 이동 측위시 실시간으로 획득되는 위치 좌표의 정확도를 확인할 수 있는 인자를 분석하기 위하여 수신기 내부에서 실시간으로 제공되는 position quality 와 height quality를 이동 측위오차와 비교하였다. 일반적으로 position quality와 height quality 값은 식(1)과 같이 GPS 정규 행렬 방정식을 전미분한 설계 행렬로 부터 유도 된다.
- 먼저, 정지 측위 시 획득된 데이터를 이용하여 ECEF (Earth-Centered-Earth Fixed) 상에서 각축마다 두 안테나의 평균 위치를 계산하였다. 이를 이용하여 RTK를 기준으로 Network-RTK(VRS)의 좌표를 ENU 좌표계로 변환한 후, 두 안테나 간의 수평 및 수직 방향의 절대 거리를 산출하였다.
- Network-RTK(VRS)의 이동 측위 정확도 분석을 위해서는 기준 데이터인 RTK와 Network-RTK(VRS) 위치 데이터의 시간 동기화 및 설치된 두 안테나 간의 오프셋 보정이 필요하다. 본 연구에서는 시간 동기화를 위해 같은 관측 시간을 기준으로 RTK와 Network-RTK(VRS)의 위치 및 quality 값을 추출하였고, 두 안테나 사이의 설치 이격에 따른 오프셋은 다음과 같은 방법으로 보정하였다.
- 본 장에서는 정지 측위 시Network-RTK(VRS) 및 RTK 측위 정밀도 분석을 통해 RTK를 이동 측위 정확도 분석의 기준 데이터로 사용하여도 합당한지에 대한 검증을 수행하였다. 타당성 검증 후 RTK를 기준으로 한 Network- RTK(VRS)의 실시간 이동 측위 정확도를 분석하였다.
- 먼저, 정지 측위 시 획득된 데이터를 이용하여 ECEF (Earth-Centered-Earth Fixed) 상에서 각축마다 두 안테나의 평균 위치를 계산하였다. 이를 이용하여 RTK를 기준으로 Network-RTK(VRS)의 좌표를 ENU 좌표계로 변환한 후, 두 안테나 간의 수평 및 수직 방향의 절대 거리를 산출하였다. 일반적으로 가시 위성의 확보가 용이한 개활지에서 RTK의 경우 정지 측위 시 1cm의 오차를 보이며(Leica Technical Reference Manual, 2008), Network-RTK(VRS)는 2~3cm 수준(한중희 등, 2010)이기 때문에 정지 측위 데이터를 이용한 오프셋산출에 무리가 없다고 판단된다.
- Network-RTK(VRS) 이동 측위의 정확도 분석을 위해, MMS(Mobile Mapping System) 차량에 RTK와 Network- RTK(VRS)가 가능한 안테나 및 수신기를 각각 설치하고, 이동측위를 수행하여 데이터를 취득하였다. 일반적으로 RTK는 기준국과의 거리가 10~15km 이내일경우, 이동 측위 정확도는 수 cm 수준으로 알려져 있기 때문에(Ayhan 등, 2006), 본 연구에서는 RTK를 Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석의 기준 데이터로 선정하였다. 그러나 측위 정확도는 GNSS 수신기의 성능 및 수신환경에 따라 달라질 수 있으므로, RTK 데이터의 신뢰도를 평가하기 위해 이동 측위 전, RTK와 Network-RTK(VRS)의 정지 측위를 실시하였다.
- 본 장에서는 정지 측위 시Network-RTK(VRS) 및 RTK 측위 정밀도 분석을 통해 RTK를 이동 측위 정확도 분석의 기준 데이터로 사용하여도 합당한지에 대한 검증을 수행하였다. 타당성 검증 후 RTK를 기준으로 한 Network- RTK(VRS)의 실시간 이동 측위 정확도를 분석하였다.
- 이동 측위 시 정확한 Network-RTK(VRS)의 위치 오차를 계산하기 위해서는 차량이 회전할 때 방향성에 따른 오프셋을 매 시각마다 보정해야 하지만, 본 연구에서는 차량의 자세를 획득할 수 있는 추가적인 센서를 탑재하지 않음에 따라 방향성을 고려한 오프셋을 보정할 수 없다. 하지만 정지 측위 데이터를 이용하여 산출한 두 안테나 간의 수평 및 수직 방향에 대한 절대 거리는 차량의 진행 방향에 상관없이 항상 일정하므로, 이를 앞서 계산한 Network- RTK(VRS) 위치 오차에 고려하여 두 안테나 간의 오프셋을 보정하였다.
대상 데이터
- Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석을 위해 2011년 6월 24일과 2011년 6월 28일, 2일에 걸쳐 GNSS 위성 시야 확보가 용이한 경기도 과천시 어린이대공원 주차장 일원에서 데이터를 취득하였다. 6월 24일에는 RTK 측위에 사용되는 기준점 좌표를 결정하기 위하여 GPS 수신 환경이 용이한 곳에 기준점을 선점하고 6시간 동안 정지 측위를 수행하였다.
- Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석의 기준 데이터는, 현재 실시간 이동 측위에서 수 cm 수준의 가장 높은 정확도를 보이는 RTK를 선정하였다. 분석에 사용된 이동측 위 데이터는 위성 수신 환경에 대한 영향을 최소화할 수 있는 개활지에서 MMS 차량에 Network-RTK(VRS) 와 RTK를 각각 설치하여 취득하였다.
- Network-RTK(VRS)는 국토지리정보원에서 제공하는“Network-RTK 실시간 정밀 GNSS 측량 서비스”를 이용하였으며, 가상 기준점 생성 및 동기화 여부를 확인한 후, 수신기에서 제공하는 3차원 추정 위치 정확도(3D CQ) 값이 3cm 이하일 때(Leica Technical Reference Manual, 2008) 측위를 시작하였다. 본 실험에 사용된 장비는 RTK는 Leica GPS 1200+, Network-RTK는 Leica viva GNSS GS15이며, 두 수신기의 사양은 신속 정지 측위 시 수평 및 수직 정확도는 각각 0.5cm, 1cm, 이동측위 시 수평 및 수직 정확도는 각각 1cm, 2cm로 장비 간 사양은 동일하다.
- Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석의 기준 데이터는, 현재 실시간 이동 측위에서 수 cm 수준의 가장 높은 정확도를 보이는 RTK를 선정하였다. 분석에 사용된 이동측 위 데이터는 위성 수신 환경에 대한 영향을 최소화할 수 있는 개활지에서 MMS 차량에 Network-RTK(VRS) 와 RTK를 각각 설치하여 취득하였다.
- 실제 이동 측위 환경과 비슷한 환경에서의 Network- RTK(VRS) 정확도를 분석하기 위해, 그림 5 와 같이 약 25분 동안 회전, 직선, 정지구간을 다양하게 주행한 이동 측위 데이터를 분석에 이용하였다. 이동 측위 시, 국토지리정보원의 “Network-RTK 실시간 정밀 GNSS 측량 서비스”와의 접속 상태는 끊김 없이 원활하게 연결되었으며, 가상 기준점(VRS)은 위도 37°26′11.
- 이동 측위 시 MMS 차량이 가로수 밑을 통과할 때, 가시위성의 개수가 줄어들어 Network-RTK(VRS)의 모호 정수가 유실된 구간이 1회 발생하였지만 RTK는 모호정수가 유실된 구간 없이 정상적으로 데이터를 취득하였다. 따라서 Network-RTK(VRS)의 이동 측 위 정확도를 모호 정수가 정상적으로 고정된 구간과, 모호 정수를 유실한 구간으로 나누어 분석하였다.
이론/모형
- Network-RTK(VRS)는 국토지리정보원에서 제공하는“Network-RTK 실시간 정밀 GNSS 측량 서비스”를 이용하였으며, 가상 기준점 생성 및 동기화 여부를 확인한 후, 수신기에서 제공하는 3차원 추정 위치 정확도(3D CQ) 값이 3cm 이하 일 때(Leica Technical Reference Manual, 2008) 측위를 시작하였다.
- 6월 24일에는 RTK 측위에 사용되는 기준점 좌표를 결정하기 위하여 GPS 수신 환경이 용이한 곳에 기준점을 선점하고 6시간 동안 정지 측위를 수행하였다. 기준점의 좌표는 주변의 서울, 수원 상시 관측소들과 연결하여 결정하였으며, 계산에는 Leica에서 제공하는 LGO(Leica Geo Office)를 사용하였다. 6월 28일에는 선점된 기준점에 RTK 기준국을 설치 한 후, 이동국안테나를 Network-RTK(VRS) 안테나와 함께 그림 3과 같이 MMS(Moblie Mapping System) 차량의 지붕에 각각 설치하여 1초 간격으로 15도의 임계앙각을 두고 취득하였다.
- 서버에서는 전송받은 이동국 위치에 인접한 상시 관측소들의 데이터를 이용하여 전리층, 대류층, 위성 관련 오차등과 같은 계통오차를 계산하고 이동국 근처에 가상 기준점을 생성한다. 마지막으로 생성된 가상기준점의 위치 및 보정 정보를 NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) 방식으로 이동국에 전송하고 이 정보를 이용하여 상대 측위 기법으로 이동국의 정밀한 위치를 계산한다.
- VRS 기반 Network-RTK 이동 측위 과정은 크게 세 단계로 진행된다. 첫 번째로 이동국의 대략적인 위치를 모바일 통신 방식인 CDMA(Code Division Multiple Access)를 이용하여 NMEA(National Marine Electronics Association) 형식으로 Network-RTK(VRS) 서버에 전송한다(Wilson등, 2002).서버에서는 전송받은 이동국 위치에 인접한 상시 관측소들의 데이터를 이용하여 전리층, 대류층, 위성 관련 오차등과 같은 계통오차를 계산하고 이동국 근처에 가상 기준점을 생성한다.
성능/효과
- Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도 분석 결과, 정상적으로 모호정수가 고정된 구간에서 수평위치의 RMS는 2cm , 수직 위치의 RMS는 7cm를 갖는 것으로 확인되었다. 그러나 가로수에 의해 Loss of Lock이 발생하여 모호 정수가 상실된 구간에서는 수평 및 수직 방향의 RMS는 각각 52cm, 약 2m로 정확도가 크게 저하되었다.
- Network-RTK(VRS) 이동 측위는 정지 측위에 비해 낮은 정확도를 보였으나, 모호정수가 유실된 구간을 제외하면 수평 2cm, 수직7cm의 RMS 오차를 보이며, 수 cm 수준의 정확도를 갖는 것으로 확인되었다. 그러나 Network- RTK(VRS)가 모호 정수를 상실한 구간인 1151~1162 epoch (약 12초)에서는, 수평 53cm, 수직 2.
- RTK와 Network-RTK(VRS) 정지측위 결과의 평균값을 기준으로 한, 수평 및 수직 방향의 RMS는 표 1과 같으며, RTK의 경우 Network-RTK(VRS) 보다 수평, 수직 방향으로 수mm에서 약 1cm 정도 높은 정밀도를 갖는 것으로 분석되었다. 따라서 Network-RTK(VRS) 정확도 분석의 기준 데이터로 RTK를 사용하는 것은 합당하다고 판단 된다.
- 또한 Network-RTK(VRS) 이동 측위 시 수 cm 의 정확도를 확보하기 위해 고려해야 할 인자를 분석하기 위하여, 수신기 내부에서 실시간으로 위치 데이터와 함께 제공되는 quality 값들을 측위 오차를 비교하였다. quality 값들은 추정된 위치 좌표의 정보를 포함하고 있기 때문에, Network-RTK(VRS) 이동 측위 정확도와 비슷한 경향을 보였으며, quality 값들이 0.1m를 초과할 때 추정된 위치 좌표는 수 m 의 정확도로 현저하게 떨어지는 것을 확인하였다. 따라서 Network-RTK(VRS)를 이용하여 수 cm 수준의 정확도를 갖는 위치 데이터를 실시간으로 취득하기 위해서는 quality 값들이 0.
- 그림 5에서 볼 수 있듯이, 약 25분간 주행한 대부분 구간에서는 Network-RTK(VRS)의 모호 정수가 고정되어 정상적으로 이동 측위가 진행되었다. 그러나 가로수로 인해 가시위성의 개수가 줄어 모호 정수가 유실되었으며, 12초 후 모호 정수가 정상적으로 고정되었다. 이때 RTK는 모호 정수의 유실 없이 고정해를 유지하며 정상적으로 이동측위가 진행되었기 때문에, RTK를 기준으로 Network- RTK(VRS)의 모호정수 유실 구간을 분석하는 데 문제가 없을 것으로 판단된다.
- 그림 7에서 확인할 수 있듯이 모호정수가 고정된 구간에서는 position quality 및 height quality의 값들이 10cm 이하를 보이며, 이때 측위 오차는 수평 10cm, 수직 20cm 이내이다. 또한, 모호 정수가 상실된 구간에서는 quality의 값이 크게 증가됨을 확인할 수 있으며, quality 값이 최대 값일 때, 위치 오차 역시 가장 큰 것으로 확인되었다. 따라서 향후 실시간 이동 측위에서 Network-RTK(VRS)를 적용하여 수 cm 수준의 높은 정확도를 확보하기 위해서는 수신기 내부에서 제공하는 quality가 10 cm 이내의 값을 갖도록 확인하면서 이동 측위를 실시해야 할 것으로 판단된다.
- 그러나 측위 정확도는 GNSS 수신기의 성능 및 수신환경에 따라 달라질 수 있으므로, RTK 데이터의 신뢰도를 평가하기 위해 이동 측위 전, RTK와 Network-RTK(VRS)의 정지 측위를 실시하였다. 정지 측위 분석 결과, RTK가 Network-RTK(VRS) 보다 더 높은 정밀도를 보이는 것을 확인한 후, 실제 MMS 차량을 주행하며 획득한 이동 측위 데이터를 이용하여 Network- RTK(VRS)의 이동 측위 정확도 분석을 실시하였다. 그림 2는 본 연구의 전체적인 연구 과정을 도식화한 것이다.
후속연구
- 하지만 이번 연구에서는 RTK를 기준 데이터로 사용하였기 때문에 RTK 측위의 한계였던 기선의 제한으로 이동 측위 구간이 한정적이었으며, Network- RTK(VRS)에 이용되는 상시관측소들의 변화에 따른 이동 측위 정확도 분석에 대한 한계가 있었다. 그러므로 향후 본 연구를 바탕으로 장기선의 Network-RTK(VRS) 이동 측위 시, 상시관측소의 변화에 따른 가상 기준점 변경 및 위치 정확도에 미치는 영향에 대한 분석이 추가적으로 필요할 것이다.
- 또한, 모호 정수가 상실된 구간에서는 quality의 값이 크게 증가됨을 확인할 수 있으며, quality 값이 최대 값일 때, 위치 오차 역시 가장 큰 것으로 확인되었다. 따라서 향후 실시간 이동 측위에서 Network-RTK(VRS)를 적용하여 수 cm 수준의 높은 정확도를 확보하기 위해서는 수신기 내부에서 제공하는 quality가 10 cm 이내의 값을 갖도록 확인하면서 이동 측위를 실시해야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구를 바탕으로 실시간 이동 측위 시 수 cm 수준의 정확도를 요구하는 실시간 Mapping 분야나 항법 등 다양한 분야에서 Network-RTK(VRS) 측위를 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 하지만 이번 연구에서는 RTK를 기준 데이터로 사용하였기 때문에 RTK 측위의 한계였던 기선의 제한으로 이동 측위 구간이 한정적이었으며, Network- RTK(VRS)에 이용되는 상시관측소들의 변화에 따른 이동 측위 정확도 분석에 대한 한계가 있었다.
- 본 연구를 바탕으로 실시간 이동 측위 시 수 cm 수준의 정확도를 요구하는 실시간 Mapping 분야나 항법 등 다양한 분야에서 Network-RTK(VRS) 측위를 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 하지만 이번 연구에서는 RTK를 기준 데이터로 사용하였기 때문에 RTK 측위의 한계였던 기선의 제한으로 이동 측위 구간이 한정적이었으며, Network- RTK(VRS)에 이용되는 상시관측소들의 변화에 따른 이동 측위 정확도 분석에 대한 한계가 있었다. 그러므로 향후 본 연구를 바탕으로 장기선의 Network-RTK(VRS) 이동 측위 시, 상시관측소의 변화에 따른 가상 기준점 변경 및 위치 정확도에 미치는 영향에 대한 분석이 추가적으로 필요할 것이다.
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