GPS 오차를 보정하기위한 시스템 중에서 광역보정시스템은 여러 개의 기준국 네트워크로부터 데이터를 수집하여 3차원위성궤도 오차, 위성 시계오차, 서비스 지역의 전리층 지연 오차를 추정한다. 추정된 보정정보는 사용자에게 방송되고, 사용자는 더 정확하고 신뢰성 있는 위치를 계산 할 수 있다. 이러한 광역보정시스템의 성능은 기준국의 배치에 따라 차이를 보일 수 있으므로 적절한 기준국 선정을 위해서는 기준국 네트워크 변화에 따른 성능 분석이 필요하다. 본 논문에서는 한국에서의 광역보정시스템 성능을 기준국 조합을 변경하면서 시뮬레이션 테스트를 수행하였고, 그에 따른 성능 변화를 제시하였다.
GPS 오차를 보정하기위한 시스템 중에서 광역보정시스템은 여러 개의 기준국 네트워크로부터 데이터를 수집하여 3차원 위성궤도 오차, 위성 시계오차, 서비스 지역의 전리층 지연 오차를 추정한다. 추정된 보정정보는 사용자에게 방송되고, 사용자는 더 정확하고 신뢰성 있는 위치를 계산 할 수 있다. 이러한 광역보정시스템의 성능은 기준국의 배치에 따라 차이를 보일 수 있으므로 적절한 기준국 선정을 위해서는 기준국 네트워크 변화에 따른 성능 분석이 필요하다. 본 논문에서는 한국에서의 광역보정시스템 성능을 기준국 조합을 변경하면서 시뮬레이션 테스트를 수행하였고, 그에 따른 성능 변화를 제시하였다.
Wide area differential GNSS(WA-DGNSS) collects GPS measurements from the several reference stations and estimates 3-D satellite orbit error, satellite clock error, ionospheric delay. These correction messages are broadcasted to user, then user can have more accurate and reliable position estimates. ...
Wide area differential GNSS(WA-DGNSS) collects GPS measurements from the several reference stations and estimates 3-D satellite orbit error, satellite clock error, ionospheric delay. These correction messages are broadcasted to user, then user can have more accurate and reliable position estimates. The performance of WA-DGPS can be changed depending on the position of reference stations. To select proper reference stations, performance analysis with the change of reference stations is necessary. In this paper, changing the geographical location of reference stations, we carried out simulation based test and show the performance of WA-DGNSS in Korea.
Wide area differential GNSS(WA-DGNSS) collects GPS measurements from the several reference stations and estimates 3-D satellite orbit error, satellite clock error, ionospheric delay. These correction messages are broadcasted to user, then user can have more accurate and reliable position estimates. The performance of WA-DGPS can be changed depending on the position of reference stations. To select proper reference stations, performance analysis with the change of reference stations is necessary. In this paper, changing the geographical location of reference stations, we carried out simulation based test and show the performance of WA-DGNSS in Korea.
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문제 정의
본 논문에서는 광역보정시스템 보정정보 생성 알고리즘에 대해서 설명하고 시뮬레이션을 수행하여 성능을 테스트 하였다. 시뮬레이션에서는 현재 운영되고 있는 NDGPS 기준국들 중에서 후보를 선정하고 3개의 기준국 네트워크에 대하여 성능을 테스트 하였다.
세계 현황 및 기술적 요구사항들을 고려할 때 광역보정시스템은 신뢰성있는 위성항법 시스템 서비스를 제공하기 위하여 필수적으로 개발 되어야 한다. 본 논문에서는 광역보정시스템에 대하여 기준국이 최상의 위치로 배치되지 못할 경우를 대비하여 성능이 어느 정도 저하되는지에 대하여 시뮬레이션으로 테스트했다. 기준국 네트워크를 변경하면서 수행한 테스트에서 서비스 중심 지역의 성능은 기준국 배치가 좁아지더라도 크게 영향을 받지 않았으나 중심부에서 멀어질수록 기준국 네트워크 간의 성능 차이가 커졌고, 특히 외각 섬 지역의 기준국을 사용하지 않는 경우 그 정도가 더 심하게 나타났다.
제안 방법
각 네트워크간의 성능을 비교하기 위하여 위도 25°~55°, 경도 115 °~155°의 영역에 2.5°간격으로 사용자 격자를 생성하였으며 보정정보를 적용하지 않는 조건과 기준국 네트워크 1,2,3을 각각 적용하는 조건에 대한 위치오차 및 보호수준을 계산하였다.
광역보정시스템에서 사용자에게 제공하는 UDRE, GIVE와 함께 다른 몇 가지의 오차 성분들을 합하여 보호수준을 계산한다. 사용자의 보정 오차에는 위성 궤도, 시계 보정치 오차, 전리층 지연 보정치 오차, 사용자 수신기 관련 오차, 대류층 지연 관련 오차가 포함되며 식으로 나타내면 식 (16)과 같고, 식 (16)의 각 항은 식 (17), (18), (19), (20)으로 계산된다.
첫 번째로는 기준국의 배치를 나라 전역에 가능한 한 넓게 분포하도록 선정 하였으며, 두번째로는 최신 수신기가 설치되어 있는 기준국들 중 가장 넓게 분포되어 있는 기준국들로 선정 하였다. 마지막으로 세번째는 기준국의 관리 및 유지, 보수가 용이하도록 접근성을 고려하여 좀 더 내륙 쪽으로 기준국을 배치하였다. 정확한 시뮬레이션 결과를 얻기 위해서는 수신기 기종에 따라 기준국들 간의 측정치의 품질을 다르게 설정해야 하지만 본 시뮬레이션에서는 단순히 기준국의 배치가 달라지면서 발생하는 성능 변화만을 테스트 하였다.
사용자는 3차원 위성 궤도오차와 시계오차, 전리층 지연 정보를 제공 받다 더 정확한 의사거리 값을 계산하게 된다. 먼저 위성 관련 보정정보를 적용함에 있어서 이를 바로 위성의 위치에 적용하기보다는 스칼라 형태로 변환하여 의사거리 값을 보정한다. 이는 계산된 보정정보가 정확한 궤도오차, 시계오차 각각을 추정하지 못하고, 둘을 조합하였을 때 의사거리의 오차가 최소가 되도록 추정되었기 때문이다.
시뮬레이션에 사용되는 의사거리 데이터는 Almanac 데이터를 이용하여 위성 궤도를 생성하고 사용자와 위성간의 거리에 오차 요인들을 포함시켜 생성하였고 총 24시간의 데이터에 대하여 30초 단위로 테스트를 수행하였다. 각 네트워크간의 성능을 비교하기 위하여 위도 25°~55°, 경도 115 °~155°의 영역에 2.
앞서 설명한 알고리즘을 바탕으로 한국 지역의 광역보정 시스템 성능을 광역기준국 네트워크를 변경하면서 시뮬레이션을 수행하였다. 본 논문에서는 광역기준국 네트워크를 현재 운영되고 있는 NDGPS 기준국들 중에서 3가지로 선정하여 테스트를 하였다.
마지막으로 세번째는 기준국의 관리 및 유지, 보수가 용이하도록 접근성을 고려하여 좀 더 내륙 쪽으로 기준국을 배치하였다. 정확한 시뮬레이션 결과를 얻기 위해서는 수신기 기종에 따라 기준국들 간의 측정치의 품질을 다르게 설정해야 하지만 본 시뮬레이션에서는 단순히 기준국의 배치가 달라지면서 발생하는 성능 변화만을 테스트 하였다. 이처럼 기준국을 배치하는 경우 Fig 4에서 볼 수 있듯이 네트워크 1이 가장 좋은 배치를 보이고, 네트워크 2, 네트워크 3 순으로 기준국 배치가 넓게 퍼져 있는 것을 볼 수 있으며, 각각에서 사용된 기준국들을 Table 1, 2, 3에 나타냈다.
각 테스트에서 사용된 기준국의 개수는 5개로 동일하게 하였으며 Fig 4에 각 네트워크에 사용된 기준국들의 위치를 표시하였다. 첫 번째로는 기준국의 배치를 나라 전역에 가능한 한 넓게 분포하도록 선정 하였으며, 두번째로는 최신 수신기가 설치되어 있는 기준국들 중 가장 넓게 분포되어 있는 기준국들로 선정 하였다. 마지막으로 세번째는 기준국의 관리 및 유지, 보수가 용이하도록 접근성을 고려하여 좀 더 내륙 쪽으로 기준국을 배치하였다.
대상 데이터
앞서 설명한 알고리즘을 바탕으로 한국 지역의 광역보정 시스템 성능을 광역기준국 네트워크를 변경하면서 시뮬레이션을 수행하였다. 본 논문에서는 광역기준국 네트워크를 현재 운영되고 있는 NDGPS 기준국들 중에서 3가지로 선정하여 테스트를 하였다. 각 테스트에서 사용된 기준국의 개수는 5개로 동일하게 하였으며 Fig 4에 각 네트워크에 사용된 기준국들의 위치를 표시하였다.
본 논문에서는 광역보정시스템 보정정보 생성 알고리즘에 대해서 설명하고 시뮬레이션을 수행하여 성능을 테스트 하였다. 시뮬레이션에서는 현재 운영되고 있는 NDGPS 기준국들 중에서 후보를 선정하고 3개의 기준국 네트워크에 대하여 성능을 테스트 하였다.
이론/모형
이렇게 정리된 행렬식은 일반적으로는 least square 기법을 이용하여 해를 구할 수 있으나, 해의 연속성이 저하되고 변화율이 커지는 문제, 메시지의 크기가 커져야 하는 문제가 발생 할 수 있다(Kim, 2007). 따라서 이를 개선하기 위한 최소분산 불편이 추정기법(MVUE, Minimum Variance Unbiased Estimator)을 사용하였으며, 이 추정기법을 사용했을 때의 해와 해의 분산은 식을 역행렬 정리를 이용하여 정리하면 (6), (7)과 같다.
성능/효과
특히 기준국들 간의 위치오차 및 보호수준의 차이가 기준국 바깥으로 벗어날수록 커지는 것을 확인 할 수 있다. 그리고 오차가 상대적으로 더 크게 나타나는 수직 위치오차, 수직 위치 보호수준에서 기준국들 간의 차이가 더 크게 나타났다. Table 4는 테스트 영역 전체에 대한 평균 RMS 오차를 나타낸 것이다.
본 논문에서는 광역보정시스템에 대하여 기준국이 최상의 위치로 배치되지 못할 경우를 대비하여 성능이 어느 정도 저하되는지에 대하여 시뮬레이션으로 테스트했다. 기준국 네트워크를 변경하면서 수행한 테스트에서 서비스 중심 지역의 성능은 기준국 배치가 좁아지더라도 크게 영향을 받지 않았으나 중심부에서 멀어질수록 기준국 네트워크 간의 성능 차이가 커졌고, 특히 외각 섬 지역의 기준국을 사용하지 않는 경우 그 정도가 더 심하게 나타났다. 추후에는 실제 측정치들을 바탕으로 테스트를 수행하고 더 신뢰성 있는 결과를 얻음으로써 한국의 광역보정시스템 개발에 사용될 기준국 선정에 활용해야할 것으로 생각된다.
시뮬레이션 결과는 일반적으로 알려진 대로 기준국의 배치가 넓은 순으로 더 높은 성능을 보였다. 기준국 배치가 좁아질수록 전체 영역에서 오차가 점점 증가했으며 보호수준도 증가하였다. 특히 기준국들 간의 위치오차 및 보호수준의 차이가 기준국 바깥으로 벗어날수록 커지는 것을 확인 할 수 있다.
위성항법의 오차 요인을 보정하기 위한 보정 시스템 중에서 광역보정시스템은 지역 보정시스템과는 달리 벡터량의 보정정보를 제공한다. 따라서 사용자가 보정정보를 자신의 위치에 맞도록 계산하여 적용함으로써 기준국에서 멀어질수록 보정성능이 저하되는 문제점을 개선하였다. 광역보정정보와 관련하여 Tsai(1999), Chao(1997)는 각각 위성 관련 오차, 전리층 관련 오차의 보정정보 알고리즘을 개발하였으며 Kim(2007)은 한국지역에 맞는 보정정보 생성에 관한 알고리즘을 제안하였다.
먼저 첫 번째 지역에서는 수평 RMS 오차가 기준국 네트워크 1, 2, 3에 대하여 각각 0.5235m, 0.5306m, 0.5471m로 나타났고, 수직 RMS 오차가 0.8885m, 0.9020m, 0.9279m 나타나 기준국 네트워크간의 차이가 크게 나타나지 않았다. 두 번째 지역에서는 그림에서도 눈에 띄게 네트워크 간의 격차가 나타났으며 수평 RMS 오차가 기준국 네트워크 1, 2, 3에 대하여 각각 1.
수평 위치 오차에서는 네트워크 1에 비하여 네트워크 2, 3 이 각각 0.17m, 0.72m 정도 더 큰 결과를 보였고, 수직 위치 오차에서는 1.11m, 1.97m 정도 더 큰 결과를 보였다.
후속연구
기준국 네트워크를 변경하면서 수행한 테스트에서 서비스 중심 지역의 성능은 기준국 배치가 좁아지더라도 크게 영향을 받지 않았으나 중심부에서 멀어질수록 기준국 네트워크 간의 성능 차이가 커졌고, 특히 외각 섬 지역의 기준국을 사용하지 않는 경우 그 정도가 더 심하게 나타났다. 추후에는 실제 측정치들을 바탕으로 테스트를 수행하고 더 신뢰성 있는 결과를 얻음으로써 한국의 광역보정시스템 개발에 사용될 기준국 선정에 활용해야할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GPS 의사거리 측정치에는 어떤 오차들이 포함되는가?
GPS 의사거리 측정치에는 위성 궤도오차, 위성 시계오차, 전리층 지연 오차, 대류층 지연 오차, 수신기 시계오차 등의 오차가 포함되어 있다. 이중에서 전리층 지연 오차는 2중 주파수 수신기를 사용하면 제거가 가능하며, 대류층은 적절한 모델링을 통하여 대부분 제거가 가능하다.
광역보정시스템은 기준국에서 멀어질수록 보정성능이 저하되는 문제점을 어떻게 개선하였는가?
위성항법의 오차 요인을 보정하기 위한 보정 시스템 중에서 광역보정시스템은 지역 보정시스템과는 달리 벡터량의 보정정보를 제공한다. 따라서 사용자가 보정정보를 자신의 위치에 맞도록 계산하여 적용함으로써 기준국에서 멀어질수록 보정성능이 저하되는 문제점을 개선하였다. 광역보정정보와 관련하여 Tsai(1999), Chao(1997)는 각각 위성 관련 오차, 전리층 관련 오차의 보정정보 알고리즘을 개발하였으며 Kim(2007)은 한국지역에 맞는 보정정보 생성에 관한 알고리즘을 제안하였다.
광역보정시스템이란 무엇인가?
광역보정시스템(WA-DGNSS)은 GPS와 같이 위성을 이용한 항법에서 발생하는 오차 보정정보를 제공함으로써 사용 자가 더 높은 정확도와 신뢰도를 가지는 위치를 계산 할 수 있도록 도와주는 시스템이다. 미국의 Wide Area Augmentation System(WAAS)을 시작으로 전 세계적으로 유럽의 European Geostationary Navigation Overlay Service(EGNOS), 일본의 MTSAT Satellite-Based Augmentation System(MSAS)이 개발 되었고, 인도와 러시아에서도 광역보정시스템 개발을 진행하고 있다(Yun et al.
참고문헌 (8)
Chao Y.(1997), "Real Time Implementation of the Wide Area Augmentation System for the Global Positioning System with an emphasis on Ionospheric Modeling", Ph.d. thesis, Stanford University.
Kee C. D. and Shin D. H.(1998), "A Study on Developing Wide Area Differential GPS(WADGPS) in Korea", Journal of Korea Navigation institute, Vol. 1, No. 1, pp. 3-10.
Kim D. Y.(2007), "A Study on correction generation algorithms for wide area differential GNSS", Ph.d. thesis, Seoul national university.
Nam G. W., Heo M. B., Sim C. Y.(2007), "Construction Status of Satellite Navigation System and Augmentation system", Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol. 5, No. 1, pp. 65-74.
RTCA SC-159(2006), Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment, RTCA publication DO-229D.
Tsai Y.(1999), "Wide Area Differential Operation of the Global Positioning System: Ephemeris and Clock Algorithms", Ph.d. thesis, Stanford University.
Yun H., Han D. H., Kee C. D.(2013), "Performance Verification of Korean Wide Area Differential GNSS Ground Segment", Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 37, No. 1, pp. 49-54.
Yun Y. S., Cho J. H., Heo M. B., Nam G. W.(2011), "System Design Consideration for Multipurpose SBAS Development", Institute of Control, Robotics and Systems collaborative scientific meeting, Vol. 1, No. 1, pp. 489-499.
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