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문제 정의
- 본 연구의 타겟 시스템인 WA-DGNSS 기준국 소프트웨어는 지상 시스템으로 분류되므로 이 시스템에 대한 알고리즘 연구 개발 및 검증을 위해서 DO-278과 같은 엄격한 규정 및 절차를 통해 검증하거나 이에 준한 절차를 활용하여 개발할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 DO-278에서 규정하는 시스템 검증을 위한 단계별 개발 및 검증 절차를 참고하여 모듈 및 통합 테스트 절차를 구분하였고 기준국 소프트웨어에 적합한 모듈별 테스트, 통합 테스트에 대한 방법론을 제시하고 이를 통계적 테스트를 통해 검증해보았다.
- 본 연구는 지상 소프트웨어 개발 및 검증 규격 문서인 RTCA DO-278을 참고하여 기준국 소프트웨어를 검증하기 위한 방법으로 모듈별 테스트와 통합 테스트로 구분하여 수행하였다. 모듈별 테스트에서는 전리층, 대류층, 위성관련 오차로 테스트하고자 하는 모듈에 따라 서로 다른 측정치를 생성하여 테스트를 수행하였으며 통합 테스트의 경우 기준국 소프트웨어 프로세스에 적합하도록 zero-error test & noise-only test, isolated error test, full error test로 단계를 나누어 테스트를 진행하였다.
- 모듈 별 테스트에서 사용된 특정 오차로는 전리층 지연 추정 오차, 대류층 지연 오차, L1코드 측정치 잔차가 있다. 본 테스트에서는 각 각의 모듈을 통합 소프트웨어에 적용하여 특정 오차만 포함된 데이터의 추정 결과가 해당 오차 이외의 bias가 포함되는지 여부를 확인하여 특정 오차가 타 오차의 추정 모듈에 영향을 주는 지에 대한 검증을 한다.
제안 방법
- 즉, 테스트 시나리오를 전리층 오차만 포함된 iono-only, 대류층 오차만 포함된 tropo-only 위성 궤도 오차만 포함된 eph-only로 세분화하여 각 모듈의 결과를 비교하도록 한다. 기구현된 광역 기준국의 모듈별 테스트와 통합 소프트웨어 테스트를 위하여 GPS 실제 측위 환경에 근거한 오차량을 성분별로 적용하여 시뮬레이션 데이터를 생성하였다. 측위 지점은 세종대 충무관 옥상에 설치된 GPS 기준국의 위치인 (-3052169.
- 이 때 측위 과정에서 사용자 시계 오차와 같은 공통 오차에 의해 URE와 오프셋이 생길 수 있으므로 이를 고려한다. 다수의 위성에 대하여 연속적으로 데이터를 처리하는데 문제가 없는지 여부를 확인하기 위하여 오차가 포함되지 않은 데이터와 bias 성분 없이 수신기 잡음만 포함된 데이터를 RINEX 포맷으로 구성하여 처리한다. 다음으로 앞서 모듈 별 테스트에 사용된 특정 오차만 포함된 데이터를 통합 소프트웨어에 적용한 뒤, 모든 모듈의 추정치를 분석하여 해당 오차 이외의 bias 오차가 추정되거나 포함되는지 여부를 확인하여 특정 오차가 타 오차의 추정 모듈에 영향을 주는지 여부를 판단한다.
- 다수의 위성에 대하여 연속적으로 데이터를 처리하는데 문제가 없는지 여부를 확인하기 위하여, 우선 오차가 포함되지 않은 데이터(zero error)와 bias 성분 없이 수신기 잡음만 포함된 데이터(noise-only)를 통합 테스트에 적용하여 검증한다.
- 다수의 위성에 대하여 연속적으로 데이터를 처리하는데 문제가 없는지 여부를 확인하기 위하여 오차가 포함되지 않은 데이터와 bias 성분 없이 수신기 잡음만 포함된 데이터를 RINEX 포맷으로 구성하여 처리한다. 다음으로 앞서 모듈 별 테스트에 사용된 특정 오차만 포함된 데이터를 통합 소프트웨어에 적용한 뒤, 모든 모듈의 추정치를 분석하여 해당 오차 이외의 bias 오차가 추정되거나 포함되는지 여부를 확인하여 특정 오차가 타 오차의 추정 모듈에 영향을 주는지 여부를 판단한다.
- 대류층 지연 오차 추정 모듈 테스트를 위해 대류층 오차만 포함된 RINEX 데이터를 생성하고 이를 소프트웨어에 입력한다. RTCA DO-229에 따른 모델을 적용한 대류층 잔여 오차의 표준 편차(#)는 식(2)을 따르므로 오차가 통계 범위 내에 있는지 여부를 판단하여 대류층 추정 모듈의 적절성을 판단한다[3].
- 보다 그 차이가 훨씬 작음을 확인할 수 있다. 따라서 데이터 생성과 추정에 사용된 모델이 서로 다름에도 불구하고 Hopfield model에 의해 구현된 대류층 지연 추정 모듈의 적합성을 테스트를 통해 검증할 수 있다.
- 따라서 타겟으로 삼은 모듈이 추정하는 성분만 포함된 RINEX 데이터를 생성하고 이를 적용하여 분석하도록 한다. 즉, 테스트 시나리오를 전리층 오차만 포함된 iono-only, 대류층 오차만 포함된 tropo-only 위성 궤도 오차만 포함된 eph-only로 세분화하여 각 모듈의 결과를 비교하도록 한다.
- 특히 광역기준국 소프트웨어의 모듈은 독립적으로 운영되는 것이 아닌 각 모듈의 처리 결과가 다음 모듈에 사용되는 연속적인 구조로 되어있다. 따라서 통합 소프트웨어의 테스트는 각 모듈 별 결과뿐만이 아니라 최종 결과에 대한 분석도 필요하므로 본 연구에서는 통합 테스트를 3단계로 구성하였다.
- 전리층 오차 추정 부분의 테스트는 측정치에 전리층 오차만 포함시킨 RINEX data를 생성하고, 잡음이 포함되지 않은 측정치를 사용하여 모듈에서 산출된 전리층 오차량의 바이어스 성분이 있는지 여부를 확인한다. 또한 측정치에 전리층 오차 외에도 측정치 잡음이 포함된 RINEX data를 생성하여 필터링에 적용된 epoch이 증가함에 따라 잡음 특성이 개선되는지 여부를 통계적으로 확인한다. L1/L2 측정치를 이용하여 적용하는 Hatch Filter 추정치의 표준편차(#)는 식(1)에 근사적으로 따르므로 참값과 추정치간 차이가 통계적 범위 내 만족 여부를 평가하여 전리층 추정 모듈의 스무딩 적절성을 판단한다[2].
- 마지막으로 모든 오차가 포함된 측정치를 통합 소프트웨어 적용한 뒤, 각 모듈에서 추정한 오차가 모두 주어진 통계 범위 내에 존재하는지 확인한다. 본 테스트에서는 추정된 전리층과 대류층 오차를 제거한 코드 측정치로 구한 기준국의 측위 정확도를 통계적으로 분석함으로써 통합 소프트웨어의 적절성을 최종적으로 판단한다.
- 의 데이터 중 대표적인 보정정보로 사용되는 Trop_dry, Trop_wet, Iono_delay, Pr_res를 광역기준국 소프트웨어의 각 모듈로 구성하였다. 모듈별 테스트는 각 모듈의 알고리즘 구현의 적절성을 테스트하고 통합 테스트에서는 각 모듈의 측정치를 통합 소프트웨어에 적용하여 각 모듈 간의 영향이 있는 지 여부 및 전체 모듈을 통합 소프트웨어에 적용한 결과의 타당성을 통계적으로 검증하는 방법론을 제시한다.
- 본 연구에서는 실제 측위 환경에 근거하여 시뮬레이션 데이터를 생성하였다. 생성된 데이터를 기 구현된 광역기준국 프로세스에 대입한 후 획득한 오차 추정치와 시뮬레이션 데이터에 삽입된 오차별 참값을 비교하였다.
- 과 같이 광역기준국에서 중앙처리국으로 전송하는 데이터 규격을 정의하고 있다. 본 연구에서는 표1.의 데이터 중 대표적인 보정정보로 사용되는 Trop_dry, Trop_wet, Iono_delay, Pr_res를 광역기준국 소프트웨어의 각 모듈로 구성하였다. 모듈별 테스트는 각 모듈의 알고리즘 구현의 적절성을 테스트하고 통합 테스트에서는 각 모듈의 측정치를 통합 소프트웨어에 적용하여 각 모듈 간의 영향이 있는 지 여부 및 전체 모듈을 통합 소프트웨어에 적용한 결과의 타당성을 통계적으로 검증하는 방법론을 제시한다.
- 마지막으로 모든 오차가 포함된 측정치를 통합 소프트웨어 적용한 뒤, 각 모듈에서 추정한 오차가 모두 주어진 통계 범위 내에 존재하는지 확인한다. 본 테스트에서는 추정된 전리층과 대류층 오차를 제거한 코드 측정치로 구한 기준국의 측위 정확도를 통계적으로 분석함으로써 통합 소프트웨어의 적절성을 최종적으로 판단한다.
- 본 연구에서는 실제 측위 환경에 근거하여 시뮬레이션 데이터를 생성하였다. 생성된 데이터를 기 구현된 광역기준국 프로세스에 대입한 후 획득한 오차 추정치와 시뮬레이션 데이터에 삽입된 오차별 참값을 비교하였다. 이를 통해 모듈 단위의 테스트를 수행한 후 소프트웨어 통합 테스트 수행을 위해 모든 프로세스가 종료된 후 획득한 측위 결과를 통계적 분석을 통해 통합 프로세스의 적절성을 평가하였다.
- 전리층 오차 추정 부분의 테스트는 측정치에 전리층 오차만 포함시킨 RINEX data를 생성하고, 잡음이 포함되지 않은 측정치를 사용하여 모듈에서 산출된 전리층 오차량의 바이어스 성분이 있는지 여부를 확인한다. 또한 측정치에 전리층 오차 외에도 측정치 잡음이 포함된 RINEX data를 생성하여 필터링에 적용된 epoch이 증가함에 따라 잡음 특성이 개선되는지 여부를 통계적으로 확인한다.
- 전리층과 대류층 오차가 제거된 L1 코드 측정치 잔차는 위성 관련 오차인 URE(user range error)가 주로 포함되므로, 해당 모듈의 테스트를 위하여 RINEX navigation data와 sp3 데이터의 궤도 정보 차이를 반영한 RINEX 데이터를 생성하여 소프트웨어에 적용한다. C.
- 따라서 타겟으로 삼은 모듈이 추정하는 성분만 포함된 RINEX 데이터를 생성하고 이를 적용하여 분석하도록 한다. 즉, 테스트 시나리오를 전리층 오차만 포함된 iono-only, 대류층 오차만 포함된 tropo-only 위성 궤도 오차만 포함된 eph-only로 세분화하여 각 모듈의 결과를 비교하도록 한다. 기구현된 광역 기준국의 모듈별 테스트와 통합 소프트웨어 테스트를 위하여 GPS 실제 측위 환경에 근거한 오차량을 성분별로 적용하여 시뮬레이션 데이터를 생성하였다.
대상 데이터
- 기구현된 광역 기준국의 모듈별 테스트와 통합 소프트웨어 테스트를 위하여 GPS 실제 측위 환경에 근거한 오차량을 성분별로 적용하여 시뮬레이션 데이터를 생성하였다. 측위 지점은 세종대 충무관 옥상에 설치된 GPS 기준국의 위치인 (-3052169.786, 4039503. 815, 3866233.999)로 선정하고, 측위 날짜는 2014년 7월 1일, 시간은 전리층 활동이 가장 활발한 14:00 ~ 15:00 (한국시간)으로 설정하였다.
데이터처리
- 모듈별 테스트에서는 전리층, 대류층, 위성관련 오차로 테스트하고자 하는 모듈에 따라 서로 다른 측정치를 생성하여 테스트를 수행하였으며 통합 테스트의 경우 기준국 소프트웨어 프로세스에 적합하도록 zero-error test & noise-only test, isolated error test, full error test로 단계를 나누어 테스트를 진행하였다.
- 생성된 데이터를 기 구현된 광역기준국 프로세스에 대입한 후 획득한 오차 추정치와 시뮬레이션 데이터에 삽입된 오차별 참값을 비교하였다. 이를 통해 모듈 단위의 테스트를 수행한 후 소프트웨어 통합 테스트 수행을 위해 모든 프로세스가 종료된 후 획득한 측위 결과를 통계적 분석을 통해 통합 프로세스의 적절성을 평가하였다.
성능/효과
- 10 m. 0.44 m로 기존 결과에 비해 크게 증가함을 확인하였다. 그러나 설정된 3σ 기준보다는 전시간에 걸쳐 작은 오차를 보여주므로 통계 관점에서 적절히 처리되고 있다고 판단된다.
- 그림 6의 하단 그래프는 ionospheric delay w / noise test의 측정치 잔차 결과이다. 결과를 살펴보면 bias 성분이 확인되지 않고 스무딩이 진행 중인 초기 측정치를 제외하면 대류층 지연 모듈 검증과 경향이 유사함을 확인할 수 있다. 추정된 오차를 보정한 L1 코드 측정치로 산출한 위치는 그림 7의 중간 그래프에 표시하였다.
- 모듈별 테스트에서는 전리층, 대류층, 위성관련 오차로 테스트하고자 하는 모듈에 따라 서로 다른 측정치를 생성하여 테스트를 수행하였으며 통합 테스트의 경우 기준국 소프트웨어 프로세스에 적합하도록 zero-error test & noise-only test, isolated error test, full error test로 단계를 나누어 테스트를 진행하였다. 그 결과 기준국 소프트웨어가 개별 오차 및 통합 오차 모두 적절하게 추정하는 것을 확인하고 통계적으로도 만족하는 것을 확인하였다. 이러한 광역보정시스템 기준국 소프트웨어의 모듈별 통합 검증 방법론과 테스트 결과물은 기준국 소프트웨어에 대한 상용화 가능성 제고에 기여할 것으로 기대된다.
- 대류층과 전리층 오차, 기준국-위성간 거리를 L1 코드 측정치에서 제거한 나머지 잔차(δρ)로부터 획득한 위성 궤도 오차 추정치의 경향은 그림 3 상단의 2개 그래프와 같으며 앞서 설정한 3σi,URE이내에 모두 포함됨을 확인할 수 있다.
- 또한 산출한 위성 궤도 및 시계 오차 추정치와 해당 오차의 참값을 뺀 잔차의 경향은 그림 3 하단 2개 그래프와 같다. 데이터 전반부는 전리층 오차 추정 및 스무딩 모듈의 영향으로 잡음이 약간 크게 형성되어 있으나 모두 bias가 제거된 형태임을 확인할 수 있다. 따라서 L1 측정치 잔차 산출 모듈의 알고리즘 역시 적절하게 구현된 것으로 판단된다.
- 전리층과 대류층 오차의 경우 광역 기준국에서 추정이 가능하므로 추정 잔차가 bias 성분이 제거된 잡음의 형태인 반면, 위성 궤도와 시계오차는 추정이 불가하므로 σi, URE가 타 오차의 통계치에 비해 크고, 그에 따라 3σ라인도 크게 설정된다. 따라서 측위 오차 결과의 경우 위성궤도와 오차의 bias 성분이 제거되지 않고 결과에 투영되어 RMS는 동, 북, 수직 방향으로 0.46 m, 0.10 m. 0.
- 전리층 지연 추정 잔차는 10-4 수준으로 반송파의 잡음보다도 훨씬 작은 수준이다. 따라서 통계적으로 전리층 추정 모듈 알고리즘은 적절하게 구현된 것으로 평가하였다.
- 그림 8은 Full error test 처리 중 전리층, 대류층 오차를 보정한 L1 코드 측정치로 위치를 산출한 후, 검증을 위하여 후처리로 남은 잔차 중 위성 궤도 및 시계 오차 부분을 추출한 값으로 3σ이내에 모두 존재함을 보여준다. 또한 해당 부분을 실제 오차와 차분한 결과를 통해 측정치 잔차가 적절하게 계산됨을 확인할 수 있다. 이상과 같은 방법을 통해 전리층과 대류층 오차를 제거한 측위 결과는 그림 9와 같다.
- 추정된 전리층 오차를 제거한 L1 측정치로 구한 측위 결과는 그림 5의 좌측 그래프와 같다. 위치 영역에서 오차는 10-3 수준이므로, 오차 추정 및 잔차 산출 모듈을 포함한 통합 소프트웨어가 적절하게 동작하고 있는 것을 확인할 수 있다. 다음으로 그림 5의 우측 그래프인 noise-only test 측위 결과를 각 방향 별 3σ로 비교해보면, east 방향은 0.
- 추정된 오차를 보정한 L1 코드 측정치로 산출한 위치는 그림 7의 중간 그래프에 표시하였다. 측위 오차를 분석한 결과, 0.97% (35 sample), north 방향은 0.69% (25 sample), up 방향은 2.22% (80 sample)로 전리층 스무딩에 의한 time-correlation의 영향이 약간 있음을 감안할 때, 통계적으로 만족한다고 할 수 있다. RMS는 동, 북, 수직 방향으로 각각 0.
- 특정 모듈의 처리 결과가 타 모듈에 영향이 있는지 여부를 확인하기 위하여, 모듈 별 테스트에 사용된 측정치를 대입하고 전리층과 측정치 잔차의 결과를 다음 그림 6의 상단에 나타내었다. 특별한 bias 오차가 확인되지 않으므로 삽입된 대류층 지연 오차와 추정 모듈이 타 모듈에 영향을 주지 않음이 확인되었다. 따라서 추정된 오차를 보정한 L1 코드 측정치로 산출한 측위 오차는 그림 7 좌측 그래프에 나타냈다.
후속연구
- 본 연구의 타겟 시스템인 WA-DGNSS 기준국 소프트웨어는 지상 시스템으로 분류되므로 이 시스템에 대한 알고리즘 연구 개발 및 검증을 위해서 DO-278과 같은 엄격한 규정 및 절차를 통해 검증하거나 이에 준한 절차를 활용하여 개발할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 DO-278에서 규정하는 시스템 검증을 위한 단계별 개발 및 검증 절차를 참고하여 모듈 및 통합 테스트 절차를 구분하였고 기준국 소프트웨어에 적합한 모듈별 테스트, 통합 테스트에 대한 방법론을 제시하고 이를 통계적 테스트를 통해 검증해보았다.
- 그 결과 기준국 소프트웨어가 개별 오차 및 통합 오차 모두 적절하게 추정하는 것을 확인하고 통계적으로도 만족하는 것을 확인하였다. 이러한 광역보정시스템 기준국 소프트웨어의 모듈별 통합 검증 방법론과 테스트 결과물은 기준국 소프트웨어에 대한 상용화 가능성 제고에 기여할 것으로 기대된다.
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