[논문]기준국 수에 따른 다중 위성항법 광역보정시스템의 전리층 지연 추정 성능 분석

김동욱; 한덕화; 윤호; 기창돈; 서승우; 박흥원

doi:10.12673/jant.2014.18.4.260

[국내논문] 기준국 수에 따른 다중 위성항법 광역보정시스템의 전리층 지연 추정 성능 분석
Performance Analysis of Ionospheric Delay Estimation for Multi-Constellation WA-DGNSS According to the Number of Reference Stations 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.18 no.4 = no.67, 2014년, pp.260 - 267

김동욱 (서울대학교 기계항공공학부) , 한덕화 (서울대학교 기계항공공학부) , 윤호 (서울대학교 기계항공공학부) , 기창돈 (서울대학교 기계항공공학부) , 서승우 (국방과학연구소) , 박흥원 (국방과학연구소)

초록
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광역보정시스템(WA-DGNSS; wide area differential GNSS)의 정확성을 향상시키기 위해서는 GPS 오차 요인 중 가장 큰 영향을 미치는 전리층 지연 오차에 대한 추정 성능이 향상되어야 한다. 본 논문에서는 전리층 지연 추정 성능 향상을 위해 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo와 같은 각 국의 다양한 위성항법시스템을 통합하여 광역보정시스템 알고리즘에 적용해보았다. 그리고 기준국 수를 증가시키면서 한반도 지역의 전리층 지연 추정 성능을 시뮬레이션을 통해 분석해보았다. 그 결과 추정에 사용한 측정치의 수가 비슷함에도 불구하고 기준국 수를 증가시키기보다는 다중 위성항법을 사용하는 것이 전리층 지연 추정 성능 향상에 더 효과적임을 확인하였다. 본 논문의 결과는 단일 주파수 SBAS (satellite based augmentation system) 사용자의 전리층 지연 추정 성능을 향상시키기 위한 자료로 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the purpose of improving the accuracy of Wide Area Differential GNSS (WA-DGNSS), estimation performance of ionospheric delay error which has a great impact on GPS error sources should be enhanced. This paper applied multi-constellation GNSS which represents GPS in USA, GLONASS in Russia, and Galileo in Europe to WA-DGNSS algorithm in order to improve performance of ionospheric delay estimation. Furthermore, we conducted simulation to analyze ionospheric delay estimation performance in Korean region by increasing the number of reference stations. Consequently, using multi-constellation GNSS to improve performance of ionospheric delay estimation is more effective than increasing the number of reference stations in spite of similar number of measurements which are in use for estimation. We expect this result can contribute to improvement for ionospheric delay estimation performance of single-frequency SBAS (Satellite Based Augmentation System) user.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 추정에 사용 가능한 측정치의 개수 향상이 광역보정시스템의 정확도를 향상시킬 것으로 기대하고 GPS 오차 요인 중 가장 큰 부분을 차지하는 전리층 지연오차에 대한 추정 성능을 분석해 보았다. 특히 측정치의 개수와 추정 성능 사이의 상관관계를 확인하기 위하여 다중 위성항법시스템을 광역보정시스템에 적용해 보았고, 현재 운영되고 있는 위성항법중앙사무소(NDGPS)의 해양 기준국 수를 증가시키면서 추정 성능을 비교해 보았다.
본 논문에서는 기존 광역보정시스템 알고리즘에 실측데이터를 활용한 다중 위성항법을 적용하여 한반도 주변 지역의 전리층 지연 추정 성능을 기준국 수를 증가 시켜가며 확인하였다. 시뮬레이션 결과 다중 위성항법을 적용한 광역보정시스템의 전리층 지연 추정 성능이 향상된 반면, 기준국 수를 증가 시킨 경우 큰 성능 향상이 나타나지 않았다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 추정에 사용 가능한 측정치의 개수 향상이 광역보정시스템의 정확도를 향상시킬 것으로 기대하고 GPS 오차 요인 중 가장 큰 부분을 차지하는 전리층 지연오차에 대한 추정 성능을 분석해 보았다. 특히 측정치의 개수와 추정 성능 사이의 상관관계를 확인하기 위하여 다중 위성항법시스템을 광역보정시스템에 적용해 보았고, 현재 운영되고 있는 위성항법중앙사무소(NDGPS)의 해양 기준국 수를 증가시키면서 추정 성능을 비교해 보았다.
표 1에는 각 위성항법시스템의 기준 시각 및 좌표계를 정리하였다. 이를 바탕으로 본 논문에서는 해당 시스템의 위성궤도를 GPS의 시각과 좌표계를 기준으로 구현하였다.
반경을 작게 하면 가까운 측정치 사용으로 실제 측정치에 보다 가까운 값이 반영되지만, 측정치 부족으로 인해 추정 불가 격자점이 늘어나게 된다. 본 논문에서는 전리층의 공간적 변화에 대한 특성을 고려하여 반경을 1,000 km로 설정하였다[6].
사용자는 중앙처리국에서 추정된 각 격자점의 수직 전리층 지연을 보정정보로 받아 자신의 전리층 지연 값을 계산한다. 사용자는 가시위성의 전리층 통과점을 포함한 주변 4개의 격자점을 찾는다.
사용자는 가시위성의 전리층 통과점을 포함한 주변 4개의 격자점을 찾는다. 그리고 그 격자점의 수직 전리층 지연 보정 정보를 거리에 대해 보간하여 해당 가시위성의 수직 전리층 지연을 추정 한다. 경사 전리층 지연은 해당 가시위성의 앙각을 이용하여 계산한다.
다중 위성항법 광역보정시스템의 전리층 지연 추정 성능을 확인하기 위해 한반도 주변 지역(위도: 25°~55°, 경도: 110°~145°, 간격: 2.5°)에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
5°)에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 다중 위성항법 적용의 이점을 확인하기 위하여 GPS만 사용한 경우와 GLONASS, Galileo를 각각 추가한 경우, GPS, GLONASS, Galileo를 모두 사용한 경우의 전리층 지연 추정 성능을 비교해 보았다. 또한 기준국 수에 따른 전리층 지연 추정 성능을 확인하기 위해 NDGPS의 해양 기준국 수를 증가시키면서 시뮬레이션 하였다.
다중 위성항법 적용의 이점을 확인하기 위하여 GPS만 사용한 경우와 GLONASS, Galileo를 각각 추가한 경우, GPS, GLONASS, Galileo를 모두 사용한 경우의 전리층 지연 추정 성능을 비교해 보았다. 또한 기준국 수에 따른 전리층 지연 추정 성능을 확인하기 위해 NDGPS의 해양 기준국 수를 증가시키면서 시뮬레이션 하였다. 그림 3은 사용된 해양 기준국의 위치를 나타낸 것이다.
해양 기준국은 총 11개가 존재하며 Han(2013)의 연구 결과에 따라 한반도 전역의 최대한 넓게 분포된 소청도, 마라도, 영도, 울릉도 4개의 기준국을 기본으로 선정하였다. 이후 기준국을 한 개 씩 추가하면서 성능을 비교하였다. 추가된 기준국의 배치 순서는 표 2에 정리하였다.

대상 데이터

해양 기준국은 총 11개가 존재하며 Han(2013)의 연구 결과에 따라 한반도 전역의 최대한 넓게 분포된 소청도, 마라도, 영도, 울릉도 4개의 기준국을 기본으로 선정하였다. 이후 기준국을 한 개 씩 추가하면서 성능을 비교하였다.
표 3에는 의사거리 측정치를 생성하기 위한 각각의 오차 요인 생성 방법을 나타내었다. GPS와 GLONASS의 위성 궤도 및 시계 오차의 경우 IGS (international GNSS service)에서 제공한 실측데이터인 정밀궤도력(SP3)과 방송궤도력(BRDC)을 사용하였으며, Galileo의 경우 아직 실측데이터 제공이 서비스되고 있지 않은 관계로 GSC (European GNSS service centre)에서 제공한 Almanac 데이터를 활용하여 가상의 궤도 및 시계 오차를 정규분포로 생성하였다. 전리층 지연의 참값은 IGS에서 제공한 실측데이터인 IONEX (IONosphere EXchange format)로 생성하였고, 격자 전리층 지연 추정 알고리즘과 사용자 보정치 적용 알고리즘으로 추정된 전리층 지연과의 차이를 전리층 지연 추정 오차로 하여 추정 오차의 RMS (root mean square)를 확인하였다.
전리층 지연 추정 효과를 보다 잘 확인하기 위해 태양 흑점 폭발로 전리층이 극대기를 유지하던 2013년 10월 30일 24시간 동안의 실측데이터를 활용하였다. 시뮬레이션 간격은 300초이며, 기준국과 사용자의 mask angle은 10°이다.

데이터처리

GPS와 GLONASS의 위성 궤도 및 시계 오차의 경우 IGS (international GNSS service)에서 제공한 실측데이터인 정밀궤도력(SP3)과 방송궤도력(BRDC)을 사용하였으며, Galileo의 경우 아직 실측데이터 제공이 서비스되고 있지 않은 관계로 GSC (European GNSS service centre)에서 제공한 Almanac 데이터를 활용하여 가상의 궤도 및 시계 오차를 정규분포로 생성하였다. 전리층 지연의 참값은 IGS에서 제공한 실측데이터인 IONEX (IONosphere EXchange format)로 생성하였고, 격자 전리층 지연 추정 알고리즘과 사용자 보정치 적용 알고리즘으로 추정된 전리층 지연과의 차이를 전리층 지연 추정 오차로 하여 추정 오차의 RMS (root mean square)를 확인하였다.

성능/효과

그림 4는 광역보정시스템 전리층 지연 추정 오차의 24시간 동안 평균 RMS 결과를 나타낸 것이다. 그 결과 기준국 네트워크 중심으로부터 멀어질수록 성능 저하가 발생하며, 특히 전리층 지연 오차가 큰 저위도 지역 성능 저하가 극심한 것을 볼 수 있다. 그림 4(a)는 기준국 4개일 때 GPS 단일 항법, 4(b)는 기준국 11개일 때 GPS 단일 항법, 4(c)는 기준국 4개일 때 GPS/GLONASS/Galileo 다중 항법, 그리고 4(d)는 기준국 11개 일 때 GPS/GLONASS/Galileo 다중 항법을 적용한 시뮬레이션 결과이다.
GLONASS만 추가 한 경우, Galileo만 추가 한 경우, GLONASS/Galileo를 모두 추가 한 경우의 순서로 전리층 통과점 수가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 전리층 지연 추정 오차의 RMS는 다중 위성항법을 적용하여 전리층 통과점 수가 증가할수록 큰 폭으로 감소하는 경향을 나타내었다. 반면 기준국을 추가한 경우에도 전리층 통과점의 수는 늘어났지만 추정 성능은 크게 향상 되지 않았다.
반면 기준국을 추가한 경우에도 전리층 통과점의 수는 늘어났지만 추정 성능은 크게 향상 되지 않았다. 그리고 비슷한 전리층 통과점 수를 가짐에도 불구하고 다중 위성항법을 적용한 만큼 좋은 성능 개선은 나타나지 않았으며, 8개 이상의 기준국을 사용한 경우 추정 성능에 거의 영향을 미치지 않았다. 표 4는 전리층 지연 추정 결과를 정리한 것이다.
본 논문에서는 기존 광역보정시스템 알고리즘에 실측데이터를 활용한 다중 위성항법을 적용하여 한반도 주변 지역의 전리층 지연 추정 성능을 기준국 수를 증가 시켜가며 확인하였다. 시뮬레이션 결과 다중 위성항법을 적용한 광역보정시스템의 전리층 지연 추정 성능이 향상된 반면, 기준국 수를 증가 시킨 경우 큰 성능 향상이 나타나지 않았다. 또한 일정 개수 이상의 기준국을 사용한 경우 추정 성능에 이점을 보이지 않았다.

후속연구

우리나라 광역보정시스템의 서비스 영역은 비교적 좁기 때문에 기준국이 다른 나라보다 밀집하게 분포되어 있다. 따라서 다수의 기준국 추가는 성능에 큰 영향을 미치지 못하므로, 추후 한국형 광역보정시스템 구축 시 기준국 수의 증가 보다는 다중 위성항법을 활용하여 구축 하는 것이 더 효과적이라고 할 수 있다. 본 논문에서 수행된 다중 위성항법 광역보정시스템의 전리층 지연 추정 성능 분석을 통해 향후 네트워크 외곽 지역의 전리층 지연 추정 성능을 개선하기 위한 참고자료로서 활용할 수 있을 것으로 기대되며, 단일 주파수 SBAS 사용자의 전리층 지연 추정 성능을 향상시키기 위한 방법으로 활용될 수 있을 것이다.
따라서 다수의 기준국 추가는 성능에 큰 영향을 미치지 못하므로, 추후 한국형 광역보정시스템 구축 시 기준국 수의 증가 보다는 다중 위성항법을 활용하여 구축 하는 것이 더 효과적이라고 할 수 있다. 본 논문에서 수행된 다중 위성항법 광역보정시스템의 전리층 지연 추정 성능 분석을 통해 향후 네트워크 외곽 지역의 전리층 지연 추정 성능을 개선하기 위한 참고자료로서 활용할 수 있을 것으로 기대되며, 단일 주파수 SBAS 사용자의 전리층 지연 추정 성능을 향상시키기 위한 방법으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광역보정시스템은 무엇인가?	광역보정시스템(WA-DGNSS; wide area differential GNSS)은 GPS 단독측위 시 발생하는 오차요인들을 보정정보로 제공함으로써 사용자가 더 높은 수준의 정확도와 신뢰도를 가지는 위치를 계산할 수 있도록 도와주는 현존 최고 성능의 전파항법시스템이다. 현재 미국의 WAAS (wide area augmentation system), 유럽의 EGNOS (European geostationary navigation overlay system), 일본의MSAS (MTSAT satellite based augmentation system)는 운용 중이고 우리나라도 한국형 SBAS (satellite based augmentation system) 개발을 위해 해양수산부 연구개발과제로 ‘광역보정시스템(WA-DGNSS) 구축기술개발’ 과제를 2010년부터 진행 중이다[1],[2].
	GLONASS Time은 무엇인가?	GLONASS Time은 러시아 모스크바의 UTC(UTC +03:00 hours)를 기준으로 표시되며 GPS Time과 윤초(leap second) 만큼의 차이가 존재하는 불연속적인 시간 축이다. GLONASS Time과 GPS time 사이의 오프셋은 항법메시지를 통해 제공하며 그 관계식은 식(1)과 같다.
	GPS, GLONASS, Galileo를 포함하는 광역보정시스템 알고리즘 구현을 위해 각 시스템의 동기화 필요의 이유는?	GPS, GLONASS, Galileo 각각의 위성항법시스템은 독립적인 기준 시각 및 좌표계를 사용한다. 따라서 각 시스템을 모두 사용한 다중 위성항법 광역보정시스템 알고리즘 구현을 위해서는 각 시스템의 기준 시각과 좌표계의 동기화가 필요하다.

참고문헌 (8)

C. S. Sin, J. H. Kim, and J. Y. Ahn, "Technical development trends of satellite based augmentation system," Electronics and Telecommunications Trends, Vol. 29, No. 3, pp. 74-85, Jun, 2014.
D. H. Han, H. Yun, and C. D. Kee, "Performance analysis of WA-DGNSS in Korea with the selection of reference stations," Journal of Korean Navigation and Port Research, Vol. 37, No. 4, pp. 367-373, Aug, 2013.

원문보기 상세보기
H. Yun, D. H. Han, and C. D. Kee, "Performance estimation of dual frequency and multi-constellation satellite based augmentation system for Korean region," Journal of Korea Navigation Institute, Vol. 17, No. 4, pp. 396-403, Aug, 2013.

원문보기 상세보기
Russian Institute of Space Device Engineering, GLONASS interface control document, Moscow, Russia, Edition 5.1, 2008.
European Space Agency, European GNSS(Galileo) open service, OS SIS ICD Issue 1.1, Sep, 2010.
D. Y. Kim, A study on correction generation algorithms for wide area differential GNSS, Ph.D. dissertaion, Seoul National University, Seoul, Korea, 2007.
Y. Chao, Real time implementation of the wide area augmentation system for the global positioning system with an emphasis on ionospheric modeling, Ph.D. dissertation, Stanford University, Stanford, CA, 1997.
RTCA SC-159, Minimum operational performance standards for global positioning system/wide area augmentation system airborne equipment, RTCA Incorporation, Washington, DC, DO-229D, 2006.

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표제어: PCR

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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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