이중 주파수 및 다중 위성항법 광역보강시스템 한반도 지역 성능 예측 Performance Estimation of Dual Frequency and Multi-Constellation Satellite Based Augmenation System for Korean Region원문보기
최근에 GPS의 현대화, GLONASS의 정상화, Galileo 및 Beidou의 개발 등으로 기존에 GPS에만 의존하였던 것과 달리 사용자가 다양한 항법위성을 활용할 수 있게 되었다. 또한 새로운 항법위성에는 기존의 L1 주파수 신호 뿐만 아니라 새로운 민간 신호인 L5 주파수 신호도 방송하기 때문에 사용자는 이중 주파수 측정치를 활용하여 직접 자신의 전리층 지연을 추정하여 가용성 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다. 이에 따라 기존의 GPS L1 주파수 사용자만 고려하던 광역보강시스템도 이중 주파수 및 다중 위성항법시스템을 고려하도록 개발이 진행되고 있다. 본 논문에서는 미래의 L1/L5 이중 주파수 및 다중 위성항법 시스템 사용자를 고려한 위성기반 광역보강시스템 (Satellite Based Augmentation System, SBAS)의 주요 알고리즘을 설명하고, 한반도 주변의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하였다.
최근에 GPS의 현대화, GLONASS의 정상화, Galileo 및 Beidou의 개발 등으로 기존에 GPS에만 의존하였던 것과 달리 사용자가 다양한 항법위성을 활용할 수 있게 되었다. 또한 새로운 항법위성에는 기존의 L1 주파수 신호 뿐만 아니라 새로운 민간 신호인 L5 주파수 신호도 방송하기 때문에 사용자는 이중 주파수 측정치를 활용하여 직접 자신의 전리층 지연을 추정하여 가용성 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다. 이에 따라 기존의 GPS L1 주파수 사용자만 고려하던 광역보강시스템도 이중 주파수 및 다중 위성항법시스템을 고려하도록 개발이 진행되고 있다. 본 논문에서는 미래의 L1/L5 이중 주파수 및 다중 위성항법 시스템 사용자를 고려한 위성기반 광역보강시스템 (Satellite Based Augmentation System, SBAS)의 주요 알고리즘을 설명하고, 한반도 주변의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하였다.
Recently, GNSS users can utilize various navigation satellite thanks to GPS modernization, renewal of GLONASS, and development of Galileo and Beidou. And availability performance of users is expected to be improved because these new navigation satellites transmit L5 signal as well as L1 signal, and ...
Recently, GNSS users can utilize various navigation satellite thanks to GPS modernization, renewal of GLONASS, and development of Galileo and Beidou. And availability performance of users is expected to be improved because these new navigation satellites transmit L5 signal as well as L1 signal, and users can directly estimate the ionospheric delays. In accordance with these changes existing Satellite Based Augmentation System (SBAS) which considers only GPS L1 signal is being developed to support dual frequency and multi-constellation GNSS users. This paper describes the main features of dual-frequency, multi-constellation SBAS algorithms and estimates the performance in Korean region by simulation.
Recently, GNSS users can utilize various navigation satellite thanks to GPS modernization, renewal of GLONASS, and development of Galileo and Beidou. And availability performance of users is expected to be improved because these new navigation satellites transmit L5 signal as well as L1 signal, and users can directly estimate the ionospheric delays. In accordance with these changes existing Satellite Based Augmentation System (SBAS) which considers only GPS L1 signal is being developed to support dual frequency and multi-constellation GNSS users. This paper describes the main features of dual-frequency, multi-constellation SBAS algorithms and estimates the performance in Korean region by simulation.
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문제 정의
이를 위해 이중주파수 측정치를 활용하였을 때의 광역보강시스템 알고리즘 구현에 대한 연구가 진행되었다 [3], [4], [5]. 본 논문에서는 이러한 이중주파수 및 다중 위성항법 시스템을 고려한 SBAS의 주요 알고리즘에 대해 설명하고 이에 대한 성능을 시뮬레이션을 통해 분석하도록 한다.
본 논문은 위성항법시스템의 수 및 사용 주파수의 수에 따른 광역보강시스템의 한반도 인근의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하였다. 시뮬레이션을 위해 기존의 광역보강시스템 알고리즘에 서로 다른 위성 항법시스템 간의 좌표계 및 기준 시각 동기화 알고리즘을 구현하여 적용하였고, 이중 주파수 측정치를 활용한 사용자 전리층 지연 및 그 신뢰 수준을 추정하였다.
기존의 광역보강시스템은 전리층 지연값과 이에 대한 신뢰수준을 보강 메시지에 실어서 방송하기 때문에 사용자는 이에 대한 처리만 하면 되었지만, 이중주파수 측정치를 활용할 경우 이 전리층 지연값과 이에 대한 신뢰수준을 사용자의 측정치를 활용하여 직접 추정하게 된다. 본 장에서는 GPS, Galileo 및 GLONASS를 사용하였을 때 이 두 가지 고려 사항에 대한 해결 방법을 설명하도록 한다.
앞서 설명한 이중 주파수 다중 위성항법 광역보강 시스템의 성능을 확인하기 위하여 한반도 주변지역에 대한 시뮬레이션을 통해 정확성, 가용성 등의 성능을 확인해 보기로 한다. 먼저 이중 주파수 측정치 사용에 대한 이점을 보기 위하여 GPS L1 주파수 신호만 사용하는 기존의 광역보강시스템 사용자 성능과 GPS 이중 주파수 광역보강시스템의 성능을 확인 하도록 한다.
가설 설정
시뮬레이션 시간은 24시간이고 각각의 오차요소의 생성방법은 표 2에 표시 하였다. 광역보강시스템 기준국은 내륙의 외곽에 위치한 4개의 공항(김포, 양양, 목포, 김해)에 위치하여 있다고 가정하고 시뮬레이션을 진행하였고, 사용자는 한반도 부근에 위도, 경도 5도 간격으로 배치하여 사용자의 위치에 따른 항법 성능을 분석하였다.
제안 방법
그리고 Z축은 IERS에 의해 재정의된 CTP (Conventional Terrestrial Pole)의 방향이고, X축은 그리니치 자오선과 지구 적도면의 교차점 방향이며, Y 축은 오른손 좌표계로 완성된다. GLONASS와 GPS의 좌표계는 이미 발표된 변환 공식을 이용하여 GLONASS의 좌표계를 GPS의 좌표계인 WGS-84로 변화하여 사용한다. PZ-90 좌표계를 WGS-84 좌표계로 변환하는 식은 다음과 같다.
먼저 이중 주파수 측정치 사용에 대한 이점을 보기 위하여 GPS L1 주파수 신호만 사용하는 기존의 광역보강시스템 사용자 성능과 GPS 이중 주파수 광역보강시스템의 성능을 확인 하도록 한다. 그 다음으로는 다중 위성항법시스템 사용의 이점을 확인하기 위하여 GPS만 사용하였을 때와 GPS, GLONASS, Galileo를 함께 사용하였을 때의 성능을 비교해 보도록 한다. 시뮬레이션 시간은 24시간이고 각각의 오차요소의 생성방법은 표 2에 표시 하였다.
앞서 설명한 이중 주파수 다중 위성항법 광역보강 시스템의 성능을 확인하기 위하여 한반도 주변지역에 대한 시뮬레이션을 통해 정확성, 가용성 등의 성능을 확인해 보기로 한다. 먼저 이중 주파수 측정치 사용에 대한 이점을 보기 위하여 GPS L1 주파수 신호만 사용하는 기존의 광역보강시스템 사용자 성능과 GPS 이중 주파수 광역보강시스템의 성능을 확인 하도록 한다. 그 다음으로는 다중 위성항법시스템 사용의 이점을 확인하기 위하여 GPS만 사용하였을 때와 GPS, GLONASS, Galileo를 함께 사용하였을 때의 성능을 비교해 보도록 한다.
본 논문은 위성항법시스템의 수 및 사용 주파수의 수에 따른 광역보강시스템의 한반도 인근의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하였다. 시뮬레이션을 위해 기존의 광역보강시스템 알고리즘에 서로 다른 위성 항법시스템 간의 좌표계 및 기준 시각 동기화 알고리즘을 구현하여 적용하였고, 이중 주파수 측정치를 활용한 사용자 전리층 지연 및 그 신뢰 수준을 추정하였다. 시뮬레이션 결과 항법 시스템의 추가 없이 사용 주파수가 추가되었을 때에는 정확도 성능에는 큰 차이가 없지만 가용성 성능이 증가하는 것을 확인하였고, 항법 시스템이 추가될 경우 정확도 및 가용성 성능이 모두 향상될 것으로 예측된다.
성능/효과
하지만 전리층 오차 추정에 대한 신뢰수준이 증가하기 때문에 사용자의 보호수준은 더욱 정밀하게 추정할 수 있게 되고 이로 인하여 그림 2에서 볼 수 있듯이 보호수준이 작아지는 것을 알 수 있다. 그림 2에서 GPS L1 광역보강시스템 사용자는 서비스 중심영역 일부에서만 평균 10 m 정도의 수직 보호수준 값을 갖는 것에 비해 GPS L1/L5 이중주파수 광역보강 시스템 사용자는 한반도 전역에 걸쳐 평균 10 m 이하의 수직보호 수준을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이로 인한 LPV 가용성 증가도 그림 3의 첫 번째와 두번째 그림에서 확인할 수 있다.
하지만 이중주파수를 활용할 경우 사용자가 외부의 도움 없이 자신의 측정치의 전리층 지연을 효과적으로 추정할 수 있게 된다. 따라서 외부 시스템에 의존하여 사용자의 전리층 지연을 추정하는 단일 주파수 광역보강시스템 사용자에 비해 전리층 지연 추정의 불확실성이 크게 줄어들게 되어 사용자의 보호수준이 줄어들게 되고 결과적으로 가용성이 증대되는 효과를 얻을 수 있다. L1, L5 이중주파수 측정치를 활용하여 전리층 지연값을 추정하는 방법은 [2]에 자세히 나와 있다.
시뮬레이션 결과 항법 시스템의 추가 없이 사용 주파수가 추가되었을 때에는 정확도 성능에는 큰 차이가 없지만 가용성 성능이 증가하는 것을 확인하였고, 항법 시스템이 추가될 경우 정확도 및 가용성 성능이 모두 향상될 것으로 예측된다. 시뮬레이션 결과 가용성 성능 향상 정도는 사용 주파수가 추가될 때보다 항법 위성이 추가될 때 더 크게 나타났는데, 그 이유는 우리나라의 광역보강시스템 서비스 영역이 비교적 좁기 때문에 기준국이 다른 나라의 광역보강시스템 기준국들에 비해 밀집하여 분포해 있고, 따라서 전리층 지연의 추정 신뢰수준이 충분히 높기 때문으로 풀이된다. 다수의 항법시스템을 활용한 광역 보강시스템을 구축할 경우 위성의 기하학적 배치 조건이 좋아지고 가시 위성 수가 증가하여 사용자의 정확도는 물론 가용성, 서비스 영역 등이 크게 증가하게 되어 위성항법시스템의 활용범위가 늘어날 것으로 예상된다.
시뮬레이션을 위해 기존의 광역보강시스템 알고리즘에 서로 다른 위성 항법시스템 간의 좌표계 및 기준 시각 동기화 알고리즘을 구현하여 적용하였고, 이중 주파수 측정치를 활용한 사용자 전리층 지연 및 그 신뢰 수준을 추정하였다. 시뮬레이션 결과 항법 시스템의 추가 없이 사용 주파수가 추가되었을 때에는 정확도 성능에는 큰 차이가 없지만 가용성 성능이 증가하는 것을 확인하였고, 항법 시스템이 추가될 경우 정확도 및 가용성 성능이 모두 향상될 것으로 예측된다. 시뮬레이션 결과 가용성 성능 향상 정도는 사용 주파수가 추가될 때보다 항법 위성이 추가될 때 더 크게 나타났는데, 그 이유는 우리나라의 광역보강시스템 서비스 영역이 비교적 좁기 때문에 기준국이 다른 나라의 광역보강시스템 기준국들에 비해 밀집하여 분포해 있고, 따라서 전리층 지연의 추정 신뢰수준이 충분히 높기 때문으로 풀이된다.
후속연구
다수의 항법시스템을 활용한 광역 보강시스템을 구축할 경우 위성의 기하학적 배치 조건이 좋아지고 가시 위성 수가 증가하여 사용자의 정확도는 물론 가용성, 서비스 영역 등이 크게 증가하게 되어 위성항법시스템의 활용범위가 늘어날 것으로 예상된다. 본 연구에서 수행된 한반도 지역의 다중 위성항법 보강시스템의 성능 예측 분석 결과는 향수 다중 위성항법 보강시스템 구축시 참고자료로 활용될 수 있고, 또한 본 연구에서 개발된 시뮬레이션툴을 활용하여 최적의 기준국 배치, 서비스 성능 예측 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 앞서 설명하였듯이 새로운 항법 위성이 추감됨으로써 사용자는 사용 가능한 측정치의 개수가 증가하게 되어 전체적인 시스템의 신뢰도가 향상될 것으로 기대되고, 각각의 항법위성에서 이중 주파수 측정치를 활용할 수 있게 됨에 따라 사용자가 직접 자신의 측정치의 전리층 지연값을 추정할 수 있게 되어 이에 대한 신뢰도가 대폭 향상될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해 이중주파수 측정치를 활용하였을 때의 광역보강시스템 알고리즘 구현에 대한 연구가 진행되었다 [3], [4], [5].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GGTO란?
GPS의 경우 GPS time을 기준 시각으로 사용하고, Galileo system time을 기준 시각으로 사용한다. GPS time과 Galileo system time의 차이를 GGTO (GPS and Galileo Time Offset)라 하며, 그 크기는 약 십 여 나노초 이다. 각각의 위성항법시스템의 기준시각 차이를 고려하여 항법해를 구하는 방법은 크게 두 가지 방법으로 나눌 수 있다.
SBAS 사용자가 전리층 지연을 제거하는 방법은?
기존의 SBAS는 단일 주파수 사용자를 고려하였기 때문에 서비스 영역의 격자 수직 전리층 지연값 및 이에 대한 신뢰수준을 추정하여 사용자에게 제공한다 [1]. SBAS 사용자는 광역보강정보에 포함되어 있는 격자 수직 전리층 지연값을 자신의 측정치의 전리층 통과점 위치에 맞도록 선형 보간하여 전리층 지연을 제거한다. 사용자는 자신의 측정치 전리층 통과점 부근의 값을 사용하여 간접적으로 전리층 지연을 추정하기 때문에 이에 대한 신뢰도가 떨어질 수 밖에 없게 되고, 결과적으로 측정치 신뢰도 부족으로 인해 사용자의 가용성 성능이 일정 수준 이상으로 향상되기 어렵게 된다.
이중 주파수 다중 위성항법 광역보강 시스템의 구현을 위해서 고려해야할 두 가지 요소는?
이중 주파수 다중 위성항법 광역보강 시스템의 구현을 위해서는 크게 두 가지 요소를 고려하여야 한다. 첫 번째는 각각의 위성항법시스템의 시각 및 좌표계의 동기이다. GPS, Galileo, GLONASS 등 각각의 위성항법시스템은 서로 다른 기준 시각 및 좌표계를 사용한다. 따라서 각각의 시스템을 모두 이용하여 항법해를 계산하는 경우 서로 다른 시간 및 좌표에 대한 고려가 필요하다. 두 번째로 고려하여야 할 요소는 이중주파수를 사용한 전리층 지연 추정에 대한 사항이다. 기존의 광역보강시스템은 전리층 지연값과 이에 대한 신뢰수준을 보강 메시지에 실어서 방송하기 때문에 사용자는 이에 대한 처리만 하면 되었지만, 이중주파수 측정치를 활용할 경우 이 전리층 지연값과 이에 대한 신뢰수준을 사용자의 측정치를 활용하여 직접 추정하게 된다. 본 장에서는 GPS, Galileo 및 GLONASS를 사용하였을 때 이 두 가지 고려 사항에 대한 해결 방법을 설명하도록 한다.
참고문헌 (6)
RTCA SC-159, Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment, RTCA publication DO-229D, 2006
G. A. McGraw, Y. Young, "Dual Frequency Smoothing DGPS Performance Evaluation Studies", Proceedings of the National Technical Meeting of the ION, San Diego, CA, 2005.
T. Walter, J. Blanch, P. Enge, "Vertical Protection Level Equation or Dual Frequency SBAS", Proceedings of 23rd International Technical Meeting of the ION, pp. 2031-2041, 2010.
T. Walter, J. Blanch, R. E. Phelts, P. Enge, "Evolving WAAS to Serve L1/L5 Users", Journal of Institute of Navigation, Vol. 56, No. 4, pp. 317-327, 2012.
GEAS, "GNSS Evolutionary Architecture Study - Phase II Panel Report", avaiable at http://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_of fices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/libra ry/documents/media/GEASPhaseII_Final.pdf
T. Walter, J. Blanch, P. Enge, "Evaluation of Signal in Space Error Bounds to Support Aviation Integrity", Proceedings of 22nd International Technical Meeting of the IOM, pp. 1317 - 1329, 2009
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