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문제 정의
- 이 연구에서는 신호차폐 시뮬레이션을 통해 위성가시성 변화에 따른 측위정확도의 변동과 GPS/GLONASS 통합 측위의 활용성을 확인하였다. 이를 위해 코드자료 기반의 통합 GPS/GLONASS 이중차분 상대측위를 구현하고 가시환경이 우수한 상시관측소의 최신 자료를 활용한 정확도분석을 수행하였다.
- 이 논문에서는 코드자료 기반의 GPS와 GPS/GLONASS 이중차분 상대측위 알고리즘을 구현하고 정확도를 확인하였다. 국토지리정보원 상시관측소 인천을 기준국으로 설정하고 인하대학교 상시관측소 IHU3의 위치결정을 수행하였다.
가설 설정
- 이를 위해 코드자료 기반의 통합 GPS/GLONASS 이중차분 상대측위를 구현하고 가시환경이 우수한 상시관측소의 최신 자료를 활용한 정확도분석을 수행하였다. 이후 건물과 같은 신호차폐요소로 인해 이동국의 동쪽, 서쪽, 남쪽의 시야가 각각 차단되는 상황을 가정하였다. 이와 같은 각각의 시뮬레이션 상황에 대해 GPS와 GPS/GLONASS 상대측위를 수행하고 정확도를 분석하였다.
- CASE 1은 동쪽방향으로 신호차폐 요소가 존재한다고 가정한 경우로 방위각 30°～150°사이에서 고도각 60°이상의 위성신호만 획득한 경우이다.
- 반대로 CASE 2는 서쪽방향에 신호차폐 요소가 존재한다고 가정한 경우로 방위각 210°～330°사이에서 고도각 60°이상의 신호만 관측 가능한 조건을 설정하였다.
제안 방법
- Yamada 등(2008)은 이동측위 실험을 통해 GPS 단독측위와 GPS/GLONASS 통합측위의 정확도와 측위가능시간을 분석하였다. 또한 신호차폐 지역에서 기준국의 보정정보를 활용한 DGPS와 DGPS/DGLONASS의 측위 정확도를 분석하였다. 그 결과 이동측위 실험에서는 GPS와 GPS/GLONASS는 각각 38%와 87%의 측위가능 시간을 나타냈으며, DGPS와 DGPS/DGLONASS는 각각 11.
- 이 연구에서는 신호차폐 시뮬레이션을 통해 위성가시성 변화에 따른 측위정확도의 변동과 GPS/GLONASS 통합 측위의 활용성을 확인하였다. 이를 위해 코드자료 기반의 통합 GPS/GLONASS 이중차분 상대측위를 구현하고 가시환경이 우수한 상시관측소의 최신 자료를 활용한 정확도분석을 수행하였다. 이후 건물과 같은 신호차폐요소로 인해 이동국의 동쪽, 서쪽, 남쪽의 시야가 각각 차단되는 상황을 가정하였다.
- 이후 건물과 같은 신호차폐요소로 인해 이동국의 동쪽, 서쪽, 남쪽의 시야가 각각 차단되는 상황을 가정하였다. 이와 같은 각각의 시뮬레이션 상황에 대해 GPS와 GPS/GLONASS 상대측위를 수행하고 정확도를 분석하였다.
- GPS와 GLONASS 위성좌표 산출단계에서는 수신기와 위성 간의 신호 송수신 과정에서 발생하는 상대론적오차인 신호전달시간 보정을 수행하였다. 또한 2.
- GPS와 GLONASS 위성좌표 산출단계에서는 수신기와 위성 간의 신호 송수신 과정에서 발생하는 상대론적오차인 신호전달시간 보정을 수행하였다. 또한 2.1절에서 언급한 바와 같이 GPS와 GLONASS의 상이한 기준 시간계 및 좌표계에 대한 시스템 통합을 수행하였다. 다음으로 기준국과 이동국에서 동시에 관측되는 GPS와 GLONASS에 대해 이중차분을 수행함으로써 이동국의 3차원 좌표를 산출하고 정확도를 분석하였다.
- 1절에서 언급한 바와 같이 GPS와 GLONASS의 상이한 기준 시간계 및 좌표계에 대한 시스템 통합을 수행하였다. 다음으로 기준국과 이동국에서 동시에 관측되는 GPS와 GLONASS에 대해 이중차분을 수행함으로써 이동국의 3차원 좌표를 산출하고 정확도를 분석하였다. GPS와 GLONASS 이중차분에 대한 내용은 Roßbach(2001)에서 확인할 수 있다.
- 마지막으로 CASE 3은 남쪽방향에 극단적인 신호차폐요소로 인해 방위각 90°～270°사이의 모든 위성신호가 장애물에 의해 차단되는 상황을 설정하였다.
- 신호차폐 시뮬레이션을 통해 NEV시계열에서 발생한 오차의 원인을 보다 자세히 알아보기 위해 GPS만 사용한 경우에서 과대오차가 발생한 시점의 skyplot을 그려 GPS위성의 배치 상태를 확인하였다(Fig. 7).
- 이 논문에서는 코드자료 기반의 GPS와 GPS/GLONASS 이중차분 상대측위 알고리즘을 구현하고 정확도를 확인하였다. 국토지리정보원 상시관측소 인천을 기준국으로 설정하고 인하대학교 상시관측소 IHU3의 위치결정을 수행하였다. 이 후 고층건물과 같은 장에물에 의해 신호차폐가 발생하는 경우를 가정하여 동쪽, 서쪽, 남쪽에 대해 각각 신호차폐 시뮬레이션을 수행하여 GPS와 GLONASS의 위성궤적과 가시위성수를 확인하였다.
- 국토지리정보원 상시관측소 인천을 기준국으로 설정하고 인하대학교 상시관측소 IHU3의 위치결정을 수행하였다. 이 후 고층건물과 같은 장에물에 의해 신호차폐가 발생하는 경우를 가정하여 동쪽, 서쪽, 남쪽에 대해 각각 신호차폐 시뮬레이션을 수행하여 GPS와 GLONASS의 위성궤적과 가시위성수를 확인하였다. 또한 신호차폐 시뮬레이션 CASE에 따른 GPS 상대측위와 GPS/GLONASS 상대측위의 정확도를 분석하였다.
- 이 후 고층건물과 같은 장에물에 의해 신호차폐가 발생하는 경우를 가정하여 동쪽, 서쪽, 남쪽에 대해 각각 신호차폐 시뮬레이션을 수행하여 GPS와 GLONASS의 위성궤적과 가시위성수를 확인하였다. 또한 신호차폐 시뮬레이션 CASE에 따른 GPS 상대측위와 GPS/GLONASS 상대측위의 정확도를 분석하였다.
- 5m까지 향상된 정확도를 나타냈다. 특히, 심각한 신호차폐가 발생할 경우 불량한 GPS 위성 배치상태로 인해 과대오차가 빈번히 발생하지만 GPS/GLONASS는 3m이내의 수평 정확도를 확보하였다. 또한, 수평오차 분석으로 오차분포와 신호차폐 방향의 상관성을 확인하였다.
- 다음으로 신호차폐에 의한 오차 변동에 대해 자세히 알아보기 위해 NEV(North, East, Vertical)오차의 시계열로 표현하였으며 시뮬레이션전의 전체자료에서 CASE 1, 2, 3까지 처리하여 정리하였다. Fig.
대상 데이터
- 1에 나타내었다. 기준국과 이동국에서 생성된 GPS와 GLONASS의 항법 및 관측 RINEX 자료를 사용하였다. GLONASS는 GPS와 다르게 항법 RINEX 파일에서 위치 및 속도벡터에 대한 정보를 제공하기 때문에 수치적분법을 이용하여 위성좌표를 산출하였다.
- 이 장에서는 통합 GPS/GLONASS 이중차분 상대측위 알고리즘의 정확도 분석을 수행하였다. 분석에 사용한 자료는 2012년 DOY 018(1월 18일)의 30초 간격 24시간 자료이다. 이동국으로는 인하대학교 4호관 옥상에서 운용중인 상시관측소 IHU3을 이용하였으며, 기준국으로는 국토지리정보원 상시관측소 인천(INCH) 자료를 사용하였다.
- 분석에 사용한 자료는 2012년 DOY 018(1월 18일)의 30초 간격 24시간 자료이다. 이동국으로는 인하대학교 4호관 옥상에서 운용중인 상시관측소 IHU3을 이용하였으며, 기준국으로는 국토지리정보원 상시관측소 인천(INCH) 자료를 사용하였다. IHU3과 인천 상시관측소는 모두 동일한 안테나와 수신기인 Trimble사의 Zephyer Geodetic II와 NetR5를 운용중이다.
데이터처리
- 이 장에서는 통합 GPS/GLONASS 이중차분 상대측위 알고리즘의 정확도 분석을 수행하였다. 분석에 사용한 자료는 2012년 DOY 018(1월 18일)의 30초 간격 24시간 자료이다.
- 기준국과 이동국의 기선거리는 약 4km이다. 앞서 설명한 이중차분 상대측위 알고리즘으로 산출되는 추정좌표의 정확도는 GPS 정밀 자료처리 소프트웨어인 GIPSY-OASIS II의 좌표성과와 비교하였다.
- 신호차폐 시뮬레이션 CASE에 따른 오차분석을 수행하였다. Fig.
- 특히, 심각한 신호차폐가 발생할 경우 불량한 GPS 위성 배치상태로 인해 과대오차가 빈번히 발생하지만 GPS/GLONASS는 3m이내의 수평 정확도를 확보하였다. 또한, 수평오차 분석으로 오차분포와 신호차폐 방향의 상관성을 확인하였다.
이론/모형
- 또한 GPS와 GLONASS를 동시에 사용하기 위해서는 다른 좌표계를 사용하는 부분도 고려해야 하며 Bazlov 등(1999), Misra 등(1996), Roßbach 등(1996)에 의해 좌표변환식이 제안된 바 있다. 본 연구에서는 1m이내의 정확도를 나타낼 수 있는 Bazlov 등(1999)의 좌표변환식을 사용하였다(식 (1)).
- 기준국과 이동국에서 생성된 GPS와 GLONASS의 항법 및 관측 RINEX 자료를 사용하였다. GLONASS는 GPS와 다르게 항법 RINEX 파일에서 위치 및 속도벡터에 대한 정보를 제공하기 때문에 수치적분법을 이용하여 위성좌표를 산출하였다. 이 논문에서는 GLONASS 표준문서 GLONASS-ICD(Interface Control Document)에서 제안하는 4차 Runge-Kutta 수치적분법을 사용하였으며, GLONASS 위성위치산출에 대한 자세한 내용은 ICD-GLONASS(2008)에서 확인 할 수 있다.
- GLONASS는 GPS와 다르게 항법 RINEX 파일에서 위치 및 속도벡터에 대한 정보를 제공하기 때문에 수치적분법을 이용하여 위성좌표를 산출하였다. 이 논문에서는 GLONASS 표준문서 GLONASS-ICD(Interface Control Document)에서 제안하는 4차 Runge-Kutta 수치적분법을 사용하였으며, GLONASS 위성위치산출에 대한 자세한 내용은 ICD-GLONASS(2008)에서 확인 할 수 있다.
성능/효과
- 또한 신호차폐 지역에서 기준국의 보정정보를 활용한 DGPS와 DGPS/DGLONASS의 측위 정확도를 분석하였다. 그 결과 이동측위 실험에서는 GPS와 GPS/GLONASS는 각각 38%와 87%의 측위가능 시간을 나타냈으며, DGPS와 DGPS/DGLONASS는 각각 11.9m, 8.9m의 수평 정확도를 나타내었다.
- 국내 연구사례를 살펴보면 강준묵 등(2001)은 이동측위시 DGPS와 DGPS/DGLONASS의 정확도를 수치지도와 비교하여 확인하고, 각 시스템의 자료획득률을 분석하였다. DGPS 보다 DGPS/DGLONASS 측위시 자료획득률이 6.7% 증가했으며 이를 통해 도심지역에서의 측위가능 증대효과를 확인하였다. 김진수 등(2005)은 고층건물 밀집지역에서의 GPS, GPS/GLONASS RTK를 이용하여 건물과의 이격거리를 증가시키면서 지적측량을 수행하였다.
- 김진수 등(2005)은 고층건물 밀집지역에서의 GPS, GPS/GLONASS RTK를 이용하여 건물과의 이격거리를 증가시키면서 지적측량을 수행하였다. GPS/GLONASS RTK가 GPS RTK에 비해 자료취득률이 52%가 향상되었고 약 12m이상 이격된 거리에서 측량성과를 만족시키는 것을 확인하였다. 이런 선행연구들에서는 단순히 기준국의 보정정보를 이용한 상대측위라는 점과 자료처리 소프트웨어에 의존하였다는 한계점이 있다.
- 신호차폐 시뮬레이션 CASE에 따른 GPS와 GPS/GLONASS 의 가시위성수 최대, 최소값 및 측위가능시간을 Table 2에 나타내었다. 신호차폐 시뮬레이션을 수행하지 않은 전체자료에서는 GPS와 GPS/GLONASS 모두 측위가능 최소위성인 4개보다 많은 위성이 관측되었다.
- 하지만 GPS/GLONASS 가시위성수는 최소 5개가 유지되기 때문에 모든 시간에서 측위가 가능함을 확인할 수 있다. 또한, 측위가능시간에 대해 백분율로 확인한 결과 GPS/GLONASS는 모든 CASE에서 100% 측위가 가능했으며, GPS에 비해 약 4～5% 향상된 측위가능시간을 확보하였다.
- 5의 (c)에서는 CASE 1과 반대로 남동-북서방향으로 분포하는 것을 확인할 수 있으며 이 경우에서도 2m이상의 오차가 많이 발생하였다. 마지막으로 남쪽 방향에 대해 극단적으로 신호차폐 시뮬레이션을 수행했던 CASE 3은 남북방향으로 오차가 분포하는 것을 확인할 수 있고 차폐된 방위각의 범위가 넓기 때문에 CASE 1과 CASE 2에 비해 큰 오차를 많이 포함하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 신호차폐 방향이 동, 서, 남으로 변동될 때 오차의 방향도 변경되는 것을 확인하였으며 신호차폐 방향과 오차분포의 상관성이 있다는 것을 확인하였다.
- 마지막으로 남쪽 방향에 대해 극단적으로 신호차폐 시뮬레이션을 수행했던 CASE 3은 남북방향으로 오차가 분포하는 것을 확인할 수 있고 차폐된 방위각의 범위가 넓기 때문에 CASE 1과 CASE 2에 비해 큰 오차를 많이 포함하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 신호차폐 방향이 동, 서, 남으로 변동될 때 오차의 방향도 변경되는 것을 확인하였으며 신호차폐 방향과 오차분포의 상관성이 있다는 것을 확인하였다.
- Table 3에서 확인할 수 있듯이 GPS만 사용할 때는 적은 위성수와 위성의 배치 상태로 인해 PDOP가 크게 나타나며 이로 인해 NEV오차가 각각 –13.5m, -21.9m, -57.1m라는 큰 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
- Fig. 6 (a)에 나타낸 전체자료의 NEV시계열에서는 GPS와 GPS/GLONASS 모두 수평 2m, 수직 5m 이내에 오차가 분포하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 CASE 1과 CASE 2는 GPS의 경우 10m 이상의 오차가 발생하는 구간이 일부 존재하는 것을 확인할 수 있다(Fig.
- 앞서 CASE에 따른 NEV시계열을 통해 GPS 단독처리가 신호차폐 시뮬레이션 상황에서 관측위성의 부적절한 배치상태로 인해 다수의 과대오차가 발생함을 확인하였다. 이러한 과대오차의 영향과 24시간 자료의 정확도를 알아보기 위해 CASE에 따른 RMS오차를 Table 4에 나타내었다.
- 이러한 과대오차의 영향과 24시간 자료의 정확도를 알아보기 위해 CASE에 따른 RMS오차를 Table 4에 나타내었다. CASE 1의 GPS와 GPS/GLONASS의 수평 RMS오차는 GPS/GLONASS가 GPS에 비해 약 0.3m 향상되었다. CASE 2와 CASE 3에서는 GPS에 비해 GPS/GLONASS가 최대 13m이상 차이나는 것을 확인할 수 있다.
- 그 결과 신호차폐 상황에서는 GPS만으로는 측위가 불가능한 시점이 발생했지만 GPS/GLONASS는 모든 시간대에서 측위가 가능하였으며 GPS에 비해 약 4-5% 향상된 측위가능시간이 나타났다. 또한, 신호차폐가 발생하지 않은 전체자료에서는 GPS가 GPS/GLONASS에 비해 비교적 정확한 결과를 나타냈지만 신호차폐 시뮬레이션 자료에서는 GPS/GLONASS가 GPS에 비해 최소 0.
- 그 결과 신호차폐 상황에서는 GPS만으로는 측위가 불가능한 시점이 발생했지만 GPS/GLONASS는 모든 시간대에서 측위가 가능하였으며 GPS에 비해 약 4-5% 향상된 측위가능시간이 나타났다. 또한, 신호차폐가 발생하지 않은 전체자료에서는 GPS가 GPS/GLONASS에 비해 비교적 정확한 결과를 나타냈지만 신호차폐 시뮬레이션 자료에서는 GPS/GLONASS가 GPS에 비해 최소 0.3m에서 최대 13.5m까지 향상된 정확도를 나타냈다. 특히, 심각한 신호차폐가 발생할 경우 불량한 GPS 위성 배치상태로 인해 과대오차가 빈번히 발생하지만 GPS/GLONASS는 3m이내의 수평 정확도를 확보하였다.
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