현재 운영 중인 위성항법보정시스템(Differential GPS)은 기준국(Reference Station), 감시국(IntegrityMonitor), 그리고 제어국(Control Station)으로 구성되어 있다. 기준국(RS)에서는 의사거리 보정정보(Pseudorange Correction)를 계산하고 RTCM국제표준 메시지를 생성하여 사용자에게 방송한다. 감시국(IM)에서는 기준국으로부터 보정정보를 수신하여 보정정보가 허용치 이내인지를 검사한다. 그리고 제어국(CS)에서는 기준국과 감시국의 기능 및 성능 파라미터 제어, 상태 감시를 수행한다. DGPS 무결성 감시국의 핵심 기능은 보정정보의 검사와 기준국으로 피드백 메시지를 전송하는 것이다. 하지만 무결성 감시를 위한 현재의 알고리즘은 위성 이상이 발생할 경우 그 무결성 기능에 한계가 있다. 그러므로 본 논문에서는 해상 DGPS RSIM을 위한 위성 이상 검출 및 식별기법에 중점을 둔다. 먼저 현재 운영 중인 DGPS RSIM의 기능 분석을 토대로 DGPS RSIM을 위한 무결성 기능의 한계를 분석하고, 다음으로 위성시계 이상을 검출하고 이상위성을 식별하기 위한 기법을 제안한다. 위성이상 검출 및 식별 기법을 실제 위성시계 이상사례에 적용하여 그 실험 결과를 제시한다.
현재 운영 중인 위성항법보정시스템(Differential GPS)은 기준국(Reference Station), 감시국(Integrity Monitor), 그리고 제어국(Control Station)으로 구성되어 있다. 기준국(RS)에서는 의사거리 보정정보(Pseudorange Correction)를 계산하고 RTCM 국제표준 메시지를 생성하여 사용자에게 방송한다. 감시국(IM)에서는 기준국으로부터 보정정보를 수신하여 보정정보가 허용치 이내인지를 검사한다. 그리고 제어국(CS)에서는 기준국과 감시국의 기능 및 성능 파라미터 제어, 상태 감시를 수행한다. DGPS 무결성 감시국의 핵심 기능은 보정정보의 검사와 기준국으로 피드백 메시지를 전송하는 것이다. 하지만 무결성 감시를 위한 현재의 알고리즘은 위성 이상이 발생할 경우 그 무결성 기능에 한계가 있다. 그러므로 본 논문에서는 해상 DGPS RSIM을 위한 위성 이상 검출 및 식별기법에 중점을 둔다. 먼저 현재 운영 중인 DGPS RSIM의 기능 분석을 토대로 DGPS RSIM을 위한 무결성 기능의 한계를 분석하고, 다음으로 위성시계 이상을 검출하고 이상위성을 식별하기 위한 기법을 제안한다. 위성이상 검출 및 식별 기법을 실제 위성시계 이상사례에 적용하여 그 실험 결과를 제시한다.
Current differential GPS (DGPS) system consists of reference station (RS), integrity monitor (IM), and control station (CS). The RS computes the pseudorange corrections (PRC) and generates the RTCM messages for broadcasting. The IM receives the corrections from the RS broadcasting and verifies that ...
Current differential GPS (DGPS) system consists of reference station (RS), integrity monitor (IM), and control station (CS). The RS computes the pseudorange corrections (PRC) and generates the RTCM messages for broadcasting. The IM receives the corrections from the RS broadcasting and verifies that the information is within tolerance. The CS performs realtime system status monitoring and control of the functional and performance parameters. The primary function of a DGPS integrity monitor is to verify the correction information and transmit feedback messages to the reference station. However, the current algorithms for integrity monitoring have the limitations of integrity monitor functions for satellite outage or anomalies. Therefore, this paper focuses on the detection and identification methods of satellite anomalies for maritime DGPS RSIM. Based on the function analysis of current DGPS RSIM, it first addresses the limitation of integrity monitoring functions for DGPS RSIM, and then proposes the detection and identification method of satellite anomalies. In addition, it simulates an actual GPS clock anomaly case using a GPS simulator to analyze the limitations of the integrity monitoring function. It presents the brief test results using the proposed methods for detection and identification of satellite anomalies.
Current differential GPS (DGPS) system consists of reference station (RS), integrity monitor (IM), and control station (CS). The RS computes the pseudorange corrections (PRC) and generates the RTCM messages for broadcasting. The IM receives the corrections from the RS broadcasting and verifies that the information is within tolerance. The CS performs realtime system status monitoring and control of the functional and performance parameters. The primary function of a DGPS integrity monitor is to verify the correction information and transmit feedback messages to the reference station. However, the current algorithms for integrity monitoring have the limitations of integrity monitor functions for satellite outage or anomalies. Therefore, this paper focuses on the detection and identification methods of satellite anomalies for maritime DGPS RSIM. Based on the function analysis of current DGPS RSIM, it first addresses the limitation of integrity monitoring functions for DGPS RSIM, and then proposes the detection and identification method of satellite anomalies. In addition, it simulates an actual GPS clock anomaly case using a GPS simulator to analyze the limitations of the integrity monitoring function. It presents the brief test results using the proposed methods for detection and identification of satellite anomalies.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그러므로 GNSS 서비스 중단 및 고장을 검출하고 그 원인을 식별하여 신뢰할 수 있는 GNSS 측위체계의 확보가 필요하다. 본 논문에서는 위성시계 이상 발생시 DGPS RSIM의 무결성 감시 기능의 한계를 다시 분석하고 그 문제점을 해결하기 위한 방안으로 위성시계 이상 현상 검출 및 식별 기법을 제안하여 적용한 결과를 제시한다. 현재 운영 중인 DGPS 기준국 시스템의 변동 없이 기준국 수신기 특성을 고려한 위성이상신호 검출 및 이상위성 식별 기법을 실제 위성시계 이상발생 사례에 적용하여 시뮬레이션 기반 성능평가 결과를 제시한다.
본 논문에서는 위성시계 이상현상 발생을 검출하고 식별하기 위한 기법의 성능검증을 위하여, 먼저 해양 DGPS 기준국 시스템의 구성과 기능에 대해 살펴보았고, 위성시계 이상에 따른 DGPS 기준국에 미치는 영향에 대해 분석하였다. GPS 시뮬레이터를 이용하여 실제 PRN 23 위성시계 이상 시나리오를 재현하였고, 이상 재현 시나리오를 적용하여 위성시계 이상 검출 및 식별 기법의 성능검증을 수행하였다.
특정 위성(PRN23)의 위성시계 고장이 전체위성에 영향을 주는 이유를 살펴보면, 먼저 위성고장 및 이상이 발생 할 경우 전체 가시위성의 가용성이 저하된다. 특히 DGPS 보 정정보 생성시 DGPS 기준국 수신기의 시계 오차성분을 제거하기 위하여 보정정보의 공통오차 성분을 추정하면서 고장위성의 오차를 정상 위성의 오차로 오인한 것이다. 식(1)은 기준국에서 보정정보 생성을 위한 수식을 나타낸다[3][4].
가설 설정
위성시계 이상위성은 1개라고 가정하였으며, 이를 기반으로 위성시계 고장발생 가능지수(BFD)를 이용하여 고장발생 유무를 판정하였다. 그리고 고장발생이 확인되면 위성별 고장식별 지수(BFI)를 이용하여 고장위성을 식별할 수 있도록 구성하였다.
제안 방법
위성시계 이상현상 검출 및 식별 기법의 성능검증을 위하여 위성시계 이상 시나리오를 생성하였다. 2004년 1월 1일 발생한 PRN 23 위성시계 이상 사례를 분석하여 GPS 시뮬레이터 상에 PRN 23의 의사거리 오차를 재현하였다. 그림 7은 본 실험에서 적용된 사례로서 위성시계 이상에 따른 의사거리 오차를 나타낸 것이다[7].
DGPS 기준국에서 무결성을 감시하는 과정은 그림 4와 같다[2]. 감시국 수신기에서 의사거리 계측정보를 기반으로 기준국으로부터 수신한 의사거리 보정정보(PRC)를 적용한 다음, 보정나이를 계산하고, 기준위치와의 오차비교를 통한 감시, 의사거리 잔차를 통한 감시를 수행한다. 보정정보의 나이와 의사거리 잔차, 그리고 절대위치 오차가 허용치를 벗어나면 피드백 메시지의 플래그에 이상 플래그를 적용하여 기준국과 제어국에 전송한다.
)를 이용하여 고장발생 유무를 판정하였다. 그리고 고장발생이 확인되면 위성별 고장식별 지수(BFI)를 이용하여 고장위성을 식별할 수 있도록 구성하였다. 그림 5는 위성이상 검출 및 식별을 위한 순서도를 나타낸다[6].
무결성 감시를 위하여 DGPS 시스템은 표 1과 같이 최대 의사거리 보정치(PRC), 의사거리 보정치의 변화량(RRC), RSIM 피드백 메시지, UDRE, 보정나이(Correction age), 의사거리 잔차 및 변화율(PR/RR residual), 절대위치 오차(Position error) 값을 기준으로 무결성 여부를 검사한다.
위성시계 이상 검출 및 식별 기법의 성능을 검증하기 위하여, 이상현상 재현 시나리오 생성을 위한 GPS 시뮬레이터(GSS7700), 시뮬레이터와 연동한 위성 수신기(Novatel DL-V3), 소프트웨어 기반 성능검증 플랫폼을 그림 6과 같이 구성하였다[4]. 시뮬레이터 운영 소프트웨어(SimGen)를 통해 위성시계 이상 시나리오를 생성하면 시뮬레이터는 이상신호가 적용된 위성신호를 출력하고, GNSS 수신기의 원시계측정보 출력을 위성시계 이상 검출 및 식별 시스템에서 분석하여 그 성능검증을 수행하였다.
그림 8의 시나리오를 그림 5와 같은 위성시계 이상 검출 및 식별 기법에 적용한 결과를 살펴보면 다음과 같다. 원시정보를 취득한 위성번호 배열을 기반으로 소그룹의 수신기 시계오차 추정을 위한 연산 벡터(G)를 생성하고, 벡터의 평균을 구한다. 그림 10은 추정 연산벡터(G)의 평균 결과를 나타낸다.
위성시계 이상 검출 및 식별 기법의 성능을 검증하기 위하여, 이상현상 재현 시나리오 생성을 위한 GPS 시뮬레이터(GSS7700), 시뮬레이터와 연동한 위성 수신기(Novatel DL-V3), 소프트웨어 기반 성능검증 플랫폼을 그림 6과 같이 구성하였다[4]. 시뮬레이터 운영 소프트웨어(SimGen)를 통해 위성시계 이상 시나리오를 생성하면 시뮬레이터는 이상신호가 적용된 위성신호를 출력하고, GNSS 수신기의 원시계측정보 출력을 위성시계 이상 검출 및 식별 시스템에서 분석하여 그 성능검증을 수행하였다.
위성시계 이상으로 인한 기준국 무결성 감시 기능의 한계를 극복하기 위하여, 위성시계 이상현상을 검출하고 또한 이상위성을 식별하기 위한 기법을 적용하였다. 먼저 단일 기준국에서의 위성시계 오차 이상현상을 검출 및 식별하기 위하여 다음과 같은 조건을 고려하였다.
위성시계 이상현상 검출 및 식별 기법의 성능검증을 위하여 위성시계 이상 시나리오를 생성하였다. 2004년 1월 1일 발생한 PRN 23 위성시계 이상 사례를 분석하여 GPS 시뮬레이터 상에 PRN 23의 의사거리 오차를 재현하였다.
추정 연산벡터의 평균 결과를 기반으로 고장발생지수(BFD)를 생성하여 고장발생지수가 허용치 이상이면 고장이 발생하였음을 알리고, 다시 위성별 고장발생 식별지수(BFI)를 생성하여 해당 그룹 내에서 가장 큰 값을 고장위성으로 판별하도록 하였다. 그림 11은 고장발생 허용치(TFD)가 0.
본 논문에서는 위성시계 이상 발생시 DGPS RSIM의 무결성 감시 기능의 한계를 다시 분석하고 그 문제점을 해결하기 위한 방안으로 위성시계 이상 현상 검출 및 식별 기법을 제안하여 적용한 결과를 제시한다. 현재 운영 중인 DGPS 기준국 시스템의 변동 없이 기준국 수신기 특성을 고려한 위성이상신호 검출 및 이상위성 식별 기법을 실제 위성시계 이상발생 사례에 적용하여 시뮬레이션 기반 성능평가 결과를 제시한다.
데이터처리
본 논문에서는 위성시계 이상현상 발생을 검출하고 식별하기 위한 기법의 성능검증을 위하여, 먼저 해양 DGPS 기준국 시스템의 구성과 기능에 대해 살펴보았고, 위성시계 이상에 따른 DGPS 기준국에 미치는 영향에 대해 분석하였다. GPS 시뮬레이터를 이용하여 실제 PRN 23 위성시계 이상 시나리오를 재현하였고, 이상 재현 시나리오를 적용하여 위성시계 이상 검출 및 식별 기법의 성능검증을 수행하였다. 해당 위성이상 시나리오 상에서 위성신호 이상 판별 및 이상위성 식별이 가능함을 확인하였다.
이론/모형
다음으로 위성으로부터 전달받은 항법메시지 및 이주파 원시정보를 이용하여 다음과 같은 수신시 시계오차 추정 연산식을 이용하였다.
성능/효과
GPS 시뮬레이터 상에 PRN 23 위성시계 오차를 부가한 시나리오를 작성하여 GNSS 수신기를 이용하여 측정한 결과는 그림 8과 그림 9에 각각 나타낸다. 시나리오 적용 결과 PRN 23의 오차증가는 의사거리 보정정보(PRC)의 오차를 증가시키고 결론적으로 측위정확도를 감소시킨다는 것을 확인할 수 있다.
GPS 시뮬레이터를 이용하여 실제 PRN 23 위성시계 이상 시나리오를 재현하였고, 이상 재현 시나리오를 적용하여 위성시계 이상 검출 및 식별 기법의 성능검증을 수행하였다. 해당 위성이상 시나리오 상에서 위성신호 이상 판별 및 이상위성 식별이 가능함을 확인하였다. 그러나 실제 기준국 환경에서의 성능검증이 아닌 시뮬레이터 기반의 실험이었으므로 실제 DGPS 기준국 환경을 고려한 이상신호 검출 및 식별 기술로의 확대가 필요하며, 특히 위성신호 이상검출을 위한 최적 임계치의 결정 방법이 추가 고려가 되어야 할 것이다.
후속연구
해당 위성이상 시나리오 상에서 위성신호 이상 판별 및 이상위성 식별이 가능함을 확인하였다. 그러나 실제 기준국 환경에서의 성능검증이 아닌 시뮬레이터 기반의 실험이었으므로 실제 DGPS 기준국 환경을 고려한 이상신호 검출 및 식별 기술로의 확대가 필요하며, 특히 위성신호 이상검출을 위한 최적 임계치의 결정 방법이 추가 고려가 되어야 할 것이다.
DGPS 무결성 감시 기능 개선을 위한 기존 연구는 항공항법을 위한 연구가 주를 이루고 있으며, 해양항법을 위한 무결성 감시 개선을 목적으로 위성이상 발생시 기준국의 무결성 감시 기능의 한계를 분석한 연구가 있었다[3]. 또한 항공분야에서 정의된 무결성 감시 기법을 해양용 DGPS 기준국 무결성 감시에 적용하기 위한 가능성을 제시하였으나 국제표준의 측위정확도 및 무결성 수준을 충족시키는지에 대한 성능시험 결과를 제시하지 못하였다. 그러므로 GNSS 서비스 중단 및 고장을 검출하고 그 원인을 식별하여 신뢰할 수 있는 GNSS 측위체계의 확보가 필요하다.
그러나 현재의 운영 중인 기준국 시스템은 무결성 감시를 위한 국제해사기구(IMO)의 강화된 요구성능을 충족시키지 못하고 있는 실정이다. 특히 NANU(Notice Advisory to Navstar Users) 공지 분석 통계를 살펴보면, GPS 위성 이상 발생 건수가 매년 십여건 이상 발생하고 있으며, 2008년 이후에 감소하고 있는 것으로 보고되고 있지만, DGPS 기준국 차원에서의 적절한 대응이 아직까지 부족한 실정이므로 이를 보완하기 위한 연구가 필요하다. DGPS 무결성 감시 기능 개선을 위한 기존 연구는 항공항법을 위한 연구가 주를 이루고 있으며, 해양항법을 위한 무결성 감시 개선을 목적으로 위성이상 발생시 기준국의 무결성 감시 기능의 한계를 분석한 연구가 있었다[3].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DGPS 무결성 감시국의 핵심 기능은 무엇인가?
그리고 제어국(CS)에서는 기준국과 감시국의 기능 및 성능 파라미터 제어, 상태 감시를 수행한다. DGPS 무결성 감시국의 핵심 기능은 보정정보의 검사와 기준국으로 피드백 메시지를 전송하는 것이다. 하지만 무결성 감시를 위한 현재의 알고리즘은 위성 이상이 발생할 경우 그 무결성 기능에 한계가 있다.
GPS 위성이상 현상 중 가장 큰 빈도를 나타내는 이상은 무엇인가?
GPS 위성이상 현상은 위성신호 결합기 결함, 신호 스펙트럼 이상, 송출신호 전력 이상, PRN 코드 이상, 위성시계 이상, 위성의 잘못된 궤도 운행 등을 들 수 있다. 이 중 위성클럭과 궤도 이상이 가장 큰 빈도를 나타내고 있으며, 사용자에게는 의사거리 오차 증가의 원인이 된다.
DGPS 기준국 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?
현재 우리나라 DGPS 기준국은 해양기준국 11개소, 내륙기준국 6개소, 감시국 17개소로 구성되어 운영되고 있으며 국제항로표지협회(IALA)의 권고에 따라 사용자에게 실시간 보정서비스를 하고 있다. DGPS 기준국 시스템은 보정 정보를 생성하고 전송하기 위한 기준국(Reference Station)과 보정정보의 무결성을 감시하기 위한 무결성 감시국(Integrity Monitor), 그리고 기준국과 감시국의 제어 및 운영을 위한 제어국(Control Station)으로 구성되어 있다. DGPS 기준국에서는 추적 위성수, 최대 보정치, UDRE(User Differential Range Error), 보정나이, 의사거리 잔차, 절대위치오차의 무결성 감시를 수행하고 있다[1].
참고문헌 (7)
Radio Technical Commission for Maritime Services (2006), "RTCM Standard 10401.2 for Differential NAVSTAR GPS Reference Stations and Integrity Monitors (RSIM)," RTCM Paper 221-2006-SC104 -STD.
Radio Technical Commission for Maritime Services (2001), "RTCM Recommended Standards for Differential GNSS Version 2.3," RTCM Paper 136-2001/SC104-STD.
K.Y. Seo, S.H. Park, H.C. Jeong, and S.H. Suh, "Analysis on the Limitation of Integrity Monitoring Functions for Maritime DGPS," Proceedings of International GNSS, 2009.
K.Y. Seo and S.H. Park, "Detection and Identification Methods of Satellite Anomalies for Maritime DGPS RSIM," Proceedings of European Navigation Conference (ENC), 2011.
K.Y. Seo, S.H. Park, W.S. Jang, and S.H. Suh, "Performance Analysis of Software Reference Station and Integrity Monitor for Maritime DGPS," Proceedings of European Navigation Conference (ENC), 2009.
S.H. Park, K.Y. Seo, D.J. Cho, and S.H. Suh, "AParity Space Approach for Satellite Anomaly Monitoring of Maritime DGPS," Proceedings of the Institute of Navigation (ION), 2011.
Anne-Laure Vogel, Christophe Macabiau, and Norbert Suard, "Effect of a GPS Anomaly on Different GNSS Receivers," ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, LongBeach, CA.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.