[논문]DGNSS 위치정확도 향상을 위한 PRC 보정정보 모델링에 관한 연구

손동효; 박관동

doi:10.7319/kogsis.2015.23.4.043

초록
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본 논문은 DGNSS(Differential GNSS) 위치정확도 향상을 위한 PRC(Pseudo-Range Correction) 보정정보 모델링에 관한 연구내용이다. PRC는 DGNSS 기법을 이용하여 측위정확도를 향상시키기 위해 사용되는 보정정보로써 사용자가 통신망을 통해 수신한 뒤 사용된다. 그러나 일시적인 통신두절이나 신호간섭 등으로 인해 위치정확도가 급격히 저하되는 일이 발생한다. 그래서 본 논문에서는 이러한 현상을 방지하기 위해 PRC 보정정보를 다항식 곡선접합 방정식을 이용하여 모델링하고 그 정확도를 평가하였다. 모델링 매개변수를 이용하여 계산한 PRC 추정값과 실제 기준국 수신기에서 생산되는 관측값간의 차이를 계산한 결과 GPS의 경우에는 평균 0.1m, RMSE는 1.3m로 나타났고 대부분의 위성들이 ${\pm}1.0m$ 이내의 편향오차와 3.0m 이내의 RMSE를 보였다. GLONASS의 경우에는 평균 0.2m이고 대부분 ${\pm}2.0m$ 이내에 분포하였다. RMSE는 2.6m로 나타났고 다수의 위성들이 3.0m 이내에 분포하였다. 이런 결과는 모델링을 통해 산출한 추정값이 사용자의 위치정확도를 유지하는데 유효하게 사용될 수 있음을 보였다. 그러나 고도각이 낮은 영역에서 두 값의 차이가 크게 나타나 이에 대한 연구를 추가적으로 수행할 필요성이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

We studied on pseudo-range correction(PRC) modeling in order to improve differential GNSS(DGNSS) accuracy. The PRC is the range correction information that provides improved location accuracy using DGNSS technique. The digital correction signal is typically broadcast over ground-based transmitters. ...

We studied on pseudo-range correction(PRC) modeling in order to improve differential GNSS(DGNSS) accuracy. The PRC is the range correction information that provides improved location accuracy using DGNSS technique. The digital correction signal is typically broadcast over ground-based transmitters. Sometimes the degradation of the positioning accuracy caused by the loss of PRC signals, radio interference, etc. To prevent the degradation, in this paper, we have designed a PRC model through polynomial curve fitting and evaluated this model. We compared two quantities, estimations of PRC using model parameters and observations from the reference station. In the case of GPS, the average is 0.1m and RMSE is 1.3m. Most of GPS satellites have a bias error of less than ${\pm}1.0m$ and a RMSE within 3.0m. In the case of GLONASS, the average and the RMSE are 0.2m and 2.6m, respectively. Most of satellites have less than ${\pm}2.0m$ for a bias error and less than 3.0m for RMSE. These results show that the estimated value calculated by the model can be used effectively to maintain the accuracy of the user's location. However;it is needed for further work relating to the big difference between the two values at low elevation.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PRC 정보를 수신할 수 없는 통신 음영지역에서도 자체적으로 보정정보를 생성하고 위치정확도를 유지할 수 있게 PRC 정보 모델링에 대해 연구한 내용을 기술하였다. 연구의 주 내용은 대상 날짜 이전의 수 일간 관측된 GPS와 GLONASS 위성들에 대해 각각의 궤적 반복주기를 계산하고 이를 반영하여 수일간의 PRC 보정정보를 취합한다.
본 연구에서는 사용자가 PRC 보정정보 미수신환경에서도 DGNSS 위치정확도를 유지할 수 있게 보정정보를 모델링하고 이에 대한 정확도를 평가하였다. 모델링은 과거의 PRC 정보와 위성궤적 반복주기를 기반으로 이루어졌고 산출된 모델링 매개변수는 보정값을 추정하는데 이용되었다.

제안 방법

본 논문에서는 PRC 정보를 수신할 수 없는 통신 음영지역에서도 자체적으로 보정정보를 생성하고 위치정확도를 유지할 수 있게 PRC 정보 모델링에 대해 연구한 내용을 기술하였다. 연구의 주 내용은 대상 날짜 이전의 수 일간 관측된 GPS와 GLONASS 위성들에 대해 각각의 궤적 반복주기를 계산하고 이를 반영하여 수일간의 PRC 보정정보를 취합한다. 취합된 자료를 기반으로 다차항 곡선접합 방정식을 이용하여 모델링한 뒤 위성별로 매개변수를 생성한다.
연구의 주 내용은 대상 날짜 이전의 수 일간 관측된 GPS와 GLONASS 위성들에 대해 각각의 궤적 반복주기를 계산하고 이를 반영하여 수일간의 PRC 보정정보를 취합한다. 취합된 자료를 기반으로 다차항 곡선접합 방정식을 이용하여 모델링한 뒤 위성별로 매개변수를 생성한다. 생성된 매개변수를 사용하여 대상 날짜에 관측되는 위성들의 PRC 보정정보를 매초마다 계산하고 실제 기준점 수신기에서 생성되는 PRC 값과 상호 비교 분석한다.
본 연구에서는 사용자가 PRC 보정정보 미수신환경에서도 DGNSS 위치정확도를 유지할 수 있게 보정정보를 모델링하고 이에 대한 정확도를 평가하였다. 모델링은 과거의 PRC 정보와 위성궤적 반복주기를 기반으로 이루어졌고 산출된 모델링 매개변수는 보정값을 추정하는데 이용되었다.

대상 데이터

위성별 동일궤적 반복 주기 값은 IGS(International GNSS Service)에서 제공하는 초 신속궤도력 정보파일인 SP3를 이용하여 산출하였다(IGS, 2015). GPS 궤도력 정보파일에는 모든 위성 위치에 대해 지구중심 좌표계로 표현된 X, Y, Z 성분값을 15분 간격으로 기록되어 있다.
본 연구에 사용된 PRC보정정보는 인하대학교 창업보육센터 옥상(37°26′55.0″N, 126°39′21.3″E, H:63.9m)에 설치된 자바드 알파(JAVAD ALPHA) 수신기에서 생성된 자료이다. 대상 날짜는 2015년 6월 21일로 선정하였고 GPS의 경우에는 대상일 이전의 3일간 자료, GLONASS는 8일전과 16일전의 자료를 각각 이용하였다.
9m)에 설치된 자바드 알파(JAVAD ALPHA) 수신기에서 생성된 자료이다. 대상 날짜는 2015년 6월 21일로 선정하였고 GPS의 경우에는 대상일 이전의 3일간 자료, GLONASS는 8일전과 16일전의 자료를 각각 이용하였다.

데이터처리

취합된 자료를 기반으로 다차항 곡선접합 방정식을 이용하여 모델링한 뒤 위성별로 매개변수를 생성한다. 생성된 매개변수를 사용하여 대상 날짜에 관측되는 위성들의 PRC 보정정보를 매초마다 계산하고 실제 기준점 수신기에서 생성되는 PRC 값과 상호 비교 분석한다.
그래서 지상관측소에서 관측되는 위성들의 동일궤적 반복주기를 계산할 필요가 있다. 본 연구에서는 대상 날짜 이전의 수 일 동안 관측된 위성궤도력 정보를 기반으로 시간에 따른 상관관계를 궤도성분별로 계산함으로써 반복주기 값을 계산한다. 이때 위성이 2회 이상 공전하며 동일궤적을 그리는데 걸리는 시간을 repeat time이라 정의한다(Choi et al.
대상일 하루 동안 모델링을 통해 산출한 추정값은 위성들의 실제 관측값과 상호 비교 분석하였다. Fig.

이론/모형

시간차이를 적용한 PRC 보정값은 다항식 곡선접합 방정식을 이용하여 모델링하였다. 위성마다 관측되는 시간이 다르기 때문에 24시간 기준으로 보정 값이 나타나는 시간을 구간으로 나누고 구간별로 모델링하였다.

성능/효과

대상일 하루 동안 추정한 값과 실제 관측값을 상호 비교한 결과 GPS의 경우에는 평균 0.1m, RMSE 1.3m로 나타났고 대부분의 위성들이 ±1.0m 이내의 편향오차와 3.0m 이내의 RMSE를 보였다. GLONASS의 경우에는 평균 0.
0m 이내의 RMSE를 보였다. GLONASS의 경우에는 평균 0.2m, RMSE 2.6m로 나타나 GPS 보다 상대적으로 큰 차이를 보였고 대부분 위성들이 ±2.0m이내의 편향오차와 3.0m 이내의 RMSE를 보였다.
본 연구의 결과는 모델링 매개변수를 통해 산출한 PRC 추정값이 사용자의 위치정확도를 유지하는데 유효하게 사용될 수 있음을 보였다. 이러한 매개변수가 1일 1회 제공될 경우 사용자들은 PRC 미수신 지역에서도 관측시점에 보이는 위성들의 PRC 보정정보를 자체적으로 생성할 수 있다.

후속연구

이는 저고도각에서 위성신호의 대기투과길이가 짧은 시간에 급격히 변하는 현상을 모델이 제대로 반영하지 못한 것이라 생각된다. 이런 한계점을 해결하기 위해 향후 낮은 고도각 관측값에 대해 가중치를 낮게 설정하여 저고도각 효과를 대처하거나 GNSS 위성들의 위치와 시간을 함께 고려한 PRC 모델링 연구가 필요하다.
그리고 추정된 보정값은 관측데이터와 조합하여 향상된 위치정확도를 유지할 수 있을 것이다. 그러나 위성의 고도각이 낮은 영역에서 두 값의 차이가 상대적으로 크게 나타나는 한계점이 있어 향후 PRC 모델의 정확도를 높이기 위해서는 시·공간적 분석에 대한 연구를 추가적으로 수행할 필요성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DGNSS 기법은 무엇을 가정하는 방식인가?	DGNSS는 정확한 위치를 미리 알고 있는 기준점에서 측위오차를 계산하고 동일 위성을 관측하는 사용자들에게 실시간으로 오차정보를 제공하여 측위결과를 보정함으로써 정확도를 개선하는 방식이다. 이 방식은 기준점과 사용자간의 거리가 수십 km 이내의 범위 내에서는 오차요인이 동일하다고 가정한다. 이를 기반으로 기준점에서 생성된 오차 보정정보가 NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), DMB(Digital Multimedia Broadcasting), 비콘(Beacon) 등과 같은 통신 서비스를 통해 사용자들에게 지속적으로 전파됨으로써 향상된 위치정확도가 유지된다.
	DGNSS(Differential GNSS) 측위 기법은 어느 분야에 사용되고 있는가?	GNSS(Global Navigation Satellite System) 사용자들은 정확한 위치 값을 산출하기 위해 사용목적에 맞는 다양한 기법들을 이용한다. 그 중에서 의사거리 보정정보 PRC(Pseudo-Range Correction)를 이용한 DGNSS(Differential GNSS) 측위 기법은 사용자의 위치를 빠르고 정확하게 향상시킬 수 있어 측량, 교통, 항공분야 뿐만 아니라 시설물관리, 묘지관리 등의 일상생활분야와 위성궤도결정과 같은 우주분야에도 사용되고 있다(Cho et al, 2008; Roh et al, 2009; Kim, 2010).
	DGNSS는 어떤 방식을 말하는가?	DGNSS는 정확한 위치를 미리 알고 있는 기준점에서 측위오차를 계산하고 동일 위성을 관측하는 사용자들에게 실시간으로 오차정보를 제공하여 측위결과를 보정함으로써 정확도를 개선하는 방식이다. 이 방식은 기준점과 사용자간의 거리가 수십 km 이내의 범위 내에서는 오차요인이 동일하다고 가정한다.

참고문헌 (11)

Agnew, D. C. and Larson, K. M., 2007, Finding the repeat times of the GPS constellation, GPS Solutions, Vol. 11, No. 1, pp. 74-76.
Ahmed, E. R., 2006, Introduction to GPS: The global positioning system, Artech House, Boston, pp. 77-79.
Cho, H. S., Sohn, H. G., Lim, S. B., Kim, S. S. and Kim, S. M., 2008, Construction of cemetery management system using mobile DGPS, Journal of the Korean Society for GeoSpatial Information System, Vol. 16, No. 4, pp. 49-57.
Choi, K., Bilich, A., Larson, K. M. and Axelrad, P., 2004, Modified sidereal filtering: Implications for high-rate GPS positioning, Geophysical Research Letters, Vol. 31, No. 22, L22608.

상세보기
IGS, 2015, IGS products GPS satellite ephemerides, ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gps/products/
Kaplan, E. D., 1996, Understanding GPS principles and applications, Boston, pp. 323-344.
Kim, I. S., 2010, Availability evaluation of network DGPS positioning for various facilities management in dense housing area, Journal of the Korean Society for GeoSpatial Information System, Vol. 18, No. 4, pp. 93-99.
Kim, K. T., Kim, H. I. and Park, K. D., 2011, Development of removal techniques for PRC outlier & noise to improve NDGPS accuracy, Journal of the Korean Society for GeoSpatial Information System, Vol. 19, No. 2, pp. 63-73.
Kleusberg, A., 1990, Comparing GPS and GLONASS, GPS world, Vol. 1, No. 6, pp. 52-54.
Lee, C. M., Park, K. D., Kim, H. I. and Park, J. M., 2009, GPS satellite repeat time determination and orbit prediction based on ultra-rapid orbits, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, Vol. 27, No. 4, pp. 411-420.
Roh, K. M., Luehr, H., Park, S. Y. and Cho, J. H., 2009, The effect of equatorial spread F on relative orbit determination of GRACE using differenced GPS observations, Journal of astronomy and space sciences, Vol. 26, No. 4, pp. 499-510.

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