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문제 정의
- 본 연구는 조위관측소 GNSS 자료를 이용하여 절대측위와 상대측위를 수행하고 산출된 수직지각변위에 대하여 조화분해를 실시하여 해양조석하중 영향을 구성하는 각 분조의 진폭성분을 계산한다. 이렇게 계산된 진폭성분을 해양조석하중 모델의 진폭과 비교하여 해양조석하중 성분 검출에 적합한 GNSS 측위방법을 도출하는 것이 연구의 목적이다. 기존의 연구와의 차별성으로는 국내에서는 해양조석하중 영향을 검출하기 위하여 상대측위와 절대측위 방식을 직접적으로 비교한 적이 없으며, 국외에서는 2가지 측위방법에 대하여 짧은 기간의 비교가 이루어진 것으로 조사되었다.
- 기존의 연구와의 차별성으로는 국내에서는 해양조석하중 영향을 검출하기 위하여 상대측위와 절대측위 방식을 직접적으로 비교한 적이 없으며, 국외에서는 2가지 측위방법에 대하여 짧은 기간의 비교가 이루어진 것으로 조사되었다. 본 논문에서는 세계적으로도 해양조석이 크게 발생하는 큰 인천과 제주 조위관측소의 GNSS 장기간 데이터를 이용한 연구로서의 의미가 있으며, 이를 통하여 우리나라의 정밀한 해양조석모델의 개발을 위한 GNSS 처리방법을 제시하는 것이 목적이다.
- 본 연구는 조위관측소 GNSS 데이터를 이용하여 상대측위와 정밀절대측위 방식으로 수직변위를 추정하고 두 가지 방식을 비교하여 해양조석하중 성분의 검출 정확도를 분석하는 것이 목적이다. 상대측위는 지상의 기준점과 미지점에서 동시에 같은 GNSS 위성신호를 수신하여 미지점의 좌표를 산출하는 방식이다.
제안 방법
- 본 연구는 조위관측소 GNSS 자료를 이용하여 절대측위와 상대측위를 수행하고 산출된 수직지각변위에 대하여 조화분해를 실시하여 해양조석하중 영향을 구성하는 각 분조의 진폭성분을 계산한다. 이렇게 계산된 진폭성분을 해양조석하중 모델의 진폭과 비교하여 해양조석하중 성분 검출에 적합한 GNSS 측위방법을 도출하는 것이 연구의 목적이다.
- 본 연구는 GNSS 관측데이터를 이용한 수직변위량(Δc)을 산출하고 조화분해를 실시하여 주요 8개 조석분조의 진폭과 위상을 계산한다.
- 본 연구에서는 조위관측소의 GNSS 데이터를 이용하여 지각의 수직변위를 산출하고 조화분해 프로그램을 이용하여 8개 분조의 진폭을 추출하여 전지구 해양조석하중 모델과 비교하여 정확도를 검증한다. 8개 분조는 해양조석에 영향을 많이 미치는 일주조와 반일주조 분조로 대부분의 전지구 해양조석하중 모델에서 제공되는 분조를 산출하고 비교하였다.
- 연구의 시간적 범위는 조위관측소 GNSS 관측데이터의 유무를 조사하여 연속된 시간으로 범위를 설정하였다. 인천 조위관측소는 2006년 9월부터 2007년 3월까지의 6개월 데이터를 이용하였으며, 제주 조위관측소도 2007년 1월부터 6월까지의 6개월의 관측데이터를 이용하여 비교하였다.
- 연구에 사용된 두 가지 GNSS 처리 프로그램은 일반적으로 고체지구조석, 극조석, 해양조석하중에 의한 지각변위를 해당 모델을 이용하여 보정한다. 본 연구에서는 고체지구조석과 극조석은 IERS에서 제공되는 모델을 이용하여 보정하고 해양조석하중 모델은 적용하지 않아 해양조석하중에 의한 수직지각변위를 산출하였다.
- 본 연구에서는 우리나라 조위관측소 GNSS 데이터를 이용하여 산출된 해양조석하중의 분조의 진폭성분을 검증하기 위하여 전지구 해양조석하중 모델과 비교하였다. 비교 대상이 되는 전지구 해양조석하중 모델을 선정하기 위하여 우리나라 조석처리에 사용되고 있는 지역적 해양조석하중 모델인 NAO99jb과 비교하였다.
- 이는 GNSS 좌표추정의 정밀도와 처리안정성 및 조화분해 프로그램의 입력 데이터 주기를 고려하여 1시간으로 설정하였다. 1시간 간격의 수직변위 산출을 위하여 GNSS 자료처리 시간을 1시간과 2시간 단위로 2가지 방법으로 처리하고 우세주기를 분석하여 해양조석하중 조석성분의 검출 성능을 비교하였다. 2시간 간격으로 처리한 경우 2시간의 중간시간을 관측 값으로 결정하여 1시간 단위로 수직변위를 도출하였다.
- 해양조석하중 영향의 구성요소인 분조성분을 검출하기 위하여 조위관측소 GNSS 자료처리 시간을 1시간 간격과 2시간 간격으로 각각 처리하여 FFT를 수행하였다. 처리결과 2시간 간격의 처리에서는 조석분조의 주기가 검출되는 것을 볼 수 있었으며, 1시간 간격에서는 잡음형태의 단주기가 크게 검출되었다.
- 단주기가 크게 검출된 원인으로는 측위정밀도와 관계가 있는 것으로 판단하였으며, 이에 대한 근거로 1시간 간격의 처리의 경우 수직변위의 잔차가 2시간 간격의 잔차보다 크게 나타나는 것을 그림을 통해 알 수 있다. 그러므로 본 연구에서 1시간 단위의 처리는 해양조석하중의 검출에는 적합하지 않은 것으로 판단되었으며, 180일 이상의 GNSS 관측 자료를 2시간 간격으로 상대측위와 절대측위로 처리하여 조석분조를 분석하였다.
- 앞에서는 자료처리 시간간격에 대하여 분조성분의 검출정확도를 분석하였으며, 본 절에서는 측위방법에 따른 분조성분 검출 정확도 비교를 위해 6개월 이상의 인천과 제주 조위관측소 GNSS 데이터를 2시간 간격으로 처리하고 GNSS 수직변위에 대하여 TIRA를 이용한 조화분해를 실시하였다. 검출된 8개 분조는 FES 2004 조석모델 진폭과 비교하였다.
- 본 연구는 정밀절대측위가 해양조석하중 성분 검출에 적합한 것으로 판단하였으며, 이를 검증하기 위하여 상대측위에 기준이 되는 상시관측소를 교체하여 수직변위에 대한 주기를 검출하였다. 비교대상으로 국토지리정보원의 광주(KWNJ) 상시관측소 자료를 기준으로 제주 조위관측소의 해양조석하중 성분 검출을 실시하였으며, 대전을 기준으로 한 주기 검출결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 GNSS 처리방법과 처리시간 간격에 따른 해양조석하중 조석성분 검출 정확도를 비교하였다. 결과 분석을 위하여 우리나라 인천과 제주 조위관측소 2곳의 GNSS 자료를 상대측위와 정밀절대측위 방법으로 처리하여 해양조석하중에 의한 수직변위를 산출하고 조화분해를 통하여 8개 조석분조에 대한 진폭을 추정하였다.
- 본 연구에서는 GNSS 처리방법과 처리시간 간격에 따른 해양조석하중 조석성분 검출 정확도를 비교하였다. 결과 분석을 위하여 우리나라 인천과 제주 조위관측소 2곳의 GNSS 자료를 상대측위와 정밀절대측위 방법으로 처리하여 해양조석하중에 의한 수직변위를 산출하고 조화분해를 통하여 8개 조석분조에 대한 진폭을 추정하였다. 이렇게 추정된 진폭은 전지구 해양조석하중 모델의 진폭과 비교하여 조석성분의 검출 정확도를 확인하였다.
- 결과 분석을 위하여 우리나라 인천과 제주 조위관측소 2곳의 GNSS 자료를 상대측위와 정밀절대측위 방법으로 처리하여 해양조석하중에 의한 수직변위를 산출하고 조화분해를 통하여 8개 조석분조에 대한 진폭을 추정하였다. 이렇게 추정된 진폭은 전지구 해양조석하중 모델의 진폭과 비교하여 조석성분의 검출 정확도를 확인하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 첫째, 우리나라에 적합한 전지구 해양조석하중 모델을 분석하였다. 현재 Onsala Space Observatory에서 제공되고 있는 모델 중 전반적으로 우리나라에 적합한 해양조석하중 모델은 FES 2004 모델로 판단되었으며, 다른 조석모델의 경우 동·남·서해의 지역에 따른 편차가 나타났다.
대상 데이터
- 연구의 공간적 범위는 인천과 제주 조위관측소에 설치된 GNSS 관측데이터를 이용하였다. 조위관측소의 경우 조위를 관측하는 시설물로 해안 및 도서지역에 설치되어 있어 해양조석하중에 의한 지각변위 관측에 용이하다.
- 조위관측소의 경우 조위를 관측하는 시설물로 해안 및 도서지역에 설치되어 있어 해양조석하중에 의한 지각변위 관측에 용이하다. 우리나라는 2005년부터 인천 조위관측소를 시작으로 현재 12개의 조위관측소에 GNSS 수신기가 설치되어 있으며 이 중 조석현상이 크게 발생할 것으로 예상되고 연속적인 데이터 확보가 가능한 인천 조위관측소와 제주 조위관측소를 연구대상지역으로 선택하였다. 또한 상대측위 처리에 있어 고정점은 상대적으로 해양조석하중이 적을 것으로 예상되는 내륙에 위치한 한국천문연구원의 대전 GNSS 상시관측소를 이용하였다.
- 우리나라는 2005년부터 인천 조위관측소를 시작으로 현재 12개의 조위관측소에 GNSS 수신기가 설치되어 있으며 이 중 조석현상이 크게 발생할 것으로 예상되고 연속적인 데이터 확보가 가능한 인천 조위관측소와 제주 조위관측소를 연구대상지역으로 선택하였다. 또한 상대측위 처리에 있어 고정점은 상대적으로 해양조석하중이 적을 것으로 예상되는 내륙에 위치한 한국천문연구원의 대전 GNSS 상시관측소를 이용하였다. 아래 Fig.
- 연구의 시간적 범위는 조위관측소 GNSS 관측데이터의 유무를 조사하여 연속된 시간으로 범위를 설정하였다. 인천 조위관측소는 2006년 9월부터 2007년 3월까지의 6개월 데이터를 이용하였으며, 제주 조위관측소도 2007년 1월부터 6월까지의 6개월의 관측데이터를 이용하여 비교하였다. 대전 상시관측소의 경우 상대측위를 위해 두 곳의 처리기간을 모두 포함하는 데이터를 확보하여 연구를 진행하였다.
- 인천 조위관측소는 2006년 9월부터 2007년 3월까지의 6개월 데이터를 이용하였으며, 제주 조위관측소도 2007년 1월부터 6월까지의 6개월의 관측데이터를 이용하여 비교하였다. 대전 상시관측소의 경우 상대측위를 위해 두 곳의 처리기간을 모두 포함하는 데이터를 확보하여 연구를 진행하였다. 아래 Table 2는 연구 대상지역의 GNSS 수신기, 안테나, 처리기간을 나타낸 표이다.
- NAO99jb의 경우 우리나라에 적합한 지역 조석 모델로 알려져 있다. 비교대상 전지구 모델은 GNSS처리에 많이 사용되는 FES2004, GOT4.8, 최근에 발표된 OSU12, DTU10모델 4가지를 비교하였다.
- 위의 4가지 해양조석하중 모델은 Onsala Space Observatory에서 무료로 제공되는 자료를 이용하여 분석하였다. Onsala Space Observatory에서는 아래 Fig.
- 우리나라에 적합한 전지구 해양조석하중 모델을 선정하기 위하여 서해의 인천 조위관측소, 남해의 통영 조위관측소, 동해의 속초 조위관측소, 제주 조위관측소, 외해의 이어도 종합해양과학기지 5곳의 환경이 다른 지점의 위치를 이용하여 4가지 모델을 다운로드하고 NAO99jb의 8개 분조의 진폭과 비교하였다.
- 자료처리 시간 단위를 결정하기 위하여 인천 조위관측소를 이용하여 1개월 기간(2007.01.11.∼2007.02.09.)에 대하여 자료처리를 실시하였다. 자료처리 결과 산출된 GNSS 수직변위를 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 주기를 계산하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 우리나라 조위관측소 GNSS 데이터를 이용하여 산출된 해양조석하중의 분조의 진폭성분을 검증하기 위하여 전지구 해양조석하중 모델과 비교하였다. 비교 대상이 되는 전지구 해양조석하중 모델을 선정하기 위하여 우리나라 조석처리에 사용되고 있는 지역적 해양조석하중 모델인 NAO99jb과 비교하였다. NAO99jb의 경우 우리나라에 적합한 지역 조석 모델로 알려져 있다.
- 해양조석모델의 비교방법은 8개 분조에 대한 진폭 차이를 평균제곱근 오차(RMSE: Root Mean Square Error)로 표현하였다. 계산식은 Eq.
- )에 대하여 자료처리를 실시하였다. 자료처리 결과 산출된 GNSS 수직변위를 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 주기를 계산하였다. 데이터 처리방법은 정밀절대측위방법과 상대측위를 두 가지 방식을 모두 적용하여 해양조석하중 분조 검출 결과를 비교하였다.
- 자료처리 결과 산출된 GNSS 수직변위를 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 주기를 계산하였다. 데이터 처리방법은 정밀절대측위방법과 상대측위를 두 가지 방식을 모두 적용하여 해양조석하중 분조 검출 결과를 비교하였다.
- 앞에서는 자료처리 시간간격에 대하여 분조성분의 검출정확도를 분석하였으며, 본 절에서는 측위방법에 따른 분조성분 검출 정확도 비교를 위해 6개월 이상의 인천과 제주 조위관측소 GNSS 데이터를 2시간 간격으로 처리하고 GNSS 수직변위에 대하여 TIRA를 이용한 조화분해를 실시하였다. 검출된 8개 분조는 FES 2004 조석모델 진폭과 비교하였다. 비교는 아래의 Eq.
- 본 연구는 정밀절대측위가 해양조석하중 성분 검출에 적합한 것으로 판단하였으며, 이를 검증하기 위하여 상대측위에 기준이 되는 상시관측소를 교체하여 수직변위에 대한 주기를 검출하였다. 비교대상으로 국토지리정보원의 광주(KWNJ) 상시관측소 자료를 기준으로 제주 조위관측소의 해양조석하중 성분 검출을 실시하였으며, 대전을 기준으로 한 주기 검출결과와 비교하였다. 비교 결과 대전을 기준으로 하는 FFT 결과에서는 아래 그림 Fig.
이론/모형
- 해양조석하중에 의한 지각변위는 Mccarthy가 IERS Convention에서 규정한 Eq. (1)로 계산이 가능하다.
- 본 연구에서 사용한 조화분해는 최소제곱법을 이용한 방법이다.
- 연구에 사용된 소프트웨어는 GNSS 자료처리를 위하여 과학용 정밀해석프로그램인 Bernese 5.0(이하 Bernese)과 GIPSY OASIS-Ⅱ(이하 GIPSY)를 이용하였으며, 상대측위(Relative Positioning)는 Bernese BPE(Bernese Processing Engine) 자동처리 프로그램을 이용하였다. 정밀절대측위방식(PPP : Precise Point Positioning)으로는 GIPSY의 gd2p(GNSS data to position) 자동처리방식을 이용하여 데이터를 처리하였다.
- 0(이하 Bernese)과 GIPSY OASIS-Ⅱ(이하 GIPSY)를 이용하였으며, 상대측위(Relative Positioning)는 Bernese BPE(Bernese Processing Engine) 자동처리 프로그램을 이용하였다. 정밀절대측위방식(PPP : Precise Point Positioning)으로는 GIPSY의 gd2p(GNSS data to position) 자동처리방식을 이용하여 데이터를 처리하였다. Bernese의 경우 자동처리에 정밀절대측위방식이 있지만 모호정수 결정과정이 없어 조석성분 산출 낮았다(Yoon and Choi, 2016).
- Bernese의 경우 자동처리에 정밀절대측위방식이 있지만 모호정수 결정과정이 없어 조석성분 산출 낮았다(Yoon and Choi, 2016). 처리간격은 Moving Window기법을 이용한 2시간 단위로 처리하였으며, 이러한 방식을 채택한 원인을 실험결과 분석에서 설명하였다.
- 조화분해는 영국해양연구소(Proudman)에서 개발된 Task–2000 Package의 TIRA(Tidal Institute Recursive Analysis) 프로그램을 이용하여 분석하였다. TIRA는 시간별 조위를 바탕으로 최소제곱법을 이용한 조화분해 프로그램으로 조화분해시 자유롭게 조화상수의 숫자를 계산할 수 있으며, 수개월에서 수년의 자료처리가 가능하며, 우리나라의 조위 및 조석예측에 사용되는 프로그램 중 하나이다(Cho, 2001).
- 상대측위는 정확한 위치결정이 가능하지만 단점으로는 기준점에 대한 GNSS 관측이 필요하며, 미지점의 추정된 좌표는 기준점 좌표의 영향을 많이 받는다. 본 연구에서는 상대측위 방법 중 이중차분(DD : Double Differencing)을 이용한 결과를 산출하였다. 정밀절대측위(PPP)는 차분하지 않은 반송파 위상 및 코드 의사거리를 이용하여 위치를 결정하는 기술로서, 한 대의 수신기를 이용하여 측위결과를 얻을 수 있다.
- 실험결과 측위 잔차가 크면 단주기 성분이 검출되는 현상이 나타났으며, 산출된 수직좌표의 FFT 결과 1시간 단위의 처리는 단주기 성분이 조석성분 주기보다 크게 검출되었으며, 2시간 단위의 처리는 단주기가 감소하고 조석성분의 주기가 검출되는 것을 볼 수 있었다. 이는 상대측위와 절대측위에서 동일한 결과를 나타났으며, 이를 기반으로 2시간 간격의 Moving Window 방법을 이용하여 GNSS 데이터를 처리하였다.
성능/효과
- 첫째, 우리나라에 적합한 전지구 해양조석하중 모델을 분석하였다. 현재 Onsala Space Observatory에서 제공되고 있는 모델 중 전반적으로 우리나라에 적합한 해양조석하중 모델은 FES 2004 모델로 판단되었으며, 다른 조석모델의 경우 동·남·서해의 지역에 따른 편차가 나타났다.
- 둘째, 자료처리 시간 단위에 따른 해양조석하중 조석성분 검출을 분석한 결과 2시간 단위의 처리가 조석성분 검출에 안정적이었다. 실험결과 측위 잔차가 크면 단주기 성분이 검출되는 현상이 나타났으며, 산출된 수직좌표의 FFT 결과 1시간 단위의 처리는 단주기 성분이 조석성분 주기보다 크게 검출되었으며, 2시간 단위의 처리는 단주기가 감소하고 조석성분의 주기가 검출되는 것을 볼 수 있었다.
- 둘째, 자료처리 시간 단위에 따른 해양조석하중 조석성분 검출을 분석한 결과 2시간 단위의 처리가 조석성분 검출에 안정적이었다. 실험결과 측위 잔차가 크면 단주기 성분이 검출되는 현상이 나타났으며, 산출된 수직좌표의 FFT 결과 1시간 단위의 처리는 단주기 성분이 조석성분 주기보다 크게 검출되었으며, 2시간 단위의 처리는 단주기가 감소하고 조석성분의 주기가 검출되는 것을 볼 수 있었다. 이는 상대측위와 절대측위에서 동일한 결과를 나타났으며, 이를 기반으로 2시간 간격의 Moving Window 방법을 이용하여 GNSS 데이터를 처리하였다.
- 셋째, 정밀절대측위방식과 상대측위방식의 해양조석하중 조석성분 검출 정확도를 비교한 결과 8개 분조의 진폭이 정밀절대측위방식이 상대측위보다 전지구 해양조석하중 모델과 유사하게 검출되었다. 이러한 원인으로는 상대측위의 경우 기준점이 되는 관측 자료가 수직변위를 산출하는데 영향을 주어 해양조석하중 성분을 검출하는데 영향을 준 것으로 사료되며, 정밀절대측위의 경우 해당지점의 절대적인 수직변위가 측정되어 해양조석하중의 분조 성분을 검출하는데 적절한 것으로 판단되었다.
- 셋째, 정밀절대측위방식과 상대측위방식의 해양조석하중 조석성분 검출 정확도를 비교한 결과 8개 분조의 진폭이 정밀절대측위방식이 상대측위보다 전지구 해양조석하중 모델과 유사하게 검출되었다. 이러한 원인으로는 상대측위의 경우 기준점이 되는 관측 자료가 수직변위를 산출하는데 영향을 주어 해양조석하중 성분을 검출하는데 영향을 준 것으로 사료되며, 정밀절대측위의 경우 해당지점의 절대적인 수직변위가 측정되어 해양조석하중의 분조 성분을 검출하는데 적절한 것으로 판단되었다. 그러므로 GNSS를 이용한 해양조석하중 성분을 검출하는 처리방식은 정밀절대측위가 더 좋은 처리방법으로 판단되었다.
- 이러한 원인으로는 상대측위의 경우 기준점이 되는 관측 자료가 수직변위를 산출하는데 영향을 주어 해양조석하중 성분을 검출하는데 영향을 준 것으로 사료되며, 정밀절대측위의 경우 해당지점의 절대적인 수직변위가 측정되어 해양조석하중의 분조 성분을 검출하는데 적절한 것으로 판단되었다. 그러므로 GNSS를 이용한 해양조석하중 성분을 검출하는 처리방식은 정밀절대측위가 더 좋은 처리방법으로 판단되었다.
후속연구
- 향후에는 데이터 처리기간을 확대하여 장주기 분조 검출에 대한 연구가 필요할 것이며, 상대측위 시 기준이 되는 지점의 유효성 검사 등을 통하여 해양조석하중 검출에 영향을 주는 요소에 대한 검증이 필요할 것이다. 또한 우리나라의 정밀한 측위 결과를 산출하기 위하여 연구범위를 전국 GNSS 상시관 측소로 확대하여 우리나라 해양조석하중 모델 개발을 위한 연구도 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 향후에는 데이터 처리기간을 확대하여 장주기 분조 검출에 대한 연구가 필요할 것이며, 상대측위 시 기준이 되는 지점의 유효성 검사 등을 통하여 해양조석하중 검출에 영향을 주는 요소에 대한 검증이 필요할 것이다. 또한 우리나라의 정밀한 측위 결과를 산출하기 위하여 연구범위를 전국 GNSS 상시관 측소로 확대하여 우리나라 해양조석하중 모델 개발을 위한 연구도 진행되어야 할 것으로 사료된다.
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