본 논문에서는 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)의 다양화에 따른 위성항법보정시스템(Differential GNSS, DGNSS) 기준국 설계를 위하여, 중국 위성항법시스템인 BeiDou의 의사거리 보정정보 생성 알고리즘과 시뮬레이션 기반의 성능 검증에 대해 중점적으로 다룬다. 먼저 DGNSS 기준국/감시국(Reference Station and IntegrityMonitor, RSIM)에서의 국제적 표준 및 요구성능에 대해 살펴보고, BeiDou 연동제어문서(Interface Control Document, ICD)를 기반으로 위성의 위치를 추정하고 위성시계 옵셋과 사용자 수신기의 시계오차, 그리고 GPS(Global Positioning System)와 BeiDou 위성의 시스템 타임 옵셋을 계산하여 BeiDou 의사거리 보정정보(Pseudorange Correction, PRC)를 생성한다. GPS/BeiDou 시뮬레이터를 연동한 성능검증 플랫폼을 기반으로 BeiDou 보정정보의 오차를 계산하고, 그 측위정확도를 분석하여 성능검증을 수행하였다. 실험결과 BeiDou 의사거리 보정정보가 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services)에서 요구하는 기준국 운영 및 보정서비스를 위한 측위성능을 충족함을 확인하였다.
본 논문에서는 위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)의 다양화에 따른 위성항법보정시스템(Differential GNSS, DGNSS) 기준국 설계를 위하여, 중국 위성항법시스템인 BeiDou의 의사거리 보정정보 생성 알고리즘과 시뮬레이션 기반의 성능 검증에 대해 중점적으로 다룬다. 먼저 DGNSS 기준국/감시국(Reference Station and Integrity Monitor, RSIM)에서의 국제적 표준 및 요구성능에 대해 살펴보고, BeiDou 연동제어문서(Interface Control Document, ICD)를 기반으로 위성의 위치를 추정하고 위성시계 옵셋과 사용자 수신기의 시계오차, 그리고 GPS(Global Positioning System)와 BeiDou 위성의 시스템 타임 옵셋을 계산하여 BeiDou 의사거리 보정정보(Pseudorange Correction, PRC)를 생성한다. GPS/BeiDou 시뮬레이터를 연동한 성능검증 플랫폼을 기반으로 BeiDou 보정정보의 오차를 계산하고, 그 측위정확도를 분석하여 성능검증을 수행하였다. 실험결과 BeiDou 의사거리 보정정보가 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services)에서 요구하는 기준국 운영 및 보정서비스를 위한 측위성능을 충족함을 확인하였다.
This paper focuses on the generation algorithm of BeiDou pseudorange correction (PRC) and simulation based performance verification for design of Differential Global Navigation Satellite System (DGNSS) reference station and integrity monitor (RSIM) in order to prepare for recapitalization of DGNSS. ...
This paper focuses on the generation algorithm of BeiDou pseudorange correction (PRC) and simulation based performance verification for design of Differential Global Navigation Satellite System (DGNSS) reference station and integrity monitor (RSIM) in order to prepare for recapitalization of DGNSS. First of all, it discusses the International standard on DGNSS RSIM, based on the interface control document (ICD) for BeiDou, estimates the satellite position using satellite clock offset and user receiver clock offset, and the system time offset between Global Positioning System (GPS) and BeiDou. Using the performance verification platform interfaced with GNSS (GPS/BeiDou) simulator, it calculates the BeiDou pseudorange corrections , compares the results of position accuracy with GPS/DGPS. As the test results, this paper verified to meet the performance of position accuracy for DGNSS RSIM operation required on Radio Technical Commission for Maritime Services (RTCM) standard.
This paper focuses on the generation algorithm of BeiDou pseudorange correction (PRC) and simulation based performance verification for design of Differential Global Navigation Satellite System (DGNSS) reference station and integrity monitor (RSIM) in order to prepare for recapitalization of DGNSS. First of all, it discusses the International standard on DGNSS RSIM, based on the interface control document (ICD) for BeiDou, estimates the satellite position using satellite clock offset and user receiver clock offset, and the system time offset between Global Positioning System (GPS) and BeiDou. Using the performance verification platform interfaced with GNSS (GPS/BeiDou) simulator, it calculates the BeiDou pseudorange corrections , compares the results of position accuracy with GPS/DGPS. As the test results, this paper verified to meet the performance of position accuracy for DGNSS RSIM operation required on Radio Technical Commission for Maritime Services (RTCM) standard.
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문제 정의
4버전[2]이 RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services)에서 초안을 준비하였으며, 공표를 위한 최종 의견을 수렴하고있다. 따라서 DGNSS RSIM (Reference Station and Integrity Monitor) 운영 및 보정정보 서비스를 위한 멀티 GNSS 보정정보 생성 기법이 요구되는 실정이며, 이를 위해 본 논문에서는 BeiDou 의사거리 보정정보 (Pseudorange correction, PRC) 생성 기법에 대해 다룬다. 기존 DGNSS 서비스를 위한 GPS, GLONASS, Galileo 의사거리 기반 보정정보 생성 기법[3]에 관한 연구 결과가 제시되고 있지만, 중국 BeiDou 위성 신호의 의사 거리 보정정보 생성 기법에 관한 연구와 그 성능검증 결과는 아직 부족한 실정이다.
본 논문에서는 DGNSS 기준국 운영 및 보정 서비스를 고도화하고, 신규 RSIM 표준과 RTCM 표준에 대응하기 위한 BeiDou 의사거리 보정정보 생성 기법 및 그 성능평가에 대해 다루었다. 구체적으로 기존 DGNSS 기준국 아키텍처와 RTCM의 기준국 운영을 위한 RSIM 메시지 표준과 성능요구조건, RTCM 방송 표준을 비교분석하였고, BeiDou 보정정보 생성 알고리즘을 제시하였다.
제안 방법
위한 절차를 나타낸다. GNSS 시뮬레이터의 신호 출력을 신호분배기를 통해 두 대의 수신기에 각각 입력하고, 시뮬레이터의 PRC와 수신기 출력을 기반으로 계산한 PRC의 차이를 분석한다. 또한 추정 PRC를 다른 수신기의 의사거리 측정치에 반영하여 측위정확도를각각 비교하였다.
GPS/BeiDou 의사거리 보정정보 생성 및 성능 검증을 위하여, GNSS 시뮬레이션 환경을 구축하고, 기 개발된 DGNSS RSIM 성능검증 플랫폼에서 실험을 실시하였다.
단계적으로 정리하면 그림 2와 같다. Step 1에서는 GNSS 수신기에서 제공하는 궤도력(Ephemeris) 파라미터를 이용하여 BeiDou 위성위치를 계산하고, 이미 알고 있는 사용자 안테나 위치와의 거리(R)를 계산한다.
대해 다루었다. 구체적으로 기존 DGNSS 기준국 아키텍처와 RTCM의 기준국 운영을 위한 RSIM 메시지 표준과 성능요구조건, RTCM 방송 표준을 비교분석하였고, BeiDou 보정정보 생성 알고리즘을 제시하였다. 또한 GPS/BeiDou 시뮬레이터를 이용하여 GPS 보정 성능결과와 BeiDou 보정성능 결과를 비교하였다.
구체적으로 기존 DGNSS 기준국 아키텍처와 RTCM의 기준국 운영을 위한 RSIM 메시지 표준과 성능요구조건, RTCM 방송 표준을 비교분석하였고, BeiDou 보정정보 생성 알고리즘을 제시하였다. 또한 GPS/BeiDou 시뮬레이터를 이용하여 GPS 보정 성능결과와 BeiDou 보정성능 결과를 비교하였다. 성능평가 결과 해양 분야에 활용하기 위한 측위정확도측면에서 RSIM의 기준국 요구 성능인 85cm이내의 성능을 충족함을 확인할 수 있었다.
GNSS 시뮬레이터의 신호 출력을 신호분배기를 통해 두 대의 수신기에 각각 입력하고, 시뮬레이터의 PRC와 수신기 출력을 기반으로 계산한 PRC의 차이를 분석한다. 또한 추정 PRC를 다른 수신기의 의사거리 측정치에 반영하여 측위정확도를각각 비교하였다.
본 논문에서는 GPS/BeiDou 시뮬레이터를 연동하여, BeiDou 수신기에서 제공하는 항법수신정보를 BINEX (Binary Exchange Format) [4]를 이용하여 수신하고, BeiDou 항법시스템의 의사거리 보정정보 생성 알고리즘 설계 및 그 성능검증을 실시한다. 본 논문의 결과는 향후 신규 표준 기반의 DGNSS RSIM 재구축에 활용되어 우리나라 DGNSS 기준국 시스템의 독자 운영 및 성능 고도화에 기여할 수 있을 것이다.
BeiDou 보정정보 생성을 위해서는 먼저 BeiDou ICD 문서[6]를 기반으로 BeiDou 신호를 지원하는 수신기에서 제공하는 원시 계측정보(Raw measurement)를 해석할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 수신기에서 제공하는 BINEX 포맷[4] 출력 정보를 해석하여 BeiDou 위성 궤도력 정보와 계측정보를 이용하였다.
대상 데이터
구성은 그림 5와 같다. Spirent 사의 GSS8000 시뮬레이터와 신호 조합기, Trimble NetR9 수신기 2대, 그리고 개발한 BeiDou 보정정보 생성 알고리즘이 적용된 RSIM 소프트웨어 탑재 PC로 구성하였다.
기존 RTCM의 DGPS RSIM 아키텍처와 동일한 구조이며, 보정정보를 생성하여 방송하는 기준국 (Reference Station, RS)과 무결성을 감시하기 위한 감시국(Integrity Monitor, IM), 그리고 기준국과 감시국을 제어하기 위한 제어국(Control Station, CS)으로 구성된다. 기준국에서 DGPS 보정정보는 RTCM 메시지 #1, #9번을 이용하여 방송하고, DGLONASS 보정정보는 #31, #34번 메시지를 이용하여 방송한다. 그러나 아직까지 기준국 운영을 위한 RSIM 메시지는 DGPS만을 위한 RSIM 1.
이론/모형
모델은 표 6에 나타내었다. GPS, BeiDou 각각 8개의 위성을 이용하였고, 이온층 모델은 Klobuchar, 대류층 모델은 STANAG를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
성능/효과
또한 GPS/BeiDou 시뮬레이터를 이용하여 GPS 보정 성능결과와 BeiDou 보정성능 결과를 비교하였다. 성능평가 결과 해양 분야에 활용하기 위한 측위정확도측면에서 RSIM의 기준국 요구 성능인 85cm이내의 성능을 충족함을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과인 BeiDou 보정정보 생성 기법은 BeiDou 위성의 FOC (Full Operational Capability)에 대비하여, 신규 DGNSS RSIM 개발 및 운영에 충분히 활용 가능함을 제시하기 위해, 실제 DGNSS 기준국에서의 시범 운영을 통한 RSIM의 요구 성능 검증이 수반되어야 할 것이다.
후속연구
설계 및 그 성능검증을 실시한다. 본 논문의 결과는 향후 신규 표준 기반의 DGNSS RSIM 재구축에 활용되어 우리나라 DGNSS 기준국 시스템의 독자 운영 및 성능 고도화에 기여할 수 있을 것이다.
본 실험결과는 GNSS 시뮬레이터를 이용한 결과이며, 실제 필드 환경에서의 측위성능 결과는 이보다 더 큰 측위오차를 가질 것이다. 하지만 본 논문에서 제안한 DGNSS RSIM을 위한 BeiDou 의사거리 보정 기법이 국제기구인 RTCM에서 요구하는 RSIM 성능표준 (85cm 이내)을 충분히 만족시킬 수 있음을 확인할 수 있었으며, 이는 향후 DGNSS RSIM 재구축시 적용 및 활용이 가능할 것이다.
측위오차를 가질 것이다. 하지만 본 논문에서 제안한 DGNSS RSIM을 위한 BeiDou 의사거리 보정 기법이 국제기구인 RTCM에서 요구하는 RSIM 성능표준 (85cm 이내)을 충분히 만족시킬 수 있음을 확인할 수 있었으며, 이는 향후 DGNSS RSIM 재구축시 적용 및 활용이 가능할 것이다.
성능평가 결과 해양 분야에 활용하기 위한 측위정확도측면에서 RSIM의 기준국 요구 성능인 85cm이내의 성능을 충족함을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과인 BeiDou 보정정보 생성 기법은 BeiDou 위성의 FOC (Full Operational Capability)에 대비하여, 신규 DGNSS RSIM 개발 및 운영에 충분히 활용 가능함을 제시하기 위해, 실제 DGNSS 기준국에서의 시범 운영을 통한 RSIM의 요구 성능 검증이 수반되어야 할 것이다.
참고문헌 (7)
Radio Technical Commission for Maritime Services, RTCM Standard 10401.2 for Differential NAVSTAR GPS Reference Stations and Integrity Monitors (RSIM), RTCM Paper 221-2006-SC104- STD, 2006
Radio Technical Commission for Maritime Services (2013a), RTCM Standard 10401.3 for Differential GNSS Reference Stations and Integrity Monitors (RSIM) (Draft), 2013.
Radio Technical Commission for Maritime Services (2013b), RTCM Standard 10402.4 for Differential GNSS Services-Version 2. RTCM Paper 227-2009-SC104- 564, 2013.
BINEX: Binary Exchange Format, http://binex.unavco.org/binex.html.
K. Y. Seo et al, "Method of Differential Corrections Using GPS/Galileo Pseudorange Measurement for GNSS RSIM," Journal of Navigation and Port Research, Vol. 38, No. 4, pp. 373-378 , 2014. (Korean)
China Satellite Navigation Office, BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document, Open Service Signal (Version 2.0), 2013.
Navstar Global Positioning System, Interface Specification IS-GPS-200 Revision D, 2004.
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