본 논문에서는 한반도 지역에서 SBAS (satellite based augmentation system) 대류층 지연 보정 모델의 정확도 성능을 검증하였다. 정확도 분석을 위한 대류층 지연량 참값으로 IGS (International GNSS Service)에서 제공하는 정밀 대류층 천정 지연량인 ZPD(zenith path delay) 데이터를 활용하였다. 그리고 대표적인 대류층 지연 모델인 Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델과 성능을 비교하였다. 그 결과 SBAS 대류층 지연 보정 모델의 잔여 오차는 약 50 mm 수준으로, Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델보다 성능이 떨어졌다. 이 대류층 지연 모델에 의한 잔여오차는 SBAS 정확도 요구조건에는 문제가 없지만, 사용자 측위 성능에는 영향을 미칠 수 있다. 만약 한반도 기상 환경에 적합하도록 SBAS 대류층 보정 모델의 기상 파라미터를 수정한다면, 더 좋은 성능의 SBAS 서비스를 한반도에 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 한반도 지역에서 SBAS (satellite based augmentation system) 대류층 지연 보정 모델의 정확도 성능을 검증하였다. 정확도 분석을 위한 대류층 지연량 참값으로 IGS (International GNSS Service)에서 제공하는 정밀 대류층 천정 지연량인 ZPD(zenith path delay) 데이터를 활용하였다. 그리고 대표적인 대류층 지연 모델인 Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델과 성능을 비교하였다. 그 결과 SBAS 대류층 지연 보정 모델의 잔여 오차는 약 50 mm 수준으로, Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델보다 성능이 떨어졌다. 이 대류층 지연 모델에 의한 잔여오차는 SBAS 정확도 요구조건에는 문제가 없지만, 사용자 측위 성능에는 영향을 미칠 수 있다. 만약 한반도 기상 환경에 적합하도록 SBAS 대류층 보정 모델의 기상 파라미터를 수정한다면, 더 좋은 성능의 SBAS 서비스를 한반도에 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
In this paper, we verified accuracy of the satellite based augmentation system (SBAS) tropospheric delay correction model for the Korean region. We employed the precise data of the tropospheric zenith path delay (ZPD) which is provided by the international GNSS service (IGS). In addition, we compare...
In this paper, we verified accuracy of the satellite based augmentation system (SBAS) tropospheric delay correction model for the Korean region. We employed the precise data of the tropospheric zenith path delay (ZPD) which is provided by the international GNSS service (IGS). In addition, we compared the verification results with that of the Saastamoinen model and the Hopfield model. Consequently, the bias residual error of the SBAS tropospheric delay correction model is about 50 mm, whereas the Saastamoinen model and the Hopfield model are more accurate. This residual error by the tropospheric delay model can affect the SBAS user position accuracy, but there is no problem in SBAS accuracy requirement. If we modified the meteorological parameters for SBAS tropospheric model to appropriate in Korean weather environment, we can provide better SBAS service to the Korean user.
In this paper, we verified accuracy of the satellite based augmentation system (SBAS) tropospheric delay correction model for the Korean region. We employed the precise data of the tropospheric zenith path delay (ZPD) which is provided by the international GNSS service (IGS). In addition, we compared the verification results with that of the Saastamoinen model and the Hopfield model. Consequently, the bias residual error of the SBAS tropospheric delay correction model is about 50 mm, whereas the Saastamoinen model and the Hopfield model are more accurate. This residual error by the tropospheric delay model can affect the SBAS user position accuracy, but there is no problem in SBAS accuracy requirement. If we modified the meteorological parameters for SBAS tropospheric model to appropriate in Korean weather environment, we can provide better SBAS service to the Korean user.
따라서 본 연구에서는 한반도 지역에서 SBAS 대류층 지연 보정 모델의 정확도 검증을 통해 KASS 적용 가능성을 검토한다. Ahn(2011)은 기상관측 장비의 예측값 비교를 통해 한반도 지역에서 UNB3 모델의 적용 가능성에 대한 실험을 진행한 바 있다 [4].
가설 설정
대류층 지연 모델의 성능을 검증하기 위해 IGS에서 제공하는 정밀 대류층 천정 지연값인 ZPD 데이터를 참값으로 선정하였다. 이 데이터는 IGS 상시 기준국에서 PPP (precise point positioning) 후처리 방식으로 추정되어 300초 간격으로 제공되는 대류층 천정 지연 값으로, 정확도가 4 mm 수준으로 높아 본 연구에서 대류층 지연 참값으로 가정하였다[8].
제안 방법
본 연구에서는 국내 유일 IGS 기준국인 수원(SUWN) 기준 국의 2014년 매월 15일 ZPD 데이터(총 12일)를 사용하여 24시간 300초 간격의 대류층 천정 지연 참값을 계산하였다. 또한 Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델의 정확도를 SBAS 대류층 지연 보정 모델과 비교하기 위해 해당 날짜의 기상정보(기온, 기압, 습도)를 기상청으로부터 획득하여 각 모델 별 대류층 지연 천정 지연량을 계산하였다. 이때 기상정보는 수원(SUWN) 기준국과 가장 가까운 수원 기상관측소의 데이터를 사용하였으며, 기온(temperature) 데이터는 1시간 간격, 기압(pressure) 및 습도(humidity) 데이터는 3시간 간격이다.
Ahn(2011)은 기상관측 장비의 예측값 비교를 통해 한반도 지역에서 UNB3 모델의 적용 가능성에 대한 실험을 진행한 바 있다 [4]. 본 연구에서는 Ahn(2011)과 다르게 IGS (International GNSS Service)에서 제공하는 정밀 대류층 천정 지연 값인 ZPD (zenith path delay) 데이터를 사용하여 SBAS 대류층 지연 보정 모델의 정확도를 분석해 보았다. 그리고 대표적인 대류층 지연 모델인 Saastamoinen 및 Hopfield 모델과성능을 비교하였다.
이때 기상정보는 수원(SUWN) 기준국과 가장 가까운 수원 기상관측소의 데이터를 사용하였으며, 기온(temperature) 데이터는 1시간 간격, 기압(pressure) 및 습도(humidity) 데이터는 3시간 간격이다. 획득한 기상정보 데이터는 시간변화에 대한 보간 없이 가장 가까운 시간에 해당하는 기상정보를 활용하도록 검증 모듈을 단순화 하였다. 그림 1은 대류층 지연 모델검증을 위한 모듈의 구성도를 나타낸 것이다.
대상 데이터
본 연구에서는 국내 유일 IGS 기준국인 수원(SUWN) 기준 국의 2014년 매월 15일 ZPD 데이터(총 12일)를 사용하여 24시간 300초 간격의 대류층 천정 지연 참값을 계산하였다. 또한 Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델의 정확도를 SBAS 대류층 지연 보정 모델과 비교하기 위해 해당 날짜의 기상정보(기온, 기압, 습도)를 기상청으로부터 획득하여 각 모델 별 대류층 지연 천정 지연량을 계산하였다.
데이터처리
본 연구에서는 Ahn(2011)과 다르게 IGS (International GNSS Service)에서 제공하는 정밀 대류층 천정 지연 값인 ZPD (zenith path delay) 데이터를 사용하여 SBAS 대류층 지연 보정 모델의 정확도를 분석해 보았다. 그리고 대표적인 대류층 지연 모델인 Saastamoinen 및 Hopfield 모델과성능을 비교하였다.
이론/모형
검은 실선은 IGS로부터 제공받은 ZPD 데이터의 대류층 천정 지연 참값을 의미한다. 파란 실선은 SBAS 대류층 지연 보정 모델로 계산된 천정 지연 값, 빨간 실선과 노란 실선은 각각 Saastamoinen 모델과 Hopfield 모델로 추정된 천정 지연 값을 나타낸다. 그 결과 Saastamoinen 모델과 Hopfield 모델로 계산된 천정 지연 값은 거의 동일하며, 대류층 천정 지연 참값의 경향을 상당히 유사한 수준으로 모사하는 것을 확인할 수 있다.
성능/효과
반면 SBAS 대류층 지연 보정 모델은 표준편차가 클 뿐만 아니라, 제거하지 못한 대류층 천정 지연 오차 bias가 약 50 mm 수준으로 Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델보다 성능이 떨어졌다. 이는 북미지역에서 SBAS 대류층 지연 보정 모델을 검증한 결과인 평균 5 mm 수준에 못 미치는 결과이며, mapping function 값이 10 정도 되는 저앙각 위성(El = 5°)에서 GPS 측정치의 range 방향 잔여 오차가 0.5 m 까지도 발생할 수 있음을 의미한다.
그 결과 Saastamoinen 모델과 Hopfield 모델은 RMS 약 30 mm 수준으로 대부분의 대류층 지연 오차 bias 제거가 가능한 정확한 모델링 기법임을 확인하였다. 반면 SBAS 대류층 지연 보정 모델은 표준편차가 클 뿐만 아니라, 제거하지 못한 대류층 천정 지연 오차 bias가 약 50 mm 수준으로 Saastamoinen 모델 및 Hopfield 모델보다 성능이 떨어졌다. 이는 북미지역에서 SBAS 대류층 지연 보정 모델을 검증한 결과인 평균 5 mm 수준에 못 미치는 결과이며, mapping function 값이 10 정도 되는 저앙각 위성(El = 5°)에서 GPS 측정치의 range 방향 잔여 오차가 0.
대류층 지연 오차는 다른 GPS 오차 요소들보다 모델을 사용하여 비교적 정확한 제거가 가능하므로 측위 성능에 큰 영향을 미치지는 않는다. 본 연구에서 검증한 SBAS 대류층 보정 모델도 Saastamoinen 및 Hopfield 모델보다 정확도 성능은 떨어지지만, m급 정확도를 요구하는 SBAS 사용자가 사용함에 있어서 큰 문제는 없다. 하지만 한반도 기상 관측 데이터를 바탕으로 SBAS 대류층 보정 모델의 기상 파라미터를 한반도에 적합하도록 수정한다면 더 정확한 KASS 서비스 제공이 가능할 것으로 예상된다.
후속연구
본 연구에서 검증한 SBAS 대류층 보정 모델도 Saastamoinen 및 Hopfield 모델보다 정확도 성능은 떨어지지만, m급 정확도를 요구하는 SBAS 사용자가 사용함에 있어서 큰 문제는 없다. 하지만 한반도 기상 관측 데이터를 바탕으로 SBAS 대류층 보정 모델의 기상 파라미터를 한반도에 적합하도록 수정한다면 더 정확한 KASS 서비스 제공이 가능할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SBAS란?
SBAS (satellite based augmentation system)는 GPS (global positioning system) 단독 측위 시 발생하는 다양한 오차 요인들을 보정함으로써 사용자에게 더 높은 수준의 정확도와 신뢰도를 가지는 위치정보를 제공하는 위성기반 광역 보정 항법시스템이다. 현재 미국의 WAAS (wide area augmentation system), 유럽의 EGNOS (European geostationary navigation overlay service), 일본의 MSAS (MTSAT satellite based augmentation system)가 개발 및 구축되어 운용되고 있으며, 인도의 GAGAN (GPS aided GEO augmented navigation)도 개발을 완료하고 운용 시작 단계에 있다 [1].
SBAS 사용 시 대류층 지연 오차는 어떻게 처리하는가?
SBAS는 사용자가 정확하고 신뢰성 높은 위치 정보를 계산할 수 있도록, GPS 위성의 궤도 및 시계 오차 보정정보와 전리층 지연 오차제거를 위한 격자 전리층 보정정보를 정지궤도위성 (GEO; geostationary earth orbiting satellite)을 통해 제공한다. 하지만 대류층 지연 오차의 경우 보정정보를 따로 제공하지 않고, 보정모델을 사용하여 사용자가 직접대류층 지연량을 제거하게 된다.
국가별 SBAS의 예시는?
SBAS (satellite based augmentation system)는 GPS (global positioning system) 단독 측위 시 발생하는 다양한 오차 요인들을 보정함으로써 사용자에게 더 높은 수준의 정확도와 신뢰도를 가지는 위치정보를 제공하는 위성기반 광역 보정 항법시스템이다. 현재 미국의 WAAS (wide area augmentation system), 유럽의 EGNOS (European geostationary navigation overlay service), 일본의 MSAS (MTSAT satellite based augmentation system)가 개발 및 구축되어 운용되고 있으며, 인도의 GAGAN (GPS aided GEO augmented navigation)도 개발을 완료하고 운용 시작 단계에 있다 [1]. 우리나라도 2014년부터 국토교통부 (MOLIT; Ministry of Land, Infrastructure and Transport) 주관으로 한국형 SBAS인 KASS (Korea augmentation satellite system) 개발 및 구축 사업을 시작하였으며, 2022년 APV-I (approach operation with vertical guidance-I) 급 SoL (safety of life) 서비스를 목표로 하고 있다[2].
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.
G. W. Nam, "South Korea launches Korean SBAS," CNS TODAY, Vol. 4, pp. 4-12, Feb, 2015.
R. Leandro, M. Santos, and R. B. Langley, "UNB neutral atmosphere models: development and performance," in Proceedings of Institute of Navigation National Technical Meeting 2006, Monterey: CA, pp. 564-573, 2006.
Y. W. Ahn, D. H. Kim, J. Bond, and W. S. Choi, "Performance test of the WAAS tropospheric delay model for the Korean WA-DGNSS," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 523-535, 2011.
B. W. Parkinson, Global Positioning System: Theory and Applications, Vol. 1, Washington, DC; American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996.
B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and J. Collins, Global Positioning System Theory and Practice, 5th ed. New York, NY: Springer, 2001.
Minimum operational performance standards for global positioning system/wide area augmentation system airborne equipment, RTCA DO-229D, 2006.
S. H. Byun and Y. E. Bar-Sever, "A new type of troposphere zenith path delay product of the international GNSS service," Journal of Geodesy, Vol. 83, No. 3, pp. 367-373, 2009.
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