[논문]위성배치정보와 보정정보 맵핑 알고리즘을 이용한 저가형 GPS 수신기의 DGPS 서비스 적용 방안 연구

박병운; 윤동환

doi:10.5394/kinpr.2014.38.2.121

위성배치정보와 보정정보 맵핑 알고리즘을 이용한 저가형 GPS 수신기의 DGPS 서비스 적용 방안 연구
A Study on the DGPS Service Utilization for the Low-cost GPS Receiver Module Based on the Correction Projection Algorithm 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.38 no.2, 2014년, pp.121 - 126

박병운 (세종대학교 항공우주공학과) , 윤동환 (세종대학교 항공우주공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 저가형 GPS 수신 모듈에 DGPS 서비스를 적용하기 위한 방안으로 NMEA GPGSV 데이터의 위성 배치 정보에 포함된 위성 앙각과 방위각으로 관측 행렬을 구성한 후, 거리기반 보정정보를 위치영역으로 투영하여 기 산출된 위치 오차 벡터를 수정하는 방안을 제시하였다. 저가형 수신기인 U-blox LEA-5H 모델의 출력 데이터에 제안한 알고리즘을 적용한 결과 주 활동 시간인 낮 시간에 수평 오차 RMS를 1.8m에서 1m 이내로 줄였으며, 수직 정확도는 RMS 5.8m에서 1.4m로 75% 향상시킴을 확인하였다. 본 논문에서 제안하는 방식은 하드웨어의 변경없이 소프트웨어만으로 저가형 GPS의 성능을 DGPS 수준으로 향상시키는 기법이므로, 소비자와 제조사의 부담을 경감시켜 향후 제공될 고정밀 측위 서비스 인프라의 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper suggests a new algorithm to provide low-cost GPS modules with DGPS service, which corrects the error vector in the already-calculated position by projecting range corrections to position domain using the observation matrix calculated from the satellite elevation and azimuth angle in the NMEA GPGSV data. The algorithm reduced the horizontal and vertical RMS error of U-blox LEA-5H module from 1.8m/5.8m to 1.0m/1.4m during the daytime. The algorithm has advantage in improving the performance of low-cost module to that of DGPS receiver by a software update without any correction in hardware, therefore it is expected to contribute to the vitalization of the future high-precision position service infrastructure by reducing the costumer cost and vender risk.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 저가형 GPS 수신 모듈에 DGPS 서비스를 적용하기 위한 방안으로 거리기반 보정정보를 위치영역으로 투영하여 기 산출된 위치 오차 벡터를 수정하는 방안을 제시하였다. 특히 저가형 GPS에서 제공하는 위치 표준 format인 NMEA의 제한된 정보만으로도 별도의 하드웨어와 인프라의 추가 없이도 DGPS 서비스를 그대로 활용할 수 있는 방안을 제안하고 그 성능을 비교하였다.
이러한 소비자의 부담은 제조사의 투자 위축으로 연결되므로, 신규 인프라의 활성화 속도 둔화도 조심스럽게 예상된다. 이에 본 논문에서는 하드웨어 혹은 GPS 제조사의 펌웨어 변경 없이도 사용자 또는 국내 단말기 제조사에서 저가형 GPS 모듈에 DGPS 서비스를 적용할 수 있는 접근 가능한 방안을 제시하고자 한다.

제안 방법

NMEA GPGSV의 낮은 해상도로 인해 DGPS-CP wo/E가 일시적으로 큰 오차를 야기하는지 여부를 확인하기 위하여, 두 방식 간 위치 차이를 매 epoch 비교하였다. Fig.
그러나 위성의 위치를 제공하지 않는 NMEA 정보만으로는 그 구현에 한계가 있으므로, 외부에서 위성궤도정보를 AGPS(Assisted GPS)와 같은 방식으로 유입하는 방안이 제시되었고, UTC를 이용하여 구한 GPS Time에 해당하는 위성의 위치를 구함으로써 Fig 1과 같은 구현이 가능하였다. (Park, 2013)
기존에 제시된 DGPS-CP 방식의 한계를 극복하기 위하여 본 논문에서는 위성궤도 정보 대신 NMEA 위성 배치 정보를 이용한 DGPS-CP 방식을 Fig.2와 같이 제안한다.
4 와 같이 기존 논문에서 성능 검증에 사용한 저가형 U-blox LEA-5H 수신기의 데이터를 그대로 사용하도록 한다. 본 논문에서는 위성궤도 정보를 활용한 DGPS-CP를 편의상 DGPS-CP w/E(with Ephemeris), NMEA 정보만 이용한 DGPS-CP를 DGPS-CP wo/E(without Ephemeris)로 지칭한다.
앞 절에서 언급한 DGPS-CP w/E와 DGPS-CP wo/E의 시선벡터 차이로 인한 위치 오차의 영향을 알아보기 위하여 상기 데이터를 바탕으로 시선벡터(LOS, Line of Sight)가 최대로 차이나는 시점을 검색하였다. 검색 결과 Table 2와 같이 GPS Time 36038초와 74597초에서 PRN 11과 12의 시선벡터 차이가 최대이고 그 값은 약 0.
저가형 GPS 모듈이 장착된 카 내비게이션과 대부분의 LBS(Location Based Service)의 주 사용 시간은 전리층 활동이 활발한 낮 시간이므로, 이를 고려하여 DGPS-CP 방식의 실제적인 기여도와 체감 성능을 도출해 보도록 한다. Fig 7과 Table 4는 본 연구에서 낮시간으로 가정한 9시~19시의 DGPS-CP 위치 오차를 SBAS-off와 비교한 결과이며, 위성조합이 바뀌더라도 DGPS-CP가 bias 성분을 적절히 제거함을 가시적으로 확인할 수 있다.
본 논문은 저가형 GPS 수신 모듈에 DGPS 서비스를 적용하기 위한 방안으로 거리기반 보정정보를 위치영역으로 투영하여 기 산출된 위치 오차 벡터를 수정하는 방안을 제시하였다. 특히 저가형 GPS에서 제공하는 위치 표준 format인 NMEA의 제한된 정보만으로도 별도의 하드웨어와 인프라의 추가 없이도 DGPS 서비스를 그대로 활용할 수 있는 방안을 제안하고 그 성능을 비교하였다. 저가형 수신기인 U-blox LEA-5H 수신기에서 출력된 데이터에 적용한 결과 NMEA 데이터만으로도 부가적인 위성궤도 정보를 사용한 기존 투영기법과 대등한 성능이 확보됨을 확인하였다.

대상 데이터

위성궤도 정보를 활용한 DGPS-CP와 NMEA 정보만으로 구성한 DGPS-CP의 성능비교를 하기 위하여 Fig.4 와 같이 기존 논문에서 성능 검증에 사용한 저가형 U-blox LEA-5H 수신기의 데이터를 그대로 사용하도록 한다. 본 논문에서는 위성궤도 정보를 활용한 DGPS-CP를 편의상 DGPS-CP w/E(with Ephemeris), NMEA 정보만 이용한 DGPS-CP를 DGPS-CP wo/E(without Ephemeris)로 지칭한다.

성능/효과

Fig 7과 Table 4는 본 연구에서 낮시간으로 가정한 9시~19시의 DGPS-CP 위치 오차를 SBAS-off와 비교한 결과이며, 위성조합이 바뀌더라도 DGPS-CP가 bias 성분을 적절히 제거함을 가시적으로 확인할 수 있다. SBAS-off의 경우 수직방향으로 최대 10m까지 발생하였던 오차를 DGPS-CP에 의해 5m 수준으로 줄였고, 수평 45%, 수직 76%의 오차가 제거되어 저가형 GPS 모듈의 수평 RMS가 고가의 DGPS 수준인 1m 이내, 수직 1.4m로 향상되었다.
앞 절에서 언급한 DGPS-CP w/E와 DGPS-CP wo/E의 시선벡터 차이로 인한 위치 오차의 영향을 알아보기 위하여 상기 데이터를 바탕으로 시선벡터(LOS, Line of Sight)가 최대로 차이나는 시점을 검색하였다. 검색 결과 Table 2와 같이 GPS Time 36038초와 74597초에서 PRN 11과 12의 시선벡터 차이가 최대이고 그 값은 약 0.01 가량임을 확인하였다.
이상과 같은 검증 결과에 근거하여 위성궤도 정보 없이 NMEA 정보만으로 DGPS-CP 구현이 가능하며 그 성능 차이는 무시할 만하다고 판단된다.
이상과 같이 저가형 GPS 모듈이 제공하는 위치 정보만으로 고가의 DGPS 수준의 정확도 확보가 가능함에 따라 소비자는 기 보유한 기기의 교체 없이 재사용하여 새로운 서비스 이용할 수 있으므로, 경제적인 부담을 줄일 수 있다. 또한 본 논문에서 제안하는 알고리즘을 적용하는 제조사는 기 출시한 제품에 소프트웨어 업그레이드를 제공함으로써 소비자의 신뢰를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 검증되지 않은 서비스용 신제품 개발에 대한 투자 비용과 리스크를 상당 부분 줄일 수 있을 것이다.
특히 저가형 GPS에서 제공하는 위치 표준 format인 NMEA의 제한된 정보만으로도 별도의 하드웨어와 인프라의 추가 없이도 DGPS 서비스를 그대로 활용할 수 있는 방안을 제안하고 그 성능을 비교하였다. 저가형 수신기인 U-blox LEA-5H 수신기에서 출력된 데이터에 적용한 결과 NMEA 데이터만으로도 부가적인 위성궤도 정보를 사용한 기존 투영기법과 대등한 성능이 확보됨을 확인하였다. 특히 해당 모듈을 주로 사용하는 9~19시의 낮 시간에 집중하여 정확도를 비교하면, DGPS 사용하지 않았을 때 각각 RMS 1.
저가형 수신기인 U-blox LEA-5H 수신기에서 출력된 데이터에 적용한 결과 NMEA 데이터만으로도 부가적인 위성궤도 정보를 사용한 기존 투영기법과 대등한 성능이 확보됨을 확인하였다. 특히 해당 모듈을 주로 사용하는 9~19시의 낮 시간에 집중하여 정확도를 비교하면, DGPS 사용하지 않았을 때 각각 RMS 1.8m, 5.8m의 수평/수직 정확도를 1m, 1.4m 수준으로 향상시켜 기존의 DGPS 수준의 정확도가 확보됨을 확인하였다.

후속연구

이상과 같이 저가형 GPS 모듈이 제공하는 위치 정보만으로 고가의 DGPS 수준의 정확도 확보가 가능함에 따라 소비자는 기 보유한 기기의 교체 없이 재사용하여 새로운 서비스 이용할 수 있으므로, 경제적인 부담을 줄일 수 있다. 또한 본 논문에서 제안하는 알고리즘을 적용하는 제조사는 기 출시한 제품에 소프트웨어 업그레이드를 제공함으로써 소비자의 신뢰를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 검증되지 않은 서비스용 신제품 개발에 대한 투자 비용과 리스크를 상당 부분 줄일 수 있을 것이다. 이러한 제조사와 소비자의 부담 경감은 신규 서비스에 대한 용이한 접근을 유도하므로 결과적으로 향후 구축될 SBAS와 DMB 기반 NDGPS 서비스의 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 본 논문에서 제안하는 알고리즘을 적용하는 제조사는 기 출시한 제품에 소프트웨어 업그레이드를 제공함으로써 소비자의 신뢰를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 검증되지 않은 서비스용 신제품 개발에 대한 투자 비용과 리스크를 상당 부분 줄일 수 있을 것이다. 이러한 제조사와 소비자의 부담 경감은 신규 서비스에 대한 용이한 접근을 유도하므로 결과적으로 향후 구축될 SBAS와 DMB 기반 NDGPS 서비스의 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DGPS는 어떻게 나뉘게 됩니까?	위성항법 보정시스템 (DGPS, Differential Global Positioning System)은 위성항법 공통 오차의 시간 및 공간 상관성을 이용하여 기준국에서 생성한 보정정보를 사용자 수신기에 적용함으로써 정확도를 1~3m 수준으로 향상시키는 방법이다. (Kaplan, 1995) 이러한 DGPS는 사용하는 보정정보 및 오차 제거 방법에 따라 Block Shift technique라고 불리는 위치영역 보정방식과 거리보정정보 (Range Correction)를 적용하는 거리영역 위성항법 보정방식으로 나뉜다. 위치 영역 보정정보는 기준국에서 계산한 위치 오차 벡터로 적용 개념이 매우 직관적이고 구현이 용이하나, 사용자와 기준국의 위성조합이 다를 경우 오히려 Stand-alone 보다 오차가 커질 수 있다는 치명적인 단점이 있다.
	위성항법 보정시스템은 어떠한 방법입니까?	위성항법 보정시스템 (DGPS, Differential Global Positioning System)은 위성항법 공통 오차의 시간 및 공간 상관성을 이용하여 기준국에서 생성한 보정정보를 사용자 수신기에 적용함으로써 정확도를 1~3m 수준으로 향상시키는 방법이다. (Kaplan, 1995) 이러한 DGPS는 사용하는 보정정보 및 오차 제거 방법에 따라 Block Shift technique라고 불리는 위치영역 보정방식과 거리보정정보 (Range Correction)를 적용하는 거리영역 위성항법 보정방식으로 나뉜다.
	위치영역 보정방식의 단점은 무엇입니까?	(Kaplan, 1995) 이러한 DGPS는 사용하는 보정정보 및 오차 제거 방법에 따라 Block Shift technique라고 불리는 위치영역 보정방식과 거리보정정보 (Range Correction)를 적용하는 거리영역 위성항법 보정방식으로 나뉜다. 위치 영역 보정정보는 기준국에서 계산한 위치 오차 벡터로 적용 개념이 매우 직관적이고 구현이 용이하나, 사용자와 기준국의 위성조합이 다를 경우 오히려 Stand-alone 보다 오차가 커질 수 있다는 치명적인 단점이 있다.(Rizos, 1999) 이 때문에, 사용자의 가시위성에 따라 보정정보를 선별적으로 적용하여 오차를 제거할 수 있는 거리기반 보정 방식이 일반적으로 사용되고 있고, 대표적인 DGPS 방식인 SBAS 보정정보와 NDGPS의 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Service) 메시지의 경우에도 모두 이에 근거하고 있다.

참고문헌 (9)

ChosunBiz, (2013) '1m Accuracy Position Information Provided by DMB ' , 2013.9.19. http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2013/09/10/20130 91000875.html
GSA, GNSS Market Report, issue 3, Oct 2013
Mehaffey, J., Yeazel, J., Penrod, S., and Deiss, A. (2011). NMEA Data. http://www.gpsinformation.org/dale/mmea.htm.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Aviation Policy - Introduction to SBAS Implementation http://www.molit.go.kr/USR/WPGE0201/m_35409/DTL.jsp
Kaplan, E.D.(1996). Understanding GPS: Principles and Application. Boston: Artech House Publishers.
Park, B. et al,(2011) "Algorithm Development of Position-domain DGPS by Correction Projection and its Performance", the 18th GNSS Workshop, Nov. 2011.
Park, B. et al,(2013). DGPS Enhancement to GPS NMEA Output Data: DGPS by Correction Projection to Position-Domain. Journal of Navigation, 66, pp 249-264

상세보기
Rizos, C. (1999). How Good is GPS? SNAP-UNSW : http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap2/244dgps.htm.
Trimble Trimble GPS Tutorial : Other ways to work with Differential GPS: http://www.trimble.com/gps_tutorial/dgps-oways.aspx

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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