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문제 정의
- 본 연구의 목적은 전 지구에 분포한 GNSS 해석센터들로부터 산출된 정밀단독측위용 보정정보를 NTRIP를 통해 수신하여 실시간으로 검사점에 개별 및 조합 적용하고 각 경우별 PPP와 SPP의 시간대별 정적측위 정확도를 종합적으로 비교․분석하여 GNSS 위성에 의한 실시간 정적 정밀절대측위의 정확도를 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 3∼Fig. 6은 4종의 보정류(IGS03, CLK16, CLK91, CLK9B)를 활용하여 각각 10개 세션의 PPP를 수행하고 SPP와 동일한 방식으로 분석하였다. 4종의 보정류를 적용한 인천관측소의 좌표 편차는 시간경과에 따라 공통적으로 감소하는 경향을 보였다.
- GNSS 상시관측망 자료를 활용하여 MWWL방정식을 구성․해석하여 Nω를 결정한 후, 칼만 필터링을 통해 NL Ionosphere-free 방정식에서 N1 및 ‘정수 위상 시계보정값(integer phase clocks)’을 계산한 후, 수신기의 좌표를 결정한다.
- 각 검사점(INCH, GRAS)별로 SPP 5개 세션과 4종(CLK16, CLK91, CLK9B, IGS03)의 개별 보정정보 및 보정정보의 조합(CLK16+CLK9B+IGS03)에 의한 PPP 50개 세션, 총 55개 세션의 절대측위좌표와 고시좌표간의 좌표성분 편차를 Epoch 1초마다 관측소 중심의 3축 방향 좌표성분(N, E, U)으로 산출하고 비교․분석하였다. 특히, 세션 별 시간에 따른 좌표성분의 편차 경향을 고찰하기 위해 각 세션을 7개의 시간대(2시간×1구간, 10분×3구간, 30분×3구간)로 구분하고 시간대 별 좌표성분의 편차 평균과 실시간 측위에 활용된 GNSS 위성대수(Ns)의 변동을 도시하고 실시간 좌표편차의 경향과 절대측위의 정확도를 고찰하였다.
- 본 연구의 수행 방법으로 우선, 국내에는 PPP용 보정값의 제공처가 없는 관계로 우리나라를 포함한 전 지구를 대상으로 관측망을 운영하면서 GNSS 위성의 PPP용 보정정보를 NTRIP를 통해 서비스하는 해석센터를 선정한 후, PPP의 측위정확도를 검토할 수 있도록 국내 및 국외에 ‘검사용 기준점(이하 “검사점”이라 함)’을 선점한다. 각 검사점에 대한 실시간 SPP와 해석센터의 보정정보를 활용한 PPP를 수행한다. 특히, PPP에서는 각 해석센터들로부터 전송된 보정정보를 검사점에 개별 및 조합 적용한다.
- 특히, CNES의 실시간 관측망에는 우리나라 수원관측소가 포함되어있다. 검사점에 대해 실시간으로 산출한 각 경우별 절대측위성과와 고시성과 간의 좌표 편차(N, E, U)는 관측소 중심의 3축 방향 좌표계(Topocentric Coordinates System)로 계산하였다.
- 특히, PPP에서는 각 해석센터들로부터 전송된 보정정보를 검사점에 개별 및 조합 적용한다. 검사점의 고시성과를 기준으로 시간대별 SPP에 의한 좌표성과, 각 해석센터 보정류의 적용 방식에 의한 PPP 좌표성과들 간의 정적측위 정확도를 종합적으로 비교․분석하여 GNSS위성에 의한 실시간 절대측위의 정확도를 고찰한다.
- 특히, 실시간 관측 중 사용자 컴퓨터, 해석센터 및 검사점운영센터 간의 통신 및 동시접속자수의 제약 등 다양한 인터페이스 문제로 동일한 시간대의 ‘동일한 관측조건’의 설정에 난점이 있었다. 따라서, 본 연구에서는 2시간의 관측(epoch 1초)을 1개 세션으로하고 각 검사점에 대해 해석센터의 보정류 별로 각각 10개 세션의 관측 및 보정정보를 적용하지 않는 5개 세션의 SPP를 수행한 후, 좌표편차를 통계 처리하여 측위정확도 비교에 활용하였다.
- 본 연구에서는 해석센터로부터의 ‘다양한 보정정보(이하 “보정류”라 함)’ 및 검사점의 관측값을 Ntrip를 매개로 BNC 툴에서 실시간 수신하고 자료 처리하였다.
- 본 연구의 수행 방법으로 우선, 국내에는 PPP용 보정값의 제공처가 없는 관계로 우리나라를 포함한 전 지구를 대상으로 관측망을 운영하면서 GNSS 위성의 PPP용 보정정보를 NTRIP를 통해 서비스하는 해석센터를 선정한 후, PPP의 측위정확도를 검토할 수 있도록 국내 및 국외에 ‘검사용 기준점(이하 “검사점”이라 함)’을 선점한다.
- 첫째, 해석센터의 보정정보를 NTRIP으로 수신하고 검사점의 GNSS 관측자료에 실시간 적용하여 각 보정류 별로 좌표편차의경향과 실시간 절대측위의 정확도를 고찰할 수 있었다.
- E-PPP의 핵심은 위상자료에 대한 실수 및 정수 2종의 모호정수를 실시간 처리하는 칼만 필터링에 있다. 칼만 필터링을 통해 지역망 또는 광역망에 대한 위성시계 관련 정보와 위성궤도력을 산출하여 모호정수를 결정하고 실시간 PPP 측위를 수행하게 된다. Eqs.
- 특히, 세션 별 시간에 따른 좌표성분의 편차 경향을 고찰하기 위해 각 세션을 7개의 시간대(2시간×1구간, 10분×3구간, 30분×3구간)로 구분하고 시간대 별 좌표성분의 편차 평균과 실시간 측위에 활용된 GNSS 위성대수(Ns)의 변동을 도시하고 실시간 좌표편차의 경향과 절대측위의 정확도를 고찰하였다.
대상 데이터
- 국내의 검사점은 인천 상시관측소(INCH ; 위성기준점 고시성과 X= -3,030,123.316m, Y=4,067,231.024m, Z=3,854,557.431m, ITRF2000, Epoch : 2002-01-01 자정), 국외는 NTRIP를 통해 PPP용 보정정보를 제공하는 해석센터의 대부분이 현재, 유럽에 편중되어 운용 중임으로 프랑스 CNES의 GRAS(-4581690.7960m, Y=556114.9883m, Z=4389360.8851m, ITRF08, Epoch : 2012-11-17 자정) 관측소를 선정하였다. 해석센터와 보정정보는 우리나라에 가장 근접한 중국 Wuhan의 CLK16, 프랑스 CNES의 CLK91 및 CLK9B, 독일의 IGS03을 선정하였다.
- 8851m, ITRF08, Epoch : 2012-11-17 자정) 관측소를 선정하였다. 해석센터와 보정정보는 우리나라에 가장 근접한 중국 Wuhan의 CLK16, 프랑스 CNES의 CLK91 및 CLK9B, 독일의 IGS03을 선정하였다. 현재, CLK16은 GPS의 보정값만 제공하며 CNES의 CLK9B는 실시간 모호정수의 해석이 가능한 보정정보(IAR ; Integer Ambiguity Resolution)를 RTCM MT1059로 잠정․제공하고 있다.
성능/효과
- 3∼6에서 N, E, U 좌표성분의 편차가 특히, 50cm이내에 도달되는 평균 소요시간을 고찰하면 IGS03의 경우, U성분의 편차를 제외한 경우라도 90여분이 소요되었고 CLK16은 30분, CLK91은 10분 직후, CLK9B의 경우 20여분 등으로 나타났다.
- 17은 6종 조합을 실시간 적용한 총 3개 세션의 시간대별 좌표편차를 나타낸다. 3종 조합의 경우는 Fig. 16과 같이 평균 위성 수 12.6대, 좌표편차의 평균이 각각 N=0.212m, E= 0.277m 및 U=0.530m, 좌표의 종합편차는 0.634m로서 IGS03, CLK16에 비해 양호한 결과로 나타났다. 특히, 6종 조합의 경우는 Fig.
- 3종 조합의 경우는 Fig. 8과 같이 평균 위성 수, 12.4대, 좌표편차의 평균이 각각 N=0.342m, E=0.664m 및 U=0.560m, 좌표의 종합편차는 0.934m로서 앞서 IGS03의 측위결과와 유사한 편차를 보였다. 반면, 6종 조합의 경우는 Fig.
- 6은 4종의 보정류(IGS03, CLK16, CLK91, CLK9B)를 활용하여 각각 10개 세션의 PPP를 수행하고 SPP와 동일한 방식으로 분석하였다. 4종의 보정류를 적용한 인천관측소의 좌표 편차는 시간경과에 따라 공통적으로 감소하는 경향을 보였다.
- 518m로 위 4종의 보정류를 개별적으로 적용한 PPP 해석 중 비교적 균일하고 가장 양호한 측위성과를 제시하였다. CLK9B는 모호정수를 실시간으로 해석할 수 있는 정보를 별도로 포함하고 있지만, CLK91에 비해 월등히 양호한 측위성과는 확인할 수 없었으나 IGS03, CLK16에 비해 우수한 측위결과를 보였다. Fig.
- CLK9B의 경우는 Fig. 6과 같이 평균 위성 수, 14.4대, 좌표편차의 평균이 각각 N=0.138m, E= 0.417m 및 U=0.275m, 좌표의 종합편차는 0.518m로 위 4종의 보정류를 개별적으로 적용한 PPP 해석 중 비교적 균일하고 가장 양호한 측위성과를 제시하였다. CLK9B는 모호정수를 실시간으로 해석할 수 있는 정보를 별도로 포함하고 있지만, CLK91에 비해 월등히 양호한 측위성과는 확인할 수 없었으나 IGS03, CLK16에 비해 우수한 측위결과를 보였다.
- 11∼14는 인천관측소와 동일한 방식으로 4종의 보정류를 GRAS 관측소에 개별 적용하여 각각 10개 세션의 PPP를 수행하고 좌표편차를 도시한 것이다. GRAS관측소의 좌표편차 감소율은 4종 모두 인천관측소에 비해 양호하게 나타났다. Fig.
- 274m이다. GRAS에서 CLK9B는 IGS03, CLK16에 비해서는 양호한 측위결과를 보였으나 CLK91보다 큰 편차를 보여 인천과는 상반된 결과로 나타났다. 아울러, N, E, U 좌표성분의 편차가 50cm이내로 도달되는 평균 소요시간은 IGS03의 경우 120분 이상, CLK16은 60분, CLK91 및 CLK9B의 경우는 10분 직후 등으로 INCH와 GNSS에 의한 절대측위의 정확도 해석같이 다양한 시간분포를 보이는데 그 원인 또한 INCH와 유사한 것으로 사료된다.
- 관측 시작에서 10분 동안, 세 좌표성분(N, E, U)의 좌표편차가 모두 50cm 이내로 수렴되는 시간대는 없었지만, N, E 두 좌표성분만을 고려할 경우, GRAS 관측소의 CLK9B, CLK91 및 6종 조합 해석에서 가능하였다. GRAS관측소의 경우 관측 초반부에 CLK16 및 IGS03 성과에서 좌표편차가 크게 나타났는데 원인으로는 CLK16의 측위결과가 GPS위성만을 사용한 성과로 위성 대수가 상대적으로 작다는 점, 보정정보의 노후(over aged), 궤도력 정보의 과대 오차 등에 따른 것으로 사료된다.
- 둘째, 특정 해석센터의 관할 영역 외부 또는 소외지역에 위치한 관측점에 여러 해석센터의 보정류를 조합 적용할 경우, 실시간 절대측위 정확도 향상에 기여할 수 있었다.
- 본 관측에서는 다른 해석센터의 보정정보에 비해서는 양호하나 CLK91 대비 향상된 좌표성과를 확인할 수 없었는데 이는 앞서 고찰한 여러 가지 복합적 원인 등으로 보정정보의 신호지연(노후화)에 기인된 것으로 사료된다. 또한 6종 조합 및 3종 조합성과를 고찰해 보면 관측 장소가 해석센터의 관할 영역 외부 또는 소외지역에 위치한 경우, 특정 단일 보정정보를 적용하는 것 보다 해석센터간의 보정류를 조합할 경우 절대측위의 정확도 향상을 도모할 수 있음을 확인하였다.
- 934m로서 앞서 IGS03의 측위결과와 유사한 편차를 보였다. 반면, 6종 조합의 경우는 Fig. 9와 같이 평균 위성 수 14.5대, 좌표편차의 평균이 각각 N=0.149m, E=0.383m 및 U= 0.217m, 좌표의 종합편차가 0.465m로 3종 조합에 비해 월등히 향상된 결과를 보이면서 인천 관측소에 적용한 절대측위 좌표성과 중 가장 양호한 결과를 제시하였다.
- 셋째, CNES의 CLK9B를 INCH 검사점에 적용한 최초 10분까지의 PPP는 SPP 대비 N, E, 및 U성분에서 각각 57.3%, 43.5%, 및 40.9%, CLK91를 GRAS에 적용한 경우는 각각 54.8%, 22.0%, 및 53.2%의 향상된 측위정확도를 나타내어 ‘비차분 모호정수 해법’에 의한 실시간 정밀절대측위의 정확도 향상 가능성을 확인할 수 있었다.
- 시간 경과에 따라 편차가 감소하는 경향을 보였고 5개 세션 동안, 평균 위성 수는 14.2대, 좌표편차의 평균은 각각 N=0.626m, E=0.572m 및 U= 1.208m로 SPP에 의한 좌표의 종합편차는 1.476m이다.
- 그림에서 가로축 ‘2시간’ 항은 개별 2시간 관측에 대한 5개 세션의 평균, ‘1∼10’에서 ‘20∼30’까지는 10분 간격, ‘30∼60’에서 ‘90∼120’까지는 각각 30분 간격으로 시간대별 평균분포를 나타낸다. 시간이 경과됨에 따라 편차가 감소하는 경향을 보였고 각 시간대의 5개 세션 관측 동안, 평균 위성 수는 14.5대, 좌표편차의 평균은 각각 N=0.849m, E=1.431m 및 U=1.135m로 SPP에 의한 좌표의 종합편차(# )는 2.014m로 나타났다. Fig.
- 634m로서 IGS03, CLK16에 비해 양호한 결과로 나타났다. 특히, 6종 조합의 경우는 Fig. 17과 같이 평균 위성 수 14.5대, 좌표편차의 평균이 각각 N=0.102m, E=0.205m 및 U=0.225m, 좌표의 종합편차가 0.321m로 인천관측소와 같이 3종 조합에 비해 월등히 향상된결과를 보였다.
후속연구
- 보정류의 3종 조합이 개별 적용에 비해 좌표편차가 크게 나타난 것은 상이한 해석센터의 보정정보를 조합하는 과정에서 보정정보의 노후(over aged), 궤도력 정보의 과대 오차 등에 따른 원인으로 사료되나 향후, 최적의 보정류 조합 선정을 위한 추가 연구가 요망된다.
- GPS위성만 사용한 CLK16를 제외할 경우라도 평균 14대 위성을 활용한 다른 3종의 보정류에서 50cm 편차 이내의 도달 소요시간이 다양하게 나타나고 있다. 원인으로 해석센터가 운영하는 관측망에서 검사점 주변의 관측소 밀도, 해석센터의 보정정보 산출 알고리즘, NTRIP를 통한 보정정보의 신호지연, 검사점 환경에 종속된 오차의 보정 수준, 모호정수의 결정수준 등의 차이로 사료되나 이 부분에 대한 좀 더 세부적인 연구가 요망된다. Fig.
- 향후, 국내 및 주변지역의 GNSS 상시관측망을 활용한 정밀절대 측위용 NTRIP Caster의 운용이 기대된다.
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