본 논문에서는 GPS 위치 정보를 이용한 파고계측시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 이중주파수 측정치 및 GPS 정밀위성정보를 이용하여 위치를 추정하는 PPP 기반 항법 알고리즘을 사용한다. 이를 이용하여 기준국으로부터 보정정보를 받는 RTK나 DGPS 기반 파고계와 달리 기준국과의 거리에 관계없이 높은 정확도로 위치 추정이 가능하다. 그리고 GPS 단독으로 운용되는 간단한 시스템이므로, 가속도계 기반 파고 계측 시스템처럼 다른 센서를 이용하여 누적되는 위치 오차를 보정할 필요가 없다. 제안한 파고계측시스템을 테스트하기 위하여 경북 울진 죽변항 인근 해역에 제안한 시스템과 기상청에서 활용하는 상용 파고계를 탑재한 부표를 설치하고, 시험 운용하였다. 그리고 부표로부터 전송된 두 가지 파고 데이터를 상호 비교함으로써 제안한 시스템의 성능을 평가하였다.
본 논문에서는 GPS 위치 정보를 이용한 파고계측시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 이중주파수 측정치 및 GPS 정밀위성정보를 이용하여 위치를 추정하는 PPP 기반 항법 알고리즘을 사용한다. 이를 이용하여 기준국으로부터 보정정보를 받는 RTK나 DGPS 기반 파고계와 달리 기준국과의 거리에 관계없이 높은 정확도로 위치 추정이 가능하다. 그리고 GPS 단독으로 운용되는 간단한 시스템이므로, 가속도계 기반 파고 계측 시스템처럼 다른 센서를 이용하여 누적되는 위치 오차를 보정할 필요가 없다. 제안한 파고계측시스템을 테스트하기 위하여 경북 울진 죽변항 인근 해역에 제안한 시스템과 기상청에서 활용하는 상용 파고계를 탑재한 부표를 설치하고, 시험 운용하였다. 그리고 부표로부터 전송된 두 가지 파고 데이터를 상호 비교함으로써 제안한 시스템의 성능을 평가하였다.
A GPS based wave height meter system is proposed in this paper. The proposed system uses a dual-frequency measurements, a precise GPS satellite information and a PPP-based navigation algorithm to estimate the position with high accuracy. This method does not need to receive corrections from the refe...
A GPS based wave height meter system is proposed in this paper. The proposed system uses a dual-frequency measurements, a precise GPS satellite information and a PPP-based navigation algorithm to estimate the position with high accuracy. This method does not need to receive corrections from the reference stations. Therefore, unlike RTK based wave meter, regardless of the distance to the reference stations, it is possible to estimate position with high accuracy. This system is very simple and accurate system, but accelerometer-based system requires the other sensors such as GPS. Because position error is accumulated in the accelerometer system and must be removed periodically for high accuracy. In order to get the measurements and test the proposed wave height meter system, a buoy equipped with the test platform is installed on the sea near by Jukbyeon habor in Uljin, Korea. Then, to evaluate the performance, compares built-in commercial wave height meter with proposed system.
A GPS based wave height meter system is proposed in this paper. The proposed system uses a dual-frequency measurements, a precise GPS satellite information and a PPP-based navigation algorithm to estimate the position with high accuracy. This method does not need to receive corrections from the reference stations. Therefore, unlike RTK based wave meter, regardless of the distance to the reference stations, it is possible to estimate position with high accuracy. This system is very simple and accurate system, but accelerometer-based system requires the other sensors such as GPS. Because position error is accumulated in the accelerometer system and must be removed periodically for high accuracy. In order to get the measurements and test the proposed wave height meter system, a buoy equipped with the test platform is installed on the sea near by Jukbyeon habor in Uljin, Korea. Then, to evaluate the performance, compares built-in commercial wave height meter with proposed system.
본 논문에서는 정확한 GPS 위치 정보를 이용한 파고 계측시스템을 제안하였다. 제안한 시스템은 이중주파수 측정치 및 GPS 정밀위성정보를 이용하여 높은 정확도로 위치를 추정하는 PPP(Precise Point Positioning) 기반 항법 알고리즘을 사용하였다.
본 논문에서는 해양파를 계측하기 위한 파고 계측 시스템를 설계하였다. 기존 RTK, DGPS 기반의 시스템은 매우 정확하지만 기준국에 인접한 해역에만 설치 가능한 단점이 있다.
제안 방법
이러한 파고계는 일반적으로 GPS(Global Positioning System) 수신기나 가속도계를 이용하여 부표의 위치 정보를 획득하고 이에 대한 통계치를 계산하여 파고 정보를 획득한다. GPS 기반의 파고계는 수신기 단독으로 또는 RTK(Real Time Kinematic)나 DGPS(Differential GPS) 기술을 이용하여 부표의 위치정보를 추정하고, 이로부터 파고를 계산한다. GPS 수신기를 단독으로 운용할 경우에는 보정정보를 사용하는 RTK나 DGPS보다 정확도가 낮아진다.
본 논문에서 제안한 파고계측시스템을 테스트하기 위하여 울진 죽변항 인근 해역에 파고계측용 테스트 플랫폼을 탑재한 부표를 설치하였다. 그리고 설치된 부표로부터 전송된 데이터를 기반으로 제안한 시스템과 상용파고계의 파고계측결과를 상호 비교하여 성능을 평가하였다.
이를 위하여 IGS 네트워크의 정밀위성정보를 수신할 수 있어야 한다. 제안한 시스템에서는 PPP 기반 항법 알고리즘으로 부터 누적된 부표의 위치 정보를 기반으로 파고 정보를 계산한다.
그리고 가속도계 기반 시스템은 센서의 특성상 초기화 내지 GPS와의 결합을 통한 오차 보정 및 부표 위치 획득이 필요하였다. 하지만 제안한 시스템은 PPP 기반의 항법 알고리즘을 사용하여 GPS 수신기만으로도 간단하게 장치를 설계하였다. 아울러 기준국과의 거리에 대한 제약 없이 연속적으로 정확하게 위치를 추정하였으며, 파고 계측 결과도 기존의 시스템과 거의 유사한 성능을 나타냄을 확인하였다.
대상 데이터
본 논문에서 제안한 파고계측시스템을 테스트하기 위하여 울진 죽변항 인근 해역에 파고계측용 테스트 플랫폼을 탑재한 부표를 설치하였다. 그리고 설치된 부표로부터 전송된 데이터를 기반으로 제안한 시스템과 상용파고계의 파고계측결과를 상호 비교하여 성능을 평가하였다.
제안한 시스템을 그림 7과 같이 경상북도 울진군 죽변항으로부터 약 1km 떨어진 위치에 설치하고 실험을 진행하였다. 본 논문에서의 실험을 위하여 GPS 수신기는 NovAtel 사의 FlexPak6, 안테나는 Trimble 사의 Zephyr-II를 탑재 하였다. 육상과의 통신에는 LTE 이동통신망을 사용하여 실시간으로 데이터를 받아 저장하고 이를 부표의 위치 계산 및 파고 계측에 사용하였다.
아울러 제안한 시스템의 파고 정보를 검증하고 이중화를 통한 시스템 안정성 확보를 위하여 기상청에서 운용 중인 파고 계측 부표 OE-700의 파고계측 시스템을 탑재하고, 두 파고 계측 시스템의 데이터를 동시에 확인할 수 있도록 시스템을 구성하였다.
제안한 시스템을 그림 7과 같이 경상북도 울진군 죽변항으로부터 약 1km 떨어진 위치에 설치하고 실험을 진행하였다. 본 논문에서의 실험을 위하여 GPS 수신기는 NovAtel 사의 FlexPak6, 안테나는 Trimble 사의 Zephyr-II를 탑재 하였다.
데이터처리
본 논문의 PPP 기반 파고 계측 시스템의 성능을 평가하기 위하여 제안한 시스템을 통하여 계산된 파고 정보와 상용 파고계의 출력 정보를 비교하였다. 그림 8은 2014년 7월 5일 00:00(UTC)부터 7월 7일 00:00(UTC)까지 위치 추정 결과를 구한 다음, 첫 epoch의 위치 정보를 기준으로 부표의 수직 위치 변화를 계산한 결과이다.
제안한 시스템의 PPP 알고리즘을 이용하여 추정한 부표의 위치 정보를 토대로 파고 정보를 계산한 다음, 부표에 탑재된 상용 파고계의 데이터와 상호 비교하였다. 그림 9의 그래프는 부표의 수직 위치 정보를 이용하여 파고 정보의 통계를 산출한 결과와 상용 파고계의 파고 정보를 나타낸다.
이론/모형
앞서 밝힌 바와 같이 기존의 RTK 기반 파고계측시스템은 기준국에 가까울수록 위치 정보가 정확하지만, 기준국으로부터 멀어지면 정확도가 감소한다. 본 논문에서는 해상 어느 곳에서나 정확하게 파고를 측정하는 시스템을 설계하기 위하여 대표적인 단독 정밀 측위 기법인 PPP 기반의 항법 알고리즘을 이용하였다.
본 논문에서는 정확한 GPS 위치 정보를 이용한 파고 계측시스템을 제안하였다. 제안한 시스템은 이중주파수 측정치 및 GPS 정밀위성정보를 이용하여 높은 정확도로 위치를 추정하는 PPP(Precise Point Positioning) 기반 항법 알고리즘을 사용하였다. 이 방법은 RTK와 달리 기준국으로부터 데이터를 받을 필요가 없기 때문에 기준국과의 거리와 무관하게 높은 정확도로 위치 추정이 가능하다.
성능/효과
그리고 가속도계 기반 시스템은 센서의 특성상 초기화 내지 GPS와의 결합을 통한 오차 보정 및 부표 위치 획득이 필요하였다. 하지만 제안한 시스템은 PPP 기반의 항법 알고리즘을 사용하여 GPS 수신기만으로도 간단하게 장치를 설계하였다.
본 논문에서는 해양파를 계측하기 위한 파고 계측 시스템를 설계하였다. 기존 RTK, DGPS 기반의 시스템은 매우 정확하지만 기준국에 인접한 해역에만 설치 가능한 단점이 있다.
하지만 제안한 시스템은 PPP 기반의 항법 알고리즘을 사용하여 GPS 수신기만으로도 간단하게 장치를 설계하였다. 아울러 기준국과의 거리에 대한 제약 없이 연속적으로 정확하게 위치를 추정하였으며, 파고 계측 결과도 기존의 시스템과 거의 유사한 성능을 나타냄을 확인하였다.
후속연구
기존의 파고 계측 시스템들처럼 INMARSAT과 같은 통신 방법을 적용한다면, 먼 바다에서도 해수면의 수위 변화 및 해양파를 정확하게 계측할 수 있을 것이다. 아울러 너울이나 지진해일의 계측을 위해서는 너울 또는 지진해일 외의 해양파 성분을 검출하여 제거하는 필터가 필요하다.
아울러 너울이나 지진해일의 계측을 위해서는 너울 또는 지진해일 외의 해양파 성분을 검출하여 제거하는 필터가 필요하다. 따라서 향후 연구에서는 이러한 기능들을 구현하고 성능을 확인하여야 할 것이다.
기존의 파고 계측 시스템들처럼 INMARSAT과 같은 통신 방법을 적용한다면, 먼 바다에서도 해수면의 수위 변화 및 해양파를 정확하게 계측할 수 있을 것이다. 아울러 너울이나 지진해일의 계측을 위해서는 너울 또는 지진해일 외의 해양파 성분을 검출하여 제거하는 필터가 필요하다. 따라서 향후 연구에서는 이러한 기능들을 구현하고 성능을 확인하여야 할 것이다.
참고문헌 (17)
D. B. Cox, "Integration of GPS with Inertial Navigation Systems," NAVIGATION: Journal of the Institute of Navigation, vol. 25, no. 2, pp. 236-245, 1978.
B. W. Parkinson and J. J. Spilker, "Global Positioning System: Theory and Applications," progress in Astronautics and Aeronautics, Vol.164., Washington DC., 1995.
OCEANENG, Marine Weater Observation System OE-700 [Internet]. Available: http://www.oeng.co.kr
T. Nagai, K. Shimizu, M. Sasaki, and A. Murakami, "Improvement of the Japanese NOWPHAS Network by Introducing Advanced GPS Buoys," The 2008 International Offshore and Polar Engineering Conference, Vancouver, BC, Canada, 2008.
P. J. G. Teunissen and A. Kleusberg, GPS for Geodesy, 2nd ed. New York, Springer-verlag, 1997.
J. F. Zumberge, "Automated GPS Data Analysis Service," GPS Solutions, vol.2, no.3, pp.76-78, 1998.
J. Kouba, and P. Heroux, “GPS Precise Point Positioning Using IGS Orbit Products”, GPS Solutions, vol. 5, no.2, 2000.
IGS FTP Service, International GNSS Service [Internet]. Available: ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/
DLR-RETICLE service, German Space Operations Center of DLR [Internet]. Available: ftp://ftp.gsoc.dlr.de/
A. Gelb, Applied optimal estimation, MIT Press, Cambridge, 1974.
J. Saastamoinen, "Atmospheric correction for the troposphere and stratosphere in radio ranging of satellites," Geophysical Monograph, vol. 15, pp. 247-251, Washington, D.C., Agu. 1972.
A. E. Niell, “Global mapping functions for the atmosphere delay at radio wavelengths", Journal of Geophysical Research, vol. 101, no. B2, pp. 3227-3246, 1996.
J. Kouba (2009), "A Guided to Using International GNSS Service Product," International GNSS Service. [Online] Available: http://igscb.jpl.nasa.gov/components/usage.html
G. Petit, and B. Luzum, IERS conventions (2010), IERS Conventions Centre, Technical note 36. 2009.
K. Matsumoto, T. Takanezawa, and M. Ooe, “Ocean Tide Models Developed by Assimilating TOPEX/POSEIDON Altimeter Data into Hydrodynamical Model: A Global Model and a Regional Model Around Japan,” Journal of Oceanography, vol. 56, pp. 567-581, 2000.
J. T. Wu, S. C. Wu, G. A. Hajj, W. I. Bertiger, and S. M. Lichten, "Effects of antenna orientation on GPS carrier phase," Manuscripta Geodaetica, vol. 18, no. 2, pp. 91-98, 1993.
Se Phil Song, Deuk Jae Cho, Sul Gee Park, Younghoon Han, Chul-eui Hong, Sang Hyun Park, "Design of PPP Based Ocean Wave Gauge for Tsunami Detection System," KGS 2013, Jeju, Nov. 2013.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.